Как работает 3 д принтер по металлу


Как работают 3D принтеры по металлу. Обзор SLM и DMLS технологий. Аддитивное производство. 3D печать металлом.


3D печать металлами. Аддитивные технологии. 


SLM или DMLS: в чем разница?

Всем привет, Друзья! С Вами 3DTool!

Каталог 3D принтеров по металлу BLT 

Селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металла (DMLS) - это два процесса аддитивного производства, которые принадлежат к семейству 3D-печати, с использованием метода порошкового наслоения. Две этих технологии имеют много общего: обе используют лазер для выборочного плавления (или расплавления) частиц металлического порошка, связывая их вместе и создавая модель слой за слоем. Кроме того, материалы, используемые в обоих процессах, являются металлами в гранулированной форме. 

Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса связывания частиц: SLM использует металлические порошки с одной температурой плавления и полностью плавит частицы, тогда как в DMLS порошок состоит из материалов с переменными точками плавления.  



В частности: 
SLM производит детали из одного металла, в то время как DMLS производит детали из металлических сплавов. 
И SLM, и DMLS технологии используются в промышленности для создания конечных инженерных продуктов. В этой статье мы будем использовать термин «металлическая 3D печать» для обобщения 2-х технологий. Так же опишем основные механизмы процесса изготовления, которые необходимы инженерам для понимания преимуществ и недостатков этих технологий. 
Существуют и другие технологические процессы для производства плотных металлических деталей, такие как электронно-лучевое плавление (EBM) и ультразвуковое аддитивное производство (UAM). Их доступность и распространение довольно ограничены, поэтому они не будут представлены в данной статье. 

Как происходит 3D печать металлом SLM  или DMLS.


Как работает 3D печать металлом? Основной процесс изготовления для SLM и DMLS очень похожи.  

1. Камера, в которой происходит печать, сначала заполняется инертным газом (например, аргоном), чтобы минимизировать окисление металлического порошка. Затем она нагревается до оптимальной рабочей температуры. 
2. Слой порошка распределяется по платформе,  мощный лазер делает проходы по заданной траектории в программе, сплавляя металлические частицы вместе и создавая следующий слой.  
3. Когда процесс спекания завершен, платформа перемещается вниз на 1 слой. Далее наносится еще один тонкий слой металлического порошка. Процесс повторяется до тех пор, пока печать всей модели не будет завершена. 

Когда процесс печати завершен, металлический порошок уже имеет прочные связи в структуре. В отличие от процесса SLS, детали прикрепляются к платформе через опорные конструкции. Опора в 3D-печати металлом, создаётся из того же материала, что базовая деталь. Это условие необходимо для уменьшения деформаций, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки. 
Когда камера 3D принтера охлаждается до комнатной температуры, излишки порошка удаляются вручную, например щеткой. Затем детали как правило подвергаются термообработке, пока они еще прикреплены к платформе. Делается это для снятия любых остаточных напряжений. Далее с ними можно проводить дальнейшую обработку. Снятие детали с платформы происходит по средством спиливания. 

Схема работы 3D принтера по металлу.

В SLM и DMLS почти все параметры процесса устанавливаются производителем. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлами, варьируется от 20 до 50 микрон и зависит от свойств металлического порошка (текучести, гранулометрического состава, формы и т. д.). 
Базовый размер области печати на металлических 3D принтерах составляет 200 x 150 x 150 мм, но бывают и более большие размеры рабочего поля. Точность печати составляет от 50 - 100 микрон. По состоянию на 2020 год, стоимость 3D принтеров по металлу начинается от  150 000 долларов США.  Например наша компания предлагает 3D принтеры по металлу от BLT. 
3D принтеры по металлу, могут использоваться для мелкосерийного производства, но возможности таких систем в 3D-печати, больше напоминают возможности серийного производства на машинах FDM или SLA. 
Металлический порошок в SLM и DMLS пригоден для вторичной переработки: обычно расходуется менее 5%. После каждого отпечатка неиспользованный порошок собирают и просеивают, а затем доливают свежим материалом до уровня, необходимого для следующего изготовления. 
Отходы в металлической печати, представляют из себя поддержки (опорные конструкции, без которых не удастся добиться успешного результата). При слишком большом обилии поддержек на изготавливаемых деталях, соответственно будет расти и стоимость всего производства. 
  

Адгезия между слоями.


3D печать металлом на 3D принтерах BLT


Металлические детали SLM и DMLS обладают практически изотропными механическими и термическими свойствами. Они твердые и имеют очень небольшую внутреннюю пористость (менее 0,2 % в состоянии после 3D печати и практически отсутствуют после обработки). 
Металлические печатные детали имеют более высокую прочность и твердость и часто являются более гибкими, чем детали, изготовленные традиционным способом. Тем не менее, такой металл быстрее становится «уставшим». 

Структура поддержки 3D модели и ориентация детали на рабочей платформе.


Опорные конструкции всегда требуются при печати металлом, из-за очень высокой температуры обработки. Они обычно строятся с использованием решетчатого узора. 

Поддержки в металлической 3D печати выполняют 3 функции: 

• Они делают основание для создания первого слоя детали. 
• Они закрепляют деталь на платформе и предотвращают её деформацию. 
• Они действуют как теплоотвод, отводя тепло от модели. 

Детали часто ориентированы под углом. Однако это увеличит и объем необходимых поддержек, время печати, и в конечном итоге общие затраты. 
Деформация также может быть сведена к минимуму с помощью  шаблонов лазерного спекания. Эта стратегия предотвращает накопление остаточных напряжений в любом конкретном направлении и добавляет характерную текстуру поверхности детали. 

Поскольку стоимость металлической печати очень большая, для прогнозирования поведения детали во время обработки часто используются программные симуляторы. Это алгоритмы оптимизации топологии в прочем используются не только для увеличения механических характеристик и создания облегченных частей, но и для того, чтобы свести к минимуму потребности в поддержках и вероятности искривления детали. 

 

Полые секции и легкие конструкции.


Пример печати на 3D принтере BLT


В отличие от процессов плавления с полимерным порошком, таких как SLS, большие полые секции обычно не используются в металлической печати, так как поддержки будет очень сложно удалить, если вообще возможно. 
Для внутренних каналов больше, чем Ø 8 мм, рекомендуется использовать алмазные или каплевидные поперечные сечения вместо круглых, так как они не требуют построения поддержек. Более подробные рекомендации по проектированию SLM и DMLS можно найти в других статьях посвященных данной тематике. 

В качестве альтернативы полым секциям, детали могут быть выполнены с оболочкой и сердечниками, которые в свою очередь обрабатываются с использованием различной мощности лазера и скорости его проходов, что приводит к различным свойствам материала. Использование оболочки и сердечников очень полезно при изготовлении деталей с большим сплошным сечением, поскольку это значительно сокращает время печати и уменьшает вероятность деформации.  

Использование решетчатой структуры является распространенной стратегией в 3D-печати металлом, для уменьшения веса детали. Алгоритмы оптимизации топологии также могут помочь в разработке органичных легких форм. 

Расходные материалы для 3D печати металлом.


Технологии SLM и DMLS могут производить детали из широкого спектра металлов и металлических сплавов, включая алюминий, нержавеющую сталь, титан, кобальт, хром и инконель. Эти материалы обеспечивают потребности большинства промышленных применений, от аэрокосмической отрасли до медицинской. Драгоценные металлы, такие как золото, платина, палладий и серебро, также могут быть обработаны, но их применение носит незначительный характер и в основном ограничивается изготовлением ювелирных изделий. 

Стоимость металлического порошка очень высока. Например, килограмм порошка из нержавеющей стали 316 стоит примерно 350-450 долларов. По этой причине минимизация объема детали и необходимость поддержек является ключом к поддержанию оптимальной стоимости производства. 
Основным преимуществом металлической 3D-печати является ее совместимость с высокопрочными материалами, такими как никелевые или кобальт-хромовые супер сплавы, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами. За счет использования металлической 3D-печати для создания детали практически чистой формы — можно достичь значительной экономии средств и времени. В последствии такая деталь может быть подвергнута обработке до очень высокого качества поверхности.  

Постобработка металла.


Различные методы пост. обработки используются для улучшения механических свойств, точности и внешнего вида металлических печатных изделий. 
Обязательные этапы последующей обработки включают удаление рассыпного порошка и опорных конструкций, в то время как термическая обработка (термический отжиг) обычно используется для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств детали. 

Обработка на станках ЧПУ может быть использована для критически важных элементов (таких как отверстия или резьбы). Пескоструйная обработка, металлизация, полировка и микрообработка могут улучшить качество поверхности и усталостную прочность металлической печатной детали. 

Преимущества и недостатки металлической 3D печати.


Плюсы: 

1. 3D печать с использованием металла, может быть использована для изготовления сложных деталей на заказ, с геометрией, которую традиционные методы производства не смогут обеспечить. 
2.  Металлические 3D печатные детали могут быть оптимизированы, чтобы увеличить их производительность при минимальном весе. 
3. Металлические 3D-печатные детали имеют отличные физические свойства, 3D принтеры по металлу могут печатать большим перечнем металлов и сплавов. Включают в себя трудно обрабатываемые материалы и металлические суперсплавы. 

Минусы: 

1. Затраты на изготовление, связанные с металлической 3D-печатью, высоки. Стоимость расходного материала от 500$ за 1 кг.  
2. Размер рабочей области в 3D принтерах по металлу ограничен. 

Выводы.


•  3D печать металлом наиболее подходит для сложных, штучных деталей, которые сложно или очень дорого изготовить традиционными методами, например на станке ЧПУ. 
•  Уменьшение потребностей в построении поддержек, значительно снизит стоимость печати при помощи металла. 
•  Металлические 3D-печатные детали имеют отличные механические свойства и могут быть изготовлены из широкого спектра инженерных материалов, включая суперсплавы. 

А на этом у нас Все! Надеемся, статья была для Вас полезна.

Каталог 3D принтеров по металлу BLT

Приобрести 3d-принтеры по металлу, а так же любые другие 3d-принтеры и ЧПУ станки, вы можете у нас, связавшись с нами:

• По электронной почте: [email protected]

• По телефону: 8(800)775-86-69

• Или на нашем сайте: http://3dtool.ru

Так же, не забывайте подписываться на наш YouTube канал:


Подписывайтесь на наши группы в соц.сетях:

INSTAGRAM

ВКонтакте

Facebook

Насколько точно работает 3D-печать?

3D-печать - это универсальный метод производства и быстрого прототипирования. За последние несколько десятилетий он стал популярным во многих отраслях по всему миру.

3D-печать является частью семейства производственных технологий, называемых аддитивным производством. Это описывает создание объекта путем добавления материала к объекту слой за слоем. На протяжении всей своей истории аддитивное производство носило различные названия, включая стереолитографию, трехмерное наслоение и трехмерную печать, но трехмерная печать является самой известной.

Так как же работают 3D-принтеры?

СВЯЗАННЫЕ С: НАЧНИТЕ СОБСТВЕННЫЙ БИЗНЕС ПО 3D-ПЕЧАТИ: 11 ИНТЕРЕСНЫХ КЕЙСОВ КОМПАНИЙ, ИСПОЛЬЗУЮЩИХ 3D-ПЕЧАТЬ

Как работает 3D-принтер?

Процесс 3D-печати начинается с создания графической модели печатаемого объекта. Обычно они разрабатываются с использованием программных пакетов автоматизированного проектирования (САПР), и это может быть наиболее трудоемкой частью процесса. Для этого используются программы TinkerCAD, Fusion360 и Sketchup.

Для сложных продуктов эти модели часто тщательно тестируются в имитационном моделировании на предмет возможных дефектов в конечном продукте. Конечно, если объект для печати носит чисто декоративный характер, это менее важно.

Одним из основных преимуществ 3D-печати является то, что она позволяет быстро создавать прототипы практически всего. Единственное реальное ограничение - это ваше воображение.

На самом деле, есть объекты, которые просто слишком сложны для создания в более традиционных процессах производства или прототипирования, таких как фрезерование или формование с ЧПУ.Это также намного дешевле, чем многие другие традиционные методы производства.

После проектирования следующим этапом является цифровая нарезка модели для ее печати. Это жизненно важный шаг, поскольку 3D-принтер не может концептуализировать 3D-модель таким же образом, как вы или я. Процесс нарезки разбивает модель на множество слоев. Затем дизайн каждого слоя отправляется в печатающую головку для печати или укладки по порядку.

Процесс нарезки обычно завершается с помощью специальной программы для резки, такой как CraftWare или Astroprint.Это программное обеспечение для срезов также будет обрабатывать "заливку" модели, создавая решетчатую структуру внутри твердотельной модели для дополнительной устойчивости, если это необходимо.

Это также область, в которой 3D-принтеры преуспевают. Они способны печатать очень прочные материалы с очень низкой плотностью за счет стратегического добавления воздушных карманов внутри конечного продукта.

Программное обеспечение слайсера также добавит столбцы поддержки, где это необходимо. Это необходимо, потому что пластик не может быть уложен в воздухе, а столбцы помогают принтеру заполнять промежутки.Затем эти столбцы при необходимости удаляются.

После того, как программа слайсера сработала, данные отправляются на принтер для заключительного этапа.

Источник: Интересный машиностроительный цех

Отсюда сам 3D-принтер берет верх. Он начнет распечатывать модель в соответствии с конкретными инструкциями программы слайсера, используя разные методы, в зависимости от типа используемого принтера. Например, в прямой 3D-печати используется технология, аналогичная технологии струйной печати, в которой сопла перемещаются вперед и назад, вверх и вниз, распределяя густой воск или пластмассовые полимеры, которые затвердевают, образуя каждое новое поперечное сечение 3D-объекта.В многоструйном моделировании используются десятки работающих одновременно струй для более быстрого моделирования.

При 3D-печати связующим сопла для струйной печати наносят тонкий сухой порошок и жидкий клей или связующее, которые вместе образуют каждый напечатанный слой. Принтеры для переплета делают два прохода для формирования каждого слоя. Первый проход наносит тонкий слой порошка, а второй проход использует сопла для нанесения связующего.

При фотополимеризации капли жидкого пластика подвергаются воздействию лазерного луча ультрафиолетового света, который превращает жидкость в твердое тело.

Спекание - это еще одна технология 3D-печати, которая включает плавление и сплавление частиц вместе для печати каждого последующего слоя. Связанное с этим селективное лазерное спекание основывается на использовании лазера для плавления огнестойкого пластикового порошка, который затем затвердевает, образуя печатный слой. Спекание также можно использовать для изготовления металлических предметов.

Процесс 3D может занять часы или даже дни, в зависимости от размера и сложности проекта.

«В отрасли есть несколько более быстрых технологий, вызывающих всплески, например, Carbon M1, в котором используются лазеры, выстреливаемые в слой жидкости и вытягивающие отпечаток из него, что значительно ускоряет процесс.Но такие принтеры во много раз сложнее, намного дороже и пока работают только с пластиком ». - howtogeek.com.

Независимо от того, какой тип 3D-принтера используется, общий процесс печати обычно одинаков.

  • Шаг 1: Создание 3D-модели с помощью программного обеспечения CAD.
  • Шаг 2: Чертеж CAD преобразуется в формат стандартного языка тесселяции (STL). Большинство 3D-принтеров используют файлы STL в дополнение к другим типам файлов такие как ZPR и ObjDF.
  • Шаг 3: Файл STL передается на компьютер, который управляет 3D-принтером. Там пользователь указывает размер и ориентацию для печати.
  • Шаг 4: Сам 3D-принтер настроен. У каждой машины свои требования к настройке, такие как заправка полимеров, связующих и других расходных материалов, которые будет использовать принтер.
  • Шаг 5: Запустите машину и дождитесь завершения сборки. В это время следует регулярно проверять машину, чтобы убедиться в отсутствии ошибок.
  • Шаг 6: Напечатанный объект удален из аппарата.
  • Шаг 7: Последний шаг - пост-обработка. Многие 3D-принтеры требуют какой-либо постобработки, такой как удаление остатков порошка щеткой или промывка печатного объекта для удаления водорастворимых подложек. Новый объект также может нуждаться в лечении.

Что умеет делать 3D-принтер?

Как мы уже видели, 3D-принтеры невероятно универсальны.Теоретически они могут создать практически все, о чем вы можете подумать.

Но они ограничены видами материалов, которые они могут использовать для «чернил», и их размером. Для очень больших объектов, например дома, вам нужно будет распечатать отдельные части или использовать очень большой 3D-принтер .

3D-принтеры могут печатать в пластике, бетоне, металле и даже в клетках животных. Но большинство принтеров предназначены для использования только одного типа материала.

Некоторые интересные примеры объектов, напечатанных на 3D-принтере, включают, но не ограничиваются: -

  • Протезы конечностей и других частей тела
  • Дома и другие здания
  • Продукты питания
  • Медицина
  • Огнестрельное оружие
  • Жидкие структуры
  • Стекло продукты
  • Акриловые объекты
  • Реквизит для фильмов
  • Музыкальные инструменты
  • Одежда
  • Медицинские модели и устройства

3D-печать, несомненно, находит применение во многих отраслях промышленности.

Какие существуют типы программного обеспечения для 3D-печати?

В различных программах САПР используются различные форматы файлов, но некоторые из наиболее распространенных:

  • STL - стандартный язык тесселяции или STL - это формат 3D-рендеринга, который обычно может обрабатывать только один цвет. Обычно это формат файла, который используют большинство настольных 3D-принтеров.
  • VRML - язык моделирования виртуальной реальности, файл VRML - это новый формат файла.Они обычно используются для принтеров с более чем одним экструдером и позволяют создавать многоцветные модели.
  • AMF - формат файла аддитивного производства, это открытый стандарт на основе .xml для 3D-печати. Он также может поддерживать несколько цветов.
  • GCode - GCode - это еще один формат файла, который может содержать подробные инструкции для 3D-принтера, которым он должен следовать при укладке каждого среза.
  • Другие форматы - Другие производители 3D-принтеров также имеют свои собственные форматы файлов.

Каковы преимущества 3D-печати?

Как мы уже упоминали выше, 3D-печать может иметь различные преимущества по сравнению с более традиционными производственными процессами, такими как литье под давлением или фрезерование с ЧПУ.

3D-печать - это аддитивный процесс, а не вычитающий, как фрезерование с ЧПУ. 3D-печать строит вещи слой за слоем, в то время как позже постепенно удаляет материал из твердого блока, чтобы создать продукт. Это означает, что в некоторых случаях 3D-печать может быть более ресурсоэффективной, чем ЧПУ.

Другой пример традиционных производственных процессов, литье под давлением, отлично подходит для изготовления множества объектов в больших объемах. Хотя его можно использовать для создания прототипов, литье под давлением лучше всего подходит для крупномасштабного массового производства утвержденного дизайна продукта. Однако 3D-печать лучше подходит для мелкосерийного ограниченного производства или создания прототипов.

В зависимости от области применения 3D-печать имеет ряд других преимуществ перед другими производственными процессами. К ним относятся, но не ограничиваются ими:

  • Более быстрое производство - Хотя время от времени 3D-печать медленная, она может быть быстрее, чем некоторые традиционные процессы, такие как литье под давлением и субтрактивное производство.
  • Легко доступный - 3D-печать существует уже несколько десятилетий и резко выросла примерно с 2010 года. В настоящее время доступно большое количество принтеров и программных пакетов (многие из которых имеют открытый исходный код), что позволяет практически любому узнать, как это сделать.
Источник: Pixabay
  • Продукция более высокого качества - 3D-печать обеспечивает неизменно высокое качество продукции. Если модель точна и соответствует назначению, и используется принтер одного и того же типа, конечный продукт обычно всегда будет одинакового качества.
  • Отлично подходит для проектирования и тестирования продукции. - 3D-печать - один из лучших инструментов для проектирования и тестирования продукции. Он предлагает возможности для проектирования и тестирования моделей, позволяющих легко дорабатывать их.
  • Рентабельность - 3D-печать, как мы видели, может быть рентабельным средством производства. После создания модели процесс обычно автоматизируется, а отходы сырья обычно ограничиваются.
  • Дизайн изделий почти бесконечен - Возможности 3D-печати практически безграничны.Пока он может быть разработан в САПР, а принтер достаточно большой, чтобы его напечатать, нет предела.
  • 3D-принтеры могут печатать с использованием различных материалов. - Некоторые 3D-принтеры действительно могут смешивать материалы или переключаться между ними. В традиционной печати это может быть сложно и дорого.
.

типов 3D-печати на металле

Металлический порошок - это основа 3D-печати металлом. Хотя с ним сложно и опасно обращаться в необработанном виде, его уникальные особенности делают его предпочтительным типом металлической заготовки. В подавляющем большинстве технологий 3D-печати металлом используется металлический порошок. В результате основные различия между типами принтеров по металлу связаны с тем, как они расплавляют порошок в металлические детали. Эти методы сильно различаются: от использования лазеров высокой энергии для плавления рыхлого порошка до экструдирования нити накала из связанного металлического порошка.В этой статье мы рассмотрим наиболее часто используемые типы металлической 3D-печати, как они работают и почему они полезны.

Powder Bed Fusion

Известный под многими названиями, плавление в порошковом слое в настоящее время является наиболее распространенным типом 3D-печати металлом. Эти машины распределяют тонкий слой порошка по рабочей пластине и выборочно плавят поперечное сечение детали в слой порошка. Существует два различных типа методов плавления в порошковом слое: селективная лазерная плавка и электронно-лучевая плавка.

Selective La ser Melting (SLM)

Также известен как: прямое лазерное спекание металла (DMLS), селективное лазерное спекание (SLS), прямая печать металла (DMP), лазерная порошковая наплавка (LPBF).

Большинство машин для плавки с порошковой пленкой - это машины для селективной лазерной плавки (SLM). В машинах SLM используются высокомощные лазеры для сплавления металлических слоев на детали. После печати оператор извлекает деталь (или детали) из порошкового слоя, отрезает деталь от рабочей пластины и выполняет постобработку детали.Это текущий стандарт печати на металле - сегодня большинство компаний Metal AM продают машины SLM.

Машина SLM во время печати.

Как наиболее зрелая разновидность 3D-печати металлом, SLM часто считается стандартом, по которому оцениваются другие технологии. Печатные детали SLM отлично подходят для точных, геометрически сложных деталей, которые иначе не поддаются обработке. Они подходят для самых разных областей применения: от стоматологии / здравоохранения до авиакосмической отрасли. Объемы печати варьируются от очень маленьких (куб 100 мм) до больших (800 x 500 x 400 мм), а скорость печати - умеренная.Точность этих машин определяется шириной лазерного луча и высотой слоя. Большинство материалов, доступных сегодня для 3D-печати, можно использовать на SLM-машине.

Несмотря на то, что эти машины являются революционными, широкий спектр требований к оборудованию и постобработке ограничивает возможности использования этих машин промышленными пользователями. Для работы с машинами SLM требуются обученные профессионалы. Из-за сложного процесса многие детали необходимо распечатать и несколько раз настроить, чтобы получить результаты. После печати большинство деталей требует значительной постобработки и термообработки.Кроме того, металлический порошок, используемый в этих машинах, чрезвычайно опасен и дорог в обращении: большинство полностью обожженных машин SLM стоит более 1 миллиона долларов для внедрения и наличия специального специалиста для работы.

Электронно-лучевая плавка (EBM)

EBM-машины для изготовления деталей используют электронный луч вместо лазера. GE Additive - единственная компания, производящая машины EBM. Электронный пучок дает менее точную деталь, чем SLM, но процесс в целом быстрее для более крупных деталей.Эти машины имеют почти все те же ограничения, затраты и проблемы, что и машины SLM, но используются более активно в аэрокосмической и медицинской сферах, чем где-либо еще. Как и в случае с SLM, установка EBM-машин стоит более 1 млн. Долл. США, и для их работы требуется специальный специалист.

Прямое нанесение энергии

Прямое нанесение энергии использует металлическое сырье и лазер для изготовления деталей. В отличие от сварки в порошковой подложке, запас (который может быть порошком или проволокой) и лазер находятся на одной печатающей головке, которая одновременно распределяет и расплавляет материал.Полученные в результате детали очень похожи на Powder Bed Fusion с некоторыми ключевыми отличиями и возможностями.

Порошок DED

Также известен как: лазерное осаждение материала (LMD), выдувной порошок

Родственный принцип селективной лазерной плавки, прямое энергетическое осаждение также использует лазер и металлический порошок для изготовления металлических деталей. Вместо того, чтобы рассыпать порошок по станине и расплавить его лазером, машины DED точно выдувают порошок из печатающей головки на деталь, используя лазер на головке, чтобы сплавить его с конструктивной деталью.

3D-принтер BeAM DED для нанесения и плавления металлического порошка с печатающей головкой двойного назначения.

Поскольку в обеих машинах используется металлический порошок и лазер, детали, напечатанные с помощью DED, очень похожи на детали, напечатанные SLM, за одним ключевым исключением: машины DED могут использовать свою уникальную систему распределения порошка для «лечения» непечатных деталей, у которых есть недостатки. Доступные материалы, постобработка и требования к обращению с порошком аналогичны требованиям SLM, а стоимость оборудования составляет 1 миллион долларов.

Wire DED

Также известен как: Electron Beam Additive Manufacturing, или EBAM

Wire DED-машины используют лазер для плавления сырья аналогично их порошковым родственникам DED, однако их сырьем вместо этого является металлическая проволока. выдувного порошка. Это нишевая технология, используемая для создания больших объемов (до 5 м x 1 м x 1 м) и сокращения времени печати за счет точности и качества. В результате детали Wire DED имеют значительно больший размер и меньшую точность, чем машины с порошковым покрытием.Эти машины стоят несколько миллионов долларов за единицу и крайне редко встречаются в космосе.

Binder Jetting

Binder Jetting - это крупномасштабный высокоточный метод 3D-печати металлом, который может заменить SLM в качестве основного метода 3D-печати на основе сыпучих порошков. За последние два года сфера деятельности расширилась от одного производителя до множества компаний (включая лидеров отрасли AM). Благодаря своей скорости и масштабируемости, это может быть технология, которая продвигает возможности аддитивного производства металлов в объемы производства.

Технология, лежащая в основе струйной печати металлического переплета, отражает то, что обычный (2D) принтер использует для быстрой струйной печати чернил на бумаге. Во-первых, струйная машина для связующего равномерно распределяет металлический порошок по своей печатной платформе, образуя несвязанный слой. Затем струйная головка, очень похожая на головку в 2D-принтере, распределяет связующий полимер по форме поперечного сечения детали, свободно прилипая к порошку. Процесс повторяется до тех пор, пока машина не произведет законченную сборку готовых деталей.

Цифровая струйная машина для переплета по металлу, способная обрабатывать мелкие детали.

Детали, напечатанные на машинах для струйной печати Binder, требуют стадии постобработки, называемой «спеканием», чтобы стать полностью металлическими. В этом процессе напечатанная часть нагревается в духовке до температуры чуть ниже температуры плавления. Связующий материал выгорает, и металлический порошок соединяется в цельнометаллическую деталь. Этот процесс можно выполнять партиями, а это означает, что он не оказывает значительного влияния на пропускную способность.

Вакуумные печи обычно представляют собой массивные машины промышленного класса.


Струйная обработка связующим имеет два основных преимущества перед селективной лазерной плавкой.Во-первых, машины МОГУТ печатать намного быстрее, используя несколько головок для струйной печати в нескольких местах одновременно. Во-вторых, машина может изготавливать десятки или даже сотни одинаковых деталей за одну сборку. Эти детали можно спекать в большой печи для создания управляемой инфраструктуры серийного производства. В результате струйная печать на переплетах выполняется значительно быстрее для каждой детали, чем любой другой тип печати на металле. Такая скорость (и требования к управлению порохом) влечет за собой огромные затраты - в настоящее время единственные машины в этой области стоят более миллиона долларов.

Экструзия связанного порошка

Также известна как: Атомно-диффузионное аддитивное производство, нанесение связанного порошка

Экструзия связанного порошка (BPE) - захватывающий новичок в области аддитивного производства металлов. В отличие от почти любого другого крупного процесса 3D-печати, в машинах BPE не используется сыпучий металлический порошок. Вместо этого порошок связывается в воскообразных полимерах таким же образом, как и металлический материал для литья под давлением. В результате получается материал, который намного безопаснее и проще в использовании, чем сыпучий порошок: экструзионный материал из связанного порошка можно обрабатывать вручную, и для него не требуются меры безопасности, как в машинах с сыпучим порошком.Нить BPE экструдируется из сопла способом, очень похожим на стандартную 3D-печать FFF, давая «зеленую» часть, которая содержит металлический порошок, равномерно распределенный в воскообразном полимере. После печати BPE проходит две стадии постобработки: во-первых, полимер в основном растворяется в «стиральной» машине; во-вторых, отмытая деталь спекается в печи (аналогично струйной очистке связующего). В процессе спекания деталь сжимается, чтобы учесть пространство, открытое растворенным связующим, в результате чего получается полностью металлическая деталь.

Система печати Metal X включает 3D-принтер для металла, станцию ​​промывки деталей и печь для спекания.

Поскольку это процесс печати на основе филамента, ограничения деталей деталей из BPE практически совпадают с ограничениями традиционной печати на пластике FFF: он хорошо работает почти для всех геометрических форм и может печатать с заполнением открытых ячеек. Детали, напечатанные на системах BPE, по-прежнему часто требуют последующей обработки - термообработки деталей, требующих улучшенных свойств (хотя это требуется для каждого металла), и последующей обработки / полировки для улучшения качества поверхности - но здесь нет управления порошком и сокращенных возможностей требования.В машинах BPE используется более простой процесс, что делает их гораздо более доступными, чем все другие основные типы металлической 3D-печати, при этом машины стоят от 120 000 до 200 000 долларов. Markforged Metal X использует этот процесс - чтобы узнать больше об этом процессе, ознакомьтесь с этой статьей о процессе Metal X.

.

Наконец-то простой 3-мерный принтер по металлу

Образец детали, напечатанный из объемного металлического стекла с помощью процесса FFF на основе TPF. Предоставлено: Elsevier.

Используется для производства трехмерных объектов практически любого типа в различных отраслях промышленности, включая здравоохранение, авиацию и машиностроение. Трехмерные печатные материалы достигли совершеннолетия за последнее десятилетие. Исследование, опубликованное в журнале Materials Today , демонстрирует новый подход к трехмерной печати, позволяющий сплавлять металлические волокна из металлического стекла в металлические предметы.

Ян Шроерс, профессор машиностроения и материаловедения в Йельском университете и компании Desktop Metal, Inc., в Берлингтоне, Массачусетс, США, вместе с коллегами отмечает, что трехмерная печать термопластов является очень продвинутой, но трехмерная печать печать металлов по-прежнему является сложной и ограниченной. Причина в том, что металлы обычно не существуют в таком состоянии, чтобы их можно было легко экструдировать.

«В этой работе мы теоретически показали, что мы можем использовать ряд других объемных металлических стекол и работаем над тем, чтобы сделать процесс более практичным и коммерчески применимым, чтобы сделать трехмерную печать металлов такой же простой и практичной, как трехмерная печать. D печать термопластов ", - сказал профессор Шроерс.

В отличие от обычных металлов, объемные металлические стекла (BMG) имеют в своем термодинамическом профиле переохлажденную жидкую область и способны подвергаться непрерывному размягчению при нагревании - явление, которое присутствует в термопластах, но не в обычных металлах.Таким образом, профессор Шроерс и его коллеги показали, что BMG можно использовать в трехмерной печати для создания твердых высокопрочных металлических компонентов в условиях окружающей среды, подобных тем, которые используются при трехмерной печати термопластом.

Новая работа может обойти очевидные компромиссы в выборе компонентов из термопласта по сравнению с металлическими компонентами или, наоборот, для ряда материалов и инженерных приложений. Аддитивное производство металлических компонентов было разработано ранее, где используется процесс плавления в порошковом слое, однако при этом используется сильно локализованный источник нагрева, а затем затвердевание порошкового металла, имеющего желаемую структуру.Этот подход является дорогостоящим и сложным и требует громоздких опорных конструкций, которые не деформируются из-за высоких температур производственного процесса.

Подход, принятый профессором Шроерсом и его коллегами, упрощает аддитивное производство металлических компонентов за счет использования уникального среди металлов поведения BMG при размягчении. В сочетании с такими пластичными характеристиками являются высокие пределы прочности и упругости, высокая вязкость разрушения и высокая коррозионная стойкость. Команда сосредоточила внимание на BMG, сделанном из циркония, титана, меди, никеля и бериллия, с формулой сплава Zr44Ti11Cu10Ni10Be25.Это хорошо охарактеризованный и легкодоступный материал BMG.

Команда использовала аморфные стержни диаметром 1 миллиметр (мм) и длиной 700 мм. Для проталкивания размягченных волокон через сопло диаметром 0,5 мм используется температура экструзии 460 градусов Цельсия и сила экструзии от 10 до 1000 Ньютон. Затем волокна экструдируются в сетку из нержавеющей стали с температурой 400 ° C, в которой кристаллизация не происходит, пока не пройдет, по крайней мере, сутки, прежде чем можно будет выполнить экструзию с роботизированным управлением для создания желаемого объекта.

На вопрос, какие проблемы остаются на пути к тому, чтобы сделать 3D-печать BMG широко распространенной техникой, профессор Шроерс добавил: «Чтобы широко использовать 3D-печать BMG, необходимо сделать практическое сырье BMG доступным для широкого диапазона BMG. доступный. Чтобы использовать производство плавленых волокон в коммерческих целях, соединение слоев должно быть более надежным и постоянным ».


Исследователи используют трехмерную печать для массового создания металлических стеклянных сплавов.
Дополнительная информация: Майкл А.Гибсон и др. 3D-печать металлов, таких как термопласты: производство металлических стекол из сплавленных нитей, Materials Today (2018). DOI: 10.1016 / j.mattod.2018.07.001

Ссылка : Наконец-то простой 3-D принтер по металлу (4 сентября 2018 г.) получено 15 сентября 2020 с https: // физ.org / news / 2018-09-simple-d-printer-metal.html

Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, нет часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в информационных целях.

.

Как работают 3D-принтеры | Министерство энергетики

На этой неделе мы празднуем запуск новой серии на Energy.gov: Как работает энергия.

Три года назад печать трехмерных объектов дома могла бы звучать как вещь из The Jetsons . Но всего за несколько коротких лет 3D-печать резко выросла, превратившись из нишевой технологии в революционную инновацию, которая захватывает воображение как крупных производителей, так и любителей.

3D-печать может произвести революцию в производстве, позволяя компаниям (и частным лицам) разрабатывать и производить продукты по-новому, а также сокращать отходы материалов, экономить энергию и сокращать время, необходимое для вывода продуктов на рынок.

Что такое 3D-печать?

Технология 3D-печати, впервые изобретенная в 1980-х годах инженером и физиком Чаком Халлом, прошла долгий путь. 3D-печать, также называемая аддитивным производством, - это процесс создания объекта путем нанесения материала по одному крошечному слою за раз.

Основная идея аддитивного производства может быть найдена в горных породах глубоко под землей (капающая вода откладывает тонкие слои минералов, образуя сталактиты и сталагмиты), но более современным примером является обычный настольный принтер. Подобно тому, как струйный принтер добавляет отдельные точки чернил для формирования изображения, 3D-принтер добавляет материал только там, где это необходимо, на основе цифрового файла.

Для сравнения, многие традиционные производственные процессы, которые недавно были названы «субтрактивным производством», требуют вырезания лишних материалов для изготовления желаемой детали.Результат: согласно данным Национальной лаборатории Ок-Ридж при Министерстве энергетики США, субтрактивное производство может тратить до 30 фунтов материала на каждый фунт полезного материала в некоторых частях.

В некоторых процессах 3D-печати около 98 процентов сырья используется для изготовления готовой детали. Не говоря уже о том, что 3D-печать позволяет производителям создавать новые формы и более легкие детали, которые используют меньше сырья и требуют меньшего количества этапов производства. В свою очередь, это может привести к снижению энергопотребления для 3D-печати - до 50 процентов меньше энергии для определенных процессов по сравнению с традиционными производственными процессами.

Хотя возможности аддитивного производства безграничны, сегодня 3D-печать в основном используется для создания небольших, относительно дорогих компонентов с использованием пластмасс и металлических порошков. Тем не менее, поскольку цена настольных 3D-принтеров продолжает падать, некоторые новаторы экспериментируют с различными материалами, такими как шоколад и другие продукты питания, воск, керамика и биоматериалы, подобные человеческим клеткам.

Как работает 3D-принтер?

Технологии аддитивного производства бывают разных форм и размеров, но независимо от типа 3D-принтера или материала, который вы используете, процесс 3D-печати следует одним и тем же основным этапам.

Он начинается с создания трехмерного чертежа с использованием программного обеспечения для автоматизированного проектирования (обычно называемого САПР). Создатели ограничены только своим воображением. Например, 3D-принтеры используются для производства всего: от роботов и протезов до обуви и музыкальных инструментов на заказ. Национальная лаборатория Ок-Ридж даже сотрудничает с компанией для создания первого автомобиля, напечатанного на 3D-принтере, с использованием крупномасштабного 3D-принтера, а America Makes - президентский экспериментальный институт производственных инноваций, специализирующийся на 3D-печати - недавно объявил, что предоставляет финансирование для новый недорогой 3D-принтер по металлу.

После создания 3D-чертежа принтер необходимо подготовить. Это включает заправку сырья (например, пластиков, металлических порошков или связующих растворов) и подготовку платформы для сборки (в некоторых случаях вам может потребоваться очистить ее или нанести клей, чтобы предотвратить перемещение и деформацию от тепла во время процесса печати) .

Как только вы нажмете кнопку «Печать», машина автоматически построит нужный объект. Хотя процессы печати различаются в зависимости от типа технологии 3D-печати, экструзия материала (которая включает в себя ряд различных типов процессов, таких как моделирование методом наплавления) является наиболее распространенным процессом, используемым в настольных 3D-принтерах.

Экструзия материала работает как клеевой пистолет. Печатный материал - обычно пластиковая нить - нагревается до жидкого состояния и выдавливается через сопло для печати. Используя информацию из цифрового файла - дизайн разделен на тонкие двухмерные поперечные сечения, чтобы принтер точно знал, куда положить материал - сопло наносит полимер тонкими слоями, часто толщиной 0,1 миллиметра. Полимер быстро затвердевает, связываясь с нижележащим слоем, прежде чем платформа сборки опустится, а печатающая головка добавит еще один слой.В зависимости от размера и сложности объекта весь процесс может занять от нескольких минут до нескольких дней.

После завершения печати каждый объект требует небольшой постобработки. Это может варьироваться от отклеивания объекта от платформы сборки до удаления поддерживающих структур (временный материал, напечатанный для поддержки выступов на объекте) и удаления излишков порошка.

Виды 3D-принтеров

За эти годы индустрия 3D-печати резко выросла, создав новые технологии (и новый язык для описания различных процессов аддитивного производства).Чтобы упростить этот язык, ASTM International - международная организация по стандартизации - выпустила в 2012 году стандартную терминологию, в которой технологии аддитивного производства были разделены на семь широких категорий. Ниже приведены краткие сведения о различных типах 3D-печати (с экструзией материала, описанной в предыдущем разделе).

  • Распыление материала : Как и в стандартном настольном принтере, при струйном принтере материал откладывается через головку струйного принтера. В процессе обычно используется пластик, который требует света для его затвердевания (так называемый фотополимер), но он также может печатать воски и другие материалы.Хотя с помощью струйной печати можно производить точные детали и включать несколько материалов за счет использования дополнительных сопел струйного принтера, машины относительно дороги, а время сборки может быть медленным.
  • Обработка связующего вещества : При струйной очистке связующего тонкий слой порошка (это может быть что угодно, от пластика или стекла до металла или песка) катится по платформе сборки. Затем головка принтера распыляет связующий раствор (похожий на клей), чтобы соединить порошок только в местах, указанных в цифровом файле.Процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет готов к печати, а лишний порошок, который поддерживал объект во время сборки, удаляется и сохраняется для дальнейшего использования. Распыление связующего можно использовать для создания относительно больших деталей, но это может быть дорогостоящим, особенно для больших систем.
  • Наплавление в порошковом слое : сплавление в порошковом слое аналогично нанесению связующего, за исключением того, что слои порошка сплавлены вместе (плавятся или спекаются - процесс, в котором используется тепло или давление для образования твердой массы материала без его плавления) с использованием источник тепла, такой как лазер или электронный луч.Хотя процессы в порошковом слое позволяют производить высококачественные, прочные полимерные и твердые металлические детали, выбор сырья для этого типа аддитивного производства ограничен.
  • Направленное отложение энергии : Направленное отложение энергии может иметь множество форм, но все они следуют базовому процессу. Проволока или порошковый материал наносится тонкими слоями и плавится с использованием источника высокой энергии, такого как лазер. Системы направленного осаждения энергии обычно используются для ремонта существующих деталей и создания очень больших деталей, но с этой технологией эти детали часто требуют более обширной постобработки.
  • Ламинирование листов : Системы ламинирования листов скрепляют тонкие листы материала (обычно бумаги или металла) вместе с помощью клея, низкотемпературных источников тепла или других форм энергии для создания 3D-объекта. Системы ламинирования листов позволяют производителям печатать с использованием материалов, чувствительных к нагреванию, таких как бумага и электроника, и предлагают самые низкие затраты на материалы по сравнению с любым аддитивным процессом. Но этот процесс может быть немного менее точным, чем некоторые другие типы систем аддитивного производства.
  • Vat Photopolymerization : Фотополимеризация - самый старый тип 3D-принтеров - использует жидкую смолу, которая отверждается с помощью специального света для создания 3D-объекта. В зависимости от типа принтера, он использует лазер или проектор для запуска химической реакции и упрочнения тонких слоев смолы. Эти процессы позволяют создавать очень точные детали с мелкими деталями, но выбор материалов ограничен, а машины могут быть дорогими.
Создание страны Создателей

Хотя 3D-печать не нова, недавние достижения в этой технологии (наряду с ростом популярности таких сайтов, как Esty и Kickstarter) вызвали творческий ренессанс производства - когда любой, у кого есть доступ к принтеру, является производителем, а настройка продукта - почти без ограничений.

3D-принтеры и другие производственные технологии превращают потребителей в творцов - или производителей вещей. Это движение, часто называемое Движением создателей, помогает стимулировать инновации и создавать совершенно новый способ ведения бизнеса. Продукты больше не нужно производить массово - их можно изготавливать небольшими партиями, печатать на месте или настраивать под индивидуальные потребности.

Этот новый образ мышления проникает и в класс через доступ к 3D-принтерам.Студенты не ограничиваются придумыванием крутых, новых идей - они могут воплотить их в жизнь, и это вдохновляет их заниматься STEM (наука, технология, инженерия и математика). Чтобы познакомить студентов с аддитивным производством и его потенциалом, Министерство энергетики, Национальная лаборатория Окриджа и компания America Makes пожертвовали почти 450 3D-принтеров командам, участвующим в конкурсе FIRST Robotics в этом году.

Подъем Движения Создателей, поддерживаемый как молодыми, так и старыми, представляет огромные возможности для Соединенных Штатов.Он может создать основу для новых продуктов и процессов, которые помогут оживить американское производство. Чтобы отметить этот потенциал, президент Обама организовал в Белом доме первую ярмарку Maker Faire, которая позволила новаторам и предпринимателям всех возрастов показать, что они сделали, и поделиться тем, что они узнали.

Будущее 3D-печати

Аддитивное производство не только влияет на движение производителей, но и меняет способ ведения бизнеса компаниями и федеральными агентствами.

Компании обращаются к аддитивному производству, чтобы создавать детали, которые раньше были невозможны - многие указывают на то, что компания GE использует 3D-принтеры для создания топливных форсунок для нового реактивного двигателя, которые прочнее и легче обычных деталей - и Федеральные агентства изучают способы использования этой технологии для более эффективного выполнения своих задач.Министерство здравоохранения и социальных служб США создало NIH 3D Print Exchange, чтобы лучше делиться биомедицинскими моделями для 3D-печати среди медицинского сообщества, в то время как НАСА изучает, как 3D-печать работает в космосе.

Тем не менее, это лишь верхушка айсберга, когда речь идет о потенциале аддитивного производства. Для производителей аддитивное производство позволит создать широкий спектр новых продуктов, которые могут повысить конкурентоспособность отрасли, снизить энергопотребление в отрасли и способствовать развитию экономики экологически чистой энергии.

Министерство энергетики предоставляет компаниям доступ к технологиям 3D-печати и обучает их - от помощи в финансировании America Makes, государственно-частного партнерства, призванного сделать США лидером в области 3D-печати, до создания производственного демонстрационного центра в лаборатории Oak Ridge Lab. - и будущие инженеры - о возможностях технологии. Чтобы обеспечить развитие технологий, национальные лаборатории Департамента в партнерстве с промышленностью создают новую технологию 3D-печати.Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора недавно объявила о сотрудничестве в области разработки новых материалов, оборудования и программного обеспечения для 3D-печати, а Национальная лаборатория Ок-Ридж сотрудничает с целью разработки новой коммерческой системы аддитивного производства, которая в 200-500 раз быстрее и может печатать пластиковые компоненты в 10 раз больше, чем современные коммерческие 3D-принтеры.

По мере того, как цены падают, а технологии становятся быстрее и точнее, 3D-печать готова изменить отношение компаний и потребителей к производству - во многом так же, как первые компьютеры привели к быстрому доступу к знаниям, которые мы сейчас принимаем за предоставляется.

Чтобы узнать больше о 3D-печати Министерства энергетики, посетите веб-сайт Advanced Manufacturing Office.

.

Смотрите также