Hvad er additiv fremstilling af metal? Metoder, anvendelse og materiale

Hvad er additiv fremstilling af metal?

Additiv fremstilling af metal, også kendt som 3D-printning af metal, er en højteknologisk fremstillingsmetode, hvor genstande fremstilles ved at tilføje flere lag materiale. Metoden bruger en energikilde, f.eks. en laser- eller elektronstråle, til at smelte metalpulveret eller -tråden sammen og danne et solidt objekt. Derfor giver denne teknik mulighed for at udvikle komplekse designs, som ikke kan opnås eller er udfordrende at opnå med traditionelle fremstillingsprocesser.

Additiv metalproduktion giver flere fordele, herunder uovertruffen designfrihed og brug af forskellige metaller. Det har gjort den uundværlig for væksten i fremstillingsindustrien, hvor den hjælper med at forbedre effektiviteten, reducere spild, sænke emissioner og øge produktionshastigheden for mere omfattende og lettere dele. Luft- og rumfart, bilindustrien, medicinalindustrien og forbrugsgoder er blevet identificeret som de primære modtagere af denne teknologi.

Metoder til additiv fremstilling af metal

Pulverbed-metoder

Pulverbedmetoden henviser til, at et tyndt lag metalpulver spredes over overfladen af et bed. De tynde lag gennemgår derefter selektive smeltninger og sammensmeltninger fra højenergikilder som lasere eller elektronudstråling for at danne det ønskede emne. Det giver en enestående evne til at generere komplekse geometrier med præcision.

Directed Energy Deposition (DED).

Ved deponering med rettet energi smeltes materialet af et varmelegeme, samtidig med at det deponeres gennem en dyse. Denne proces opbygger lag for at producere et solidt objekt. DED er nyttig i forskellige industrier, fordi den kan reparere eksisterende dele og tilføje materialer.

Sprøjtning af metalbindere

Metalbinderjetting bruger flydende bindemidler, der doseres oven på successive lag af pulveriseret metal og dermed fungerer som lim mellem disse partikler. Det resulterende emne kræver yderligere behandling, normalt sintring eller infiltrationsprocesser, for at gøre det mere robust/hårdere end før, men stadig bevare sin form uden at blive deformeret. Denne metode er nyttig til mange anvendelser, især dem, der involverer masseproduktion, hvor der er brug for komplekse dele uden at hæve temperaturerne for meget.

Sammenligning af forskellige metoder til additiv fremstilling af metal

Pulverbed-metoder

Fordele.

Pulverbedsmetoder er de bedste metoder til at bygge komplekse former. Denne metode er meget præcis og bruger kun det nødvendige pulver, hvilket sparer på spild. Den kan ændres, så den passer til individuelle produkter, og kan derfor anvendes på tværs af forskellige metaller og legeringer.

Udfordringer.

De dyre råmaterialer, der bruges i procedurerne, gør det dyrt at købe alle de nødvendige værktøjer. Den har begrænset hastighed ud over mulige volumenbegrænsninger under produktionen. Overfladebehandlinger kan kræve ekstra efterbehandling efter forarbejdning, og der er også strenge sikkerhedsretningslinjer, når man arbejder med metalpulvere.

Binder Jetting

Fordele.

Der er kun nogle gange brug for understøtninger i binderjetting, hvilket reducerer spild og omkostninger til efterbehandling. Den genbruger op til 99 % af det løse pulver, hvilket muliggør komplekse designs uden at øge omkostningerne. Der kan laves flere dele i ét print, hvilket sparer tid og reducerer omkostningerne.

Udfordringer.

Men binder jetting kræver ekstra udstyr til efterbehandling, og de fleste efterbehandlingsprocesser er manuelle, selv om automatisering er på vej. Desuden er omkostningerne ved binder jetting-maskiner højere end ved mange konventionelle fremstillingsmetoder.

Direct Energy Deposition (DED).

Fordele.

DED har en hurtigere byggehastighed end andre metal AM-teknologier og skaber tætte dele med mindre spildmateriale. Den kan producere betydelige komponenter og arbejde med forskellige materialer.

Udfordringer.

Ulempen er, at DED har lav byggeopløsning, hvilket resulterer i ru overfladefinish. Maskinerne er ret dyre, og ingen støttestrukturer er tilladt i denne proces, hvilket betyder, at visse designfunktioner ikke kan implementeres.

Metalliske additive fremstillingsmaterialer

Gængse metalpulvere

Valget af materiale til additiv fremstilling af metal har stor betydning for det endelige produkts egenskaber. Almindelige materialer omfatter:

• Titanium og titaniumlegeringer

Høj styrke, korrosionsbestandighed og biokompatibilitet, ideel til rumfart, bilindustrien og medicinsk brug.

• Rustfrit stål

Balance mellem styrke, korrosionsbestandighed og overkommelige priser.

• Aluminium og aluminiumslegeringer

Letvægt med god ledningsevne.

• Nikkelbaserede superlegeringer

Overlegen varme- og korrosionsbestandighed til opgaver ved høje temperaturer.

• Kobolt-krom-legeringer

Høj styrke og biokompatibilitet, ofte brugt i medicinske applikationer.

• Ædelmetaller

De bruges i smykker på grund af deres æstetiske kvaliteter og korrosionsbestandighed.

• Værktøjsstål

Høj hårdhed og slidstyrke, ideel til fremstilling af forme og skæreværktøjer.

Ædelmetaller i additiv fremstilling

Ædelmetaller som guld, sølv, platin og ruthenium bruges i additiv fremstilling til forskellige formål:

• Sølv

Elektriske kontakter og batterier med høj kapacitet på grund af deres høje ledningsevne.

• Guld

Tandpleje, medicin og elektronik på grund af deres smidighed og modstandsdygtighed over for anløbning.

• Platin

Smykker, kirurgiske redskaber og laboratorieredskaber på grund af deres tæthed og modstandsdygtighed over for luft og vand.

• Ruthenium

Elektronik- og kemikalieindustrien for sin modstandsdygtighed over for syrer og anløbning.

Industrielle anvendelser af additiv fremstilling af metal

Luft- og rumfartsindustrien

Luftfartsindustrien var blandt de første til at tage additiv fremstilling af metal i brug, fordi den havde brug for lette og holdbare materialer. Denne teknologi optimerer motorkomponenter, turbineblade og brændstofsystemer. At skabe komplekse former uden indre fejl har forbedret flydelenes ydeevne og funktionalitet dramatisk, hvilket har ført til lettere fly og reduceret brændstofforbrug.

Automobilindustrien

Additiv fremstilling af metal bruges i bilindustrien til prototyper af metal, specialfremstillede dele og værktøj. Bilproducenter kan bruge denne innovation til at udvikle nye designs, som de kan teste med det samme, hvilket reducerer deres iterationscyklusser under udviklingen. Derudover forbedrer det køretøjets effektivitet at skabe lette, men indviklede, solide strukturer.

Medicinsk industri

Produktionen af medicinske implantater og kirurgiske instrumenter lettes af metaladditiv fremstilling inden for det medicinske område. For eksempel skaber denne teknologi patientspecifikke implantater, der passer nøjagtigt til en persons anatomi, hvilket resulterer i bedre resultater og hurtigere heling for patienter efter operationer eller skader som følge af ulykker. Den gør det også muligt at fremstille delikate kirurgiske værktøjer, som øger nøjagtigheden under operationer.

Energiindustri

Additiv metalproduktion fremstiller komponenter til energisystemer inden for energisektoren. Det hjælper med at fremstille sådanne dele, som typisk har brug for høje styrkeegenskaber og kan modstå barske miljøforhold, hvilket gør AM til en perfekt metode til deres produktionskrav. Additiv fremstilling giver os mulighed for at designe komplicerede geometrier, der forbedrer effektiviteten og pålideligheden i disse systemer.

Smykker og forbrugsvarer

Smykkeindustrien er blevet forandret af additiv fremstilling af metal, hvor komplekse designs laves med meget lidt materialespild. Denne teknik gør det muligt for juvelerer at skabe komplicerede smykker, som ville være upraktiske eller umulige med traditionelle metoder. Producenter af forbrugsvarer bruger også AM til at tilpasse varer med unikke geometrier.

Forskning og udvikling

Inden for forskning og udvikling (R&D) er additiv fremstilling af metal nødvendig for hurtig fremstilling af prototyper under eksperimenter. Derfor kan forskere bruge denne teknologiske procedure til at producere og teste nye designs på kort tid, hvilket vil hjælpe dem med at innovere og opdage det ukendte. Hurtig iteration af design bidrager til hurtig udvikling af nye produkter og teknologier.

Fordele ved additiv fremstilling af metal

Komplekse former og geometrier

Muligheden for at skabe komplekse former og geometrier, som er vanskelige eller umulige at fremstille med traditionelle metoder, er en af de største fordele ved additiv fremstilling af metal (AM). Det gør det muligt at designe dele med indvendige hulrum og indviklede detaljer.

Vægtreduktion

I modsætning til andre fremstillingsmetoder giver additiv fremstilling mulighed for at skabe letvægtskomponenter uden at gå på kompromis med styrken. De sektorer, der har taget denne vægtreduktion til sig, omfatter bl.a. bil- og rumfartsindustrien, hvor selv en lille vægtreduktion kan føre til betydelige besparelser i brændstofomkostningerne.

Tids- og omkostningseffektivitet

Sammenlignet med traditionelle processer tager additiv fremstilling af metal mindre tid, da den eliminerer værktøj og sekundære operationer, hvilket reducerer produktionsomkostninger og leveringstider, så producenterne kan komme hurtigere ud på markedet. Derudover reducerer nul lagerbeholdning lageromkostningerne.

Miljømæssige fordele

Sammenlignet med konventionelle subtraktive teknikker reduceres affaldsproduktionen fra 3D-printning, da der kun tilføjes det materiale, der er nødvendigt i et bestemt område. Det reducerer materialeomkostningerne og bidrager positivt til miljøbeskyttelse. Desuden er genbrug af ubrugt pulver med til at fremme bæredygtighed.

Udfordringer ved additiv fremstilling af metal

Tekniske udfordringer

Adskillige tekniske udfordringer står over for additive metalproduktionsteknologier, herunder at opnå den ønskede overfladefinish og præcision, der er høj nok til de tilsigtede formål på grund af kravet om yderligere efterbehandling såsom bearbejdning eller polering.

Økonomiske begrænsninger

Høje startinvesteringer afholder de fleste virksomheder fra at opstille AM-maskiner i metal. Samtidig er disse maskiner dyre, sammen med uddannelseskrav, forbrugsvarer, vedligeholdelse osv. Desuden er de materialer, der bruges til 3D-print, ofte dyre, hvilket betyder, at der vil være et stort spild af råmaterialer.

Regulerings- og standardiseringsspørgsmål

Teknologi til additiv fremstilling af metal kræver standardiserede testmetoder eller retningslinjer for kvalitetskontrol, hvilket gør kvalitetssikring til en vanskelig opgave, især inden for områder som rumfart og medicinsk udstyr med strenge krav.

OFTE STILLEDE SPØRGSMÅL

Hvad er forskellige former for pulversengefusion？

Selektiv lasersintring (SLS).

Selektiv lasersintring anvender en laser til at sintre metalpulver og smelte det sammen for at opnå en solid struktur, der er kendetegnet ved nøjagtighed og effektivitet.

Direkte metallasersintring (DMLS).

DMLS er dog som SLA, men fokuserer på forskellige metaller og legeringer for at skabe prototyper og slutprodukter med høj præcision.

Selektiv lasersmeltning (SLM).

Desuden indebærer SLM smeltning af metalpulveret, hvilket fører til et tættere og mere robust slutprodukt til anvendelser, der kræver høj styrke og holdbarhed.

Elektronstrålesmeltning (EBM).

Denne proces adskiller sig fra andre additive fremstillingsteknologier. Der bruges en elektronstråle i stedet for en laser i et vakuum for at forhindre oxidering, hvilket gør det nemt at fremstille komplekse dele med fremragende materialeegenskaber.

Konklusion

Additiv fremstilling af metal er en transformativ teknologi, der giver mange fordele, herunder designfrihed, effektivitetsforbedringer og reduceret miljøpåvirkning. Med forskellige metoder til rådighed, som f.eks. pulverbedsfusion, direkte energiaflejring og binder jetting, kan producenterne vælge den bedste tilgang til deres specifikke behov. Den brede vifte af materialer, der bruges til additiv fremstilling af metal, giver mulighed for at skabe dele med forskellige egenskaber og anvendelser.

Efterhånden som additiv fremstilling af metal fortsætter med at udvikle sig, er den klar til at revolutionere fremstillingsindustrien. Evnen til at fremstille komplekse, lette dele af høj kvalitet hurtigt og omkostningseffektivt vil få det til at vinde indpas i flere sektorer. Der er stadig udfordringer, men løbende fremskridt og øget tilgængelighed vil hjælpe med at overvinde disse forhindringer og gøre additiv fremstilling af metal til en hjørnesten i den industrielle innovation i de kommende år.