Что такое аддитивное производство металлов?
Аддитивное производство металлов, также известное как металлическая 3D-печать, — это высокотехнологичный метод производства, при котором объекты изготавливаются путем добавления последовательных слоев материала. При этом используется источник энергии, например, лазер или электронный луч, чтобы соединить металлический порошок или проволоку вместе, формируя твердый объект. Таким образом, этот метод позволяет создавать сложные конструкции, которые невозможно или сложно реализовать с помощью традиционных производственных процессов.
Аддитивное производство металлов обладает рядом преимуществ, включая непревзойденную свободу дизайна и возможность использования различных металлов. Это делает его незаменимым для развития обрабатывающей промышленности, помогая повысить эффективность, уменьшить количество отходов, снизить выбросы и увеличить скорость производства более прочных и легких деталей. Основными бенефициарами этой технологии считаются аэрокосмическая, автомобильная, медицинская промышленность и производство потребительских товаров.
Методы аддитивного производства металлов.
Методы порошкового постельного белья
Метод порошкового слоя подразумевает распределение тонкого слоя металлического порошка по поверхности слоя. Затем тонкие слои подвергаются селективному расплавлению и сплавлению с помощью высокоэнергетических источников, таких как лазеры или электронные эманации, для формирования желаемого изделия. Этот метод позволяет с исключительной точностью создавать сложные геометрические формы.
Направленное осаждение энергии (DED).
При направленном энергетическом осаждении материал расплавляется нагревателем и одновременно осаждается через сопло. В результате этого процесса образуются слои, из которых получается твердый объект. Технология DED полезна в различных отраслях промышленности, поскольку с ее помощью можно восстанавливать существующие детали и добавлять материалы.
Металлическая связка
При струйной обработке металла используются жидкие связующие вещества, наносимые поверх последовательных слоев порошкообразного металла и служащие клеем между этими частицами. Полученный объект требует дальнейшей обработки, обычно спекания или инфильтрации, чтобы сделать его более прочным/твердым, чем раньше, но при этом сохранить форму без деформации. Этот метод полезен для многих областей применения, особенно для массового производства, где требуются сложные детали без чрезмерного повышения температуры.
Сравнение различных методов добавочного производства металлов.
Методы порошкового постельного белья
Преимущества
Метод порошкового слоя — лучший метод для создания сложных форм. Этот метод отличается высокой точностью и использует только необходимый порошок, что позволяет сэкономить на потерях. Он может быть модифицирован в соответствии с индивидуальными особенностями изделий, поэтому применим для различных металлов и сплавов.
Недостатки
Дорогое сырье, используемое в процедурах, делает дорогостоящим приобретение всех необходимых инструментов. Скорость работы ограничена, кроме того, возможны ограничения по объему производства. Обработка поверхности может потребовать дополнительной отделки после обработки, также существуют строгие правила безопасности при работе с металлическими порошками.
Струйные работы
Преимущества
Опоры требуются лишь иногда при струйном нанесении связующего, что снижает количество отходов и затраты на последующую обработку. При этом перерабатывается до 99 % сыпучего порошка, что позволяет создавать сложные конструкции без увеличения затрат. За один отпечаток можно изготовить несколько деталей, что экономит время и снижает затраты.
Недостатки
Однако для нанесения связующего требуется дополнительное оборудование для последующей обработки, а большинство процессов послепечатной обработки выполняются вручную, хотя в настоящее время ведется работа по их автоматизации. Кроме того, стоимость машин для струйной обработки связующего выше, чем стоимость многих традиционных методов производства.
Прямое энергетическое осаждение (DED).
Преимущества
DED имеет более высокую скорость сборки, чем другие технологии металлического AM, и создает плотные детали с меньшим количеством отходов. Она позволяет изготавливать крупные детали и работать с различными материалами.
Недостатки
С другой стороны, DED имеет низкое разрешение сборки, что приводит к грубой обработке поверхности. Машины довольно дорогие, и в этом процессе не допускается использование опорных конструкций, что означает невозможность реализации некоторых конструктивных особенностей.
Материалы для аддитивного производства металлов
Общие металлические порошки
Выбор материала при аддитивном производстве металлов существенно влияет на свойства конечного продукта. К распространенным материалам относятся:
- Титан и титановые сплавы
Высокая прочность, коррозионная стойкость и биосовместимость, идеально подходит для использования в аэрокосмической, автомобильной и медицинской промышленности.
- Нержавеющая сталь
Сочетание прочности, коррозионной стойкости и доступной цены.
- Алюминий и алюминиевые сплавы
Легкий вес и хорошая проводимость.
- Суперсплавы на основе никеля
Превосходная жаро- и коррозионная стойкость для высокотемпературных применений.
- Кобальто-хромовые сплавы
Высокая прочность и биосовместимость, часто используется в медицине.
- Драгоценные металлы
Они используются в ювелирных изделиях благодаря эстетическим качествам и устойчивости к коррозии.
- Инструментальные стали
Высокая твердость и износостойкость, идеально подходит для создания пресс-форм и режущих инструментов.
Драгоценные металлы в аддитивном производстве.
Драгоценные металлы, такие как золото, серебро, платина и рутений, используются в аддитивном производстве для различных целей:
- Серебро
Электрические контакты и аккумуляторы большой емкости благодаря высокой проводимости.
- Золото
Стоматология, медицина и электроника благодаря своей ковкости и устойчивости к потускнению.
- Платина
Ювелирные изделия, хирургические инструменты и лабораторная посуда благодаря своей плотности и устойчивости к воздействию воздуха и воды.
- Рутений
Электроника и химическая промышленность благодаря устойчивости к кислотам и потускнению.
Отраслевые применения аддитивного производства металлов.
Преобразуйте свое производство с помощью аддитивного производства металлов. Сократите расходы, быстрее внедряйте инновации и достигайте непревзойденной точности.
Аэрокосмическая промышленность
Аэрокосмическая промышленность одной из первых освоила аддитивное производство металлов, поскольку ей требовались легкие и прочные материалы. Эта технология позволяет оптимизировать компоненты двигателей, лопатки турбин и топливные системы. Создание сложных форм без внутренних дефектов значительно повысило производительность и функциональность аэрокосмических деталей, что привело к созданию более легких самолетов и снижению расхода топлива.
Автомобильная промышленность
Аддитивное производство металла используется в автомобильной промышленности для металлического прототипирования, изготовления деталей на заказ и оснастки. Автопроизводители могут использовать эту инновацию для разработки новых конструкций, которые они могут немедленно протестировать, сократив цикл итераций в процессе разработки. Кроме того, создание легких, но сложных прочных конструкций повышает эффективность автомобиля.
Медицинская промышленность
Производство медицинских имплантатов и хирургических инструментов облегчает аддитивное производство металла в медицинской сфере. Например, с помощью этой технологии создаются имплантаты, точно соответствующие анатомическим особенностям пациента, что приводит к улучшению результатов и ускорению заживления пациентов после операций или травм, полученных в результате несчастных случаев. Она также позволяет изготавливать тонкие хирургические инструменты, что повышает точность операций.
Энергетическая промышленность.
Аддитивное производство металлов позволяет изготавливать компоненты энергетических систем в энергетическом секторе. Оно помогает изготавливать такие детали, которые, как правило, требуют высоких прочностных характеристик и могут противостоять суровым условиям окружающей среды, что делает АМ идеальным методом для их производства. Аддитивное производство позволяет нам разрабатывать сложные геометрические формы, которые повышают эффективность и надежность этих систем.
Ювелирные изделия и товары народного потребления.
Ювелирная промышленность преобразилась благодаря аддитивному производству металла, когда сложные конструкции создаются с минимальными потерями материала. Эта технология позволяет ювелирам создавать сложные изделия, которые было бы непрактично или невозможно использовать традиционными методами. Кроме того, производители потребительских товаров используют АМ для изготовления изделий с уникальной геометрией.
Исследования и разработки.
В сфере исследований и разработок (R&D) аддитивное производство металла необходимо для быстрого создания прототипов в ходе экспериментов. Поэтому исследователи могут использовать эту технологическую процедуру для быстрого создания и тестирования новых конструкций, что поможет им внедрять инновации и открывать неизведанное. Быстрая итерация дизайна способствует быстрому развитию новых продуктов и технологий.
Преимущества аддитивного производства металлов
Сложные формы и геометрии.
Возможность создавать сложные формы и геометрии, которые сложно или невозможно сделать традиционными методами, — одно из самых значительных преимуществ аддитивного производства металла (AM). Это позволяет создавать детали с внутренними пустотами и сложными деталями.
Снижение веса
В отличие от других методов производства, аддитивное производство позволяет создавать легкие компоненты без ущерба для прочности. К числу отраслей, где применяется такое снижение веса, относятся автомобильная и аэрокосмическая промышленность, где даже небольшое снижение веса может привести к значительной экономии топлива.
Эффективность затрат времени и средств.
По сравнению с традиционными процессами, аддитивное производство металла занимает меньше времени, так как исключает изготовление инструментов и вторичные операции, снижая производственные затраты и время выполнения заказа, что позволяет производителям быстрее выходить на рынок. Кроме того, нулевые складские запасы снижают расходы на хранение.
Экологические преимущества
По сравнению с традиционными субтрактивными методами, образование отходов при 3D-печати снижается, поскольку добавляется только тот материал, который необходим в конкретной области. Это снижает затраты на материалы и вносит положительный вклад в сохранение окружающей среды. Кроме того, переработка неиспользованного порошка способствует устойчивому развитию.
Трудности аддитивного производства металлов.
Технические проблемы.
Технологии аддитивного производства металлов сталкиваются с рядом технических проблем, включая достижение желаемой чистоты поверхности и точности, достаточно высокой для их целевого назначения, из-за необходимости дополнительной постобработки, такой как механическая обработка или полировка.
Экономические ограничения
Высокие первоначальные инвестиции не позволяют большинству предприятий устанавливать станки для AM-обработки металла. В то же время эти машины стоят дорого, как и обучение, расходные материалы, техническое обслуживание и т. д. Кроме того, материалы, используемые в 3D-печати, как правило, дорогостоящие, а это значит, что будут большие потери сырья.
Проблемы регулирования и стандартизации.
Технология аддитивного производства металлов нуждается в стандартизированных методах испытаний или руководствах по контролю качества, что делает обеспечение качества трудновыполнимой задачей, особенно в таких областях, как аэрокосмическая промышленность и медицинское оборудование с жесткими требованиями.
ВОПРОСЫ И ОТВЕТЫ
Что такое порошковое плавление кровати？
Селективное лазерное спекание (SLS).
Селективное лазерное спекание использует лазер для спекания порошкообразного металла, сплавляя его для получения прочной структуры, отличительными чертами которой являются точность и эффективность.
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS).
DMLS, как и SLA, ориентирован на работу с различными металлами и сплавами и позволяет создавать прототипы и конечные изделия с высокой точностью.
Селективное лазерное плавление (SLM).
Кроме того, при SLM происходит плавление металлического порошка, что позволяет получить более плотный и прочный конечный продукт для приложений, требующих высокой прочности и долговечности.
Электронно-лучевое плавление (EBM).
Этот процесс отличается от других технологий аддитивного производства. Электронный луч, а не лазер, используется в вакууме для предотвращения окисления, что позволяет легко изготавливать сложные детали с отличными характеристиками материала.
Заключение
Аддитивное производство металлов — это революционная технология, которая предлагает множество преимуществ, включая свободу дизайна, повышение эффективности и снижение воздействия на окружающую среду. Благодаря различным методам, таким как сплавление в порошковом слое, направленное осаждение энергии и струйное нанесение связующего, производители могут выбрать оптимальный подход для своих конкретных нужд. Широкий спектр материалов, используемых в аддитивном производстве металлов, позволяет создавать детали с различными свойствами и областями применения.
По мере развития аддитивного производства металлов оно готово совершить революцию в обрабатывающей промышленности. Способность быстро и с минимальными затратами изготавливать сложные, легкие и высококачественные детали будет способствовать его внедрению во многих отраслях. Несмотря на сохраняющиеся проблемы, постоянный прогресс и растущая доступность помогут преодолеть эти препятствия, сделав аддитивное производство металлов краеугольным камнем промышленных инноваций в ближайшие годы.
