Kas yra metalo adityvioji gamyba? Metodai, taikymas ir medžiagos

Kas yra metalo adityvioji gamyba?

Metalo adityvioji gamyba, dar kitaip vadinama metalo 3D spausdinimu, yra aukštųjų technologijų gamybos metodas, kai objektai gaminami vienas po kito dedant medžiagos sluoksnius. Taikant šį metodą naudojamas energijos šaltinis, pavyzdžiui, lazerio arba elektronų spindulys, kuris sulydo metalo miltelius arba vielos formą, suformuodamas kietą objektą. Todėl šis metodas leidžia kurti sudėtingus dizainus, kurių neįmanoma pasiekti arba kuriuos sunku pasiekti naudojant tradicinius gamybos procesus.

Metalo adityvioji gamyba turi keletą privalumų, įskaitant neprilygstamą projektavimo laisvę ir galimybę naudoti įvairius metalus. Dėl to ji tapo nepakeičiama augant gamybos pramonei, nes padeda didinti efektyvumą, mažinti atliekų kiekį, mažinti išmetamųjų teršalų kiekį ir didinti didesnių ir lengvesnių dalių gamybos spartą. Pagrindiniai šios technologijos naudos gavėjai yra aviacijos, automobilių, medicinos ir plataus vartojimo prekių gamybos sektoriai.

Metalo adityviosios gamybos metodai

Pudro lovos metodai

Miltelių sluoksnio metodas reiškia, kad metalo milteliai plonu sluoksniu paskleidžiami ant sluoksnio paviršiaus. Tada ploni sluoksniai selektyviai lydosi ir lydosi naudojant didelės energijos šaltinius, pavyzdžiui, lazerius arba elektronų spinduliavimą, kad būtų suformuotas norimas gaminys. Tai suteikia išskirtinę galimybę tiksliai sukurti sudėtingą geometriją.

Directed Energy Deposition (DED)

Taikant kryptingąjį nusodinimą energija, medžiaga lydoma šildytuvu ir tuo pat metu nusodinama per purkštuką. Šio proceso metu susidaro sluoksniai ir gaunamas kietas objektas. DED naudingas įvairiose pramonės šakose, nes juo galima taisyti esamas dalis ir pridėti medžiagų.

Metalo rišiklio purškimas

Metalo rišiklių purškimas naudojant skystus rišiklius, kurie išpurškiami ant vienas po kito einančių metalo miltelių sluoksnių, taigi, kaip klijai tarp šių dalelių. Gautą objektą reikia toliau apdoroti, paprastai sukepinimo arba infiltracijos procesais, kad jis taptų tvirtesnis ir (arba) kietesnis nei anksčiau, tačiau išlaikytų savo formą ir nesideformuotų. Šis metodas naudingas daugeliui taikomųjų programų, ypač masinei gamybai, kai reikia sudėtingų detalių per daug nekeliant temperatūros.

Įvairių metalų pridėtinių gamybos metodų palyginimas

Pudro lovos metodai

Privalumai

Sudėtingoms formoms kurti geriausiai tinka miltelinio sluoksnio metodai. Šis metodas yra labai tikslus ir naudoja tik būtinus miltelius, todėl sutaupoma atliekų. Jį galima modifikuoti, kad jis tiktų individualiems gaminiams, todėl jį galima taikyti įvairiems metalams ir lydiniams.

Trūkumai

Dėl brangių procedūrų metu naudojamų žaliavų brangiai kainuoja įsigyti visas būtinas priemones. Be to, gamybos metu gali būti ribotas greitis ir apimties apribojimai. Paviršiaus apdorojimui gali prireikti papildomos apdailos po apdorojimo, be to, dirbant su metalo milteliais taikomi griežti saugos reikalavimai.

Binderio purškimas

Privalumai

Atramos reikalingos tik kartais, kai naudojamas rišiklis, todėl sumažėja atliekų ir vėlesnio apdorojimo sąnaudų. Perdirbama iki 99 % birių miltelių, todėl galima kurti sudėtingas konstrukcijas nedidinant sąnaudų. Vieno spausdinimo metu galima pagaminti kelias dalis, todėl taupomas laikas ir mažinamos išlaidos.

Trūkumai

Tačiau rišamosios medžiagos purškimui reikia papildomos įrangos tolesniam apdorojimui, o dauguma procesų po spausdinimo atliekami rankiniu būdu, nors šiuo metu vyksta automatizavimo darbai. Be to, rišiklio purškimo mašinos kainuoja brangiau nei daugelis įprastinių gamybos metodų.

Tiesioginis nusodinimas energija (DED)

Privalumai

DED yra greitesnė nei kitos metalo AM technologijos ir sukuria tankias detales su mažesniu atliekų kiekiu. Ji gali gaminti didelius komponentus ir dirbti su įvairiomis medžiagomis.

Trūkumai

Neigiama DED savybė – maža surinkimo skiriamoji geba, todėl paviršius būna šiurkštus. Mašinos yra gana brangios, be to, šiame procese neleidžiama naudoti jokių atraminių konstrukcijų, o tai reiškia, kad negalima įgyvendinti tam tikrų konstrukcinių savybių.

Metalo adityviosios gamybos medžiagos

Bendrieji metalų milteliai

Medžiagos pasirinkimas metalo adityvinėje gamyboje daro didelę įtaką galutinio gaminio savybėms. Dažniausiai naudojamos šios medžiagos:

• Titanas ir titano lydiniai

Didelio stiprumo, atsparumo korozijai ir biologinio suderinamumo, idealiai tinka aviacijos, automobilių ir medicinos reikmėms.

• Nerūdijantis plienas

Tvirtumo, atsparumo korozijai ir prieinamumo pusiausvyra.

• Aliuminis ir aliuminio lydiniai

Lengvas ir gerai laidus.

• Super lydiniai nikelio pagrindu

Puikus atsparumas karščiui ir korozijai, skirtas naudoti aukštoje temperatūroje.

• Kobalto ir chromo lydiniai

Didelio stiprumo ir biologinio suderinamumo, dažnai naudojamas medicinoje.

• Taurieji metalai

Jie naudojami juvelyriniuose dirbiniuose dėl estetinių savybių ir atsparumo korozijai.

• Įrankinis plienas

Didelio kietumo ir atsparumo dilimui, idealiai tinka formoms ir pjovimo įrankiams kurti.

Taurieji metalai pridėtinėje gamyboje

Tokie taurieji metalai kaip auksas, sidabras, platina ir rutenis naudojami įvairiose pridėtinės gamybos srityse:

• Sidabrinis

Elektriniai kontaktai ir didelės talpos akumuliatoriai dėl didelio laidumo.

• Auksinis

Odontologijoje, medicinoje ir elektronikoje dėl jų plastiškumo ir atsparumo blukimui.

• Platina

Juvelyriniai dirbiniai, chirurginiai įrankiai ir laboratoriniai reikmenys dėl jų tankio ir atsparumo orui bei vandeniui.

• Rustenis

elektronikos ir chemijos pramonėje dėl atsparumo rūgštims ir blukimui.

Metalo adityviosios gamybos pritaikymas pramonėje

Aerokosmoso pramonė

Aviacijos ir kosmoso pramonė buvo viena pirmųjų, pradėjusių taikyti metalo adityviąją gamybą, nes jai reikėjo lengvų ir patvarių medžiagų. Šia technologija optimizuojami variklių komponentai, turbinų mentės ir degalų sistemos. Sudėtingų formų be vidinių defektų kūrimas labai pagerino aviacijos ir kosmoso dalių našumą ir funkcionalumą, todėl lėktuvai tapo lengvesni, o degalų sąnaudos – mažesnės.

Automobilių pramonė

Metalo adityvioji gamyba naudojama automobilių pramonėje metalo prototipų kūrimui, nestandartinėms dalims ir įrankiams gaminti. Automobilių gamintojai gali naudotis šia naujove kurdami naujus dizainus, kuriuos gali iš karto išbandyti, taip sutrumpindami iteracijų ciklus kūrimo metu. Be to, kuriant lengvas, bet sudėtingas kietąsias konstrukcijas, pagerėja transporto priemonės efektyvumas.

Medicinos pramonė

Medicinos srityje metalo adityvioji gamyba palengvina medicininių implantų ir chirurginių instrumentų gamybą. Pavyzdžiui, taikant šią technologiją sukuriami konkrečiam pacientui pritaikyti implantai, tiksliai atitinkantys asmens anatomiją, todėl pacientai po operacijų ar nelaimingų atsitikimų patiria geresnius rezultatus ir greičiau gyja. Ji taip pat leidžia gaminti subtilius chirurginius įrankius, kurie padidina tikslumą atliekant operacijas.

Energetikos pramonė

Metalo adityviosios gamybos būdu energetikos sektoriuje gaminami energetikos sistemų komponentai. Ji padeda gaminti tokias detales, kurioms paprastai reikia didelio stiprumo savybių ir kurios gali būti atsparios atšiaurioms aplinkos sąlygoms, todėl AM yra puikus jų gamybos metodas. Adityvioji gamyba leidžia kurti sudėtingas geometrijas, kurios padidina šių sistemų efektyvumą ir patikimumą.

Juvelyriniai dirbiniai ir plataus vartojimo prekės

Juvelyrikos pramonę pakeitė metalo adityvioji gamyba, kurioje sudėtingi dizainai kuriami labai mažai švaistant medžiagas. Šis metodas leidžia juvelyrams kurti sudėtingus dirbinius, kurie būtų nepraktiški arba neįmanomi naudojant tradicinius metodus. Be to, plataus vartojimo prekių gamintojai taiko AM, kad pritaikytų unikalios geometrijos daiktus.

Moksliniai tyrimai ir plėtra

Mokslinių tyrimų ir taikomosios veiklos srityje (MTTP) metalo adityvioji gamyba yra būtina norint greitai sukurti prototipą atliekant eksperimentus. Todėl tyrėjai gali naudoti šią technologinę procedūrą, kad trumpai pagamintų ir išbandytų naujus dizainus, o tai padės jiems diegti naujoves ir atrasti nežinomus dalykus. Greita dizaino iteracija padeda greitai kurti naujus produktus ir technologijas.

Metalo pridėtinės gamybos privalumai

Sudėtingos formos ir geometrijos

Galimybė kurti sudėtingas formas ir geometriją, kurias sunku arba neįmanoma pagaminti tradiciniais metodais, yra vienas svarbiausių metalo adityviosios gamybos (AM) privalumų. Tai leidžia kurti detales su vidinėmis ertmėmis ir sudėtingomis detalėmis.

Svorio mažinimas

Skirtingai nuo kitų gamybos metodų, adityvioji gamyba leidžia kurti lengvus komponentus nesumažinant jų tvirtumo. Sektoriai, kuriuose naudojamas šis svorio mažinimas, be kita ko, apima automobilių ir aviacijos ir kosmoso sektorius, kuriuose net šiek tiek sumažinus svorį galima gerokai sutaupyti degalų sąnaudų.

Laiko ir sąnaudų efektyvumas

Palyginti su tradiciniais procesais, metalo adityvioji gamyba užtrunka trumpiau, nes nereikia įrankių ir antrinių operacijų, todėl sumažėja gamybos sąnaudos ir laikas, per kurį gamintojai gali greičiau patekti į rinką. Be to, nulinės atsargos sumažina sandėliavimo išlaidas.

Pranašumai aplinkai

Palyginti su įprastiniais subtrakciniais metodais, 3D spausdinant susidaro mažiau atliekų, nes pridedama tik ta medžiaga, kurios reikia tam tikroje srityje. Taip sumažinamos medžiagų sąnaudos ir teigiamai prisidedama prie aplinkos tausojimo. Be to, nepanaudotų miltelių perdirbimas padeda skatinti tvarumą.

Metalo adityviosios gamybos iššūkiai

Techniniai iššūkiai

Metalų adityviosios gamybos technologijos susiduria su keliais techniniais iššūkiais, tarp jų – dėl reikalavimo atlikti papildomus apdirbimo darbus, pavyzdžiui, mechaninį apdirbimą ar poliravimą, pasiekti pageidaujamą paviršiaus apdailą ir tikslumą, kuris būtų pakankamai aukštas pagal paskirtį.

Ekonominiai apribojimai

Didelės pradinės investicijos trukdo daugumai įmonių įdiegti metalo AM mašinas. Be to, šios mašinos yra brangios, taip pat brangūs mokymai, eksploatacinės medžiagos, techninė priežiūra ir kt. Be to, 3D spausdinimui naudojamos medžiagos paprastai būna brangios, o tai reiškia, kad bus didelis žaliavų švaistymo lygis.

Reglamentavimo ir standartizavimo klausimai

Metalo adityviosios gamybos technologijai reikalingi standartizuoti bandymų metodai arba kokybės kontrolės gairės, todėl kokybės užtikrinimas tampa nelengva užduotimi, ypač tokiose srityse kaip aviacijos ir medicinos prietaisai, kuriems taikomi griežti reikalavimai.

DUK

Kas yra miltelių lovos sintezės rūšys？

Selektyvusis lazerinis sukepinimas (SLS)

Selektyvusis sukepinimas lazeriu lazeriu sukepina metalo miltelius, sulydo juos ir sukuria vientisą struktūrą, kurios ypatybės yra tikslumas ir efektyvumas.

Tiesioginis metalo lazerinis sukepinimas (DMLS)

Tačiau DMLS yra kaip ir SLA, tačiau jis skirtas įvairiems metalams ir lydiniams, kad būtų galima labai tiksliai kurti prototipus ir galutinio naudojimo gaminius.

Selektyvus lydymas lazeriu (SLM)

Be to, SLM metu lydomi metalo milteliai, todėl galutinis gaminys yra tankesnis ir tvirtesnis, o jo pritaikymas reikalauja didelio tvirtumo ir ilgaamžiškumo.

Lydymas elektronų pluoštu (EBM)

Šis procesas skiriasi nuo kitų adityviosios gamybos technologijų. Kad būtų išvengta oksidacijos, vakuume naudojamas ne lazeris, o elektronų spindulys, todėl sudėtingas detales, pasižyminčias puikiomis medžiagų savybėmis, lengva pagaminti.

Išvada

Metalo adityvioji gamyba yra transformuojanti technologija, kuri suteikia daug privalumų, įskaitant dizaino laisvę, efektyvumo didinimą ir mažesnį poveikį aplinkai. Naudodami įvairius metodus, tokius kaip miltelių sluoksnio sintezė, nukreiptasis nusodinimas energija ir rišamosios medžiagos purškimas, gamintojai gali pasirinkti geriausiai jų konkrečius poreikius atitinkantį metodą. Platus medžiagų, naudojamų metalo adityvinėje gamyboje, asortimentas leidžia kurti įvairių savybių ir paskirties detales.

Toliau tobulėjant metalo adityvinei gamybai, ji gali sukelti revoliuciją gamybos pramonėje. Galimybė greitai ir ekonomiškai efektyviai gaminti sudėtingas, lengvas ir aukštos kokybės detales skatins jos diegimą įvairiuose sektoriuose. Nors vis dar išlieka iššūkių, nuolatinė pažanga ir didėjantis prieinamumas padės įveikti šias kliūtis, todėl artimiausiais metais metalo adityvioji gamyba taps pramonės inovacijų kertiniu akmeniu.