Лазерная металлическая печать: ключевые факты для производства точных деталей

Готово ли производство точных деталей к 3D-лазерной печати?

Тема 3D аддитивной лазерной печати металла часто в новостях. Так что вы можете задаться вопросом: когда Metal Cutting Corporation заговорит о лазерной печати? В конце концов, мы часто говорим о различных других методах изготовления металлических деталей.

В Metal Cutting мы делаем детали, которые очень малы, для нашего примера здесь часто с размерами 1 мм (0,039") на 2 мм (0,079"), и мы делаем МНОГО их. Эти детали обычно не имеют много сложных особенностей или внутренних пустот. Они могут быть трубкой или они могут быть твердыми.

Так что наш вопрос для экспертов 3D лазерной печати: можете ли вы использовать 3D лазерную печать металла для таких больших количеств таких мелких деталей?

Базовые методы 3D лазерной печати металла

Для начала давайте быстро посмотрим на три первичных метода для 3D аддитивной лазерной печати металла.

Прямое металлическое лазерное спекание (DMLS)

Этот самый популярный метод в основном плавит 2D дизайн на выпрямленное подложку пудры, спекание пудру и затем добавление слой за слоем для построения объекта. DMLS позволяет доселе невозможные дизайны. Однако процесс очень медленный и производит металлургию, которая приближается, но не в каждом случае равняется традиционной фабрикации. DMLS также известно как селективное лазерное спекание (SLS) или селективное лазерное плавление (SLM).

Направленное энергетическое наложение (DED)

В этом пудро-питаемом методе высококонцентрированный поток металлической пудры медленно выпускается через экструдер и спекется, когда он встречается с лазером, формируя слои на поверхности детали. DED высокоточен для 3D лазерной печати металла и также используется для ремонта сломанных деталей. Этот метод известен как лазерное металлическое наложение (LMD).

Металлическое связывание пудрой (Metal Binder Jetting)

Этот метод включает нанесение жидкого связующего смолы на пудровый металлический материал. Слои, в эффекте, «склеены» вместе и затем спеканы в высокотемпературной печи. Этот процесс быстрее и менее затратен, чем другие два метода; однако результаты не почти так прочны или плотны, как результаты, которые вы получаете с DMLS или DED.

Некоторые применения для лазерной печати металла

Лазерная печать металла стала популярной для ряда применений. Эти включают все от прототипирования до функциональных компонентных деталей в различных отраслях, до массовой кастомизированной produkcji повседневных предметов, таких как ювелирные изделия и кухонная утварь.

Лазерная печать металла высокопопулярна в стоматологических и ортопедических имплантных применениях. Она позволяет этим продуктам быть кастомизированными для удовлетворения индивидуальных потребностей пациентов. (Вы можете прочитать больше в нашем блоге Полировка металлических деталей для 3D-печатных медицинских приборов.) Лазерная печать металла также широко используется для авиации. Например, следующее поколение реактивного двигателя LEAP имеет 3D-печатные топливные форсунки.

Некоторые распространенные ошибки

Люди делают некоторые неверные предположения, когда речь идет о 3D лазерной печати металла. Это звучит глупо, но стоит отметить, что просто потому что продукт спроектирован с использованием 3D CAD моделирования не делает его «3D-печатным»; 3D лазерные процессы печати требуют уникальной пост-обработки.

Как и с любым производственным методом, свойства конкретного материала, который будет использован, также должны быть рассмотрены. Например, одно предположение — что лазерная печать металла — замена для металлической литья. Напротив, лазер отлично для уникальных, сложных деталей, которые не могут быть отлиты. Свойства 3D лазерно напечатанного металлического объекта отличаются от свойств «того же» объекта, когда он отлит в металле.

Также лазерная печать металла деталей, спроектированных для процесса, такого как ЧПУ фрезерование, была бы очень дорогой. Это потому, что вычитательно произведенные детали имеют больше массу и объем, и их дизайны не оптимизированы для врожденных преимуществ 3D производства — по сути, пустоты и легкие, высокопрочные структуры.

Преимущества лазерной печати металла

С перспективы инженера, вероятно, самые значительные преимущества 3D лазерной печати металла:

• Способность производить полностью замкнутые пустоты и другие особенности, невозможные для вычитательной обработки
• Структуры, производящие необыкновенную прочность детали и легкий дизайн, который ранее был невозможен достичь

Для отрасли, такой как авиация, где уменьшенный вес самолета означает более низкое потребление топлива, легкий вес — важная цель.

С перспективы применения, самое значительное преимущество лазерной печати металла — «массовая кастомизация», которую 3D аддитивная лазерная печать принесла в отрасли, варьирующиеся от авиации запчастей до стоматологии корон и мостиков, до ортопедических и протезических инноваций и, конечно, всего бизнеса прототипирования. Некоторые из этих уникальных форм никогда не могли быть произведены вычитательно. Даже для тех, которые могли быть обработаны или отлиты при более низкой стоимости за деталь, ни один метод не мог бы мыслимо приблизиться к почти мгновенным срокам доставки, которые 3D лазерная печать металла сделала возможными.

Лазерная печать металла также может уменьшить количество отходного материала в производственном процессе. Где традиционные вычитательные методы резки включают удаление материала для создания формы, 3D лазерная печать металла достигает формы через добавление именно нужного материала.

Пока металлическая пудра доступна, 3D лазерная печать гибка в терминах металлов, которые она может использовать. Они включают титан, нержавеющую сталь, Инконель и кобальт-хром, а также латунь, медь, бронзу и драгоценные металлы, такие как золото, серебро и платина. Однако, пока вызовы 3D лазерной печати в инертной атмосфере были преодолены, остается невозможным правильно отжечь определенные металлы. Например, пока вольфрам может быть «построен» через 3D печать, результирующий блок вольфрам металла слишком хрупок, чтобы быть пригодным.

Недостатки лазерной печати для металлических деталей

Аддитивная 3D лазерная печать определенно известна тем, что делает невозможное возможным, но как насчет точности? Является ли 3D печать хорошим методом для изготовления мелких точных металлических деталей?

Давайте посмотрим на DMLS, самый зрелый и хорошо разработанный метод, где важные переменные, движущие размерную точность:

• Размер частиц пудры
• Интервалы высоты шагов лифта
• Размер лазерного луча

Каждый из этих факторов определяет размерные допуски. Большой размер частиц металлической пудры делает более крупные шаги. Высота каждого пудрового слоя аналогично определяет допуски, которые могут быть достигнуты. И, вероятно, самая важная переменная — размер лазера. Это где крошечный луч дает вам большую точность, а более крупный луч производит более неточные размеры. Проблема в том, что меньший лазерный луч генерирует меньше тепла — и это значит, что ему потребуется больше времени, чтобы сделать свою работу. Так что вы можете иметь деталь, которая очень точная и/или очень маленькая, но это будет занимать намного больше времени для производства. Это, в свою очередь, повышает стоимость.

Есть другие способы, которыми лазерная печать металла затратна по времени. Снова посмотрите на очень популярный DMLS, где у каждой детали есть крошечная точка крепления, как крошечная нить, держащая осыное гнездо, подвешенное от крыльца. Если у вас 10 000 лазерно напечатанных деталей, это значит, что у вас 10 000 точек крепления, которые должны быть разделены. Эта задача разделения от основы обычно выполняется с использованием ЭРО; но какой бы метод ни использовался, делая это 10 000 раз побеждает большинство, если не все аддитивные преимущества.

Реальность в том, что настоящее массовое производство все еще невозможно с 3D лазерной печатью металла. Это делает это непрактичным и затратным для производства десятков тысяч очень мелких деталей. Кроме того, есть высокие первоначальные затраты 3D лазерного принтера: как минимум $100 000 для некоторых новейших настольных, направленных на срыв предыдущих срывов, до более $1 миллиона для контролируемых атмосферных принтеров, используемых с металлами, такими как титан, или гигантских объемов, требуемых для станков, спроектированных для производства авиационных деталей. Та высокая стоимость означает, что любое применение, для которого предлагается лазерный принтер, должно «добавлять» что-то действительно уникальное, чтобы «вычитать» из стоимости традиционных методов металлообработки.

Что держит будущее?

Мы не хотим, чтобы вы думали, что мы упрямы или устойчивы к изменениям. Фактически, мы хотели бы сделать вызов нашему другу Скотту Кوهену и его партнеру Дэвиду Беллу в New Lab. Они знают будущее так же хорошо, как кто угодно, и мы не сомневаемся, что кто-то в New Labs однажды решит некоторые из проблем, которые мы видим сейчас.

Пока развитие настольных 3D лазерных принтеров — вместо гигантских промышленных станков — сделает технологию более доступной, мы все еще не видим лазерную печать металла подходящей для высоких объемов мелких точных деталей. В этом случае маленькие станки не делают мелкие детали. Но конечно, однажды мы можем быть доказаны неправыми!

Для некоторых полезных советов о том, как выбрать лучший метод точной резки металлов для вашего металлообработки проекта, скачайте нашу белую книгу Выбирайте с уверенностью: Сравнение методов точной резки 2-осевой.