Mitä on metallin additiivinen valmistus? Menetelmät, soveltaminen ja materiaali

Mitä on metallin additiivinen valmistus?

Metallien additiivinen valmistus, joka tunnetaan myös nimellä metallin 3D-tulostus, on korkean teknologian valmistusmenetelmä, jossa esineitä valmistetaan lisäämällä peräkkäisiä materiaalikerroksia. Menetelmässä hyödynnetään energialähdettä, esimerkiksi laser- tai elektronisädettä, metallijauheen tai metallilangan sulattamiseksi yhteen ja kiinteän kappaleen muodostamiseksi. Näin ollen tämä tekniikka mahdollistaa sellaisten monimutkaisten mallien kehittämisen, joita ei voida toteuttaa tai joita on haastavaa toteuttaa perinteisillä valmistusmenetelmillä.

Metallien additiivinen valmistus tarjoaa useita etuja, kuten vertaansa vailla olevan suunnitteluvapauden ja erilaisten metallien käytön. Tämä on tehnyt siitä välttämättömän valmistusteollisuuden kasvun kannalta, sillä se auttaa parantamaan tehokkuutta, vähentämään jätettä, pienentämään päästöjä ja lisäämään suurempien ja kevyempien osien tuotantonopeuksia. Ilmailu- ja avaruusteollisuus, autoteollisuus, lääketeollisuus ja kulutustavarat ovat tämän teknologian ensisijaisia edunsaajia.

Methods in Metal Additive Manufacturing (Metallien lisäainevalmistuksen menetelmät)

Jauhepetimenetelmät

Jauhepetimenetelmällä tarkoitetaan sitä, että ohut metallijauhekerros levitetään petin pinnalle. Tämän jälkeen ohuet kerrokset sulatetaan ja sulatetaan valikoivasti suurienergialähteistä, kuten lasereista tai elektroniemissioista, halutun kappaleen muodostamiseksi. Se tarjoaa poikkeuksellisen hyvät mahdollisuudet tuottaa monimutkaisia geometrioita tarkasti.

Suuntautuneen energian laskeutuminen (DED)

Suuntautuneella energialla tapahtuvassa laskeutumisessa materiaali sulatetaan lämmittimellä ja laskeutuu samanaikaisesti suuttimen läpi. Prosessi rakentaa kerroksia kiinteän kappaleen aikaansaamiseksi. DED on hyödyllinen eri teollisuudenaloilla, koska sillä voidaan korjata olemassa olevia osia ja lisätä materiaaleja.

Metal Binder Jetting

Metallisideaineen suihkutuksessa käytetään nestemäisiä sideaineita, jotka annostellaan peräkkäisten metallijauhekerrosten päälle, jolloin ne toimivat liimana näiden hiukkasten välissä. Tuloksena syntyvä kappale vaatii jatkokäsittelyä, yleensä sintrausta tai infiltraatioprosessia, jotta siitä saadaan aiempaa kestävämpi/kovempi, mutta se säilyttää silti muotonsa ilman muodonmuutoksia. Menetelmä on hyödyllinen monissa sovelluksissa, erityisesti massatuotannossa, jossa tarvitaan monimutkaisia osia nostamatta lämpötilaa liikaa.

Vertailu eri metallien lisäainemenetelmien valmistusmenetelmien välillä

Jauhepetimenetelmät

Hyötyjä

Jauhepetimenetelmät ovat parhaita menetelmiä monimutkaisten muotojen rakentamiseen. Menetelmä on erittäin tarkka ja käyttää vain tarvittavaa jauhetta, mikä säästää hukkaa. Sitä voidaan muokata yksilöllisiin tuotteisiin sopivaksi, joten sitä voidaan soveltaa erilaisiin metalleihin ja seoksiin.

Haitat

Menetelmissä käytettävien kalliiden raaka-aineiden vuoksi kaikkien tarvittavien välttämättömien työkalujen hankkiminen on kallista. Sen nopeus on rajallinen, minkä lisäksi tuotantoon liittyy mahdollisia volyymirajoituksia. Pintakäsittelyt saattavat vaatia ylimääräistä viimeistelyä käsittelyn jälkeen, ja metallijauheiden kanssa työskenneltäessä on noudatettava tiukkoja turvallisuusohjeita.

Sideainesäiliön suihkutus

Hyötyjä

Tukia tarvitaan vain joskus sideainesuihkutuksessa, mikä vähentää jätettä ja jälkikäsittelykustannuksia. Se kierrättää jopa 99 % irtojauheesta, mikä mahdollistaa monimutkaiset mallit kustannuksia lisäämättä. Yhdellä tulostuksella voidaan valmistaa useita osia, mikä säästää aikaa ja vähentää kustannuksia.

Haitat

Sideainesuihkutus vaatii kuitenkin lisälaitteita jälkikäsittelyä varten, ja useimmat jälkikäsittelyprosessit ovat manuaalisia, vaikka automatisointi onkin käynnissä. Lisäksi sideaineen suihkutuslaitteiden kustannukset ovat korkeammat kuin monien perinteisten valmistusmenetelmien kustannukset.

Suoran energian laskeutuminen (DED)

Hyötyjä

DED-menetelmällä on nopeampi valmistusnopeus kuin muilla metallin AM-tekniikoilla, ja sillä saadaan aikaan tiiviitä osia, joissa on vähemmän hukkamateriaalia. Sillä voidaan valmistaa merkittäviä komponentteja ja työskennellä erilaisten materiaalien kanssa.

Haitat

Huonona puolena on, että DED:n rakenneresoluutio on alhainen, mikä johtaa karkeaan pintakäsittelyyn. Koneet ovat melko kalliita, eikä tässä prosessissa sallita tukirakenteita, mikä tarkoittaa, että tiettyjä suunnittelun ominaisuuksia ei voida toteuttaa.

Metallien lisäainevalmistusmateriaalit

Yleiset metallijauheet

Materiaalin valinta metallin lisäainevalmistuksessa vaikuttaa merkittävästi lopputuotteen ominaisuuksiin. Yleisiä materiaaleja ovat mm:

• Titaani ja titaaniseokset

Korkea lujuus, korroosionkestävyys ja bioyhteensopivuus, ihanteellinen ilmailu- ja avaruusalalla, autoteollisuudessa ja lääketieteellisessä käytössä.

• Ruostumaton teräs

Lujuuden, korroosionkestävyyden ja edullisuuden tasapaino.

• Alumiini ja alumiiniseokset

Kevyt ja hyvin johtava.

• Nikkelipohjaiset superseokset

Erinomainen lämmön- ja korroosionkestävyys korkean lämpötilan sovelluksissa.

• Koboltti-kromiseokset

Lujuus ja biologinen yhteensopivuus, käytetään usein lääketieteellisissä sovelluksissa.

• Jalometallit

Niitä käytetään koruissa esteettisten ominaisuuksien ja korroosionkestävyyden vuoksi.

• Työkaluteräkset

Korkea kovuus ja kulutuskestävyys, ihanteellinen muottien ja leikkaustyökalujen valmistukseen.

Jalometallit additiivisessa valmistuksessa

Jalometalleja, kuten kultaa, hopeaa, platinaa ja ruteniumia, käytetään additiivisessa valmistuksessa erilaisissa sovelluksissa:

• Hopea

Sähkökontaktit ja suurikapasiteettiset akut niiden korkean johtavuuden ansiosta.

• Kulta

Hammaslääketiede, lääketiede ja elektroniikka, koska ne ovat muovattavia ja kestävät haalistumista.

• Platina

Korut, kirurgiset työkalut ja laboratoriotarvikkeet, koska ne ovat tiheitä ja kestävät ilmaa ja vettä.

• Rutenium

Elektroniikka- ja kemianteollisuus, koska se kestää happoja ja haalistumista.

Metallien additiivisen valmistuksen teollisuussovellukset

Lento- ja avaruusteollisuus

Ilmailu- ja avaruusteollisuus oli ensimmäisten joukossa, jotka ottivat käyttöön metallin additiivisen valmistuksen, koska se tarvitsi kevyitä ja kestäviä materiaaleja. Tällä tekniikalla optimoidaan moottorin osia, turbiinien siipiä ja polttoainejärjestelmiä. Monimutkaisten muotojen luominen ilman sisäisiä virheitä on parantanut merkittävästi ilmailu- ja avaruusteollisuuden osien suorituskykyä ja toimivuutta, mikä on johtanut kevyempiin lentokoneisiin ja pienempään polttoaineenkulutukseen.

Autoteollisuus

Metallien additiivista valmistusta käytetään autoteollisuudessa metalliprototyyppien valmistukseen, mittatilaustyönä valmistettaviin osiin ja työkaluihin. Autonvalmistajat voivat käyttää tätä innovaatiota kehittäessään uusia malleja, joita ne voivat testata välittömästi, mikä vähentää iterointisykliä kehitystyön aikana. Lisäksi kevyiden mutta monimutkaisten kiinteiden rakenteiden luominen parantaa ajoneuvojen tehokkuutta.

Lääketeollisuus

Lääketieteellisellä alalla metallin additiivinen valmistus helpottaa lääketieteellisten implanttien ja kirurgisten instrumenttien valmistusta. Tällä tekniikalla luodaan esimerkiksi potilaskohtaisia implantteja, jotka sopivat täsmälleen yksilön anatomiaan, mikä johtaa parempiin tuloksiin ja nopeampaan paranemiseen leikkauksen tai tapaturman aiheuttaman vamman jälkeen. Se mahdollistaa myös herkkien kirurgisten työkalujen valmistuksen, mikä lisää tarkkuutta leikkausten aikana.

Energiateollisuus

Metallien additiivisessa valmistuksessa valmistetaan energiajärjestelmien komponentteja energia-alalla. Sen avulla voidaan valmistaa tällaisia osia, jotka tyypillisesti vaativat suuria lujuusominaisuuksia ja kestävät ankaria ympäristöolosuhteita, joten AM on täydellinen menetelmä niiden tuotantovaatimuksiin. Additiivisen valmistuksen avulla voimme suunnitella monimutkaisia geometrioita, jotka parantavat tehokkuutta ja luotettavuutta näissä järjestelmissä.

Korut ja kulutustavarat

Metallien additiivinen valmistus on muuttanut koruteollisuutta, sillä sen avulla voidaan valmistaa monimutkaisia malleja hyvin pienellä materiaalihukalla. Tämän tekniikan avulla koruntekijät voivat valmistaa monimutkaisia kappaleita, jotka olisivat epäkäytännöllisiä tai mahdottomia perinteisillä menetelmillä. Myös kulutustavaroiden valmistajat käyttävät AM:ää räätälöidäkseen tuotteita, joilla on ainutlaatuinen geometria.

Tutkimus ja kehitys

Tutkimus- ja kehitysalalla (T&K) metallin lisäainevalmistus on välttämätöntä nopeaa prototyyppien valmistusta varten kokeilujen aikana. Siksi tutkijat voivat käyttää tätä teknologista menettelyä uusien mallien tuottamiseen ja testaamiseen lyhyesti, mikä auttaa heitä innovoimaan ja löytämään tuntematonta. Nopea suunnittelun iterointi edistää uusien tuotteiden ja teknologioiden nopeaa kehittämistä.

Metallien additiivisen valmistuksen edut

Kompleksiset muodot ja geometriat

Kyky luoda monimutkaisia muotoja ja geometrioita, joita on vaikea tai mahdoton valmistaa perinteisillä menetelmillä, on yksi metallin additiivisen valmistuksen (AM) merkittävimmistä eduista. Tämä mahdollistaa sellaisten osien suunnittelun, joissa on sisäisiä onteloita ja monimutkaisia yksityiskohtia.

Painon vähentäminen

Muista valmistusmenetelmistä poiketen additiivinen valmistus mahdollistaa kevyiden komponenttien luomisen lujuudesta tinkimättä. Tätä painonpudotusta ovat hyödyntäneet muun muassa autoteollisuus ja ilmailu- ja avaruusteollisuus, joissa pienikin painonpudotus voi johtaa huomattaviin säästöihin polttoainekustannuksissa.

Aika- ja kustannustehokkuus

Perinteisiin prosesseihin verrattuna metallin additiivinen valmistus vie vähemmän aikaa, koska siinä ei tarvita työkaluja ja toissijaisia toimintoja, mikä vähentää tuotantokustannuksia ja lyhentää toimitusaikaa, jolloin tuottajat pääsevät markkinoille nopeammin. Lisäksi nollavarasto vähentää varastointikustannuksia.

Ympäristöhyödyt

Perinteisiin subtraktiivisiin tekniikoihin verrattuna 3D-tulostuksessa syntyvä jätemäärä vähenee, koska materiaalia lisätään vain tietyllä alueella tarvittava määrä. Tämä vähentää materiaalikustannuksia ja edistää ympäristönsuojelua. Lisäksi käyttämättömän jauheen kierrättäminen edistää kestävyyttä.

Metallien additiivisen valmistuksen haasteet

Tekniset haasteet

Metallien lisäainevalmistustekniikoihin liittyy useita teknisiä haasteita, kuten halutun pintakäsittelyn ja tarkkuuden saavuttaminen, joka on riittävän korkeatasoista käyttötarkoitukseensa, koska tarvitaan ylimääräistä jälkikäsittelyä, kuten koneistusta tai kiillotusta.

Taloudelliset rajoitteet

Korkeat alkuinvestoinnit estävät useimpia yrityksiä perustamasta metallin AM-koneita. Samaan aikaan nämä koneet ovat kalliita, samoin kuin koulutusvaatimukset, kulutustarvikkeet, huolto jne. Lisäksi 3D-tulostuksessa käytettävät materiaalit ovat yleensä kalliita, mikä tarkoittaa, että raaka-aineiden hävikki on suurta.

Sääntelyyn ja standardointiin liittyvät kysymykset

Metallien additiivinen valmistustekniikka tarvitsee standardoituja testausmenetelmiä tai laadunvalvontaohjeita, mikä tekee laadunvarmistuksesta vaikean tehtävän erityisesti aloilla, kuten ilmailu- ja avaruusalalla ja lääkinnällisissä laitteissa, joilla on tiukat vaatimukset.

FAQS

Mitä on eräänlainen Powder Bed Fusion？

Selektiivinen lasersintraus (SLS)

Valikoivassa lasersintrauksessa käytetään laseria sintraamaan jauhemaista metallia ja sulatetaan se kiinteäksi rakenteeksi, jonka ominaispiirteitä ovat tarkkuus ja tehokkuus.

Suoran metallin lasersintraus (DMLS)

DMLS on kuitenkin SLA:n kaltainen menetelmä, mutta se keskittyy erilaisiin metalleihin ja seoksiin prototyyppien ja loppukäyttöön tarkoitettujen tuotteiden tuottamiseksi suurella tarkkuudella.

Selektiivinen lasersulatus (SLM)

Lisäksi SLM-menetelmässä metallijauhe sulatetaan, jolloin lopputuotteesta saadaan tiheämpi ja kestävämpi sovelluksiin, joissa vaaditaan suurta lujuutta ja kestävyyttä.

Elektronisuihkusulatus (EBM)

Prosessi eroaa muista additiivisista valmistustekniikoista. Laserin sijasta käytetään elektronisuihkua tyhjiössä hapettumisen estämiseksi, mikä tekee monimutkaisista osista, joilla on erinomaiset materiaaliominaisuudet, helppoja.

Johtopäätös

Metallien additiivinen valmistus on mullistava teknologia, joka tarjoaa lukuisia etuja, kuten suunnitteluvapautta, tehokkuuden parantamista ja ympäristövaikutusten vähentämistä. Käytettävissä on erilaisia menetelmiä, kuten jauhepetisulatus, suunnattu energiapinnoitus ja sideaineen suihkutus, joten valmistajat voivat valita parhaan lähestymistavan erityistarpeisiinsa. Metallien additiivisessa valmistuksessa käytettävien materiaalien laaja valikoima mahdollistaa ominaisuuksiltaan ja sovelluksiltaan monipuolisten osien luomisen.

Metallien additiivinen valmistus kehittyy jatkuvasti, ja se on valmis mullistamaan valmistusteollisuuden. Kyky tuottaa monimutkaisia, kevyitä ja korkealaatuisia osia nopeasti ja kustannustehokkaasti edistää sen käyttöönottoa useilla eri aloilla. Vaikka haasteita on vielä jäljellä, jatkuva kehitys ja lisääntyvä saatavuus auttavat voittamaan nämä esteet, mikä tekee metallien additiivisesta valmistuksesta teollisuuden innovaatioiden kulmakiven tulevina vuosina.