Металлическая 3D-печать: преодоление ключевых вызовов и использование новых решений

Металлическая 3D-печать не лишена практических трудностей и возможностей. Получите глубокое понимание того, где ждать подводных камней — и как с ними справиться. А также узнайте о новых технологиях, способных изменить направление рынка.

Будущее уже наступило в металлической 3D-печати — и цена входа может создавать встречный ветер. Крупнейшие игроки производства глубоко вовлечены в эту область — и им может понадобиться помощь мелких специализированных цехов. Что требуется для внедрения 3D-печати и металла вместе? Принятие новых инженерных подходов и привыкание к новым материалам, таким как металлические порошки, для начала.

SpaceX печатает ключевые детали этим способом. Так делают NASA, Boeing, Lockheed Martin и GE Aviation. Эти и другие производители 3D-печатают металлические детали для самолетов, перевозящих нас из города в город, космических кораблей, доставляющих астронавтов на низкую орбиту, и ракет, запускающих красные Tesla Roadster в пояс астероидов. Медицинские компании также присоединяются к аддитивному производству с 3D-печатанными имплантами для замены бедер и пластинами для восстановления черепа пострадавших в авариях. Автомобильная и потребительская промышленность также встают в очередь.

Если вы субподрядчик для одной из этих крупных аэрокосмических фирм, вы уже понимаете вызовы, сопутствующие этой сложной технологии. Хотя она не заменит традиционные или многие процессы ЧПУ-обработки и сборки в наше время, она меняет ландшафт доступных производственных вариантов.

Посмотрите на цифры: исследователь IDTechEx прогнозирует, что металлическая 3D-печать вырастет до индустрии в 12 млрд долларов к 2028 году — по сравнению с примерно 2,5 млрд в 2018 году. Исследование EY 2016 года показало, что 52% опрошенных компаний выбирают металл в 3D-печати выше любого другого материала. Следующий по популярности материал, полимер, набрал 31% спроса — с 6%, надеющимися печатать керамику.

«Компании выбирают [металл], потому что он позволяет печатать изделия из благородных металлов, титана, инструментальной стали, нержавейки и алюминиевых сплавов», — говорится в отчете EY. «Среди компаний, уже использующих металлическую 3D-печать, лидируют две отрасли: аэрокосмическая и автомобильная. 65% этих компаний используют металлическую 3D-печать; этот высокий показатель обусловлен огромным количеством металлических компонентов в продукции этих секторов».

Будьте готовы ждать и чистить детали после металлической 3D-печати

Прежде чем окунуться в бизнес 3D-печати, подготовьтесь. Это может звучать очевидно, но создание деталей таким способом ничем не похоже на фрезеровку алюминиевого бруска или токарную обработку вала из кобальт-хрома. Инструмент — лазер, материал — куча металлического порошка, оснастка — плоская металлическая плита. Загрузите программу, нажмите «Пуск» — и через часы или дни ваша деталь готова. Почти.

Вот в чем подвох: не только скорости построения в металлической 3D-печати ледниково медленны по сравнению с механической обработкой, но детали также не обязательно завершены после обработки, а также не полностью точны. Независимо от того, как вы это называете — прямое лазерное спекание металла, электронно-лучевое плавление или селективное лазерное плавление, типичные допуски при порошковом слоевая синтезе составляют около ±0,005 дюйма с шероховатостью поверхности, сравнимой с литьей в оболочке (около 125 Ra в лучшем случае). Это означает, что механическая обработка обычно необходима для очистки критических поверхностей, сверления отверстий, нарезки резьбы и многого другого.

Кроме того, порошковое слойовое синтез требует опорных структур в виде лесов для поддержки детали во время обработки. Это означает, что могут потребоваться шлифовка, пескоструйная обработка и дополнительная механическая обработка для удаления этих опор.

Хотите более фундаментальные знания о том, почему и как 3D-печать повлияла на производство? Ознакомьтесь со статьей «Обоснование 3D-печати в производстве».

Каково ваше мнение? Обсудите с коллегами на форуме сообщества.

Горячая тема: термострессы при 3D-печати металлов

Существует также термическое напряжение. Лазеры и электронные лучи нагревают частицы титана, алюминия, нержавейки, кобальт-хрома, инструментальной стали и десятков других сплавов до их температур плавления, которые могут превышать 2700 градусов. После завершения каждого слоя добавляется свежий порошок, и процесс начинается снова. Как вы можете себе представить, этот повторяющийся нагрев и охлаждение создает огромное напряжение, которое должно контролироваться в процессе построения, а затем сниматься после постройки термической обработкой.

Это много чего требует обдумать и управлять. Кроме того, тем, кто преследует стратегию 3D-печати, необходимо рассмотреть масштабируемость, моделирование, слоирование и симуляцию.

Масштабируемость

До недавнего времени крупнейший 3D-металлический принтер был 겨우 достаточно велик, чтобы напечатать тостер. Сегодня коммерчески доступные машины могут изготавливать детали размером с каноэ и наносить 9 кг металла в час. Какого размера машина вам нужна, какая технология лучше и какой у вас бюджет? Можно предположить, что это будет стоить 1 млн долларов или более, не считая кривой обучения.

Моделирование

Одним из крупнейших препятствий для аддитивных производителей является проектирование деталей. Инженеры должны научиться мыслить иначе, если хотят добиться успеха с этой технологией — а это значит принимать сложные геометрии и «органические формы», которые ранее было невозможно изготовить. Конечно, за станочниками и технологиками остается задача разобраться, как закрепить детали нестандартной формы, поступающие к ним.

Слоирование

После утверждения дизайна программист или оператор 3D-принтера должен спроектировать опорные структуры и определить лучший способ ориентации и построения детали. Хорошая новость в том, что существует множество программных продуктов, предназначенных для этой цели — и эта задача ничуть не так сложна, как раньше.

Симуляция

Пластина заполнена порошком, строительная плита чиста, металл готов к плавлению. Но перед нажатием кнопки важно оценить процесс построения с помощью программной симуляции. Это поможет выявить зоны, где термическое напряжение может проявиться, определить, где нужны опорные структуры (или где они излишни), и подтвердить, подходит ли существующий дизайн детали для 3D-печати.

Металлическая 3D-печать встречает нового друга — полимер

В мире металлической 3D-печати порошковое слойовое синтез царствует вершине — по крайней мере, пока. Несколько новых технологий вступают на территорию порошкового слоя, включая термическое распыление и экструзионные подходы, обещающие более низкие затраты (в диапазоне 120 000 долларов против 500 000 и выше), большую точность и значительно более высокую скорость построения. Одна из них работает примерно как струйный принтер, только «чернила» сделаны из металлического порошка, смешанного с полимерным связующим.

Деталь строится в «зеленом» состоянии, а затем помещается в печь для спекания, что немного отличается от десятилетиями используемого процесса литья металла под давлением (MIM). Поскольку используется тот же металлический порошок, она не подвергается такой глубокой металлургической проверке, как другие аддитивные порошки. И, как и все технологии металлической 3D-печати, она производит полностью плотные детали.

Похоже на технологию «binder jetting», используемую в некоторых новых полимерных принтерах, скорости построения据称 в 10–100 раз выше, чем у конкурентов. Стоимость оборудования составляет долю от стоимости порошкового слоя или гибридных станков. Почти нет необходимости в опорных структурах, а используемые можно легко удалить после спекания. А поскольку нет лазерного излучения — только УФ для отверждения связующего — а металл поставляется в удобных для принтера картриджах, знакомых любому офисному работнику, проблемы охраны труда и безопасности намного меньше.

«Внедрение металлической 3D-печати для производства готовых деталей стало шагом, который совершили некоторые станочные предприятия, но это было не то, чем могли заниматься цеха везде», — отмечает Питер Зелински, главный редактор Modern Machine Shop, в статье «Приход недорогой металлической аддитивной печати?». «Теперь более дешевая металлическая 3D-печать может означать, что цеха будут регулярно использовать как аддитивные, так и субтрактивные методы для металлических деталей. И это также может означать, что диапазон металлических деталей, подходящих для аддитивного производства, готов расшириться».

Был ли у вас опыт с металлической 3D-печатью или другими аддитивными процессами? Как это было для вас и вашего цеха?