Mis on metalli lisatootmine? Meetodid, rakendus ja materjal

Mida on metalli lisatootmine?

Metalli lisatootmine, alternatiivselt tuntud ka kui metalli 3D-printimine, on kõrgtehnoloogiline tootmismeetod, mille puhul objektid valmistatakse järjestikuste materjalikihtide lisamise teel. Selle meetodi puhul kasutatakse energiaallikat, näiteks laserit või elektronkiirt, et metallipulbri või traadi kujul kokku sulatada, moodustades tahke objekti. Sellest tulenevalt võimaldab see tehnika arendada keerulisi konstruktsioone, mida ei ole võimalik või on keeruline saavutada traditsiooniliste tootmisprotsessidega.

Metalli lisatootmine pakub mitmeid eeliseid, sealhulgas võrratu disainivabadus ja erinevate metallide kasutamine. See on muutnud selle tootmistööstuse kasvuks asendamatuks, aidates parandada tõhusust, vähendada jäätmeid, vähendada heitkoguseid ja suurendada mahukamate ja kergemate detailide tootmismahtu. Selle tehnoloogia peamisteks kasutajateks on tunnistatud lennundus, autotööstus, meditsiin ja tarbekaubad.

Metallide lisatootmise meetodid

Puuvoodi meetodid

Pulbrikihi meetod viitab sellele, kui õhuke kiht metallipulbrit laotatakse voodi pinnale. Seejärel toimub õhukese kihi selektiivne sulamine ja sulatamine kõrge energiaga allikate, näiteks laserite või elektronkiirguse abil, et moodustada soovitud ese. See võimaldab erakordselt täpselt luua keerukaid geomeetriaid.

Suunatud energia ladestamine (DED)

Suunatud energiaga sadestamisel sulatatakse materjal kuumutusseadme abil, samal ajal kui see sadestatakse läbi düüsi. Selle protsessi käigus moodustuvad kihid, et saada tahke objekt. DED on kasulik erinevates tööstusharudes, sest sellega saab parandada olemasolevaid osi ja lisada materjale.

Metallide sidemete pihustamine

Metallisideainete pihustamisel kasutatakse vedelaid sideaineid, mida doseeritakse järjestikuste metallipulbriliste kihtide peale, seega liimina nende osakeste vahel. Saadud objekt vajab edasist töötlemist, tavaliselt paagutamist või infiltratsiooniprotsessi, et muuta see tugevamaks/kõvemaks kui varem, säilitades siiski oma kuju ilma deformatsioonita. See meetod on kasulik paljude rakenduste puhul, eriti masstootmise puhul, kus on vaja keerulisi osi ilma temperatuuri liigselt tõstmata.

Võrdlus erinevate metallide lisandite tootmismeetodite vahel

Puuvoodi meetodid

Eelised

Pulbrikihi meetodid on parimad meetodid keeruliste kujude ehitamiseks. See meetod on väga täpne ja kasutab ainult vajalikku pulbrit, säästes seega raiskamist. Seda saab kohandada individuaalsete toodete jaoks, seega on see kohaldatav erinevate metallide ja sulamite puhul.

Puudused

Menetlustes kasutatavate kallite toorainete tõttu on kõigi vajalike töövahendite ostmine kulukas. Lisaks võimalikele mahupiirangutele tootmise ajal on selle kiirus piiratud. Pinnatöötlus võib nõuda täiendavat viimistlust pärast töötlemist, samuti on metallipulbritega töötamisel ranged ohutusjuhised.

Kinnitusseadmed

Eelised

Tugesidemeid on vaja ainult mõnikord sidemete pihustamisel, mis vähendab jäätmeid ja järeltöötluskulusid. See taaskasutab kuni 99% lahtisest pulbrist, võimaldades keerukaid konstruktsioone ilma kulusid suurendamata. Ühe trükiga saab valmistada mitu detaili, mis säästab aega ja vähendab kulusid.

Puudused

Siiski nõuab sideainepritsimine lisaseadmeid järeltöötluseks, kusjuures enamik järeltöötlusprotsesse on käsitsi, kuigi automatiseerimine on käimas. Lisaks sellele on sideainepihustusseadmete maksumus kõrgem kui paljude tavapäraste tootmismeetodite maksumus.

Kahe energiasadestamine (DED)

Eelised

DED on kiirem kui muud AM-metalltehnoloogiad ja loob tihedaid osi väiksema materjalijäägiga. Sellega saab toota märkimisväärseid komponente ja töötada erinevate materjalidega.

Puudused

Miinuseks on, et DED-meetodil on madal ehituseraldusvõime, mille tulemuseks on krobeline pinnaviimistlus. Masinad on üsna kallid ja selles protsessis ei ole lubatud tugikonstruktsioonid, mis tähendab, et teatavaid konstruktsiooniomadusi ei saa rakendada.

Metallide lisatootmismaterjalid

Üldised metallipulbrid

Materjali valik metallilisanditootmises mõjutab oluliselt lõpptoote omadusi. Levinud materjalid on järgmised:

• Titaan ja titaanisulamid

Kõrge tugevus, korrosioonikindlus ja bioloogiline sobivus, ideaalne kasutamiseks lennunduses, autotööstuses ja meditsiinis.

• Roostevaba teras

Tugevuse, korrosioonikindluse ja taskukohasuse tasakaal.

• Alumiinium ja alumiiniumisulamid

Kerge ja hea elektrijuhtivusega.

• Nikkelipõhised supersulamid

Suurepärane kuumus- ja korrosioonikindlus kõrge temperatuuriga rakenduste jaoks.

• Kobalti-kroomi sulamid

Kõrge tugevus ja bioloogiline sobivus, mida kasutatakse sageli meditsiinilistes rakendustes.

• Väärismetallid

Neid kasutatakse ehetes esteetiliste omaduste ja korrosioonikindluse tõttu.

• Tool Steels

Kõrge kõvadus ja kulumiskindlus, ideaalne vormide ja lõiketööriistade valmistamiseks.

Väärismetallid lisanditootmises

Lisanditootmises kasutatakse mitmesugustes rakendustes selliseid väärismetalle nagu kuld, hõbe, plaatina ja ruteenium:

• Silver

Elektrilised kontaktid ja suure võimsusega patareid tänu nende suurele juhtivusele.

• Kuld

Hambaravis, meditsiinis ja elektroonikas nende plastilisuse ja tuhmumiskindluse tõttu.

• Platina

Ehted, kirurgilised tööriistad ja laboratoorsed vahendid nende tiheduse ning õhu- ja veekindluse tõttu.

• Ruteenium

Elektroonika- ja keemiatööstus happekindluse ja tuhmumise tõttu.

Metalli lisatootmise tööstuslikud rakendused

Aerospace Industry

Lennundustööstus oli üks esimesi, kes võttis metallilisanditootmise kasutusele, sest vajas kergeid ja vastupidavaid materjale. See tehnoloogia optimeerib mootorikomponente, turbiinilabasid ja kütusesüsteeme. Keerukate vormide loomine ilma sisemiste vigadeta on oluliselt parandanud lennundusdetailide jõudlust ja funktsionaalsust, mille tulemuseks on kergemad õhusõidukid ja väiksem kütusekulu.

Autotööstus

Metallilisanditootmist kasutatakse autotööstuses metallist prototüüpide valmistamiseks, tellimusdetailide ja tööriistade valmistamiseks. Autotootjad saavad seda uuendust kasutada uute disainilahenduste väljatöötamiseks, mida nad saavad kohe katsetada, vähendades oma iteratsioonitsükleid arenduse ajal. Lisaks parandab kergete, kuid keeruliste tahkete konstruktsioonide loomine sõiduki tõhusust.

Meditsiinitööstus

Meditsiinivaldkonnas hõlbustab metalli lisatootmine meditsiiniliste implantaatide ja kirurgiliste instrumentide tootmist. Näiteks luuakse selle tehnoloogia abil patsiendispetsiifilisi implantaate, mis sobivad täpselt inimese anatoomiaga, mille tulemuseks on paremad tulemused ja kiirem paranemisaeg patsientidele pärast operatsiooni või õnnetusjuhtumitest tingitud vigastusi. Samuti võimaldab see valmistada delikaatseid kirurgilisi tööriistu, mis suurendavad täpsust operatsioonide ajal.

Energeetikatööstus

Metalli lisatootmine valmistab energiasüsteemide komponente energiasektoris. See aitab valmistada selliseid osi, mis vajavad tavaliselt suuri tugevusomadusi ja peavad vastu pidama karmidele keskkonnatingimustele, mistõttu AM on nende tootmisvajaduste jaoks ideaalne meetod. Additiivne tootmine võimaldab projekteerida keerulisi geomeetriatüüpe, mis parandavad nende süsteemide tõhusust ja usaldusväärsust.

Juveelid ja tarbekaubad

Juveelitööstust on muutnud metalli lisatootmine, kus keerukaid disainilahendusi valmistatakse väga väikese materjali raiskamisega. See tehnika võimaldab ehtekunstnikel luua keerulisi esemeid, mis oleksid traditsiooniliste meetoditega ebapraktilised või võimatud. Samuti kasutavad tarbekaupade tootjad AM-i unikaalse geomeetriaga esemete kohandamiseks.

Teadusuuringud ja arendustegevus

Teadus- ja arendustegevuse valdkonnas on metallilisanditootmine vajalik kiireks prototüüpimiseks eksperimenteerimise ajal. Seetõttu saavad teadlased kasutada seda tehnoloogilist menetlust uute disainilahenduste lühiajaliseks tootmiseks ja katsetamiseks, mis aitab neil uuendada ja avastada tundmatut. Disaini kiire iteratsioon aitab kaasa uute toodete ja tehnoloogiate kiirele arendamisele.

Metalli lisatootmise eelised

Komplekssed kujundid ja geomeetrilised vormid

Võimalus luua keerulisi kujundeid ja geomeetriaid, mida on raske või võimatu valmistada traditsiooniliste meetoditega, on üks metalli lisatootmise (AM) olulisemaid eeliseid. See võimaldab kujundada sisemiste tühimike ja keeruliste detailidega osi.

Kaalu vähendamine

Erinevalt teistest tootmismeetoditest võimaldab lisatootmine luua kergeid komponente, ilma et see kahjustaks tugevust. Sellise kaalu vähendamise on omaks võtnud muu hulgas autotööstus ja lennundus, kus isegi väike kaalu vähendamine võib kaasa tuua märkimisväärse kokkuhoiu kütusekuludes.

Aja- ja kulutõhusus

Võrreldes traditsiooniliste protsessidega võtab metalli lisatootmine vähem aega, kuna see välistab tööriistade valmistamise ja teiseseid toiminguid, vähendades tootmiskulusid ja tootjatele kiirema turule tuleku aega. Lisaks vähendab nullvaru ladustamiskulusid.

Keskkonnaalased eelised

Võrreldes tavapäraste subtraktiivsete tehnikatega väheneb 3D-printimise jäätmeteke, kuna lisatakse ainult konkreetses piirkonnas vajaminev materjal. See vähendab materjalikulusid ja aitab positiivselt kaasa keskkonnahoiule. Lisaks sellele aitab kasutamata pulbri taaskasutamine edendada jätkusuutlikkust.

Metalli lisatootmise väljakutsed

Tehnilised väljakutsed

Metalli lisatootmistehnoloogiate ees seisavad mitmed tehnilised väljakutsed, sealhulgas soovitud pinnatöötluse ja täpsuse saavutamine, mis on piisavalt kõrge nende kavandatud eesmärkide saavutamiseks, kuna on vaja täiendavat järeltöötlust, näiteks mehaanilist töötlemist või poleerimist.

Majanduslikud piirangud

Kõrged alginvesteeringud takistavad enamikul ettevõtetel metalli AM-masinate rajamist. Samal ajal on need masinad kallid, koos koolitusvajaduse, tarbekaupade, hoolduse jne nõuetega. Lisaks on 3D-printimisel kasutatavad materjalid tavaliselt kallid, mis tähendab, et tooraine raiskamine on suur.

Reguleerimis- ja standardimisküsimused

Metalli lisatootmise tehnoloogia vajab standardiseeritud katsemeetodeid või kvaliteedikontrolli suuniseid, mis muudab kvaliteedi tagamise keeruliseks ülesandeks, eriti sellistes valdkondades nagu lennundus ja meditsiiniseadmed, kus kehtivad ranged nõuded.

KKK

Mida on pulbrivoodi sulatamine？

Selektiivne lasersintreerimine (SLS)

Selektiivne lasersintreerimine kasutab laserit pulbrilise metalli paagutamiseks, sulatades seda, et saavutada kindel struktuur, täpsus ja tõhusus on selle tunnused.

Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

DMLS on aga nagu SLA, kuid keskendub erinevatele metallidele ja sulamitele, et luua suure täpsusega prototüüpe ja lõppkasutatavaid tooteid.

Selektiivne lasersulatus (SLM)

Lisaks hõlmab SLM metallipulbri sulatamist, mille tulemuseks on tihedam ja tugevam lõpptoode, mis on vajalik suurt tugevust ja vastupidavust nõudvate rakenduste jaoks.

Elektronkiirte sulatamine (EBM)

See protsess erineb teistest additiivsetest tootmistehnoloogiatest. Oksüdeerumise vältimiseks kasutatakse vaakumis elektronkiirt, mitte laserit, mis muudab keerulised ja suurepäraste materjaliomadustega detailid lihtsaks.

Kokkuvõte

Metalli lisatootmine on transformatiivne tehnoloogia, mis pakub mitmeid eeliseid, sealhulgas disainivabadust, tõhususe parandamist ja väiksemat keskkonnamõju. Tänu erinevatele meetoditele, nagu pulbervoodisulatus, suunatud energia sadestamine ja sideainepihustussüsteem, saavad tootjad valida oma konkreetsete vajaduste jaoks parima lähenemisviisi. Metallide lisatootmises kasutatavate materjalide lai valik võimaldab luua mitmesuguste omaduste ja rakendustega osi.

Kuna metallilisanditootmine areneb edasi, on see valmis muutma tootmistööstust. Võimalus toota keerulisi, kergeid ja kvaliteetseid osi kiiresti ja kulutõhusalt soodustab selle kasutuselevõttu mitmes sektoris. Kuigi probleemid on veel lahendamata, aitavad jätkuvad edusammud ja suurenev kättesaadavus need takistused ületada, muutes metalli lisatootmise lähiaastatel tööstuse innovatsiooni nurgakiviks.