3D-druktegnologie behoort aan vinnige prototipe tegnologie. Anders as tradisionele subtraktiewe vervaardiging, word 3D-druktegnologie genoem bykomende vervaardigingstegnologie. Die vervaardiging van tradisionele onderdele vereis oor die algemeen gereedskap en vorms, en dit is moeilik om onderdele met komplekse vorms en ongelyke oppervlaktes te verwerk. 3D-druktegnologie gebruik moderne middele soos rekenaars, lasers en CNC om 'n 3D-modellêer te skep van die onderdeel wat in die rekenaar verwerk moet word. Nadat die model gebou is, word dit in die snysagteware ingevoer om die verwerkingsparameters te stel, soos verwerkingspoed, laaghoogte, ens. Nadat die instellings voltooi is, word dit in die 3D-drukker ingevoer. Die drukker tel die verwerkingsparameters op en realiseer die verwerking van die voorwerp deur die materiaal laag vir laag te druk. Die materiale wat in gewone 3D-druktegnologie gebruik word, is oor die algemeen harse, PLA, ABS-plastiek, ens., terwyl die materiale wat in metaal 3D-druktegnologie gebruik word, metale of legeringsmateriale is. Volgens die verskillende 3D-metaaldrukprosesse kan dit rofweg verdeel word in selektiewe lasersintertegnologie (SLS), selektiewe lasersmelttegnologie (SLM), elektronstraalselektiewe smelttegnologie (EBSM), laser naby-net-vormingstegnologie (LENS), direkte metaal laser sintering tegnologie (DMLS) en ander nuwe tegnologie. Metaal 3D-druktegnologie is wyd gebruik in baie velde soos presisievervaardiging, lugvaart en mediese toerusting vanweë die vermoë om dele van enige vorm te verwerk.

Met die ontwikkeling van die samelewing en die voortdurende vooruitgang van wetenskap en tegnologie, het metaal 3D-druktegnologie vinnig 'n belangrike posisie in die metaalvervaardigingsbedryf beklee met sy hoë materiaalbenuttingskoers, kort vervaardigingsiklus en hoë buigsaamheid. Metaal 3D-druktegnologie kan sommige klein, komplekse en hoë-presisie metaalonderdele druk, so hierdie tegnologie speel 'n sleutelrol in die verbetering van die kwaliteit en doeltreffendheid van die hele industriële produksie, die verbetering van die huidige status van metaalonderdelevervaardiging, en bied meer moontlikhede in die proses van vervaardiging van metaalonderdele, en die bevordering van die ontwikkeling van die metaalvervaardigingsbedryf.

1 Toepassing van metaal 3D-druktegnologie

Tans is die hoofstroom-metaal 3D-druktegnologieë wat direk in die mark gebruik word vir die vervaardiging van metaalonderdele: selektiewe laser sintering (SLS), selektiewe lasersmelting (SLM), direkte metaal laser sintering (DMLS), laser naby net vorm (LENS), en elektronstraal selektiewe smelting (EBSM).

1.1 Selektiewe laser sintering (SLS) tegnologie

Selektiewe laser sintering (SLS) tegnologie is die vroegste metaal 3D druk tegnologie. Die metallurgiese meganisme wat gebruik word, is die vloeibare fase sinteringsmeganisme. Die materiaal wat gebruik word, is 'n gemengde poeier van hoë smeltpunt metaal en lae smeltpunt metaal of polimeer materiaal. Tydens die smeltproses smelt die lae smeltpunt metaal of polimeer materiaal poeier, terwyl die hoë smelt punt metaal poeier nie smelt nie en sy vaste fase kern as 'n strukturele metaal behou. Die gesmelte materiaal dien as 'n bindmetaal en genereer 'n vloeibare fase tydens die smeltproses om die soliede metaal te bedek, benat en te bind om sinterverdigting te verkry. Die hele prosestoestel bestaan ​​uit twee dele: 'n poeiersilinder en 'n gietsilinder. Tydens werking styg die poeiersilinder aan die linkerkant een laag, en dan versprei die poeierroller 'n laag poeier eweredig in die gietsilinder. Die laserstraal wat deur die rekenaar beheer word, skandeer die poeier volgens die gesnyde model, sodat die metaalpoeier die smeltpunt bereik en sinter om 'n laag van die onderdeel te voltooi. Na voltooiing val die gietsilinder een laag, en die poeierroller sal weer 'n eenvormige laag poeier in die gietsilinder versprei om die volgende laag te sinter. Hierdie proses word herhaal om die produksie van die hele onderdeel te voltooi.

Kenmerke van selektiewe lasersintering: Voordele: (1) 'n Verskeidenheid materiale kan gebruik word. Insluitend polimeermateriaal, metaalpoeiers, keramiekpoeiers, nylonpoeiers, ens., met sterk selektiwiteit. (2) Geen ondersteuning word benodig nie. Omdat die ongesinterde poeier die gegenereerde hanglaag tydens die drukproses kan ondersteun. (3) Hoë materiaalbenuttingskoers. Geen ondersteuning word benodig tydens die drukproses nie, en die materiaalprys is laag. Nadele sluit in: (1) Ruwe oppervlak. Die oppervlak van die prototipe wat deur die SLS-proses vervaardig word, is verpoeier en gebind, en is in die vorm van poeierdeeltjies, so die oppervlakkwaliteit is nie hoog nie. (2) Daar is 'n reuk tydens die proses. Dit is omdat polimeermateriaal of poeierdeeltjies 'n reuk sal uitstraal tydens sintering.

1.2 Selektiewe Laser Smelt (SLM) Tegnologie

Selektiewe laser smelt (SLM) tegnologie word ontwikkel op die basis van SLS. Die basiese beginsel is soortgelyk aan SLS. Eerstens word die rekenaar 3D modellering sagteware gebruik om die model te bou, dan word die sny sagteware gebruik om die parameters aan te pas en die data van elke laag te verkry, en dan beheer die rekenaar die laserstraal om te skandeer en laag vir laag te smelt om die laag vir laag. Daar moet kennis geneem word dat die SLM-proses onder inerte gas uitgevoer moet word om te verhoed dat die metaal met ander gasse by hoë temperatuur reageer. Anders as die SLS-proses, vereis die SLM-proses dat die metaalpoeier heeltemal gesmelt en dan afgekoel word om te vorm, dus is 'n hoëkragdigtheidlaser nodig om die poeier te skandeer.

Kenmerke van selektiewe lasersmelting: Voordele: (1) Die poeier word heeltemal gesmelt tydens die verwerking en geen bindmateriaal word benodig nie. Daarom is die akkuraatheid en meganiese eienskappe van die dele wat deur die verwerking gevorm word, beter as dié wat deur SLS gevorm word. (2) Hoë digtheid. Die laserstraalvlekdeursnee is fyn en die digtheid is naby aan 100%, wat amper gelyk is aan metallurgie. (3) Dit kan eenvoudig en direk metaalonderdele met komplekse vorms vervaardig. Nadele sluit in: (1) Duur toerusting en komplekse werking. Daar word van professionele persone vereis om te werk. (2) Komplekse naverwerking. Die SLM-proses vereis die byvoeging van stutte, en die gevormde dele moet na-verwerk word om die stutte te verwyder.

1.3 Elektronstraal selektiewe smelt (EBSM) tegnologie

Die twee belangrikste dele van die EBSM-toerusting sluit die elektrongeweer en die vakuumkamer in. Die elektrongeweer bevat 'n anode, 'n katode, 'n rooster, 'n filament, 'n afbuigspoel en 'n fokusspoel. Die vakuumkamer bevat 'n poeierstrooier, 'n suier en 'n poeieropbergkas. Die werkbeginsel is dat die filament aan die bokant van die elektrongeweer (gewoonlik 'n wolframfilament) 'n groot aantal warm elektrone op sy oppervlak genereer onder hoë temperatuurtoestande en dit deur die katode uitstraal. Daar is 'n klein gaatjie aan die bokant van die rooster. Die relatiewe posisie met die katode kan die hoeveelheid elektronstraal wat deurgaan, beheer. Onder die versnelling van die anode verkry dit 'n baie hoë kinetiese energie, wat tot ongeveer die helfte tot een derde van die spoed van lig versnel kan word. Die elektronstraal word deur die fokusspoel gefokus en gaan dan die defleksiespoel binne. Die elektronstraal kan deur die afbuigspoel afgebuig word en die poeier word selektief geskandeer onder beheer van die rekenaar. Die poeier word in die poeierbergingsboks geplaas. Tydens werking word 'n laag poeier eweredig op die poeierbed deur die poeierstrooier versprei. Die poeierbed word voorverhit deur 'n lae-energie, lae skandering-spoed elektronstraal om die temperatuur onder die smeltpunt van die metaalpoeier te hou. Dan word 'n hoër energie en skandeerspoed gebruik om die poeier te smelt. Wanneer die elektronstraal met die metaalpoeier bots, word die kinetiese energie daarvan in hitte-energie omgeskakel om die metaalpoeier te smelt. Nadat 'n laag skandering voltooi is, sak die suier met een laag af, en die poeierstrooier versprei weer poeier om die nuwe poeierlaag voor te verhit en te smelt. Hierdie proses word herhaal totdat die metaaldeel heeltemal gevorm is. Daar moet kennis geneem word dat die EBSM-proses onder vakuumtoestande uitgevoer moet word. Nadat die onderdeel gemaak is, moet die toestel in die naverwerkingstoerusting geskuif word om die omliggende poeier te verwyder deur saamgeperste gas te blaas om die finale druk te verkry, en die oorblywende poeier kan hergebruik word.

Eienskappe van elektronstraal selektiewe smelting: Voordele: (1) EBSM-tegnologie het 'n hoë voorverhittingstemperatuur onder vakuumtoestande, wat hoë-smeltpuntmetale kan smelt, termiese spanningskonsentrasie kan verminder en buiging en vervorming van gevormde dele kan vermy. (2) Geen ondersteuning word tydens die gietproses benodig nie. Ongesinterde poeier word as ondersteuning gebruik, en nadat die produksie voltooi is, hoef net die poeier weggewaai te word. Nadele: (1) "Powder blaas" verskynsel. Die poeier wat deur die poeierstrooier op die poeierbed versprei word, verlaat die voorafgelegde posisie onder die werking van die elektronstraal. Die rede hiervoor is dat die elektronstraal veroorsaak dat die poeier met swak geleidingsvermoë statiese elektrisiteit dra, en die afstootkrag van statiese elektrisiteit veroorsaak dat die poeier ineenstort. (2) "Sferoidisering" verskynsel. Dit verwys na die metaal wat nie heeltemal gesmelt is nie en 'n groep metaalballe vorm wat van mekaar geskei is. (3) Die toerusting moet voltooi word onder vakuumtoestande, met hoë instandhoudingskoste, en gammastrale sal tydens die elektronstraalafsettingsproses gegenereer word, wat lekkasie kan veroorsaak en die omgewing kan besoedel.

1.4 Laser Near Net Shape (LENS) Tegnologie

Hierdie tegnologie is die eerste keer in die vorige eeu deur Sandia National Laboratory in die Verenigde State bekendgestel. Hierdie proses kombineer laserbekledingstegnologie met selektiewe laser sintering (SLS) tegnologie. Dit gebruik 'n koaksiale poeiervoedingsmetode om 'n gesmelte poel met die laser te vorm. Die poeier in die gesmelte swembad smelt en stol om die produksie van onderdele te bereik.

Eienskappe van laser naby netto vorm: Voordele: (1) LENS-tegnologie gebruik vinnige metaalsmelting en stolling, en die dele wat deur gietvorm verkry word, het 'n hoë digtheid en goeie meganiese eienskappe. (2) Geen vorm word benodig nie, wat koste bespaar en die verwerking van heterogene materiale kan realiseer. Nadele: (1) Die oppervlakkwaliteit van die gevormde dele is nie hoog nie, die oppervlak is grof, die termiese spanning is groot tydens die gietproses, en krake is maklik om te voorkom. (2) Beskermende gas word tydens die gietproses benodig. Terselfdertyd, as gevolg van die gebruik van titaniumlegeringspoeier, is die koste relatief hoog.

1.5 Direkte metaallasersintering (DMLS) Tegnologie

DMLS-tegnologie is 'n tak van SLS-tegnologie. Dit het in die 1990's begin vorm aanneem. DMLS-tegnologie gebruik direk metaalpoeier vir sintering. Die verskil van SLM-tegnologie is dat SLM-tegnologie vereis dat die metaalpoeier heeltemal gesmelt word, terwyl DMLS net sintering hoef te bewerkstellig.

Eienskappe van direkte metaallasersintering: Voordele: (1) Metaalonderdele kan direk gesinter word (2) 'n Verskeidenheid materiale kan gebruik word. Byvoorbeeld, vlekvrye staal, kobalt-gebaseerde, nikkel-gebaseerde, ens. (3) Die werkstuk wat deur verwerking gevorm word, het 'n digte struktuur en hoë bindingssterkte. Nadele: (1) "Sferoidisering" verskynsel. (2) Maklik om te sinter en te vervorm, en die digtheid is nie hoog nie.

1.6 Nuwe tegnologieë

Byvoorbeeld, elektriese boogtoevoegingsvervaardiging (WAAM), nanopartikel-straalmetaalvorming (NPJ) en ultrasoniese konsolidasie (UAM), ens., Hierdie tegnologieë het groot ruimte vir ontwikkeling in die toekoms.

2 Ontwikkelingsvooruitsigte van metaal 3D-druktegnologie

2.1 Uitbreiding van toepassingsvelde

Vandag is metaal 3D-drukwerk nie meer beperk tot die velde van meganiese vormverwerking en -vervaardiging nie, maar kan ook op ander velde toegepas word. Dit kan op die lugvaartveld toegepas word. Metaal 3D-druktegnologie kan gebruik word om sommige beskadigde onderdele te vervang en sodoende die duursame vervanging van die hele masjien te vermy en die lewensduur daarvan te verleng. Dit kan ook sleutelkomponente van vliegtuie druk. Byvoorbeeld, in November 2018 is die metaal 3D-gedrukte enjinbeugel wat deur GE ontwikkel is, goedgekeur vir gebruik in vliegtuigvervaardiging[7]. Dit kan toegepas word op die veld van onderwys en onderrig. Metaal 3D-drukwerk kan as 'n onderriginstrument gebruik word om studente te lei om hierdie tegnologie te verstaan. Dit kan ook onderrigmodelle druk om studente te lei om die model meer intuïtief te verstaan ​​en die kwaliteit van onderrig te verbeter. Dit kan op die motorveld toegepas word. In 2017 het die remklauw wat deur Volkswagen gedruk is, professionele toetse geslaag en die doelwitte van minimum gewig en hoogste sterkte bereik. Dit kan ook gebruik word vir die herstel van motoronderdele. Daarbenewens kan dit ook in die mediese veld gebruik word. Titaanlegering is die mees gebruikte materiaal vir tandheelkundige inplantings. Die tradisionele vervaardigingsmetode is nie net duur nie, maar ook enkel in grootte en kan nie verpersoonlik word nie. Nou kan dit direk gebruik word deur die pasiënt se mond te skandeer, 'n tandheelkundige inplantingmodel te vestig en dit dan direk te druk met behulp van metaalsintertegnologie, wat die koste en stappe van verwerking aansienlik verminder. Daar is ook potensiële toepassingsareas soos die maak van sommige huismeubels, speelgoed en animasiemodelle.

2.2 Drukkertoerusting en materiaalspesialisasie

Metaal 3D-druktegnologie is in sy vroeë stadiums, met min en onvolmaakte druktoerusting, en die ontwikkeling daarvan is op 'n bottelnek. As hierdie situasie verbeter moet word, is dit nodig om kostedoeltreffende toerusting te skep en voort te gaan om die drukmeganisme uit te brei. Dit is byvoorbeeld nodig om diepgaande navorsing oor metaal 3D-drukmeganismes soos paralleldrukwerk, multimateriaaldrukwerk, multispuitpuntdrukwerk, grootstukdrukwerk en deurlopende drukwerk te doen en dit toe te pas op produkvervaardiging gebaseer op hierdie . Die beperkings van drukmateriaal beperk ook die ontwikkeling van metaal 3D-drukwerk tot 'n sekere mate. Wat drukmateriaal betref, moet dit moontlik wees om verskillende materiaal te druk en verskillende materiaal vir verskillende plekke te druk. Kobaltmateriaal kan byvoorbeeld in gasturbines gebruik word; nikkelmateriaal kan in verbrandingskamers gebruik word; edelmetale kan gebruik word in elektroniese toestelintegrasie, sowel as sommige vuurvaste metaalmateriale soos wolfram. Nuwe drukmetodes en druk van nuwe metaalmateriale sal die navorsingspunte en -fokusse in die toekoms wees, met die doel om die kwaliteit en uitset van metaal 3D-drukwerk te verbeter om aan produksie in verskillende scenario's en toestande te voldoen.