Какво представлява адитивното производство на метали? Методи, приложение и материали

Какво е адитивното производство на метали?

Адитивното производство на метали, известно още като 3D печат на метали, е високотехнологичен производствен метод, при който обектите се произвеждат чрез добавяне на последователни слоеве материал. При този подход се използва енергиен източник, например лазер или електронен лъч, за да се слее метален прах или тел, като се образува твърд обект. Следователно тази техника позволява разработването на сложни дизайни, които не могат да бъдат постигнати или са трудни за постигане с традиционните производствени процеси.

Адитивното производство на метали предлага няколко предимства, включително несравнима свобода на проектиране и използване на различни метали. Това го прави незаменимо за растежа на производствената индустрия, като спомага за подобряване на ефективността, намаляване на отпадъците, намаляване на емисиите и увеличаване на темповете на производство на по-съществени и по-леки части. Аерокосмическата, автомобилната, медицинската и потребителската промишленост са идентифицирани като основни бенефициенти на тази технология.

Методи в адитивното производство на метали

Методи за прахово легло

Методът на праховото легло се прилага, когато тънък слой метален прах се разстила по повърхността на легло. След това тънките слоеве се подлагат на селективно разтопяване и стопяване от високоенергийни източници като лазери или електронни излъчвания, за да се образува желаният елемент. Това дава изключителна възможност за прецизно генериране на сложни геометрии.

Насочено енергийно отлагане (DED)

При насоченото енергийно нанасяне материалът се разтопява от нагревател и едновременно с това се нанася през дюза. При този процес се натрупват слоеве, за да се получи твърд обект. DED е полезно в различни индустрии, тъй като може да поправя съществуващи части и да добавя материали.

Джетна обработка на метални свързващи вещества

При струйното нанасяне на метални свързващи вещества се използват течни свързващи вещества, които се разпръскват върху последователни слоеве от метален прах, като по този начин служат за лепило между тези частици. Полученият обект се нуждае от допълнителна обработка, обикновено процеси на синтероване или инфилтрация, за да стане по-здрав/твърд от предишния, но все пак да запази формата си без деформация. Този метод е полезен за много приложения, особено за такива, свързани с масово производство, при които са необходими сложни части, без да се повишават прекалено много температурите.

Сравняване на различни метални адитивни методи за производство

Методи за прахово легло

Предимства

Методите с прахово легло са най-добрите методи за изграждане на сложни форми. Този метод е много точен и използва само необходимия прах, като по този начин се спестяват загуби. Той може да бъде модифициран, за да отговаря на индивидуалните продукти, поради което е приложим за различни метали и сплави.

Недостатъци

Скъпите суровини, използвани в процедурите, оскъпяват закупуването на всички необходими инструменти. Скоростта му е ограничена в допълнение към възможните ограничения на обема по време на производството. Обработката на повърхността може да изисква допълнителни довършителни работи след обработката, също така има строги указания за безопасност при работа с метални прахове.

Биндер джетинг

Предимства

При струйно разпръскване на свързващо вещество само понякога са необходими опори, което намалява отпадъците и разходите за последваща обработка. При него се рециклират до 99 % от насипния прах, което позволява създаването на сложни конструкции без увеличаване на разходите. С едно отпечатване могат да се изработят няколко части, което спестява време и намалява разходите.

Недостатъци

Въпреки това струйното отпечатване на свързващото вещество изисква допълнително оборудване за последваща обработка, като повечето процеси след отпечатването се извършват ръчно, въпреки че се работи по автоматизацията им. Освен това цената на машините за струйно отпечатване е по-висока от тази на много конвенционални производствени методи.

Отлагане с директна енергия (DED)

Предимства

DED има по-бърз темп на изграждане в сравнение с други технологии за AM на метали и създава плътни части с по-малко отпадъчен материал. Тя може да произвежда значителни компоненти и да работи с различни материали.

Недостатъци

Недостатъкът е, че DED има ниска разделителна способност, което води до груби повърхности. Машините са доста скъпи, а при този процес не се допускат поддържащи структури, което означава, че не могат да се реализират определени конструктивни характеристики.

Метални материали за адитивно производство

Обикновени метални прахове

Изборът на материал при адитивното производство на метали оказва значително влияние върху свойствата на крайния продукт. Обичайните материали включват:

• Титан и титанови сплави

Висока якост, устойчивост на корозия и биосъвместимост, идеални за употреба в авиацията, автомобилостроенето и медицината.

• Неръждаема стомана

Баланс между здравина, устойчивост на корозия и достъпна цена.

• Алуминий и алуминиеви сплави

Леки и с добра проводимост.

• Суперсплави на никелова основа

Превъзходна устойчивост на топлина и корозия за високотемпературни приложения.

• Кобалт-хромни сплави

Висока якост и биосъвместимост, често използвани в медицината.

• Благородни метали

Те се използват в бижутата заради естетическите им качества и устойчивостта им на корозия.

• Инструментални стомани

Висока твърдост и устойчивост на износване, идеален за създаване на форми и режещи инструменти.

Дребните метали в адитивното производство

Благородни метали като злато, сребро, платина и рутений се използват в адитивното производство за различни приложения:

• Silver

Електрически контакти и батерии с голям капацитет поради високата им проводимост.

• Злато

Зъботехника, медицина и електроника заради тяхната податливост и устойчивост на потъмняване.

• Platinum

Бижута, хирургически инструменти и лабораторни прибори заради тяхната плътност и устойчивост на въздух и вода.

• Рутений

Електроника и химическа промишленост заради устойчивостта му на киселини и потъмняване.

Индустриални приложения на адитивното производство на метали

Аерокосмическа индустрия

Авиационно-космическата индустрия е сред първите, които въвеждат адитивното производство на метали, тъй като се нуждае от леки и издръжливи материали. Тази технология оптимизира компонентите на двигателите, лопатките на турбините и горивните системи. Създаването на сложни форми без вътрешни дефекти значително подобри производителността и функционалността на аерокосмическите части, което доведе до по-леки самолети и намален разход на гориво.

Автомобилна индустрия

Адитивното производство на метали се използва в автомобилната индустрия за изработване на метални прототипи, нестандартни части и инструменти. Производителите на автомобили могат да използват това нововъведение за разработване на нови проекти, които могат да тестват веднага, намалявайки цикъла на итерации по време на разработката. Освен това създаването на леки, но сложни твърди структури подобрява ефективността на автомобила.

Медицинска индустрия

Производството на медицински импланти и хирургически инструменти се улеснява от адитивното производство на метали в областта на медицината. Например тази технология създава специфични за пациента импланти, които точно пасват на анатомията на индивида, което води до по-добри резултати и по-бързо оздравяване на пациентите след операция или нараняване вследствие на злополука. Тя също така позволява изработването на деликатни хирургически инструменти, които повишават точността по време на операции.

Енергийна индустрия

При адитивното производство на метали се произвеждат компоненти за енергийни системи в енергийния сектор. То спомага за изработването на такива части, които обикновено се нуждаят от високи якостни свойства и могат да издържат на тежки условия на околната среда, като по този начин прави АМ идеален метод за техните производствени изисквания. Адитивното производство ни позволява да проектираме сложни геометрии, които подобряват ефективността и надеждността на тези системи.

Бижутерия и потребителски стоки

Бижутерийната индустрия се трансформира благодарение на адитивното производство на метали, при което сложните дизайни се изработват с много малки загуби на материал. Тази техника позволява на бижутерите да създават сложни изделия, които биха били непрактични или невъзможни при използване на традиционните методи. Също така производителите на потребителски стоки използват АМ за персонализиране на изделия с уникална геометрия.

Изследване и развитие

В областта на научноизследователската и развойната дейност (НИРД) адитивното производство на метали е необходимо за бързо създаване на прототипи по време на експерименти. Ето защо изследователите могат да използват тази технологична процедура за кратко производство и тестване на нови проекти, което ще им помогне да въвеждат иновации и да откриват непознатото. Бързата итерация на дизайна допринася за бързото разработване на нови продукти и технологии.

Предимства на адитивното производство на метали

Сложни форми и геометрии

Възможността да се създават сложни форми и геометрии, които са трудни или невъзможни за изработване с традиционни методи, е едно от най-значимите предимства на адитивното производство на метали (АМ). Това дава възможност за проектиране на части с вътрешни кухини и сложни детайли.

Намаляване на теглото

За разлика от други производствени методи, адитивното производство позволява създаването на леки компоненти, без да се прави компромис със здравината. Секторите, които са възприели това намаляване на теглото, включват, наред с другото, автомобилостроенето и аерокосмическата индустрия, където дори малко намаляване на теглото може да доведе до значителни икономии на разходи за гориво.

Ефективност на времето и разходите

В сравнение с традиционните процеси адитивното производство на метали отнема по-малко време, тъй като елиминира инструменталната екипировка и вторичните операции, намалявайки производствените разходи и сроковете за изпълнение, за да могат производителите да навлязат по-бързо на пазара. Освен това нулевият инвентар намалява разходите за съхранение.

Полез за околната среда

В сравнение с конвенционалните субтрактивни техники генерирането на отпадъци при 3D принтирането е намалено, тъй като се добавя само материалът, необходим в определена област. Така се намаляват разходите за материали и се допринася положително за опазването на околната среда. Освен това рециклирането на неизползвания прах спомага за насърчаване на устойчивостта.

Проблеми на адитивното производство на метали

Технически предизвикателства

Пред технологиите за адитивно производство на метали стоят няколко технически предизвикателства, включително постигането на желаната повърхност и прецизност, които са достатъчно високи за предназначението им, поради изискването за допълнителна последваща обработка, като например механична обработка или полиране.

Икономически ограничения

Високите първоначални инвестиции възпрепятстват повечето предприятия да създадат машини за AM на метали. В същото време тези машини са скъпи, заедно с изискванията за обучение, консумативи, поддръжка и т.н. Освен това материалите, използвани в 3D принтирането, обикновено са скъпи, което означава, че ще има високи нива на загуба на суровини.

Въпроси, свързани с регулирането и стандартизацията

Технологията за адитивно производство на метали се нуждае от стандартизирани методи за изпитване или насоки за контрол на качеството, което превръща осигуряването на качеството в трудна задача, особено в области като космическата индустрия и медицинските изделия със строги изисквания.

ЧЕСТО ЗАДАВАНИ ВЪПРОСИ

Какви са видовете синтез на прахово легло？

Селективно лазерно синтероване (SLS)

Селективното лазерно синтероване използва лазер за синтероване на прахообразен метал, като го стопява, за да се получи солидна структура, чиято характеристика е точността и ефективността.

Директно лазерно синтероване на метали (DMLS)

Въпреки това DMLS е като SLA, но се фокусира върху различни метали и сплави за създаване на прототипи и продукти за крайна употреба с висока точност.

Селективно лазерно топене (SLM)

Освен това SLM включва топене на металния прах, което води до по-плътен и по-здрав краен продукт за приложения, изискващи висока якост и издръжливост.

Електронно лъчево топене (ЕЛТ)

Този процес се различава от другите технологии за адитивно производство. Използва се електронен лъч, а не лазер във вакуум, за да се предотврати окисляването, което улеснява създаването на сложни части с отлични характеристики на материала.

Заключение

Адитивното производство на метали е трансформираща технология, която предлага многобройни предимства, включително свобода на проектиране, подобряване на ефективността и намаляване на въздействието върху околната среда. С наличните различни методи, като синтез в прахово легло, насочено енергийно отлагане и струйно нанасяне на свързващо вещество, производителите могат да изберат най-добрия подход за своите специфични нужди. Широката гама от материали, използвани в адитивното производство на метали, позволява създаването на части с разнообразни свойства и приложения.

Тъй като адитивното производство на метали продължава да се развива, то е готово да направи революция в производствената индустрия. Възможността за бързо и рентабилно производство на сложни, леки и висококачествени части ще стимулира внедряването му в множество сектори. Макар че все още има предизвикателства, непрекъснатият напредък и нарастващата достъпност ще помогнат за преодоляването на тези пречки, превръщайки адитивното производство на метали в крайъгълен камък на индустриалните иновации през следващите години.