Mi a fém additív gyártás?
A fém additív gyártás, vagy más néven fém 3D nyomtatás, egy olyan csúcstechnológiai gyártási módszer, amely során a tárgyakat egymást követő anyagrétegek hozzáadásával állítják elő. A megközelítés egy energiaforrást, például lézer- vagy elektronsugarat használ, hogy a fémpor- vagy huzalformát összeolvassa, és így szilárd tárgyat képezzen. Következésképpen ez a technika lehetővé teszi olyan összetett formatervek kialakítását, amelyek a hagyományos gyártási eljárásokkal nem vagy csak nagy kihívást jelentő módon valósíthatók meg.
A fémadalékos gyártás számos előnnyel jár, többek között páratlan tervezési szabadsággal és különböző fémek felhasználásával. Mindez a feldolgozóipar növekedése szempontjából nélkülözhetetlenné tette, mivel segít a hatékonyság javításában, a hulladékok csökkentésében, a károsanyag-kibocsátás mérséklésében és a nagyobb tömegű, könnyebb alkatrészek gyártási sebességének növelésében. A repülőgépipar, az autóipar, az orvostechnika és a fogyasztási cikkek a technológia elsődleges haszonélvezői.
A fém additív gyártás módszerei
Púderágyas módszerek
A porágyas módszer arra utal, amikor egy vékony réteg fémport terítenek egy ágy felületére. A vékony rétegek ezután szelektív olvadásnak és olvadásnak mennek keresztül nagy energiájú források, például lézer vagy elektronemisszió hatására, hogy a kívánt elemet alkossák. Kivételes képességet biztosít az összetett geometriák precíz előállítására.
Rendezett energiával történő lerakás (DED)
Az irányított energiával történő leválasztás során az anyagot egy fűtőberendezés megolvasztja, miközben egyidejűleg egy fúvókán keresztül leválasztják. Ez a folyamat rétegeket épít fel, hogy szilárd tárgyat hozzon létre. A DED hasznos a különböző iparágakban, mivel a meglévő alkatrészek javítására és anyagok hozzáadására is alkalmas.
Fémkötőanyag-fröccsöntés
A fémkötőanyag-fröccsöntés folyékony kötőanyagokat használ, amelyeket a porított fém egymást követő rétegeinek tetejére adagolnak, tehát ragasztóanyagként a részecskék között. Az így kapott tárgy további kezelést igényel, általában szinterelési vagy beszivárgási folyamatokat, hogy a korábbinál szilárdabbá/keményebbé váljon, de alakját még mindig megtartja, deformáció nélkül. Ez a módszer számos alkalmazásban hasznos, különösen a tömeggyártás során, ahol összetett alkatrészekre van szükség a hőmérséklet túlzott emelése nélkül.
A különböző fém Additív gyártási módszerek összehasonlítása
Púderágyas módszerek
Előnyök
A porágyazásos módszerek a legjobbak az összetett formák építéséhez. Ez a módszer rendkívül pontos, és csak a szükséges mennyiségű port használja fel, így megtakarítja a pazarlást. Módosítható az egyedi termékekhez, így a legkülönbözőbb fémek és ötvözetek esetében alkalmazható.
Hátrányok
Az eljárások során felhasznált drága nyersanyagok miatt költséges az összes szükséges eszköz beszerzése. A gyártás során a lehetséges mennyiségi korlátok mellett korlátozott sebességgel is rendelkezik. A felületkezelések a feldolgozás után további utómunkálatokat igényelhetnek, továbbá a fémporokkal való munka során szigorú biztonsági irányelvek érvényesek.
Binder Jetting
Előnyök
A kötőanyag-leválasztásnál csak néha van szükség támasztékokra, ami csökkenti a hulladékot és az utófeldolgozási költségeket. A laza por akár 99%-át is újrahasznosítja, ami a költségek növekedése nélkül teszi lehetővé az összetett kialakításokat. Egy nyomtatással több alkatrész is elkészíthető, ami időt takarít meg és csökkenti a költségeket.
Hátrányok
A kötőanyag-fröccsöntés azonban további berendezéseket igényel az utófeldolgozáshoz, és a nyomtatás utáni folyamatok többsége manuális, bár az automatizálás folyamatban van. Emellett a kötőanyag-fröccsöntő gépek költsége magasabb, mint sok hagyományos gyártási módszeré.
Közvetlen energetikai lerakás (DED)
Előnyök
A DED gyorsabb gyártási sebességgel rendelkezik, mint más fém AM technológiák, és kevesebb hulladékanyaggal készít sűrű alkatrészeket. Jelentős alkatrészek gyártására és különböző anyagokkal való munkára képes.
Hátrányok
Hátránya, hogy a DED alacsony felbontású, ami durva felületet eredményez. A gépek meglehetősen drágák, és ebben az eljárásban nem engedélyezettek a tartószerkezetek, ami azt jelenti, hogy bizonyos tervezési jellemzők nem valósíthatók meg.
Fém additív gyártási anyagok
Gyakori fémporok
A fém additív gyártás során az anyagválasztás jelentősen befolyásolja a végtermék tulajdonságait. A leggyakoribb anyagok közé tartoznak:
- Titán és titánötvözetek
Nagy szilárdság, korrózióállóság és biokompatibilitás, ideális repülőgépipari, autóipari és orvosi felhasználásra.
- Rozsdamentes acél
A szilárdság, a korrózióállóság és a megfizethetőség egyensúlya.
- Alumínium és alumínium ötvözetek
Könnyű, jó vezetőképességgel.
- Nikkel alapú szuperötvözetek
Kiváló hő- és korrózióállóság a magas hőmérsékletű alkalmazásokhoz.
- Kobalt-króm ötvözetek
Nagy szilárdságú és biokompatibilis, gyakran használják orvosi alkalmazásokban.
- Nemesfémek
Az ékszerekben esztétikai tulajdonságaik és korrózióállóságuk miatt használják őket.
- Szerszámacélok
Nagy keménységű és kopásállóságú, ideális formák és vágószerszámok készítéséhez.
Nemesfémek az additív gyártásban
A nemesfémeket, például az aranyat, ezüstöt, platinát és ruténiumot az additív gyártásban különböző alkalmazásokban használják:
- Ezüst
Elektromos érintkezők és nagy kapacitású akkumulátorok nagy vezetőképességük miatt.
- Arany
A fogászat, az orvostudomány és az elektronika, mivel formálhatóságuk és a mattulással szembeni ellenállásuk miatt.
- Platina
Ékszerek, sebészeti szerszámok és laboratóriumi eszközök sűrűségük, valamint levegővel és vízzel szembeni ellenállásuk miatt.
- Ruthénium
Elektronikai és vegyiparban a savakkal és a mattulással szembeni ellenállása miatt.
A fém additív gyártás ipari alkalmazásai
Alakítsa át termelését a fém additív gyártással. Csökkentse a költségeket, gyorsítson az innováción, és érjen el páratlan pontosságot.
Aerospace Industry
A repülőgépipar az elsők között alkalmazta a fém additív gyártást, mivel könnyű és tartós anyagokra volt szüksége. Ez a technológia optimalizálja a motorok alkatrészeit, a turbinalapátokat és az üzemanyagrendszereket. A belső hibák nélküli, összetett formák létrehozása drámaian javította a repülőgép-alkatrészek teljesítményét és funkcionalitását, ami könnyebb repülőgépekhez és alacsonyabb üzemanyag-fogyasztáshoz vezetett.
Autóipar
A fémadalékos gyártást az autóiparban fém prototípusok, egyedi alkatrészek és szerszámok gyártására használják. Az autógyártók ezt az innovációt új formatervek kifejlesztésére használhatják, amelyeket azonnal tesztelhetnek, csökkentve ezzel a fejlesztés során az iterációs ciklusokat. Emellett a könnyű, de bonyolult szilárd szerkezetek létrehozása javítja a járművek hatékonyságát.
Az orvosi ipar
Az orvosi implantátumok és sebészeti műszerek gyártását az orvosi területen a fém additív gyártás segíti elő. Ez a technológia például olyan betegspecifikus implantátumokat hoz létre, amelyek pontosan illeszkednek az egyén anatómiájához, ami jobb eredményeket és gyorsabb gyógyulási időt eredményez a betegek számára műtét vagy baleseti sérülés után. Lehetővé teszi továbbá a finom sebészeti eszközök gyártását, amelyek növelik a pontosságot a műtétek során.
Energiaipar
A fémadalékos gyártás energetikai rendszerelemeket készít az energiaágazaton belül. Segít az ilyen alkatrészek előállításában, amelyeknek jellemzően nagy szilárdsági tulajdonságokra van szükségük, és ellenállnak a zord környezeti körülményeknek, így az AM tökéletes módszer ezek gyártási követelményeihez. Az additív gyártás lehetővé teszi olyan bonyolult geometriák kialakítását, amelyek javítják a hatékonyságot és a megbízhatóságot ezekben a rendszerekben.
Ékszerek és fogyasztási cikkek
Az ékszeripart átalakította a fém additív gyártás, ahol az összetett minták nagyon kis anyagveszteséggel készülnek. Ez a technika lehetővé teszi az ékszerészek számára, hogy olyan bonyolult darabokat készítsenek, amelyek hagyományos módszerekkel kivitelezhetetlenek vagy lehetetlenek lennének. A fogyasztási cikkek gyártói is alkalmazzák az AM-et az egyedi geometriájú tárgyak testre szabásához.
Kutatás és fejlesztés
A kutatás-fejlesztés területén (K+F) a fém additív gyártás szükséges a gyors prototípusgyártáshoz a kísérletezés során. Ezért a kutatók ezt a technológiai eljárást új tervek rövid ideig tartó előállítására és tesztelésére használhatják, ami segít az innovációban és az ismeretlen felfedezésében. A gyors tervezési iteráció hozzájárul az új termékek és technológiák gyors fejlesztéséhez.
A fém additív gyártás előnyei
Bonyolult formák és geometriák
A fém additív gyártás (AM) egyik legjelentősebb előnye, hogy olyan összetett formák és geometriák létrehozására képes, amelyek hagyományos módszerekkel nehezen vagy egyáltalán nem készíthetők el. Ez lehetővé teszi a belső üregekkel és bonyolult részletekkel rendelkező alkatrészek tervezését.
Súlycsökkentés
Más gyártási módszerekkel ellentétben az additív gyártás lehetővé teszi a könnyű alkatrészek létrehozását anélkül, hogy a szilárdság rovására menne. A súlycsökkentést felkaroló ágazatok közé tartozik többek között az autóipar és a repülőgépipar, ahol már egy kis súlycsökkentés is jelentős megtakarítást eredményezhet az üzemanyagköltségekben.
Az idő- és költséghatékonyság
A hagyományos eljárásokkal összehasonlítva a fém additív gyártása kevesebb időt vesz igénybe, mivel kiküszöböli a szerszámozást és a másodlagos műveleteket, így csökkenti a gyártási költségeket és az átfutási időt, és a gyártók gyorsabban léphetnek a piacra. Ezenkívül a nulla készlet csökkenti a raktározási költségeket.
Környezeti előnyök
A hagyományos szubtraktív technikákkal összehasonlítva a 3D nyomtatás során keletkező hulladék mennyisége csökken, mivel csak az adott területen szükséges anyagot adják hozzá. Ez csökkenti az anyagköltségeket, és pozitívan járul hozzá a környezetvédelemhez. Továbbá a fel nem használt por újrahasznosítása hozzájárul a fenntarthatóság előmozdításához.
A fém additív gyártás kihívásai
Technikai kihívások
A fém additív gyártási technológiák számos technikai kihívással szembesülnek, többek között azzal, hogy a kívánt felületet és pontosságot a rendeltetésüknek megfelelően magas szinten kell elérni, mivel további utófeldolgozásra, például megmunkálásra vagy polírozásra van szükség.
Gazdasági korlátok
A magas kezdeti beruházások a legtöbb vállalkozást elzárják a fém AM-gépek felállításától. Ugyanakkor ezek a gépek drágák, a képzési követelményekkel, a fogyóeszközökkel, a karbantartással stb. együtt. Emellett a 3D nyomtatásban használt anyagok általában drágák, ami azt jelenti, hogy a nyersanyagok nagy arányú pazarlását eredményezi.
Szabályozási és szabványosítási kérdések
A fémadalékos gyártási technológiának szabványosított vizsgálati módszerekre vagy minőségellenőrzési irányelvekre van szüksége, ami a minőségbiztosítást nehéz feladattá teszi, különösen olyan területeken, mint a szigorú követelményeket támasztó repülőgépipar és az orvostechnikai eszközök.
GYIK
Mi a porágyfúzió fajtái？
Szelektív lézersinterezés (SLS)
A szelektív lézersinterezés lézerrel szinterezi a fémporokat, és a szilárd szerkezet elérése érdekében összeolvasztja azokat, a pontosság és a hatékonyság a jellemzői.
Direkt fém lézersinterezés (DMLS)
A DMLS azonban olyan, mint az SLA, de különböző fémekre és ötvözetekre összpontosít, hogy nagy pontosságú prototípusokat és végfelhasználói termékeket hozzon létre.
Szelektív lézerolvasztás (SLM)
Az SLM továbbá a fémpor megolvasztásával jár, ami sűrűbb és szilárdabb végterméket eredményez a nagy szilárdságot és tartósságot igénylő alkalmazásokhoz.
Elektronsugaras olvasztás (EBM)
Ez az eljárás különbözik más additív gyártási technológiáktól. Lézer helyett elektronsugarat használnak vákuumban az oxidáció megakadályozása érdekében, ami megkönnyíti a kiváló anyagjellemzőkkel rendelkező összetett alkatrészek előállítását.
Következtetés
A fémadalékos gyártás olyan átalakító technológia, amely számos előnnyel jár, többek között a tervezés szabadságával, a hatékonyság javításával és a környezetterhelés csökkentésével. A rendelkezésre álló különböző módszerek, például a porágyfúzió, az irányított energiával történő leválasztás és a kötőanyag-sugárzás révén a gyártók kiválaszthatják az egyedi igényeiknek legmegfelelőbb megközelítést. A fémadalékos gyártás során használt anyagok széles skálája lehetővé teszi a változatos tulajdonságokkal és alkalmazásokkal rendelkező alkatrészek létrehozását.
Ahogy a fém additív gyártás tovább fejlődik, a fém additív gyártás forradalmasíthatja a feldolgozóipart. Az összetett, könnyű és kiváló minőségű alkatrészek gyors és költséghatékony előállításának képessége számos ágazatban ösztönözni fogja az alkalmazását. Bár továbbra is vannak kihívások, a folyamatos fejlesztések és a növekvő hozzáférhetőség segít leküzdeni ezeket az akadályokat, így a fémadalékos gyártás az ipari innováció sarokköve lesz az elkövetkező években.
