3D Принтер Металл: Технология Печати и Применение

3D-печать металлом - это передовая технология, которая находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Она используется для создания прототипов, украшений, функциональных элементов, запасных частей, промышленных деталей и изделий сложной геометрии. Распечатанные изделия по эксплуатационным характеристикам не только не уступают предметам, изготовленным традиционным способом, но и превосходят по свойствам кованые изделия. Кроме того, при 3D-производстве значительно экономится сырье и расходуется меньше энергии.

Примеры 3D-печатных металлических деталей

Преимущества и Ограничения Печати Металлом

Что можно напечатать металлом на 3D принтере?

Почти все то же самое, что и изготовить из металла другим способом, и даже намного больше, но 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. 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 оптимизации детали и её изготовления с помощью 3D-печати

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 традиционными 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 множество технологий 3D-печати металлом, каждая из которых имеет свои особенности, преимущества и недостатки. Рассмотрим основные из них:

Печать методом послойного наплавления (FDM)

Самая привычная 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. 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: SLM, DMLS, EBM и Binder Jetting

Технологии Metal FFF и BJ (Binder Jetting)

В последние годы появился новый подход к сырью в технологии печати металлом на основе связующего полимера. В данном подходе используется простая в обращении металлонаполненная нить с примесью полимера. 3D-принтер нагревает нить и слой за слоем выдавливает термопластический материал из экструдера.

Как правило, Metal FFF и BJ имеют разные процедуры формирования модели и материалы, но имеют схожее удаление связующего полимера и процедуру спекания. Прежде всего, удаление связующего полимера существенно влияет на прочность неспеченной части.

Удаление связующего полимера

• Термический метод: Используются плавление, термическое разложение и диффузия для удаления связующего.
• Применение органических растворителей (ацетон и гексан).
• Каталитический метод: Используются сильные окислительные пары, такие как азотная кислота и щавелевая кислота.

Удаление происходит в газообразной кислой среде, при температуре около 120°С. Кислота действует как катализатор разложения полимерного связующего и обеспечивается очень стабильная и постоянная скорость удаления даже на более толстых участках внутри зеленой детали.

После прохождения процессов печати, очистки от связующего полимера и спекания готовые металлические детали могут быть непосредственно использованы. При необходимости их можно подвергать механической обработке и чистовой обработке.

Применение 3D-печати металлом в различных отраслях

Различные отрасли промышленности применяют 3D-печать по металлу для производства сложных металлических деталей. В отличие от литья и фрезерования с помощью ЧПУ-станков, 3D-печать по металлу позволяет изготавливать небольшие партии сложных металлических изделий, которые гораздо более экономичны.

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.

Рассмотрим конкретные примеры применения в различных отраслях:

• Аэрокосмическая отрасль: 3D-печать металлом с топологической оптимизацией способна сократить вес изделий, а также издержки и затраты материала, что особенно важно при производстве турбин, корпусов, двигателей, сопел и различных креплений.
• Автомобильная промышленность: 3D-принтер SLM позволяет сократить время производства фильтров, коллекторов, педалей, корпусов и других автомобильных деталей за счет отказа от изготовления пресс-форм.
• Производство: 3D-печать металлом облегчает процессы изготовления корпусов, узлов, кожухов, рамок, держателей и других изделий мелкосерийного и крупносерийного производства. Применение промышленных систем по металлу для оперативного изготовления запасных частей и комплектующих. Для этой отрасли необходима печать металлических изделий, прототипов, устойчивых к высокому давлению и химическому воздействию.
• Стоматология: Промышленные системы печати металлом для изготовления стоматологических коронок, протезов и каркасов исключают ошибки, связанные с ручным трудом.
• Производство пресс-форм: Проектирование и последующая печать пресс-форм с каналами конформного охлаждения и большей площадью теплоотдачи.

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.

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.