Откройте 7 основных технологий аддитивного производства

Аддитивное производство (AM), или 3D-печать, строит детали по 3D-модели CAD, накладывая и сплавляя слои материала. AM появился в 1987 г. и неуклонно растет, с качественными скачками в последние годы. Компании, изобретающие новые AM-техники, часто создают уникальные маркетинговые термины для схожих процессов, что ведет к путанице. В статье идентифицируем ядерные техники по стандарту ISO/ASTM, их плюсы и минусы.

По ISO/ASTM AM делит техники формирования слоев на 7 категорий, первые четыре подходят для металлов:

1. Струйная печать связующего (Binder Jetting)
2. Направленное энергозапас (Directed Energy Deposition — DED)
3. Порошковое плавление в слое (Powder Bed Fusion — PBF)
4. Слоистая ламинация (Sheet Lamination)
5. Экструзия материала (Material Extrusion)
6. Струйная печать материала (Material Jetting)
7. Ванная фото полимеризация (Vat Photo Polymerization)

1. Струйная печать связующего (Binder Jetting)

Уникальна тем, что не использует тепло для сплавления материала. Селективно наносится связующая жидкость, склеивающая порошковые частицы в 3D-деталь. Выбор связующего зависит от типа порошка, системы, требований клиента. Процесс: роллер наносит слой порошка на платформу, печатающая голова капает связующее в заданные места. Платформа опускается, процесс повторяется. Несвязанный порошок удаляется.

Плюсы: цветные детали; материалы: металлы, полимеры, керамика; быстрый AM-процесс; нет усадки/деформации; меньше отходов (переиспользование порошка); двухматериальный метод — разные комбинации порошок/связующее.

Минусы: пост-обработка добавляет много времени; низкая прочность — не всегда для силовых деталей; точность ниже, чем у Material Jetting.

2. Направленное энергозапас (DED)

DED создает 3D объекты плавлением и напылением порошковых или проволочных материалов фокусированным тепловым источником (лазер, электронный луч, плазменная дуга). Может делать металлы, керамику, полимеры, но в основном — металлы и гибридное производство (подвижная подложка для сложных форм). Также называют LMD, 3D laser cladding, direct light fabrication. Главное применение — ремонт/рекондиционирование деталей локальным наращиванием.

Плюсы: прочные и плотные детали; высокие скорости наращивания; мало отходов; широкий выбор материалов; легкая смена материалов; кастомные сплавы; детали близки к чистовой форме; крупногабаритные детали.

Минусы: высокая капитальная стоимость систем; низкое разрешение — хуже чистота поверхности, нужна второстепенная обработка; поддерживающие структуры неприменимы при наращивании.

3. Порошковое плавление в слое (PBF)

PBF имеет 4 типа энергоисточников: лазерное плавление, электронно-лучевое, плавление агентом+энергией, термическое плавление. Источник плавит пластиковые или металлические порошковые частицы, они затвердевают и сплавляются в узоре. Процесс использует две камеры — строительную и порошковую — и наносящий роллер. Роллер распределяет тонкий слой порошка по строительной камере. Некоторые процессы используют скребок/лопасть/выравнивающий роллер для равномерной толщины. Энергоисточник плавит верхний слой. После сканирования/плавления платформа опускается, порошковая камера поднимается — цикл повторяется до завершения.

Плюсы: низкая стоимость машин; минимум/нет поддерживающих структур; разные материалы; мультиматериальность; переработка порошка.

Минусы: медленно, долгое построение; доп. пост-обработка; слабее силовые свойства; вариативность качества поверхности; может понадобиться поддерживающая плита против усадки; скорость печати определяет перерабатываемость порошка; термическая деформация (в основном полимеры); высокое энергопотребление.

4. Слоистая ламинация (Sheet Lamination)

AM, строящий 3D объекты стакованием и ламинацией тонких листов через склеивание, ультразвуковую сварку или пайку. Финальная форма — лазерной резкой или ЧПУ-обработкой. Из всех AM дает наименьшее аддитивное разрешение/детализацию, но низкая стоимость и быстрое прототипирование доступными материалами.

7 подтипов ламинации:

• Laminated Object Manufacturing (LOM)
• Selective Lamination Composite Object Manufacturing (SLCOM)
• Plastic Sheet Lamination (PSL)
• Computer-Aided Manufacturing of Laminated Engineering Materials (CAM-LEM)
• Selective Deposition Lamination (SDL)
• Composite Based Additive Manufacturing (CBAM)
• Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM)

Принцип общий: тонкий лист подается с роллера или кладутся на платформу. Следующий слой может склеиваться с предыдущим или нет. Слоение до нужной высоты. Удаление печатного блока и лишних краев завершает деталь.

Плюсы: низкая стоимость; большая рабочая зона; полноцветная печать; интеграция в гибридные системы; легкая работа с материалом; многослойные материалы; в некоторых типах состояние материала не меняется; быстрое построение (но нужна пост-обработка).

Минусы: высота слоя неизменна без смены толщины листа; финиш зависит от материала, может требовать пост-обработку; ограниченный выбор материалов; удаление лишнего после ламинации трудоемко и долго; может давать больше отходов vs другие AM; полые детали сложны в некоторых типах; прочность склеивания зависит от техники.

5. Экструзия материала (Material Extrusion)

Самый популярный AM-процесс по доступности для массового потребителя и качеству. Непрерывная нить термопластика или композита строит 3D детали. Нить в пластиковой нити подается в экструзионную головку, нагревается и наносится на платформу слой за слоем.

Плюсы: широкий выбор материалов; понятная техника; легкая смена материала; низкие стартовые/эксплуатационные расходы; быстро для мелких/тонких деталей; точность ±0,1 мм (±0,005»); без присмотра; компактное оборудование; низкотемпературный процесс.

Минусы: видимые слои; головка в постоянном движении или материал буксирует; могут понадобиться поддержки; низкая прочность по Z-оси; время растет при тонком разрешении и больших площадях; чувствительно к усадке/температурным скачкам; токсичные материалы печати.

6. Струйная печать материала (Material Jetting)

Процесс селективного оседания капель воскоподобного материала на платформу. Материал остывает и твердеет, позволяя накладывать слои. После построения поддержки механически удаляются или расплавляются.

Плюсы: выдающаяся точность и чистота поверхности; детали годны для моделей литья.

Минусы: ограниченный выбор воскоподобных материалов; хрупкие детали (воскоподобные); медленный процесс.

7. Ванная фото полимеризация (Vat Photo Polymerization)

Процесс увязки фоторезиновой жидкости в ванне слоями УФ-лазером в твердый пластик. 3 основных типа: стереолитография, Digital Light Processing (DLP), Continuous DLP (CDLP).

Плюсы: высокая точность и хороший финиш; относительно быстрый процесс; большие зоны построения.

Минусы: относительно дорого; долгая пост-обработка и извлечение из смолы; ограничено фоторезинами; могут влиять УФ после печати; могут требоваться поддержки и пост-увязка для структурной прочности.

Заключение

По мере удешевления AM-оборудования для цехов гибкость дизайна и свойств материалов ведет к широкому спектру практических применений. Аэро, авто, медицина — все видят выгоды от AM. Быстрый прототипинг, малые серии, ремонт деталей — драйверы роста.