Vad är additiv tillverkning av metall? Metoder, tillämpningar och material

Vad är additiv tillverkning av metall?

Additiv tillverkning av metall, även kallad 3D-printing av metall, är en högteknologisk tillverkningsmetod där föremål tillverkas genom att successivt lägga på lager av material. Metoden utnyttjar en energikälla, t.ex. en laser- eller elektronstråle, för att smälta samman metallpulver eller metalltrådar och bilda ett fast föremål. Följaktligen möjliggör denna teknik utveckling av komplexa konstruktioner som inte kan uppnås eller som är utmanande att uppnå med traditionella tillverkningsprocesser.

Additiv tillverkning av metall erbjuder flera fördelar, bland annat oöverträffad designfrihet och användning av olika metaller. Detta har gjort den oumbärlig för tillverkningsindustrins tillväxt, eftersom den bidrar till att förbättra effektiviteten, minska avfallet, sänka utsläppen och öka produktionstakten för mer omfattande och lättare delar. Flyg-, fordons-, medicin- och konsumentvaruindustrin har identifierats som de främsta mottagarna av denna teknik.

Metoder inom additiv tillverkning av metall

Metoder för pulverbäddar

Pulverbäddsmetoden innebär att ett tunt lager metallpulver sprids över ytan på en bädd. De tunna lagren genomgår sedan selektiva smältningar och smältningar från högenergikällor som lasrar eller elektronutstrålning för att bilda det önskade föremålet. Det ger en exceptionell förmåga att generera komplexa geometrier med precision.

Directed Energy Deposition (DED).

Vid deponering med riktad energi smälts materialet av en värmare samtidigt som det deponeras genom ett munstycke. Denna process bygger upp lager för att producera ett fast föremål. DED är användbart i olika branscher eftersom det kan reparera befintliga delar och lägga till material.

Jetting av metallbinderi

Vid jetting av metallbindemedel appliceras flytande bindemedel ovanpå på varandra följande lager av metallpulver, vilket fungerar som lim mellan partiklarna. Det resulterande objektet kräver ytterligare behandling, vanligtvis sintring eller infiltrationsprocesser, för att göra det mer robust/hårdare än tidigare, men behåller fortfarande sin form utan deformation. Denna metod är användbar i många tillämpningar, särskilt vid massproduktion, där komplexa delar behövs utan att temperaturen höjs för mycket.

Jämförelse av olika metoder för additiv tillverkning av metall

Metoder för pulverbäddar

Fördelar

Pulverbäddsmetoder är de bästa metoderna för att bygga komplexa former. Denna metod är mycket exakt och använder endast det nödvändiga pulvret vilket sparar på slöseri. Den kan modifieras för att passa individuella produkter och är därför tillämplig på olika metaller och legeringar.

Nackdelar

De dyra råmaterial som används i processerna gör det kostsamt att köpa in alla nödvändiga verktyg som behövs. Den har begränsad hastighet utöver eventuella volymbegränsningar under produktionen. Ytbehandlingar kan kräva extra efterbehandling efter bearbetning, och det finns också strikta säkerhetsriktlinjer när man arbetar med metallpulver.

Binder Jetting

Fördelar

Stöd behövs bara ibland vid bindemedelssprutning, vilket minskar avfallet och kostnaderna för efterbearbetning. Den återanvänder upp till 99% av det lösa pulvret, vilket möjliggör komplexa konstruktioner utan att kostnaderna ökar. Flera delar kan tillverkas i ett enda tryck, vilket sparar tid och minskar kostnaderna.

Nackdelar

Binder jetting kräver dock ytterligare utrustning för efterbearbetning, och de flesta efterbearbetningsprocesser är manuella, även om automatisering är på gång. Dessutom är kostnaden för maskiner för bindemedelsstrålning högre än för många konventionella tillverkningsmetoder.

Direkt energideposition (DED).

Fördelar

DED har en snabbare bygghastighet än andra AM-tekniker för metall och skapar täta delar med mindre spillmaterial. Den kan producera betydande komponenter och arbeta med olika material.

Nackdelar

Nackdelen är att DED har låg byggupplösning, vilket resulterar i en grov ytfinish. Maskinerna är ganska dyra och inga stödstrukturer tillåts i denna process, vilket innebär att vissa designfunktioner inte kan implementeras.

Material för additiv tillverkning av metall

Vanliga metallpulver

Valet av material vid additiv tillverkning av metall påverkar i hög grad slutproduktens egenskaper. Vanliga material inkluderar:

• Titan och titanlegeringar

Hög hållfasthet, korrosionsbeständighet och biokompatibilitet, idealisk för användning inom flyg- och rymdindustrin, fordonsindustrin och medicinsk användning.

• Rostfritt stål

Balans mellan styrka, korrosionsbeständighet och prisvärdhet.

• Aluminium och aluminiumlegeringar

Lätt vikt med god ledningsförmåga.

• Nickelbaserade superlegeringar

Överlägsen värme- och korrosionsbeständighet för applikationer med höga temperaturer.

• Kobolt-kromlegeringar

Hög hållfasthet och biokompatibilitet, används ofta i medicinska tillämpningar.

• Ädelmetaller

De används i smycken för sina estetiska egenskaper och sin korrosionsbeständighet.

• Verktygsstål

Hög hårdhet och slitstyrka, perfekt för att skapa formar och skärverktyg.

Ädelmetaller i additiv tillverkning

Ädelmetaller som guld, silver, platina och rutenium används i additiv tillverkning för olika tillämpningar:

• Silver

Elektriska kontakter och högkapacitetsbatterier tack vare sin höga ledningsförmåga.

• Guld

Tandvård, medicin och elektronik för sin formbarhet och motståndskraft mot missfärgning.

• Platina

Smycken, kirurgiska verktyg och laboratorieutrustning för sin densitet och motståndskraft mot luft och vatten.

• Rutenium

Elektronik- och kemiindustrin för sin beständighet mot syror och missfärgning.

Industriella tillämpningar av additiv tillverkning av metall

Flyg- och rymdindustrin

Flyg- och rymdindustrin var bland de första som började använda additiv tillverkning av metall eftersom den behövde lätta och hållbara material. Denna teknik optimerar motorkomponenter, turbinblad och bränslesystem. Genom att skapa komplexa former utan inre defekter har flygplansdelarnas prestanda och funktionalitet förbättrats dramatiskt, vilket har lett till lättare flygplan och minskad bränsleförbrukning.

Automobilindustri

Additiv tillverkning av metall används inom fordonsindustrin för prototyptillverkning i metall, anpassade delar och verktyg. Biltillverkare kan använda denna innovation för att utveckla nya konstruktioner som de kan testa omedelbart, vilket minskar iterationscyklerna under utvecklingen. Genom att skapa lätta men intrikata solida strukturer förbättras dessutom fordonseffektiviteten.

Medicinsk industri

Tillverkningen av medicinska implantat och kirurgiska instrument underlättas av additiv tillverkning av metall inom det medicinska området. Tekniken skapar till exempel patientspecifika implantat som passar exakt till en individs anatomi, vilket ger bättre resultat och snabbare läkningstid för patienter efter operationer eller skador till följd av olyckor. Det går också att tillverka känsliga kirurgiska verktyg som ökar precisionen under operationer.

Energiindustri

Genom additiv tillverkning av metall tillverkas komponenter till energisystem inom energisektorn. Det hjälper till att tillverka sådana delar, som vanligtvis behöver höghållfasta egenskaper och kan motstå tuffa miljöförhållanden, vilket gör AM till en perfekt metod för deras produktionskrav. Additiv tillverkning gör det möjligt för oss att utforma komplicerade geometrier som förbättrar effektiviteten och tillförlitligheten i dessa system.

Smycken och konsumentvaror

Smyckesindustrin har förändrats genom additiv tillverkning av metall, där komplexa konstruktioner tillverkas med mycket litet materialspill. Denna teknik gör det möjligt för juvelerare att skapa komplicerade smycken som skulle vara opraktiska eller omöjliga med traditionella metoder. Även tillverkare av konsumentvaror använder AM för att anpassa föremål med unika geometrier.

Forskning och utveckling

Inom forsknings- och utvecklingsområdet (R&D) är additiv tillverkning av metall nödvändig för snabb prototyptillverkning under experiment. Därför kan forskare använda detta tekniska förfarande för att producera och testa nya mönster på kort tid, vilket hjälper dem att förnya sig och upptäcka det okända. Snabb iteration av design bidrar till snabb utveckling av nya produkter och tekniker.

Fördelar med additiv tillverkning av metall

Komplexa former och geometrier

Möjligheten att skapa komplexa former och geometrier som är svåra eller omöjliga att tillverka med traditionella metoder är en av de viktigaste fördelarna med additiv tillverkning (AM) av metall. Detta gör det möjligt att designa delar med inre hålrum och invecklade detaljer.

Viktreducering

Till skillnad från andra tillverkningsmetoder gör additiv tillverkning det möjligt att skapa lättviktskomponenter utan att kompromissa med hållfastheten. De sektorer som har anammat denna viktminskning är bland annat fordons- och flygindustrin, där även en liten viktminskning kan leda till avsevärda besparingar i bränslekostnader.

Tids- och kostnadseffektivitet

Jämfört med traditionella processer tar additiv tillverkning av metall mindre tid eftersom den eliminerar verktyg och sekundära operationer, vilket minskar produktionskostnaderna och ledtiderna så att tillverkarna kan komma ut på marknaden snabbare. Dessutom minskar lagerhållningskostnaderna.

Miljöfördelar

Jämfört med konventionella subtraktiva tekniker minskar avfallsgenereringen från 3D-utskrifter eftersom endast det material som krävs i ett visst område läggs till. Detta sänker materialkostnaderna och bidrar positivt till att bevara miljön. Dessutom bidrar återvinning av oanvänt pulver till att främja hållbarhet.

Utmaningar med additiv tillverkning av metall

Tekniska utmaningar

Flera tekniska utmaningar står inför additiv tillverkning av metall, bland annat att uppnå önskad ytfinish och precision som är tillräckligt hög för de avsedda ändamålen på grund av kravet på ytterligare efterbearbetning som maskinbearbetning eller polering.

Ekonomiska begränsningar

Höga initiala investeringar hindrar de flesta företag från att sätta upp AM-maskiner för metall. Samtidigt är dessa maskiner dyra, tillsammans med utbildningskrav, förbrukningsvaror, underhåll etc. Dessutom tenderar material som används vid 3D-printing att vara dyra, vilket innebär att det blir ett stort svinn av råmaterial.

Reglerings- och standardiseringsfrågor

Tekniken för additiv tillverkning av metall kräver standardiserade testmetoder eller riktlinjer för kvalitetskontroll, vilket gör kvalitetssäkring till en svår uppgift, särskilt inom områden som flyg och medicinteknik med stränga krav.

VANLIGA FRÅGOR

Vad är olika typer av pulverbäddsfusion？

Selektiv lasersintering (SLS)

Selektiv lasersintring använder en laser för att sintra metallpulver och smälta samman det för att uppnå en solid struktur, med noggrannhet och effektivitet som kännetecken.

Direkt metallsintring med laser (DMLS)

DMLS är dock som SLA men fokuserar på olika metaller och legeringar för att skapa prototyper och slutprodukter med hög precision.

Selektiv lasersmältning (SLM)

Dessutom innebär SLM att metallpulvret smälts, vilket leder till en tätare och mer robust slutprodukt för applikationer som kräver hög hållfasthet och hållbarhet.

Elektronstrålesmältning (EBM)

Denna process skiljer sig från andra additiva tillverkningstekniker. I stället för laser används en elektronstråle i vakuum för att förhindra oxidation, vilket gör det enkelt att tillverka komplexa delar med utmärkta materialegenskaper.

Slutsats

Additiv tillverkning av metall är en omvälvande teknik som erbjuder många fördelar, bland annat designfrihet, effektivitetsförbättringar och minskad miljöpåverkan. Med olika tillgängliga metoder, t.ex. pulverbäddsfusion, deponering med riktad energi och bindemedelsstrålning, kan tillverkarna välja den bästa metoden för sina specifika behov. Det stora utbudet av material som används vid additiv tillverkning av metall gör det möjligt att skapa delar med olika egenskaper och användningsområden.

Den additiva tillverkningen av metall fortsätter att utvecklas och är redo att revolutionera tillverkningsindustrin. Möjligheten att snabbt och kostnadseffektivt tillverka komplexa, lätta och högkvalitativa delar kommer att driva på användningen inom flera sektorer. Även om det fortfarande finns utmaningar kommer de pågående framstegen och den ökande tillgängligheten att bidra till att övervinna dessa hinder, vilket gör additiv tillverkning av metall till en hörnsten för industriell innovation under de kommande åren.