Ce este fabricarea aditivă a metalelor? Metode, aplicații și materiale

Ce este fabricarea aditivă a metalelor?

Fabricarea aditivă a metalelor, cunoscută și sub denumirea de imprimare 3D a metalelor, este o metodă de fabricație de înaltă tehnologie în care obiectele sunt produse prin adăugarea de straturi succesive de material. Abordarea utilizează o sursă de energie, de exemplu, un laser sau un fascicul de electroni, pentru a îmbina pulberea metalică sau forma de sârmă, formând un obiect solid. Prin urmare, această tehnică permite dezvoltarea de modele complexe care nu pot fi realizate sau care sunt dificil de realizat prin procese de fabricație tradiționale.

Fabricarea aditivă a metalelor oferă mai multe avantaje, inclusiv o libertate de proiectare de neegalat și utilizarea de metale diferite. Acest lucru a făcut-o indispensabilă pentru creșterea industriei prelucrătoare, contribuind la îmbunătățirea eficienței, reducerea deșeurilor, reducerea emisiilor și creșterea ratelor de producție a unor piese mai substanțiale și mai ușoare. Industria aerospațială, industria auto, industria medicală și bunurile de consum au fost identificate ca fiind principalii beneficiari ai acestei tehnologii.

Metode de fabricare aditivă a metalelor

Modalități de pat cu pulbere

Metoda patului de pulbere se referă la răspândirea unui strat subțire de pulbere metalică pe suprafața unui pat. Straturile subțiri sunt apoi supuse unor topiri și fuziuni selective din surse de energie înaltă, cum ar fi laserele sau emanațiile de electroni, pentru a forma elementul dorit. Aceasta oferă o capacitate excepțională de a genera geometrii complexe cu precizie.

Depunere de energie dirijată (DED)

În depunerea cu energie dirijată, materialul este topit de un încălzitor, fiind depus simultan printr-o duză. Acest proces construiește straturi pentru a produce un obiect solid. DED este utilă în diverse industrii deoarece poate repara piesele existente și poate adăuga materiale.

Metal Binder Jetting

Jetul de lianți metalici utilizează lianți lichizi distribuiți deasupra straturilor succesive de pulbere metalică, ca lipici între aceste particule. Obiectul rezultat necesită un tratament ulterior, de obicei procese de sinterizare sau infiltrare, pentru a-l face mai robust/dur decât înainte, deși își păstrează forma fără deformare. Această metodă este utilă pentru multe aplicații, în special cele care implică producția în masă, unde sunt necesare piese complexe fără a crește prea mult temperatura.

Comparație între diferite metode de fabricație aditivă a metalelor

Modalități de pat cu pulbere

Avantaje

Metodele cu pat de pulbere sunt cele mai bune metode pentru construirea de forme complexe. Această metodă este extrem de precisă și utilizează numai pulberea necesară, reducând astfel risipa. Poate fi modificată pentru a se potrivi produselor individualizate, fiind astfel aplicabilă în diverse metale și aliaje.

Dezvantaje

Materiile prime scumpe utilizate în proceduri fac costisitoare achiziționarea tuturor instrumentelor esențiale necesare. Viteza este limitată, la care se adaugă posibile constrângeri de volum în timpul producției. Tratamentele de suprafață pot necesita finisare suplimentară după procesare, de asemenea, există orientări stricte privind siguranța atunci când se lucrează cu pulberi metalice.

Binder Jetting

Avantaje

Suporturile sunt necesare doar uneori la jetul de liant, ceea ce reduce deșeurile și costurile post-procesare. Se reciclează până la 99% din pulberea liberă, ceea ce permite realizarea de modele complexe fără creșterea costurilor. Mai multe piese pot fi realizate într-o singură imprimare, economisind timp și reducând costurile.

Dezvantaje

Cu toate acestea, jetul de liant necesită echipamente suplimentare pentru post-procesare, majoritatea proceselor post-imprimare fiind manuale, deși automatizarea este în curs de desfășurare. În plus, costul mașinilor de tip binder jetting este mai ridicat decât cel al multor metode de producție convenționale.

Depunere directă de energie (DED)

Avantaje

DED are o viteză de fabricație mai mare decât alte tehnologii de metal AM și creează piese dense cu mai puține deșeuri de material. Poate produce componente semnificative și poate lucra cu diferite materiale.

Dezvantaje

Din punct de vedere negativ, DED are o rezoluție de construcție scăzută, ceea ce duce la finisaje de suprafață brute. Mașinile sunt destul de scumpe și nu sunt permise structuri de suport în acest proces, ceea ce înseamnă că anumite caracteristici de proiectare nu pot fi implementate.

Metal Additive Manufacturing Materials

Pulberi metalice comune

Alegerea materialului în fabricarea aditivă a metalelor afectează semnificativ proprietățile produsului final. Materialele comune includ:

• Titan și aliaje de titan

Rezistență ridicată, rezistență la coroziune și biocompatibilitate, ideal pentru utilizări aerospațiale, auto și medicale.

• Oțel inoxidabil

Echilibru de rezistență, rezistență la coroziune și accesibilitate.

• Aluminiu și aliaje de aluminiu

Ușoare, cu conductivitate bună.

• Superaliaje pe bază de nichel

Rezistență superioară la căldură și coroziune pentru aplicații la temperaturi ridicate.

• Aliaje cobalt-crom

Rezistență ridicată și biocompatibilitate, adesea utilizate în aplicații medicale.

• Metale prețioase

Acestea sunt utilizate în bijuterii pentru calitățile estetice și rezistența la coroziune.

• Oțeluri pentru scule

Duritate ridicată și rezistență la uzură, ideal pentru crearea de matrițe și unelte de tăiere.

Metalele prețioase în fabricarea aditivă

Metalele prețioase precum aurul, argintul, platina și ruteniul sunt utilizate în fabricarea aditivă pentru diverse aplicații:

• Argint

Contacte electrice și baterii de mare capacitate datorită conductivității lor ridicate.

• Aur

Stomatologie, medicină și electronică pentru maleabilitatea și rezistența lor la decolorare.

• Platină

Bijuterii, instrumente chirurgicale și ustensile de laborator pentru densitatea și rezistența lor la aer și apă.

• Ruteniu

Industria electronică și chimică pentru rezistența sa la acizi și pătare.

Aplicații industriale ale fabricării aditive a metalelor

Industria aerospațială

Industria aerospațială a fost printre primele care au adoptat fabricarea aditivă a metalelor, deoarece avea nevoie de materiale ușoare și durabile. Această tehnologie optimizează componentele motoarelor, paletele turbinelor și sistemele de combustibil. Crearea de forme complexe fără defecte interne a îmbunătățit în mod dramatic performanța și funcționalitatea pieselor aerospațiale, conducând la aeronave mai ușoare și la reducerea consumului de combustibil.

Industria automobilelor

Fabricarea aditivă a metalelor este utilizată în industria auto pentru metal prototyping, piese personalizate și scule. Producătorii auto pot utiliza această inovație pentru a dezvolta noi modele pe care le pot testa imediat, reducând ciclurile de iterație în timpul dezvoltării. În plus, crearea de structuri solide ușoare, dar complexe, îmbunătățește eficiența vehiculelor.

Industria medicală

Producția de implanturi medicale și instrumente chirurgicale este facilitată de fabricarea aditivă a metalelor în domeniul medical. De exemplu, această tehnologie creează implanturi specifice pacienților care se potrivesc exact anatomiei unei persoane, ceea ce duce la rezultate mai bune și la un timp de vindecare mai rapid pentru pacienți după intervenții chirurgicale sau leziuni cauzate de accidente. De asemenea, permite fabricarea de instrumente chirurgicale delicate, care sporesc precizia în timpul operațiilor.

Industria energetică

Fabricarea aditivă a metalelor produce componente pentru sistemele energetice din sectorul energetic. Aceasta ajută la fabricarea unor astfel de piese, care de obicei au nevoie de proprietăți de înaltă rezistență și pot rezista la condiții de mediu dificile, făcând astfel AM o metodă perfectă pentru cerințele lor de producție. Fabricarea aditivă ne permite să proiectăm geometrii complicate care îmbunătățesc eficiența și fiabilitatea acestor sisteme.

Jewelry and Consumer Goods (Bijuterii și bunuri de consum)

Industria bijuteriilor a fost transformată de fabricarea aditivă a metalelor, în cadrul căreia se realizează modele complexe cu foarte puțină risipă de material. Această tehnică permite bijutierilor să creeze piese complicate care ar fi impracticabile sau imposibile folosind metodele tradiționale. De asemenea, producătorii de bunuri de consum utilizează AM pentru a personaliza articole cu geometrii unice.

Cercetări și dezvoltare

În domeniul cercetării și dezvoltării (R&D), fabricarea aditivă a metalelor este necesară pentru prototiparea rapidă în timpul experimentării. Prin urmare, cercetătorii pot utiliza această procedură tehnologică pentru a produce și testa noi modele pe scurt, ceea ce îi va ajuta să inoveze și să descopere necunoscutul. Iterarea rapidă a proiectării contribuie la dezvoltarea rapidă a noilor produse și tehnologii.

Avantajele fabricării aditive a metalelor

Forme și geometrii complexe

Capacitatea de a crea forme și geometrii complexe care sunt dificil sau imposibil de realizat prin metode tradiționale este unul dintre cele mai importante avantaje ale fabricării aditive a metalelor (AM). Acest lucru face posibilă proiectarea de piese cu goluri interne și detalii complicate.

Reducerea greutății

Spre deosebire de alte metode de producție, producția aditivă permite crearea de componente ușoare fără a compromite rezistența. Sectoarele care au adoptat această reducere a greutății includ, printre altele, industria auto și industria aerospațială, unde chiar și o mică reducere a greutății poate duce la economii considerabile în ceea ce privește costurile de combustibil.

Eficiența timpului și a costurilor

În comparație cu procesele tradiționale, fabricarea aditivă a metalelor necesită mai puțin timp, deoarece elimină sculele și operațiunile secundare, reducând costurile de producție și termenele de execuție pentru ca producătorii să intre mai repede pe piață. În plus, stocul zero reduce cheltuielile de depozitare.

Beneficii de mediu

Comparativ cu tehnicile substractive convenționale, generarea de deșeuri prin imprimarea 3D este redusă, deoarece se adaugă doar materialul necesar într-o anumită zonă. Acest lucru reduce costurile materialelor și contribuie pozitiv la conservarea mediului. În plus, reciclarea pulberilor neutilizate contribuie la promovarea sustenabilității.

Provocările fabricării aditive a metalelor

Provocări tehnice

Tehnologiile de fabricare aditivă a metalelor se confruntă cu mai multe provocări tehnice, inclusiv obținerea finisajului de suprafață dorit și a unei precizii suficient de ridicate pentru scopurile pentru care sunt destinate, din cauza necesității unei post-procesări suplimentare, cum ar fi prelucrarea sau lustruirea.

Constrângeri economice

Investițiile inițiale ridicate împiedică majoritatea întreprinderilor să înființeze mașini de prelucrare automată a metalelor. În același timp, aceste mașini sunt scumpe, împreună cu cerințele de formare, consumabilele, întreținerea etc. În plus, materialele utilizate în imprimarea 3D tind să fie costisitoare, ceea ce înseamnă că vor exista rate ridicate de risipă a materiilor prime.

Probleme de reglementare și standardizare

Tehnologia de fabricare aditivă a metalelor necesită metode de testare standardizate sau orientări privind controlul calității, ceea ce face ca asigurarea calității să fie o sarcină dificilă, în special în domenii precum industria aerospațială și dispozitivele medicale cu cerințe stricte.

ÎNTREBĂRI FRECVENTE

What is Kinds of Powder Bed Fusion？

Sinterizarea selectivă cu laser (SLS)

Sinterizarea selectivă cu laser utilizează un laser pentru a sinteriza pulberea de metal, fuzionând-o pentru a obține o structură solidă, precizia și eficiența fiind caracteristicile sale.

Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

Cu toate acestea, DMLS este ca SLA, dar se concentrează pe diverse metale și aliaje pentru a genera prototipuri și produse de uz final cu o precizie ridicată.

Topirea selectivă cu laser (SLM)

În plus, SLM implică topirea pulberii metalice, ceea ce conduce la un produs final mai dens și mai robust pentru aplicații care necesită rezistență și durabilitate ridicate.

Fundarea cu fascicul de electroni (EBM)

Acest proces diferă de alte tehnologii de fabricație aditivă. Un fascicul de electroni, mai degrabă decât un laser, este utilizat în vid pentru a preveni oxidarea, facilitând realizarea de piese complexe cu caracteristici excelente ale materialelor.

Concluzie

Fabricarea aditivă a metalelor este o tehnologie transformatoare care oferă numeroase beneficii, inclusiv libertatea de proiectare, îmbunătățirea eficienței și reducerea impactului asupra mediului. Având la dispoziție diferite metode, cum ar fi fuziunea pe pat de pulbere, depunerea cu energie dirijată și jetul de liant, producătorii pot alege cea mai bună abordare pentru nevoile lor specifice. Gama largă de materiale utilizate în fabricarea aditivă a metalelor permite crearea de piese cu proprietăți și aplicații diverse.

Pe măsură ce fabricarea aditivă a metalelor continuă să evolueze, aceasta este pe cale să revoluționeze industria prelucrătoare. Capacitatea de a produce piese complexe, ușoare și de înaltă calitate rapid și eficient din punct de vedere al costurilor va conduce la adoptarea sa în mai multe sectoare. Deși există încă provocări, progresele continue și accesibilitatea tot mai mare vor contribui la depășirea acestor obstacole, făcând din fabricarea aditivă a metalelor o piatră de temelie a inovării industriale în următorii ani.