Metallist 3D-printerite põhimõtted

Metallist 3D-printerid paagutavad, sulatavad või keevitavad metallmaterjale (nt pulber või traat) kihthaaval, et teisendada kolmemõõtmeline digitaalmudel tahkeks metallosaks. Põhiprotsessi saab jagada neljaks etapiks: andmete ettevalmistamine, materjali tarnimine, kihtide kaupa-tootmine-ja järeltöötlemine. See tehnoloogia ületab täielikult traditsioonilise lahutava tootmise geomeetrilised keerukuse piirangud ja sellest on saanud oluline tootmismeetod tipptasemel-valdkondades, nagu lennundus, biomeditsiinitehnika ja energiaseadmed. Järgmistes osades selgitatakse iga võtmeetapi põhimõtteid ja tehnilisi üksikasju.

3D-mudeli töötlemine: kasutajad kujundavad mudeli CAD-tarkvara abil (nt SolidWorks, UG või CATIA) või saavad selle 3D-skannimise või CT-rekonstrueerimise abil. Tarkvara teisendab mudeli printeri -loetavaks vorminguks (enamasti STL, aga ka 3MF või OBJ) ja parandab geomeetrilised vead (nt augud, mitte{5}}kollektori servad, kattuvad pinnad või valed normaalväärtused). See samm on kriitiline, sest kõik mudelidefektid võivad otseselt põhjustada prinditõrke või osa tagasilükkamist. Täiustatud-eeltöötlus hõlmab ka topoloogia optimeerimist ja generatiivset disaini, et oluliselt vähendada kaalu ja täita tugevusnõudeid.

Kihtide lõikamine: spetsiaalne printeritarkvara (nagu Materialize Magics, EOSPRINT või SLM Build Processor) viilutab 3D-mudeli piki vertikaaltelge (Z) sadadeks või tuhandeteks õhukesteks kihtideks. Kihi paksus on tavaliselt 20–100 mikromeetrit (täppisosade puhul 20–40 μm; suurte konstruktsioonikomponentide puhul 60–100 μm). Lõikamisprotsess loob faili, mis sisaldab iga kihi kontuuriteavet, täitmisteed, skannimisstrateegiaid ja tugistruktuure, mis täpselt juhib printerit. Skaneerimisstrateegiad (triip, malelaud, spiraal jne) ja energiatiheduse parameetrid mõjutavad tugevalt jääkpinget, tihedust ja pinnakvaliteeti ning neid tuleb optimeerida vastavalt materjali ja detaili geomeetriale.

Metallist 3D-printimise tehnoloogiad erinevad olenevalt materjali vormist ja energiaallikast. Peamised kategooriad on järgmised:

Powder Bed Fusion (PBF) See on praegu kõige küpsem ja{0}}kõrgeima täpsusega tavatehnoloogia.

Selektiivlasersulatus (SLM): suure-võimsusega kiudlaser (tavaliselt 200–1000 W; mitme-laserisüsteemid võivad ulatuda mitme kilovatini) sulatab selektiivselt ja täielikult metallipulbri kihi vastavalt viilutatud teele. Sula piirkond tahkub jahutamisel, moodustades ühe kihi, samal ajal kui sulamata pulber toimib nii toe kui ka kaitsena. Oksüdeerumise vältimiseks toimub kogu protsess inertgaasi (argoon või lämmastik) keskkonnas. Sobib titaanisulamitele, alumiiniumisulamitele, roostevabale terasele, nikli{7}}põhistele supersulamitele jne, tihedusega üle 99%.

Electron Beam Melting (EBM): kasutab suure{0}}energiaga elektronkiirt soojusallikana metallipulbri eelkuumutamiseks ja sulatamiseks kõrgvaakumkeskkonnas. Eelsoojendus vähendab oluliselt jääkpinget ja võimaldab kiiremat ehituskiirust, muutes selle eriti sobivaks titaanist ortopeediliste implantaatide jaoks. Seadmete maksumus on kõrge ja pinna karedus on suhteliselt suurem.

Otsene metallilaseriga paagutamine (DMLS): põhimõtteliselt sarnane SLM-iga. Ajalooliselt viitas see protsessidele, mille käigus pulber sulatati ainult osaliselt (paagutati), kuid tänapäeval kasutatakse termineid DMLS ja SLM tööstuses sageli vaheldumisi. Sobib kasutamiseks mitmest materjalist -materjalidest või korpustest, mille täielikku-sulamisnõuded on pisut madalamad.

Suunatud energiasadestamine (DED)

Metalli lasersadestamine (LMD): toidab samaaegselt metallipulbrit või traati, samal ajal kui laser loob substraadile või eelmisele kihile sulamiskogumi ja ladestab materjali. Võimaldab suurte-detailide parandamist, funktsionaalselt sorteeritud materjale ja hübriidlisandite{2}}lahutavat tootmist. Sadestumise määrad on palju kõrgemad kui PBF.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): kasutab soojusallikana elektrikaare metalltraadi sulatamiseks ja selle kihthaaval ladestamiseks. Madal seadmete hind, kõrge materjalikasutus ja sobib ülisuurte kosmosestruktuuride jaoks, kuid madalam täpsus ja pinnakvaliteet nõuavad tavaliselt hilisemat töötlemist.

Sideaine pihustamine Prindipea pihustab valikuliselt sideainet metallipulbri kihile, sidudes pulbri ühtseks "roheliseks" kihiks, samas kui sidumata pulber toimib toena. Pärast printimist läbib osa lõpliku tiheduse saavutamiseks sidumise eemaldamine (sideaine eemaldamine) ja kõrgel temperatuuril{1}}paagutamise. Protsess ei avalda printimisel termilist pinget, pakub suurt kiirust ja sobib keskmise-mahu tootmiseks, kuigi paagutamise kokkutõmbumist tuleb täpselt kompenseerida.

Pulbriga laialilaotamine / materjali etteandmine: pulber-vooditehnoloogiate puhul laotab ülitäpne-värvimise tera või rull ehitusplatvormile ühtlase metallipulbri kihi, mis vastab viilu paksusele. Pulbri voolavus ja osakeste suuruse jaotus mõjutavad otseselt kihi kvaliteeti. Suunatud energiasadestamise korral juhib traadi etteandja või koaksiaalne/külgmine pulbriotsik materjali täpselt sulamisbasseini.

Energia sisend ja sulatamine: laser, elektronkiir või kaar skannib materjali suurel kiirusel mööda programmeeritud rada, sulatades või paagutades selle kohapeal, moodustades õhukese kihi, mis vastab täpselt viilu kontuurile. Sulamis-basseini temperatuuri, suurust ja jahutuskiirust juhivad täpselt võimsus, skaneerimiskiirus ja punkti läbimõõt, mis määravad mikrostruktuuri ja defektide taseme.

Kihtidevaheline liimimine: pärast iga kihi valmimist langeb ehitusplatvorm ühe kihi paksuse võrra (või pulbrikiht tõuseb), laotatakse uus pulbrikiht ja sulamisprotsessi korratakse. Kihid ühendatakse metallurgilise sidemega, et moodustada pidev kolmemõõtmeline tahke aine. Kaasaegsed süsteemid sisaldavad sageli reaalajas-sulamis-basseini jälgimist, kasutades kiirkaameraid, infrapunapüromeetriat või optilist tomograafiat.

Tugikonstruktsioonid: Üleulatuvate osade, aukude ja suurte kaldega detailide jaoks peavad eemaldatavad tugikonstruktsioonid olema konstrueeritud nii, et need väldiksid deformatsiooni või kokkuvarisemist raskusjõu mõjul sulamise ajal. Toekujundus ja eemaldamine mõjutavad oluliselt lõplikku maksumust ja pinna kvaliteeti.

Järel{0}}töötlus on metallist 3D-printimise asendamatu etapp ja see moodustab sageli 30–50% kogukuludest.

Toe eemaldamine ja puhastamine: toed eemaldatakse mehaanilise lõikamise, traadi EDM-i, keemilise lahustamise või käsitsi meetoditega. Sulamata pulber (pulber-kihtprotsess) või liigne pritsmed (DED) puhastatakse põhjalikult. Pulbri taaskasutussüsteemid võimaldavad enamiku kasutamata pulbri ringlussevõttu.

Kuumtöötlemine: stressi leevendamine-, lahusega töötlemine, vanandamine või kuumisostaatpressimine (HIP) kõrvaldab jääkpinged, sulgeb poorid ja homogeniseerib mikrostruktuuri, parandades oluliselt kõvadust, tugevust, sitkust ja väsimust. HIP-ist on saanud kriitiliste kosmoseosade standardprotsess.

Pinnatöötlus: liivapritsiga töötlemine, haavlitöötlemine, poleerimine, elektrokeemiline poleerimine, katmine või katmine parandab pinnakvaliteeti, vähendab karedust ning vastab montaaži- ja välimusnõuetele.

Mehaaniline töötlemine: kriitilised mõõtmed, keermestatud augud ja tihenduspinnad viimistletakse CNC-töötlusega, et tagada lõplike tolerantside vastavus projekteerimisnõuetele. Paljud tipptasemel-rakendused kasutavad hübriidset "liit- ja lahutamismeetodit".

Eelised: keeruliste konstruktsioonide vaba-vormide valmistamine ilma vormideta, ideaalne kohandamiseks ja väikese{1}}kuni-keskmise mahu ja suure{3}}segude tootmiseks. Kõrge materjalikasutus (pulberkihi protsessid võivad ületada 90%, mis on palju parem kui traditsioonilise titaani töötlemise kõrge ostu-- ja -lennu suhe), vähendades kallite metallide raiskamist. Võimaldab kerget disaini (võrestruktuurid, topoloogia optimeerimine), mis vastab kaalu vähendamise ja suure jõudluse kahekordsetele nõuetele lennunduses ja sarnastes valdkondades. Võimaldab osade suurt konsolideerimist, vähendades monteerimisetappe ja parandades töökindlust.

Piirangud. Tööstusseadmete kõrge kapitalikulu (sadu tuhandeid kuni mitu miljonit RMB) ja suhteliselt aeglane ehituskiirus muudavad tehnoloogia praegu vähem sobivaks väga{0}}lihtsate osade tootmiseks. Ehitatud pinna karedus ja mõõtmete täpsus on tavaliselt madalamad kui traditsioonilisel CNC-töötlusel ja need sõltuvad järeltöötlusest. Metallipulbrid kujutavad endast plahvatus-, oksüdatsiooni- ja terviseriske, mis nõuavad ranget inertgaasi{5}kaitset ja tolmu kontrolli. Materjalivaliku ja protsessi{7}}parameetrite andmebaase laiendatakse endiselt ning sertifitseerimistsüklid on suhteliselt pikad.

Metalli 3D-printerid on digitaalse kihi-haaval-tootmise kaudu murdnud traditsioonilise töötluse keerukustõkked ja pakkunud revolutsioonilisi lahendusi kosmosetööstusele (mootori komponendid, satelliidistruktuurid), meditsiinile (patsiendispetsiifilised-implantaadid, kirurgilised juhised), tööriistade (konformaalsed jahutuskanalid), energeetika- ja autotööstusele. Multi-lasersüsteemide, in-insitu intelligentse seire, tehisintellekti juhitud protsesside optimeerimise ja hübriidtootmistehnoloogiate kiire arenguga paranevad tõhusus, kulud ja töökindlus jätkuvalt. Tehnoloogia kiirendab üleminekut kiirelt prototüüpimiselt otsesele digitaalsele tootmisele ja seeriatootmisele ning sellest peaks saama tipptasemel-seadmete tootmise asendamatu tugisammas.