Czym jest wytwarzanie przyrostowe metali? Metody, zastosowania i materiały

Co to jest produkcja addytywna metali?

Produkcja addytywna metalu, alternatywnie znana jako druk 3D metalu, to zaawansowana technologicznie metoda produkcji, w której obiekty są wytwarzane poprzez dodawanie kolejnych warstw materiału. Podejście to wykorzystuje źródło energii, na przykład laser lub wiązkę elektronów, do łączenia ze sobą metalowego proszku lub drutu, tworząc solidny obiekt. W rezultacie technika ta pozwala na opracowanie złożonych projektów, których nie można osiągnąć lub które są trudne do osiągnięcia w tradycyjnych procesach produkcyjnych.

Produkcja addytywna metali oferuje szereg korzyści, w tym niezrównaną swobodę projektowania i wykorzystanie różnych metali. Sprawiło to, że stała się ona niezbędna dla rozwoju branży produkcyjnej, pomagając poprawić wydajność, zmniejszyć ilość odpadów, obniżyć emisje i zwiększyć tempo produkcji bardziej znaczących, lżejszych części. Lotnictwo, motoryzacja, medycyna i dobra konsumpcyjne zostały zidentyfikowane jako główni beneficjenci tej technologii.

Metody wytwarzania przyrostowego metali

Metody proszkowe

Metoda złoża proszkowego odnosi się do sytuacji, w której cienka warstwa proszku metalowego jest rozprowadzana na powierzchni złoża. Cienkie warstwy są następnie poddawane selektywnemu stapianiu i stapianiu ze źródeł o wysokiej energii, takich jak lasery lub emanacje elektronów, w celu utworzenia pożądanego elementu. Zapewnia to wyjątkową zdolność do precyzyjnego generowania złożonych geometrii.

Ukierunkowane osadzanie energii (DED)

W procesie ukierunkowanego osadzania energii materiał jest topiony przez grzejnik i jednocześnie osadzany przez dyszę. Proces ten buduje warstwy w celu wytworzenia stałego obiektu. DED jest pomocne w różnych branżach, ponieważ umożliwia naprawę istniejących części i dodawanie materiałów.

Rozpylanie spoiw metalowych

Wtryskiwanie spoiwa metalowego wykorzystuje ciekłe spoiwa dozowane na kolejne warstwy sproszkowanego metalu, a więc jako klej między tymi cząstkami. Powstały obiekt wymaga dalszej obróbki, zwykle spiekania lub infiltracji, aby był bardziej wytrzymały/twardszy niż wcześniej, ale nadal zachowywał swój kształt bez deformacji. Metoda ta jest przydatna w wielu zastosowaniach, zwłaszcza tych związanych z produkcją masową, gdzie potrzebne są złożone części bez nadmiernego podnoszenia temperatury.

Porównanie różnych metod wytwarzania dodatków do metali

Metody proszkowe

Zalety

Metody proszkowe są najlepszymi metodami budowania złożonych kształtów. Metoda ta jest bardzo dokładna i wykorzystuje tylko niezbędną ilość proszku, oszczędzając w ten sposób na stratach. Można ją modyfikować w celu dopasowania do zindywidualizowanych produktów, dzięki czemu ma zastosowanie do różnych metali i stopów.

Wady

Drogie surowce wykorzystywane w procedurach sprawiają, że zakup wszystkich niezbędnych narzędzi jest kosztowny. Ma ograniczoną prędkość, a także możliwe ograniczenia objętościowe podczas produkcji. Obróbka powierzchni może wymagać dodatkowego wykończenia po przetworzeniu, a także istnieją ścisłe wytyczne dotyczące bezpieczeństwa podczas pracy z proszkami metali.

Binder Jetting

Zalety

Podpory są potrzebne tylko czasami w przypadku strumieniowania spoiwa, co zmniejsza ilość odpadów i koszty przetwarzania końcowego. Recykling obejmuje do 99% luźnego proszku, umożliwiając tworzenie złożonych projektów bez zwiększania kosztów. Podczas jednego wydruku można wykonać wiele części, oszczędzając czas i redukując koszty.

Wady

Jednakże, binder jetting wymaga dodatkowego sprzętu do obróbki końcowej, a większość procesów po wydrukowaniu jest wykonywana ręcznie, choć trwają prace nad ich automatyzacją. Poza tym, koszt maszyn do druku strumieniowego jest wyższy niż w przypadku wielu konwencjonalnych metod produkcji.

Bezpośrednie osadzanie energii (DED)

Zalety

Technologia DED charakteryzuje się szybszym tempem wytwarzania niż inne technologie AM i pozwala tworzyć zwarte części z mniejszą ilością odpadów. Może produkować znaczące komponenty i pracować z różnymi materiałami.

Wady

Z drugiej strony, DED ma niską rozdzielczość kompilacji, co skutkuje szorstkim wykończeniem powierzchni. Maszyny są dość drogie, a w tym procesie nie są dozwolone żadne konstrukcje wsporcze, co oznacza, że nie można wdrożyć niektórych funkcji projektowych.

Metalowe materiały do produkcji addytywnej

Powszechne proszki metali

Wybór materiału w produkcji przyrostowej metali znacząco wpływa na właściwości produktu końcowego. Typowe materiały obejmują:

• Tytan i stopy tytanu

Wysoka wytrzymałość, odporność na korozję i biokompatybilność, idealne do zastosowań lotniczych, motoryzacyjnych i medycznych.

• Stal nierdzewna

Równowaga między wytrzymałością, odpornością na korozję i przystępną ceną.

• Aluminium i stopy aluminium

Lekka i dobrze przewodząca.

• Superstopy na bazie niklu

Doskonała odporność na ciepło i korozję w zastosowaniach wysokotemperaturowych.

• Stopy kobaltowo-chromowe

Wysoka wytrzymałość i biokompatybilność, często wykorzystywane w zastosowaniach medycznych.

• Metale szlachetne

Są one stosowane w biżuterii ze względu na walory estetyczne i odporność na korozję.

• Stale narzędziowe

Wysoka twardość i odporność na zużycie, idealna do tworzenia form i narzędzi skrawających.

Metale szlachetne w produkcji addytywnej

Metale szlachetne, takie jak złoto, srebro, platyna i ruten, są wykorzystywane w produkcji addytywnej do różnych zastosowań:

• Srebro

Styki elektryczne i akumulatory o dużej pojemności dzięki wysokiej przewodności.

• Złoto

W stomatologii, medycynie i elektronice ze względu na ich plastyczność i odporność na matowienie.

• Platyna

Biżuteria, narzędzia chirurgiczne i przybory laboratoryjne ze względu na ich gęstość i odporność na działanie powietrza i wody.

• Ruten

Elektronika i przemysł chemiczny ze względu na odporność na kwasy i matowienie.

Przemysłowe zastosowania wytwarzania przyrostowego metali

Przemysł lotniczy

Przemysł lotniczy był jednym z pierwszych, który zastosował wytwarzanie przyrostowe metali, ponieważ potrzebował lekkich i trwałych materiałów. Technologia ta optymalizuje komponenty silników, łopatki turbin i układy paliwowe. Tworzenie złożonych kształtów bez wewnętrznych wad znacznie poprawiło wydajność i funkcjonalność części lotniczych, prowadząc do lżejszych samolotów i zmniejszonego zużycia paliwa.

Przemysł motoryzacyjny

Produkcja addytywna metalu jest wykorzystywana w przemyśle motoryzacyjnym do prototypowania metalu, niestandardowych części i oprzyrządowania. Producenci samochodów mogą wykorzystać tę innowację do opracowania nowych projektów, które mogą natychmiast przetestować, skracając cykle iteracji podczas rozwoju. Dodatkowo, tworzenie lekkich, ale skomplikowanych struktur stałych poprawia wydajność pojazdu.

Przemysł medyczny

Produkcja implantów medycznych i narzędzi chirurgicznych jest ułatwiona dzięki wytwarzaniu przyrostowemu metali w dziedzinie medycyny. Przykładowo, technologia ta umożliwia tworzenie implantów dostosowanych do potrzeb konkretnego pacjenta, które dokładnie pasują do jego anatomii, co przekłada się na lepsze wyniki i szybsze gojenie się ran u pacjentów po zabiegach chirurgicznych lub urazach spowodowanych wypadkami. Pozwala również na wytwarzanie delikatnych narzędzi chirurgicznych, które zwiększają dokładność podczas operacji.

Przemysł energetyczny

Produkcja addytywna metali wytwarza komponenty systemów energetycznych w sektorze energetycznym. Pomaga wytwarzać takie części, które zazwyczaj wymagają wysokiej wytrzymałości i mogą być odporne na trudne warunki środowiskowe, dzięki czemu AM jest idealną metodą dla ich wymagań produkcyjnych. Produkcja addytywna umożliwia nam projektowanie skomplikowanych geometrii, które poprawiają wydajność i niezawodność tych systemów.

Biżuteria i towary konsumpcyjne

Branża jubilerska została przekształcona przez produkcję dodatków metalowych, w której złożone projekty są tworzone przy bardzo niewielkich stratach materiału. Technika ta umożliwia jubilerom tworzenie skomplikowanych elementów, które byłyby niepraktyczne lub niemożliwe przy użyciu tradycyjnych metod. Również producenci dóbr konsumpcyjnych wykorzystują AM do dostosowywania przedmiotów o unikalnej geometrii.

Badania i rozwój

W dziedzinie badań i rozwoju (R&D) produkcja dodatków metalowych jest niezbędna do szybkiego prototypowania podczas eksperymentów. Dlatego też naukowcy mogą wykorzystać tę procedurę technologiczną do produkcji i testowania nowych projektów w krótkim czasie, co pomoże im wprowadzać innowacje i odkrywać nieznane. Szybka iteracja projektu przyczynia się do szybkiego rozwoju nowych produktów i technologii.

Zalety wytwarzania przyrostowego metali

Złożone kształty i geometrie

Możliwość tworzenia złożonych kształtów i geometrii, które są trudne lub niemożliwe do wykonania przy użyciu tradycyjnych metod, jest jedną z najważniejszych zalet produkcji addytywnej z metalu (AM). Umożliwia to projektowanie części z wewnętrznymi pustkami i skomplikowanymi detalami.

Redukcja wagi

W przeciwieństwie do innych metod wytwarzania, produkcja addytywna pozwala na tworzenie lekkich komponentów bez uszczerbku dla ich wytrzymałości. Sektory, które przyjęły tę metodę redukcji masy, obejmują między innymi przemysł motoryzacyjny i lotniczy, gdzie nawet niewielka redukcja masy może prowadzić do znacznych oszczędności kosztów paliwa.

Oszczędność czasu i kosztów

W porównaniu z tradycyjnymi procesami, produkcja addytywna metali zajmuje mniej czasu, ponieważ eliminuje oprzyrządowanie i operacje wtórne, zmniejszając koszty produkcji i czas realizacji, dzięki czemu producenci mogą szybciej wejść na rynek. Dodatkowo, zerowe zapasy zmniejszają koszty magazynowania.

Korzyści dla środowiska

W porównaniu z konwencjonalnymi technikami subtraktywnymi, wytwarzanie odpadów podczas drukowania 3D jest ograniczone, ponieważ dodawany jest tylko materiał wymagany w określonym obszarze. Obniża to koszty materiałów i pozytywnie wpływa na ochronę środowiska. Co więcej, recykling niewykorzystanego proszku pomaga promować zrównoważony rozwój.

Wyzwania związane z wytwarzaniem przyrostowym metali

Wyzwania techniczne

Przed technologiami wytwarzania przyrostowego metali stoi kilka wyzwań technicznych, w tym osiągnięcie pożądanego wykończenia powierzchni i precyzji, które są wystarczająco wysokie do zamierzonych celów, ze względu na wymóg dodatkowej obróbki końcowej, takiej jak obróbka skrawaniem lub polerowanie.

Ograniczenia ekonomiczne

Wysokie początkowe nakłady inwestycyjne powstrzymują większość firm przed konfiguracją maszyn do obróbki metalu. Jednocześnie maszyny te są drogie, wraz z wymaganiami szkoleniowymi, materiałami eksploatacyjnymi, konserwacją itp. Poza tym materiały stosowane w druku 3D są zazwyczaj kosztowne, co oznacza, że surowce będą marnowane w wysokim stopniu.

Kwestie regulacyjne i standaryzacyjne

Technologia wytwarzania przyrostowego metali wymaga znormalizowanych metod testowania lub wytycznych dotyczących kontroli jakości, co sprawia, że zapewnienie jakości jest trudnym zadaniem, szczególnie w obszarach takich jak lotnictwo i urządzenia medyczne o rygorystycznych wymaganiach.

FAQ

Co to są rodzaje fuzji łóżka proszkowego？

Selektywne spiekanie laserowe (SLS)

Selektywne spiekanie laserowe wykorzystuje laser do spiekania sproszkowanego metalu, stapiając go w celu uzyskania solidnej struktury, dokładności i wydajności.

Bezpośrednie spiekanie laserowe metalu (DMLS)

Jednak DMLS jest podobny do SLA, ale koncentruje się na różnych metalach i stopach w celu generowania prototypów i produktów końcowych z wysoką precyzją.

Selektywne topienie laserowe (SLM)

Co więcej, SLM obejmuje topienie proszku metalowego, co prowadzi do uzyskania gęstszego i bardziej wytrzymałego produktu końcowego do zastosowań wymagających wysokiej wytrzymałości i trwałości.

Tapianie wiązką elektronów (EBM)

Proces ten różni się od innych technologii wytwarzania przyrostowego. Wiązka elektronów zamiast lasera jest używana w próżni, aby zapobiec utlenianiu, co ułatwia tworzenie złożonych części o doskonałych właściwościach materiałowych.

Wniosek

Produkcja addytywna metali to transformacyjna technologia, która oferuje liczne korzyści, w tym swobodę projektowania, poprawę wydajności i mniejszy wpływ na środowisko. Dzięki różnym dostępnym metodom, takim jak synteza w złożu proszku, ukierunkowane osadzanie energii i rozpylanie spoiwa, producenci mogą wybrać najlepsze podejście do swoich konkretnych potrzeb. Szeroka gama materiałów wykorzystywanych w produkcji addytywnej metali pozwala na tworzenie części o zróżnicowanych właściwościach i zastosowaniach.

W miarę rozwoju technologii wytwarzania przyrostowego metali, jest ona gotowa zrewolucjonizować przemysł wytwórczy. Zdolność do szybkiego i ekonomicznego wytwarzania złożonych, lekkich i wysokiej jakości części będzie napędzać jej przyjęcie w wielu sektorach. Chociaż nadal istnieją wyzwania, ciągłe postępy i rosnąca dostępność pomogą pokonać te przeszkody, czyniąc produkcję addytywną z metalu kamieniem węgielnym innowacji przemysłowych w nadchodzących latach.