Τι είναι η προσθετική κατασκευή μετάλλων; Μέθοδοι, εφαρμογή και υλικά

Τι είναι η προσθετική κατασκευή μετάλλων;

Η προσθετική κατασκευή μετάλλων, εναλλακτικά γνωστή ως τρισδιάστατη εκτύπωση μετάλλων, είναι μια μέθοδος κατασκευής υψηλής τεχνολογίας κατά την οποία τα αντικείμενα παράγονται με την προσθήκη διαδοχικών στρωμάτων υλικού. Η προσέγγιση χρησιμοποιεί μια πηγή ενέργειας, για παράδειγμα, ένα λέιζερ ή μια δέσμη ηλεκτρονίων, για να συγχωνεύσει τη μορφή σκόνης ή σύρματος μετάλλου μεταξύ τους, σχηματίζοντας ένα στερεό αντικείμενο. Κατά συνέπεια, η τεχνική αυτή επιτρέπει την ανάπτυξη πολύπλοκων σχεδίων που δεν μπορούν να επιτευχθούν ή είναι δύσκολο να επιτευχθούν με τις παραδοσιακές διαδικασίες κατασκευής.

Η προσθετική κατασκευή μετάλλων προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα, συμπεριλαμβανομένης της απαράμιλλης ελευθερίας σχεδιασμού και της χρήσης διαφορετικών μετάλλων. Το γεγονός αυτό την έχει καταστήσει απαραίτητη για την ανάπτυξη της μεταποιητικής βιομηχανίας, συμβάλλοντας στη βελτίωση της αποδοτικότητας, τη μείωση των αποβλήτων, τη μείωση των εκπομπών και την αύξηση των ρυθμών παραγωγής πιο ουσιαστικών και ελαφρύτερων εξαρτημάτων. Η αεροδιαστημική, η αυτοκινητοβιομηχανία, η ιατρική και τα καταναλωτικά αγαθά έχουν χαρακτηριστεί ως οι κύριοι δικαιούχοι αυτής της τεχνολογίας.

Μέθοδοι στην προσθετική κατασκευή μετάλλων

Μέθοδοι για κρεβάτια με πούδρα

Η μέθοδος της κλίνης σκόνης αναφέρεται στην περίπτωση που ένα λεπτό στρώμα μεταλλικής σκόνης απλώνεται στην επιφάνεια μιας κλίνης. Τα λεπτά στρώματα υποβάλλονται στη συνέχεια σε επιλεκτική τήξη και τήξη από πηγές υψηλής ενέργειας, όπως λέιζερ ή εκπομπές ηλεκτρονίων, για να σχηματίσουν το επιθυμητό αντικείμενο. Παρέχει μια εξαιρετική ικανότητα δημιουργίας πολύπλοκων γεωμετριών με ακρίβεια.

Κατευθυνόμενη ενεργειακή εναπόθεση (DED)

Κατά την εναπόθεση κατευθυνόμενης ενέργειας, το υλικό λιώνει από έναν θερμαντήρα, ενώ ταυτόχρονα εναποτίθεται μέσω ενός ακροφυσίου. Η διαδικασία αυτή δημιουργεί στρώματα για την παραγωγή ενός στερεού αντικειμένου. Η DED είναι χρήσιμη σε διάφορες βιομηχανίες επειδή μπορεί να επισκευάσει υπάρχοντα εξαρτήματα και να προσθέσει υλικά.

Διαβροχή μεταλλικών συνδετικών υλικών

Ο εκτοξευόμενος εκτοξευτήρας μεταλλικών συνδετικών υλικών χρησιμοποιεί υγρά συνδετικά υλικά που διανέμονται πάνω σε διαδοχικά στρώματα σκόνης μετάλλου, ως κόλλα μεταξύ αυτών των σωματιδίων. Το προκύπτον αντικείμενο απαιτεί περαιτέρω επεξεργασία, συνήθως διαδικασίες πυροσυσσωμάτωσης ή διήθησης, για να γίνει πιο ανθεκτικό/σκληρότερο από πριν, διατηρώντας όμως το σχήμα του χωρίς παραμόρφωση. Η μέθοδος αυτή είναι χρήσιμη για πολλές εφαρμογές, ιδίως εκείνες που αφορούν μαζική παραγωγή, όπου απαιτούνται πολύπλοκα εξαρτήματα χωρίς να αυξάνονται υπερβολικά οι θερμοκρασίες.

Σύγκριση διαφορετικών μεταλλικών προσθετικών μεθόδων κατασκευής

Μέθοδοι για κρεβάτια με πούδρα

Πλεονεκτήματα

Οι μέθοδοι κλίνης σκόνης είναι οι καλύτερες μέθοδοι για την κατασκευή σύνθετων σχημάτων. Αυτή η μέθοδος είναι εξαιρετικά ακριβής και χρησιμοποιεί μόνο την απαραίτητη σκόνη, εξοικονομώντας έτσι σπατάλες. Μπορεί να τροποποιηθεί ώστε να ταιριάζει σε εξατομικευμένα προϊόντα και συνεπώς να εφαρμόζεται σε διάφορα μέταλλα και κράματα.

Μειονεκτήματα

Οι ακριβές πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται στις διαδικασίες καθιστούν δαπανηρή την αγορά όλων των απαραίτητων εργαλείων που απαιτούνται. Έχει περιορισμένη ταχύτητα εκτός από τους πιθανούς περιορισμούς όγκου κατά την παραγωγή. Οι επιφανειακές επεξεργασίες ενδέχεται να απαιτούν επιπλέον φινίρισμα μετά την επεξεργασία, επίσης υπάρχουν αυστηρές οδηγίες ασφαλείας κατά την εργασία με μεταλλικές σκόνες.

Διαβροχή συνδετικού υλικού

Πλεονεκτήματα

Τα στηρίγματα χρειάζονται μόνο μερικές φορές στην εκτόξευση συνδετικού υλικού, γεγονός που μειώνει τα απόβλητα και το κόστος μετεπεξεργασίας. Ανακυκλώνει έως και το 99% της χαλαρής σκόνης, επιτρέποντας πολύπλοκα σχέδια χωρίς αύξηση του κόστους. Μπορούν να κατασκευαστούν πολλά εξαρτήματα με μία εκτύπωση, εξοικονομώντας χρόνο και μειώνοντας το κόστος.

Μειονεκτήματα

Ωστόσο, η εκτόξευση συνδετικού υλικού απαιτεί πρόσθετο εξοπλισμό για τη μετεπεξεργασία, με τις περισσότερες διαδικασίες μετά την εκτύπωση να είναι χειροκίνητες, αν και η αυτοματοποίηση βρίσκεται σε εξέλιξη. Εξάλλου, το κόστος των μηχανών εκτόξευσης συνδετικού υλικού είναι υψηλότερο από εκείνο πολλών συμβατικών μεθόδων παραγωγής.

Άμεση εναπόθεση ενέργειας (DED)

Πλεονεκτήματα

Η DED έχει ταχύτερο ρυθμό κατασκευής από άλλες τεχνολογίες ΑΜ μετάλλων και δημιουργεί πυκνά εξαρτήματα με λιγότερα άχρηστα υλικά. Μπορεί να παράγει σημαντικά εξαρτήματα και να συνεργαστεί με διαφορετικά υλικά.

Μειονεκτήματα

Το μειονέκτημα είναι ότι η DED έχει χαμηλή ανάλυση κατασκευής, η οποία οδηγεί σε τραχιά επιφανειακά φινιρίσματα. Τα μηχανήματα είναι αρκετά ακριβά και δεν επιτρέπονται δομές στήριξης σε αυτή τη διαδικασία, πράγμα που σημαίνει ότι δεν μπορούν να εφαρμοστούν ορισμένα σχεδιαστικά χαρακτηριστικά.

Μεταλλικά υλικά προσθετικής κατασκευής

Κοινές μεταλλικές σκόνες

Η επιλογή του υλικού στην προσθετική κατασκευή μετάλλων επηρεάζει σημαντικά τις ιδιότητες του τελικού προϊόντος. Τα συνήθη υλικά περιλαμβάνουν:

• Τιτάνιο και κράματα τιτανίου

Υψηλή αντοχή, αντίσταση στη διάβρωση και βιοσυμβατότητα, ιδανικό για αεροδιαστημική, αυτοκινητοβιομηχανία και ιατρική χρήση.

• Ανοξείδωτο χάλυβα

Ισορροπία αντοχής, αντοχής στη διάβρωση και οικονομικής προσιτότητας.

• Αλουμίνιο και κράματα αλουμινίου

Ελαφρύ με καλή αγωγιμότητα.

• Σούπερ κράματα με βάση το νικέλιο

Ανώτερη αντοχή στη θερμότητα και τη διάβρωση για εφαρμογές υψηλών θερμοκρασιών.

• Κράματα κοβαλτίου-χρωμίου

Υψηλή αντοχή και βιοσυμβατότητα, χρησιμοποιείται συχνά σε ιατρικές εφαρμογές.

• Πολύτιμα μέταλλα

Χρησιμοποιούνται σε κοσμήματα για αισθητικές ιδιότητες και αντοχή στη διάβρωση.

• Χάλυβες εργαλείων

Υψηλή σκληρότητα και αντοχή στη φθορά, ιδανικό για τη δημιουργία καλουπιών και κοπτικών εργαλείων.

Τα πολύτιμα μέταλλα στην προσθετική κατασκευή

Πολύτιμα μέταλλα όπως ο χρυσός, ο άργυρος, η πλατίνα και το ρουθήνιο χρησιμοποιούνται στην προσθετική κατασκευή για διάφορες εφαρμογές:

• Ασημένιο

Ηλεκτρικές επαφές και μπαταρίες υψηλής χωρητικότητας λόγω της υψηλής αγωγιμότητάς τους.

• Χρυσό

Οδοντιατρική, ιατρική και ηλεκτρονική για την ευπλαστότητά τους και την αντοχή τους στο θάμπωμα.

• Πλατίνα

Κοσμήματα, χειρουργικά εργαλεία και εργαστηριακά σκεύη για την πυκνότητά τους και την αντοχή τους στον αέρα και το νερό.

• Ρουθήνιο

Ηλεκτρονικές και χημικές βιομηχανίες για την αντοχή του στα οξέα και το αμαύρωμα.

Βιομηχανικές εφαρμογές της προσθετικής κατασκευής μετάλλων

Αεροδιαστημική βιομηχανία

Η αεροδιαστημική βιομηχανία ήταν από τις πρώτες που υιοθέτησαν την πρόσθετη κατασκευή μετάλλων, επειδή χρειαζόταν ελαφριά και ανθεκτικά υλικά. Η τεχνολογία αυτή βελτιστοποιεί εξαρτήματα κινητήρων, πτερύγια στροβίλων και συστήματα καυσίμων. Η δημιουργία πολύπλοκων σχημάτων χωρίς εσωτερικές ατέλειες έχει βελτιώσει δραματικά την απόδοση και τη λειτουργικότητα των αεροδιαστημικών εξαρτημάτων, οδηγώντας σε ελαφρύτερα αεροσκάφη και μειωμένη κατανάλωση καυσίμων.

Βιομηχανία αυτοκινήτων

Η πρόσθετη κατασκευή μετάλλων χρησιμοποιείται στην αυτοκινητοβιομηχανία για πρωτοτυποποίηση μετάλλων, προσαρμοσμένα εξαρτήματα και εργαλεία. Οι κατασκευαστές αυτοκινήτων μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή την καινοτομία για να αναπτύξουν νέα σχέδια που μπορούν να δοκιμάσουν αμέσως, μειώνοντας τους κύκλους επανάληψης κατά την ανάπτυξη. Επιπλέον, η δημιουργία ελαφρών αλλά περίπλοκων στερεών δομών βελτιώνει την αποδοτικότητα των οχημάτων.

Ιατρική βιομηχανία

Η παραγωγή ιατρικών εμφυτευμάτων και χειρουργικών εργαλείων διευκολύνεται από την προσθετική κατασκευή μετάλλων στον ιατρικό τομέα. Για παράδειγμα, η τεχνολογία αυτή δημιουργεί εμφυτεύματα ειδικά για τον ασθενή που ταιριάζουν ακριβώς στην ανατομία του ατόμου, με αποτέλεσμα καλύτερα αποτελέσματα και ταχύτερη επούλωση για τους ασθενείς μετά από χειρουργική επέμβαση ή τραυματισμό λόγω ατυχήματος. Επιτρέπει επίσης την κατασκευή λεπτών χειρουργικών εργαλείων, τα οποία αυξάνουν την ακρίβεια κατά τη διάρκεια των επεμβάσεων.

Βιομηχανία ενέργειας

Η πρόσθετη κατασκευή μετάλλων κατασκευάζει εξαρτήματα ενεργειακών συστημάτων στον τομέα της ενέργειας. Βοηθά στην κατασκευή τέτοιων εξαρτημάτων, τα οποία συνήθως χρειάζονται ιδιότητες υψηλής αντοχής και μπορούν να αντισταθούν σε δύσκολες περιβαλλοντικές συνθήκες, καθιστώντας έτσι την ΑΜ ιδανική μέθοδο για τις απαιτήσεις παραγωγής τους. Η προσθετική κατασκευή μας επιτρέπει να σχεδιάζουμε περίπλοκες γεωμετρίες που βελτιώνουν την αποδοτικότητα και την αξιοπιστία σε αυτά τα συστήματα.

Κοσμήματα και καταναλωτικά αγαθά

Η βιομηχανία κοσμημάτων έχει μεταμορφωθεί από την προσθετική κατασκευή μετάλλων, όπου πολύπλοκα σχέδια κατασκευάζονται με πολύ μικρή σπατάλη υλικού. Η τεχνική αυτή επιτρέπει στους κοσμηματοποιούς να δημιουργούν περίπλοκα κομμάτια που θα ήταν ανέφικτα ή αδύνατα με τη χρήση παραδοσιακών μεθόδων. Επίσης, οι παραγωγοί καταναλωτικών αγαθών χρησιμοποιούν την ΑΜ για την προσαρμογή αντικειμένων με μοναδικές γεωμετρίες.

Έρευνα και Ανάπτυξη

Στον τομέα της έρευνας και ανάπτυξης (Ε&Α), η πρόσθετη κατασκευή μετάλλων είναι απαραίτητη για τη γρήγορη κατασκευή πρωτοτύπων κατά τη διάρκεια πειραματισμών. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές μπορούν να χρησιμοποιήσουν αυτή την τεχνολογική διαδικασία για να παράγουν και να δοκιμάσουν σύντομα νέα σχέδια, γεγονός που θα τους βοηθήσει να καινοτομήσουν και να ανακαλύψουν το άγνωστο. Η ταχεία επανάληψη του σχεδιασμού συμβάλλει στην ταχεία ανάπτυξη νέων προϊόντων και τεχνολογιών.

Πλεονεκτήματα της προσθετικής κατασκευής μετάλλων

Πολύπλοκα σχήματα και γεωμετρίες

Η δυνατότητα δημιουργίας πολύπλοκων σχημάτων και γεωμετριών που είναι δύσκολο ή αδύνατο να κατασκευαστούν με παραδοσιακές μεθόδους είναι ένα από τα σημαντικότερα πλεονεκτήματα της προσθετικής κατασκευής μετάλλων (AM). Αυτό καθιστά δυνατή τη σχεδίαση εξαρτημάτων με εσωτερικά κενά και περίπλοκες λεπτομέρειες.

Μείωση βάρους

Σε αντίθεση με άλλες μεθόδους κατασκευής, η προσθετική κατασκευή επιτρέπει τη δημιουργία ελαφρών εξαρτημάτων χωρίς συμβιβασμούς στην αντοχή. Οι τομείς που έχουν αγκαλιάσει αυτή τη μείωση του βάρους περιλαμβάνουν, μεταξύ άλλων, την αυτοκινητοβιομηχανία και την αεροδιαστημική, όπου ακόμη και μια μικρή μείωση του βάρους μπορεί να οδηγήσει σε σημαντική εξοικονόμηση του κόστους των καυσίμων.

Αποτελεσματικότητα χρόνου και κόστους

Σε σύγκριση με τις παραδοσιακές διαδικασίες, η πρόσθετη κατασκευή μετάλλων απαιτεί λιγότερο χρόνο, καθώς εξαλείφει την κατασκευή εργαλείων και τις δευτερεύουσες εργασίες, μειώνοντας το κόστος παραγωγής και τους χρόνους παράδοσης, ώστε οι παραγωγοί να εισέλθουν ταχύτερα στην αγορά. Επιπλέον, το μηδενικό απόθεμα μειώνει τα έξοδα αποθήκευσης.

Περιβαλλοντικά οφέλη

Σε σύγκριση με τις συμβατικές αφαιρετικές τεχνικές, η παραγωγή αποβλήτων από την τρισδιάστατη εκτύπωση μειώνεται, καθώς προστίθεται μόνο το υλικό που απαιτείται σε μια συγκεκριμένη περιοχή. Αυτό μειώνει το κόστος των υλικών και συμβάλλει θετικά στη διατήρηση του περιβάλλοντος. Επιπλέον, η ανακύκλωση της αχρησιμοποίητης σκόνης συμβάλλει στην προώθηση της βιωσιμότητας.

Προκλήσεις της προσθετικής κατασκευής μετάλλων

Τεχνικές προκλήσεις

Αρκετές τεχνικές προκλήσεις αντιμετωπίζουν οι τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής μετάλλων, συμπεριλαμβανομένης της επίτευξης του επιθυμητού επιφανειακού φινιρίσματος και της ακρίβειας που είναι αρκετά υψηλές για τους σκοπούς που προορίζονται, λόγω της απαίτησης πρόσθετης μεταγενέστερης επεξεργασίας, όπως η μηχανική κατεργασία ή η στίλβωση.

Οικονομικοί περιορισμοί

Οι υψηλές αρχικές επενδύσεις εμποδίζουν τις περισσότερες επιχειρήσεις να εγκαταστήσουν μηχανές ΑΜ μετάλλων. Ταυτόχρονα, οι μηχανές αυτές είναι ακριβές, μαζί με τις απαιτήσεις εκπαίδευσης, τα αναλώσιμα, τη συντήρηση κ.λπ. Εκτός αυτού, τα υλικά που χρησιμοποιούνται στην τρισδιάστατη εκτύπωση τείνουν να είναι δαπανηρά, πράγμα που σημαίνει ότι θα υπάρχουν υψηλά ποσοστά σπατάλης σε πρώτες ύλες.

Θέματα κανονισμών και τυποποίησης

Η τεχνολογία προσθετικής κατασκευής μετάλλων χρειάζεται τυποποιημένες μεθόδους δοκιμών ή κατευθυντήριες γραμμές ποιοτικού ελέγχου, καθιστώντας έτσι τη διασφάλιση της ποιότητας δύσκολη υπόθεση, ιδίως σε τομείς όπως η αεροδιαστημική και οι ιατρικές συσκευές με αυστηρές απαιτήσεις.

ΣΥΧΝΈΣ ΕΡΩΤΉΣΕΙΣ

Τι είναι τα είδη σύντηξης κλίνης σκόνης？

Επιλεκτική πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ (SLS)

Η εκλεκτική πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ χρησιμοποιεί ένα λέιζερ για να πυροσυσσωματώσει μέταλλο σε σκόνη, συγχωνεύοντάς το για να επιτύχει μια συμπαγή δομή, με χαρακτηριστικά την ακρίβεια και την αποδοτικότητα.

Απευθείας πυροσυσσωμάτωση με λέιζερ μετάλλων (DMLS)

Ωστόσο, το DMLS είναι όπως το SLA, αλλά επικεντρώνεται σε διάφορα μέταλλα και κράματα για τη δημιουργία πρωτοτύπων και προϊόντων τελικής χρήσης με υψηλή ακρίβεια.

Επιλεκτική τήξη με λέιζερ (SLM)

Επιπλέον, η SLM περιλαμβάνει την τήξη της μεταλλικής σκόνης, οδηγώντας σε ένα πυκνότερο και πιο ανθεκτικό τελικό προϊόν για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή αντοχή και ανθεκτικότητα.

Τήξη με δέσμη ηλεκτρονίων (EBM)

Αυτή η διαδικασία διαφέρει από άλλες τεχνολογίες προσθετικής κατασκευής. Χρησιμοποιείται δέσμη ηλεκτρονίων αντί για λέιζερ σε κενό για να αποφευχθεί η οξείδωση, καθιστώντας εύκολα πολύπλοκα εξαρτήματα με άριστα χαρακτηριστικά υλικών.

Συμπεράσματα

Η πρόσθετη κατασκευή μετάλλων είναι μια μετασχηματιστική τεχνολογία που προσφέρει πολυάριθμα οφέλη, όπως ελευθερία σχεδιασμού, βελτίωση της αποδοτικότητας και μείωση των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Με διάφορες διαθέσιμες μεθόδους, όπως η σύντηξη κλίνης σκόνης, η εναπόθεση κατευθυνόμενης ενέργειας και η εκτόξευση συνδετικού υλικού, οι κατασκευαστές μπορούν να επιλέξουν την καλύτερη προσέγγιση για τις συγκεκριμένες ανάγκες τους. Το ευρύ φάσμα υλικών που χρησιμοποιούνται στην προσθετική κατασκευή μετάλλων επιτρέπει τη δημιουργία εξαρτημάτων με διαφορετικές ιδιότητες και εφαρμογές.

Καθώς η πρόσθετη κατασκευή μετάλλων συνεχίζει να εξελίσσεται, είναι έτοιμη να φέρει επανάσταση στη βιομηχανία κατασκευής. Η δυνατότητα παραγωγής σύνθετων, ελαφρών και υψηλής ποιότητας εξαρτημάτων γρήγορα και οικονομικά αποδοτικά θα οδηγήσει στην υιοθέτησή της σε πολλούς τομείς. Ενώ οι προκλήσεις παραμένουν, οι συνεχιζόμενες εξελίξεις και η αυξανόμενη προσβασιμότητα θα βοηθήσουν να ξεπεραστούν αυτά τα εμπόδια, καθιστώντας την προσθετική μεταλλουργία ακρογωνιαίο λίθο της βιομηχανικής καινοτομίας τα επόμενα χρόνια.