3D Печать Металлом: Инновационная Технология Производства

3D печать металлом - это одна из самых инновационных технологий на сегодняшний день. Она позволяет создавать металлические изделия с неповторимым дизайном и высокой точностью. 3D печать металлом является одной из наиболее перспективных аддитивных технологий, способная с успехом дополнять традиционные производственные процессы.

Эта технология нашла применение в различных отраслях, начиная от авиастроения, заканчивая производством ювелирных украшений. Рассмотрим подробнее, как работает эта технология, какие у неё преимущества и где она применяется.

Принцип работы 3D печати металлом

Процесс 3D печати металлом начинается с создания трехмерной модели объекта, которая может быть создана в специальных программах для 3D‑моделирования или с помощью 3D‑сканера. Затем модель отправляется в принтер, который производит печать объекта из металлического порошка.

Толщина слоя металлического порошка составляет от 15 до 100 микрон. Луч сканирует верхний слой и расплавляет порошок. В технологии, основанной на спекании, используется чистый металлический порошок.

Технология 3D‑печати металлом может использовать несколько видов материалов, таких как сталь, алюминий, титан и другие.

Преимущества и ограничения печати металлом

Одним из главных преимуществ 3D печати металлом является возможность создания комплексных геометрических форм с внутренними каналами, которые трудно или невозможно произвести традиционными методами производства. Благодаря этой технологии, теперь можно создавать детали с более высокой точностью и качеством. Кроме того, при 3d-производстве значительно экономится сырье и расходуется меньше энергии.

Сложные формы изделий могут быть реализованы без дополнительных инвестиционных затрат. Объекты, изначально состоящие из нескольких сложных деталей с различными этапами изготовления, могут быть произведены за один этап. И можно внести конструктивные изменения, оптимизированные для конкретного применения, которые в противном случае были бы неосуществимы.

3D-печать металлом не требует дополнительных инструментов, таких как пресс-формы. При мелкосерийном производстве использование пресс-форм в обычном производственном процессе приводит к увеличению сроков изготовления и дополнительным затратам, а зачастую становится нерентабельно.

3D-печать металлом также может помочь на любом производстве и уберечь от простоя и потери прибыли. Металлические запасные части используются на любом производстве и возможность быстрой поставки этих деталей собственными силами позволяет обеспечить бесперебойное обслуживание производственной линии.

3D-печать позволяет сократить время на итерации проектирования и упрощает разработку продукта, особенно на средне- или мелкосерийном производстве.

Что можно напечатать металлом на 3D принтере? Почти все тоже самое, что и изготовить из металла другим способом и даже намного больше, но, увы, с некоторыми ограничениями. Прочность напечатанных изделий немного уступает кованным, но это имеет значение лишь в случаях экстремального, предельного нагружения, если деталь спроектирована и изготовлена с запасом прочности, как и должно быть, то работать она будет точно так же и столько же времени, а может даже дольше.

Список материалов, которыми осуществляется печать, уже очень велик и почти не отличается от обычного списка основных конструкционных металлов и сплавов. В него входят: нержавеющие стали, инструментальные стали, жаропрочные сплавы, титановые сплавы, алюминиевые сплавы, сплавы цветных металлов, таких как медь, латунь, цинк, медицинские сплавы из хрома, кобальта, титана и так далее.

А вот границ “шалостей” с геометрическими формами 3D печать практически не знает вовсе. Наиболее “суровые” 3D принтеры вполне способны печатать особо тугоплавкими металлами, такими как вольфрам. На них успешно печатаются такие требовательные и ответственные детали, как лопасти турбин, скоростные подшипники, сверла, пилы, резцы и даже сопла ракетных двигателей.

Типичный образец того, как 3D печать позволила оптимизировать и саму деталь, и ее изготовление:

Типичный образец того, как 3D печать позволила оптимизировать и саму деталь, и ее изготовление

Основные недостатки и ограничения 3D печати:

• печатная область ограничена размером, габариты самых больших на сегодня принтеров укладываются в 600х600х1000 мм или 460х360х1200 мм, то есть много чего не напечатать только по этой причине;
• высокая стоимость оборудования и расходных материалов, как следствие, изделия тоже не могут быть дешевыми;
• невысокая скорость изготовления в сравнении с традициоными методами, особенно крупногабаритных изделий и в массовом производстве;
• повышенные требования к помещению и условиям эксплуатации оборудования, хранению и транспортировке сырья;
• для работы с 3D принтерами допускаются только высококвалифицированные специалисты.

Разновидности технологий печати металлом

Существует несколько технологий 3D печати металлом, каждая из которых имеет свои особенности и преимущества:

Печать методом послойного наплавления (FDM)

Самая привычная, для “обычного тридэшника”, разновидность печати. Вместо традиционного пластикового прутка используется смесь пластика с металлическим порошком, массовая доля которого может достигать 80%. После печати деталь спекается или обрабатывается химически, пластик удаляется, оставляя полностью металлическую деталь. Такой способ предполагает заранее прогнозируемую усадку, которую следует учитывать при проектировании.

Детали, напечатанные способом FDM, не могут похвастаться огромной прочностью, а значит их применение (в некоторых сферах техники) ограничено. Большим преимуществом технологии является ее простота, невысокая стоимость материалов и оборудования, сравнимая с ценой “обычных” профессиональных 3D принтеров.

Селективное лазерное спекание (SLM)

Наиболее известный и распространенный вид 3D печати металлом. Разнообразие принтеров варьируется в широком диапазоне размеров, мощности, скорости работы, используемых материалов и, соответственно, цен. По данной технологии материал в виде тонкого металлического порошка послойно наносится и спекается мощным лазером в готовое изделие.

В дальнейшем порошок удаляется в специальной камере, а деталь может считаться готовой или же подвергается дополнительной термической или механической обработке. SLM детали получаются максимального качества, точности и прочности. Могут работать в любых отраслях науки и техники, включая аэрокосмическую и медицинскую область. Принтеры и сопутствующее оборудование SLM весьма недешевы. Металлические порошки тоже. Процесс печати довольно длительный, удаление порошка непростое, требует терпения и времени.

Струйная печать (binder jetting)

Порошковая печать, похожая на SLM, только для связывания вещества используется специальный клей, а не лазер. При дальнейшем спекании клей удаляется. Скорость печати BJ самая высокая, а прочность сравнима с литьем под давлением. В отличие от SLM зачастую используется в средне- и крупносерийном производстве инструментов, запасных частей и прочих массовых изделий.

Холодное напыление

Металлический порошок напыляется на поверхность, разгоняясь до сверхзвуковых скоростей через сопло реактивными газами. Металлические частицы подаются в рабочую зону в холодном виде и прилипают к поверхности благодаря пластической деформации и вызываемому ей нагреву на микроуровне.

Метод не отличается высокой точностью и больше годится для восстановления изношенных металлических поверхностей, чем для изготовления новых изделий. Преимуществами являются: отсутствие локального нагрева (приводящего к деформации, трещинам и прочим дефектам ремонтируемой детали), а также высокая плотность и прочность нанесенного материала.

Прямая лазерная наплавка (DED)

Метод одновременного прямого подвода энергии и металла. Металлический порошок или проволока подаются непосредственно в место печати, где спекаются с предыдущим слоем в расплавленной лазером ванне. Процесс довольно грубый, но быстрый, толщина одного слоя 0,2 - 1 мм. DED годится как для изготовления новых деталей, так и для ремонта существующих. Подходит для нанесения защитного покрытия от химического или механического воздействия. Не деформирует заготовку. Способно одинаково успешно соединять разнородные металлы, не требует особо ровной и чистой поверхности.

Литографическая печать (LMM)

Технология микроскопической печати с разрешением в несколько микрон и даже меньше. Применяется для изготовления миниатюрных хирургических инструментов, сверхмалых механических деталей и прочих изделий не поддающихся изготовлению другими способами.

Существуют способы печати, оперирующие еще более мелкими измерениями, вплоть до наночастиц и атомарного уровня, но все они пока носят экспериментальный характер. Возможно, скоро узнаем подробнее и про них.

Обзор технологий 3D печати металлом

Применение 3D печати металлом в различных отраслях

3D печать металлом нашла свое применение во многих отраслях промышленности.

Авиационная отрасль

В авиационной отрасли, например, 3D печать металлом используется для производства деталей двигателей и других сложных механизмов, которые имеют критическое значение для безопасности полетов. Одним из основных преимуществ использования аддитивных технологий в аэрокосмической отрасли является возможность создания сложных геометрических форм, которые трудно или даже невозможно изготовить с помощью традиционных методов. Это позволяет сэкономить материалы, снизить вес и улучшить производительность изделий.

Медицинская отрасль

В медицинской отрасли, 3D печать металлом позволяет создавать костные и зубные имплантаты, которые точно соответствуют индивидуальным потребностям пациента. Медицинская отрасль извлекает огромную выгоду из аддитивного производства, особенно в области протезирования и имплантации. Способность 3D-печати создавать персонализированные медицинские изделия, точно соответствующие анатомии пациента, революционизирует подходы к лечению и восстановлению здоровья. Использование биосовместимых металлов, таких как титан, дополнительно повышает эффективность и безопасность этих методов.

Преимущества 3D-печати в медицине:

• Персонализация: Каждый имплант или протез может быть точно адаптирован под конкретного пациента, учитывая его анатомические и физиологические особенности. Это обеспечивает более высокий уровень комфорта и лучшие функциональные результаты.
• Биосовместимость: Использование биосовместимых материалов, включая титан и его сплавы, позволяет избежать многих проблем, связанных с отторжением и негативными реакциями организма. Такие материалы могут успешно интегрироваться в тело человека, обеспечивая долговременное функционирование имплантата.
• Скорость производства: Во многих случаях 3D-печать позволяет значительно ускорить процесс создания медицинских изделий. Это особенно ценно при необходимости экстренного вмешательства.

Автомобильная промышленность

В автомобильной промышленности 3D-печать металлами используется для разработки и производства уникальных деталей и компонентов с высокой степенью кастомизации. От спортивных автомобилей высоких производительности до роскошных индивидуальных заказов, аддитивные технологии позволяют сократить вес, повысить эффективность и достигнуть несравненных показателей аэродинамики.

Внедрение 3D-печати металлами в автомобильную промышленность открывает новые возможности для инженеров и дизайнеров, позволяя им создавать компоненты, которые ранее были невозможны для производства традиционными методами.

Основные преимущества и области применения 3D-печати в автомобилестроении включают:

• Сокращение веса: Легкие материалы, такие как алюминиевые и титановые сплавы, часто используются при 3D-печати металлами. Они позволяют создавать компоненты с высокой структурной прочностью при существенно меньшем весе. Это может значительно снизить общий вес автомобиля, улучшить его топливную эффективность и динамические характеристики.
• Улучшенная аэродинамика: С помощью 3D-печати можно разработать сложные геометрические формы, которые оптимизируют аэродинамические характеристики автомобиля. Индивидуальная настройка компонентов, таких как крылья, обвесы и капоты, позволяет улучшить обтекаемость и уменьшить сопротивление воздуха.
• Кастомизация и инновации: 3D-печать предоставляет возможности для создания индивидуализированных решений и компонентов под конкретные требования или предпочтения заказчика. Это особенно ценно для производства эксклюзивных автомобилей, спортивных машин и концепт-каров, где каждая деталь может быть уникально спроектирована и изготовлена.
• Сокращение затрат и времени на разработку: Аддитивные технологии могут существенно сократить затраты и время, необходимые для разработки и производства новых продуктов. Применение 3D-печати уменьшает необходимость в создании дорогостоящих инструментов и форм, а также позволяет проводить испытания прототипов на более ранних этапах разработки. Это облегчает итеративный процесс дизайна, позволяя инженерам быстро вносить изменения и адаптироваться к новым требованиям или обратной связи от клиентов.

Заблуждения о печати металлом

• Напечатать можно все что угодно. Не совсем так. Во-первых, область построения принтера весьма ограничена и крупные детали “одним куском” напечатать не получится. Во-вторых, некоторые детали (относительно простых форм) печатать хоть и можно, но очень нерентабельно. В-третьих, напечатанная модель зачастую нуждается в постобработке, а значит не всегда готова к работе сразу из принтера.
• 3D печать это легко и приятно. Приятно, но далеко не легко. Грамотное моделирование детали процесс непростой, подготовка к печати не менее сложна, извлечение заготовки из горы порошка и очистка от него работа еще и опасная, требует средств индивидуальной защиты глаз и органов дыхания. Ошибиться на любом из этапов и испортить дорогостоящую печать ничего не стоит. Для работы с металлическим 3D принтером требуются высококвалифицированные специалисты, желательно с большим опытом работы.
• 3D печать снижает себестоимость производства. Для некоторых случаев так и есть, например, когда дело касается единичного или мелкосерийного производства. Для средних и крупных партий товара печать становится невыгодной. Традиционные методы удешевляют одну единицу производства пропорционально количеству, тогда как печать что одной, что тысячи деталей остается неизменной.
• Все 3D принтеры печатают металлом примерно одинаково. Вовсе нет. Каждая технология имеет свои преимущества и недостатки, при выборе принтера обязательно следует учитывать требования к готовой продукции.
• Материалов для металлической 3D печати мало, выбирать почти не из чего. На данный момент полный список металлов содержит сотни позиций. В него входят уже почти все металлы и сплавы, существующие в природе. Да, порошки не так доступны как слитки и гораздо дороже их, в этом есть некоторый недостаток.
• Напечатанные детали не такие прочные как обычные. Для большинства технологий печати это не так. Механические свойства печатных деталей превосходят отливки и немного уступают лишь штамповкам и кованным изделиям.

Поставщики оборудования для 3D печати металлом

Компания iQB Technologies - официальный дистрибьютор 3D‑принтеров для печати металлом: компании HBD (Китай), производителя 3DLAM (Россия), Wiiboox (Китай), Sharebot (Италия), SLM (Германия). Системы для 3D‑печати и другое заказанное оборудование мы доставляем по Москве и в другие города России, а также в страны СНГ.

FAQ

Есть ли сейчас в продаже “металлический” принтер, который можно приобрести для работы дома?

Пока что найти такой принтер в свободной продаже, да еще и за разумные деньги, вряд ли получится. Существуют экспериментальные образцы, теоретически способные, в перспективе, стать домашними, но пока увы. Еще есть энтузиасты, создающие что-то похожее из подручных материалов, как правило переделанных “пластиковых” 3D принтеров, но о массовом применении в быту пока говорить рано.

Можно ли напечатать, например, “крыло” автомобиля.

Вряд ли оно войдет по габаритам даже в самый крупный принтер. Но если и войдет, оно будет стоить дороже (и намного) обычного, штампованного. Впрочем, напечатать автомобиль по частям задача интересная, но только в качестве эксперимента и демонстрации возможностей.

Как напечатать небольшое изделие из металла, которое невозможно найти и которое я сам спроектировал?

Существует масса организаций, предлагающих подобные услуги, как в России, так и в Поднебесной. Давать готовые ссылки не будем, их несложно найти самостоятельно. Список материалов у подрядчиков постоянно расширяется, возможностей тоже.

На фото ниже изделие, шипастый валик которого заказан на одном из китайских сайтов. Он напечатан из алюминия, стоимость на момент изготовления составила порядка 1500 руб.