Mis on 3D metalliprintimise tehnoloogia?

Metallist 3D-printimine, tuntud ka kui Metal Additive Manufacturing (Metal AM), on täiustatud tootmistehnoloogia, mis ehitab keerukaid geomeetrilisi metallosi, ladestades materjali kiht-kihi haaval. See on põhimõtteliselt muutnud traditsioonilise metallitöötlemise "lahutavast" lähenemisviisist (materjali eemaldamine) "lisandite" paradigmaks (ehitusmaterjalide kokkupanemine) ja sellest on saanud põhitehnoloogia tipptasemel -tootmissektorites, nagu lennundus, biomeditsiinitehnika ja energiaseadmed.

See tehnoloogia lükkab ümber metallitöötluse tavapärase subtraktiivse mõtteviisi ja võtab kasutusele aditiivse tootmise lähenemisviisi. Põhimõtteliselt kasutatakse arvuti{1}}disaini (CAD) mudelit, et juhtida metallipulbri või traadi selektiivset sulamist ja tahkumist fokuseeritud energiaallika (laser, elektronkiir jne) all, ehitades osa kihthaaval kolmemõõtmeliseks tahkeks aineks. Pole vaja vorme ega keerulisi lõikeoperatsioone, mis võimaldab otsest üleminekut digitaalmudelilt füüsilisele komponendile.

Tüüpiline protsessivoog hõlmab: disainerid, kes loovad ja topoloogia{0}}optimeerivad 3D-mudelit CAD-tarkvaras; tarkvara, mis lõikab mudeli sadadeks või tuhandeteks 2D-ristlõigeteks; trükisüsteem laotab pulbrit või etteandetraati vastavalt viiluteedele, samal ajal kui energiaallikas materjali täpselt skaneerib ja sulatab; Peale printimist teostatakse pulbri taaskasutamine, osade eemaldamine, kuumtöötlemine (jääkpinge leevendamiseks), kuumisostaatpressimine (HIP sisepooride sulgemiseks), mehaaniline töötlemine ja pinnaviimistlus, et saada lõpposa, mis vastab pealekandmise nõuetele.

Peamised protsessikategooriad on pulberkihtfusioon (PBF), suunatud energiasadestamine (DED) ja sideaine joastamine.

Powder Bed Fusion (PBF): praegu kõige laialdasemalt kasutatav. Selektiivse lasersulatus / otsene metalli laserpaagutamine (SLM/DMLS) kasutab suure-võimsusega kiudlaserit metallipulbri täielikuks sulatamiseks argooni- või lämmastikukaitse all. Kihi paksus on tavaliselt 20–60 μm, täpsus ulatub ±0,1 mm-ni ja pinna karedus on suhteliselt madal. Sobivad materjalid on titaanisulamid (Ti-6Al-4V), alumiiniumisulamid (AlSi10Mg), roostevaba teras (316L, 17-4PH) ja niklipõhised supersulamid (Inconel 718). Electron Beam Melting (EBM) kasutab elektronkiirt pulbri eelkuumutamiseks ja sulatamiseks vaakumkeskkonnas, mille tulemuseks on väiksem jääkpinge ja suurem suuremahuliste osade ehituskiirus. Pulbrit saab pesastada, mistõttu on see eriti sobiv titaanist ortopeediliste implantaatide jaoks.

Suunatud energiasadestamine (DED): toidab samaaegselt pulbrit või traati, sulatades seda laseri, elektronkiire või kaarega. Sadestamise kiirus on oluliselt kõrgem kui PBF, mis võimaldab suuri komponente valmistada või parandada. Ideaalne kosmosekonstruktsioonide, merepropellerite ja vormide ümbertöötlemiseks. Traadi-põhine DED (nagu WAAM) pakub madalamaid kulusid ja sobib üli-suurte osade jaoks.

Sideaine joastamine: sadestatakse vedel sideaine selektiivselt pulbrikihile, et moodustada "roheline" osa, mis hiljem eemaldatakse ja paagutatakse lõpliku tiheduse saavutamiseks. Sellel on suur printimiskiirus, printimisel puudub termiline pinge ja see toetab partii tootmist suhteliselt madalamate kuludega-sobib keskmise -mahuga roostevabast terasest ja tööriistaterasest osade jaoks.

Võimalus moodustada keerulisi struktuure Sisevõresid, õõnsaid elemente, vabakujulisi pindu ja konformseid jahutuskanaleid, mis on tavapärase töötlemisega äärmiselt keerulised või võimatud, saab toota ühe konstruktsiooniga, mis parandab oluliselt detailide jõudlust (kergus, soojuse hajumine, eritugevus). Näiteks kosmosetööstuses kasutatavatel titaanisulamist labadel on sisemised jahutuskanalid, mis parandavad mootori efektiivsust rohkem kui 15 %. Topoloogia optimeerimine ja generatiivne disain vähendavad korrapäraselt osa massi 20–60%, säilitades või isegi suurendades jäikust. GE Aviationi kütusedüüs koondas rohkem kui 20 eraldi osa üheks komponendiks, vähendades kaalu 25% ja pikendades kasutusiga viis korda.

Optimeeritud materjalikasutus Traditsiooniline lahutav tootmine võib raisata kuni 90% materjalist (titaanist kosmoseosade ostu- ja -lennu suhe ületab sageli 10:1). Lisandite tootmisel saavutatakse tavaliselt materjalikasutus üle 95%. Pulbrit saab osaliselt ringlusse võtta, mis vähendab veelgi elutsükli kulusid-, mis on eriti väärtuslik kallite titaani- ja niklisulamite puhul.

Tõhus kohandatud tootmine Ei ole vaja uusi tööriistu ega protsessi ümberkujundamist. Sama masin suudab kiiresti lülituda täiesti erinevate osade vahel, lühendades arendustsükleid 50–70% ja võimaldades ökonoomset väikese-mahu ja suure{4}}segude tootmist. Projekteerimisest tarnimiseni kuluvat aega saab lühendada päevadeks või nädalateks, kiirendades oluliselt iteratsiooni. Meditsiinivaldkonnas võivad patsiendi CT-andmed otseselt juhtida kohandatud implantaatide tootmist, parandades märkimisväärselt kirurgilist sobivust.

In addition, mechanical properties can approach or even exceed those of wrought material (densities frequently reach >99%). Hinnatud materjalid ja mitme{2}}materjali integreerimine muutuvad teostatavaks, avades uusi võimalusi funktsionaalseks integreerimiseks. Peened mikrostruktuurid ja hea isotroopia on metallurgilistele tunnustele iseloomulikud.

Metallist 3D-printimisest on saanud lennunduses (mootori komponendid, satelliitklambrid), tipptasemel seadmetes (gaasi-labad, vormid) ja biomeditsiinitehnikas (patsiendispetsiifilised implantaadid, kirurgilised juhised) metallist 3D-printimine.

Lennundus: sellised ettevõtted nagu SpaceX, Boeing ja Airbus kasutavad laialdaselt titaanist ja Inconeli osi; satelliitklambrid saavutavad võrestruktuuride kaudu äärmise kerge kaalu.

Biomeditsiiniline: EBM-prinditud puusa-, põlve- ja lülisambaimplantaatidel on kontrollitud poorsus (tavaliselt 50–80%), mis soodustab luude sissekasvu ja parandab märkimisväärselt operatsioonijärgset-osseointegratsiooni. Hambakroonid, sillad ja kirurgilised juhised on samuti jõudnud ulatusliku kasutuseni.

Tööriistad ja energia: konformsed jahutuskanalid vähendavad sissepritse{0}}vormimistsükli aega 20–40% ja parandavad detailide kvaliteeti; gaasiturbiinide labasid, soojusvahetiid ja tuumakomponente toodetakse üha enam lisaainena.

Auto-, mere- ja energiasektor: kerged konstruktsiooniosad,{0}}suured remonditööd ja soojusvahetid on kiiresti kasutusele võetud.

Praegused väljakutsed hõlmavad kõrgeid seadmekulusid (tööstusliku -klassi PBF-süsteemid ulatuvad tavaliselt sadadest tuhandetest kuni mitme miljoni RMB-ni), keerukat järeltöötlust (kuumtöötlus, mehaaniline töötlemine ja pinnaviimistlus moodustavad sageli 30–50% kogukuludest) ja piiratud valikut kvalifitseeritud materjale (pulber jääb kalliks). Jääkpinge ja moonutuste kontrollimine, sisemiste defektide (poorsus, sulandumise puudumine, praod), pulbri maksumus ja standardimine ning suletud ahela protsessi jälgimine digitaalsete kaksikutega on laiema industrialiseerimise kriitilised takistused. Kuna-ehitatud pinna karedus nõuab tavaliselt teist viimistlust ja väsimusnäitajad on pinna seisundi suhtes tundlik.

Edusammud multi-lasersüsteemides (12 või enama laseriga masinad on juba saadaval), kohapealne jälgimine (sulamisbasseini tuvastamine, optiline tomograafia, akustilised andurid kombineeritud tehisintellektiga), kõrgem-sadestuskiirus-DED ja WAAM, madalam{-}sfäärikulu AI-põhine parameetrite optimeerimine ja kvaliteedi ennustamine ning hübriidlisand-lahutav tootmine parandavad jätkuvalt täpsust ja tootlikkust. Järgmises etapis keskendutakse suurematele ehitusmahtudele, kohapeal legeerimiseks, mitmest materjalist printimisele ja täieliku-protsessiga digitaalsele-kakskvaliteediga suletud ahelale. Tööstusstandardite (seeria ISO/ASTM 52900) ja kosmose-/meditsiinisertifitseerimisraamistike pideva täiustamise tõttu areneb metallilisandite tootmine prototüüpimisest kiiresti seeriatootmise suunas ning sellest on saamas tipptasemel seadmete tootmise oluline tugisammas. Järgmise 5–10 aasta jooksul peaksid kulud veelgi vähenema ja rakendused laienevad väärtuslikest komponentidest{21}}laiemateks tööstusvaldkondadeks.

Mis on peamine erinevus metalli 3D-printimise ja traditsioonilise töötlemise vahel?
Traditsiooniline mehaaniline töötlemine on lahutav (materjal lõigatakse ära), metallist 3D-printimine aga aditiivne (materjal ehitatakse kihthaaval). See võimaldab keerulisi sisegeomeetriaid, suuremat materjalikasutust ja kiireid disainimuutusi ilma tööriistadeta.
 

Millise metallist 3D-printimise protsessi peaksin valima?

Valige SLM/DMLS suure täpsuse, keerukate peente funktsioonide ja kõige laiema materjalivaliku jaoks.

Valige EBM titaanist meditsiiniliste implantaatide või osade jaoks, mis saavad kasu madalast jääkpingest.

Valige DED/WAAM suurte osade, remondi või suure sadestuskiiruse jaoks.

Valige Binder Jetting keskmise mahuga{0}}tootmiseks, kus kulud ja kiirus on prioriteediks.
 

Milliseid materjale saab kasutada?
Tavaliselt kvalifitseeritud materjalide hulka kuuluvad titaanisulamid (Ti-6Al-4V), alumiiniumisulamid (AlSi10Mg), roostevaba teras (316L, 17-4PH), niklipõhised supersulamid (Inconel 718/625), koobalt-kroom ja tööriistateras. Valik laieneb jätkuvalt.
 

Kas 3D--prinditud metallosade mehaanilised omadused on usaldusväärsed?
Jah. Nõuetekohase töötlemise (sealhulgas HIP ja kuumtöötlemise) korral ületab tihedus tavaliselt 99% ja staatilised mehaanilised omadused võivad olla samad või paremad kui sepistatud või valatud ekvivalentide omad. Väsimusvõime sõltub suuresti pinnaviimistlusest ja jääkpinge kontrollist.
 

Miks on järeltöötlus{0}} siiski vajalik?
-Ehitatud osad sisaldavad tavaliselt jääkpingeid, pinna karedust ja võimalikku sisemist poorsust. Kriitiliste rakenduste jaoks nõutava mõõtmete täpsuse, mehaaniliste omaduste ja pinnakvaliteedi saavutamiseks on vajalik kuumtöötlus, HIP, mehaaniline töötlemine ja pinnaviimistlus.
 

Kas metallist 3D-printimise{1}}kulu on tootmisel efektiivne?
See on keerukate, väikese- kuni {-keskmise mahuga või väga kohandatud osade{0}}kuluefektiivne, eriti kui kaalu vähendamine, osade konsolideerimine või kiire iteratsioon annavad väärtust. Lihtsate suure mahuga-osade puhul jäävad traditsioonilised meetodid sageli odavamaks.
 

Millised on suurimad allesjäänud väljakutsed?

Seadmete ja pulbri kulud, protsessi stabiilsus ja defektide kontroll, standardimine/sertifitseerimine ning vajadus ulatusliku järeltöötluse{0}} järele. Need valdkonnad paranevad kiiresti tänu multi-lasersüsteemidele, in-situ jälgimisele ja tehisintellekti juhitavale protsessijuhtimisele.