Тэхналогія 3D друку належыць тэхналогія хуткага прататыпавання. Тэхналогія 3D-друку адрозніваецца ад традыцыйнай субтрактивной вытворчасці адытыўная тэхналогія вытворчасці. Вытворчасць традыцыйных дэталяў звычайна патрабуе інструментаў і прэс-формаў, і складана апрацоўваць дэталі складанай формы і няроўнай паверхні. Тэхналогія 3D-друку выкарыстоўвае сучасныя сродкі, такія як камп'ютэры, лазеры і ЧПУ, для стварэння файла 3D-мадэлі дэталі, якая будзе апрацоўвацца ў камп'ютары. Пасля стварэння мадэлі яна імпартуецца ў праграмнае забеспячэнне для нарэзкі, каб задаць параметры апрацоўкі, такія як хуткасць апрацоўкі, вышыня пласта і г. д. Пасля завяршэння налад яна імпартуецца ў 3D-прынтар. Прынтэр падбірае параметры апрацоўкі і рэалізуе апрацоўку аб'екта, друкуючы матэрыял пласт за пластом. Матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў звычайных тэхналогіях 3D-друку, як правіла, - гэта смалы, PLA, ABS-пластык і г.д., у той час як матэрыялы, якія выкарыстоўваюцца ў тэхналогіі 3D-друку на метале, - гэта металы або сплавы. У адпаведнасці з рознымі працэсамі 3D-друку металаў, іх можна ўмоўна падзяліць на тэхналогію селектыўнага лазернага спякання (SLS), тэхналогію селектыўнага лазернага плаўлення (SLM), тэхналогію селектыўнага плаўлення электронным прамянём (EBSM), тэхналогію лазернага фармавання каля сеткі (LENS), тэхналогію прамога лазернага спякання металу (DMLS) і іншыя новыя тэхналогіі. Тэхналогія 3D-друку на метале шырока выкарыстоўваецца ў многіх галінах, такіх як дакладная вытворчасць, аэракасмічная прамысловасць і медыцынскае абсталяванне, дзякуючы яе здольнасці апрацоўваць дэталі любой формы.

З развіццём грамадства і бесперапынным прагрэсам навукі і тэхнікі тэхналогія 3D-друку на метале хутка заняла важную пазіцыю ў металаапрацоўчай прамысловасці з высокім узроўнем выкарыстання матэрыялу, кароткім цыклам вытворчасці і высокай гнуткасцю. Тэхналогія 3D-друку на метале можа друкаваць невялікія, складаныя і высокадакладныя металічныя дэталі, таму гэтая тэхналогія адыгрывае ключавую ролю ў павышэнні якасці і эфектыўнасці ўсёй прамысловай вытворчасці, паляпшэнні бягучага стану вытворчасці металічных дэталяў, прадастаўленні большых магчымасцей у працэсе вытворчасці металічных дэталяў і садзейнічанні развіццю металаапрацоўчай прамысловасці.

1 Прымяненне тэхналогіі 3D-друку з металу

У цяперашні час асноўныя тэхналогіі 3D-друку з металу, якія выкарыстоўваюцца непасрэдна на рынку для вырабу металічных дэталяў: селектыўнае лазернае спяканне (SLS), селектыўнае лазернае плаўленне (SLM), прамое лазернае спяканне металу (DMLS), лазернае фармаванне блізкай сеткі (ЛЕНЗЫ), і электронна-прамянёвае селектыўнае плаўленне (EBSM).

1.1 Тэхналогія селектыўнага лазернага спякання (SLS).

Тэхналогія селектыўнага лазернага спякання (SLS) з'яўляецца самай ранняй тэхналогіяй 3D-друку металаў. Металургічны механізм, які выкарыстоўваецца, - гэта механізм спякання ў вадкай фазе. Матэрыял, які выкарыстоўваецца, - гэта змешаны парашок металу з высокай тэмпературай плаўлення і металу з нізкай тэмпературай плаўлення або палімернага матэрыялу. У працэсе плаўлення парашок металу або палімернага матэрыялу з нізкай тэмпературай плаўлення плавіцца, у той час як парашок металу з высокай тэмпературай плаўлення не плавіцца і захоўвае сваё цвёрдафазнае ядро ​​ў якасці канструкцыйнага металу. Расплаўлены матэрыял дзейнічае як злучны метал і стварае вадкую фазу ў працэсе плаўлення, якая пакрывае, змочвае і звязвае цвёрды метал для дасягнення ўшчыльнення пры спяканні. Уся тэхналагічная прылада складаецца з двух частак: парашковага цыліндру і фармовачнага цыліндру. Падчас працы парашковы цыліндр злева падымаецца на адзін пласт, а затым парашковы валік раўнамерна размяркоўвае пласт парашка ў фармовачным цыліндры. Лазерны прамень, кіраваны кампутарам, скануе парашок у адпаведнасці з нарэзанай мадэллю, так што металічны парашок дасягае тэмпературы плаўлення і спякання для завяршэння пласта дэталі. Пасля завяршэння фармовачны цыліндр апускае адзін пласт, а парашковы валік зноў раскладвае раўнамерны пласт парашка ў фармовачным цыліндры для спякання наступнага пласта. Гэты працэс паўтараецца для завяршэння вытворчасці ўсёй дэталі.

Асаблівасці селектыўнага лазернага спякання: Перавагі: (1) Можна выкарыстоўваць розныя матэрыялы. Уключаючы палімерныя матэрыялы, металічныя парашкі, керамічныя парашкі, нейлонавыя парашкі і г.д., з моцнай селектыўнасцю. (2) Падтрымка не патрабуецца. Таму што неспеченный парашок можа падтрымліваць створаны падвешаны пласт падчас працэсу друку. (3) Высокі ўзровень выкарыстання матэрыялу. У працэсе друку не патрабуецца падтрымка, а кошт матэрыялу нізкая. Да недахопаў адносяцца: (1) Шурпатая паверхня. Паверхня прататыпа, вырабленага з дапамогай працэсу SLS, парашковая і злепленая ў выглядзе часціц парашка, таму якасць паверхні невысокая. (2) Падчас працэсу адчуваецца пах. Гэта таму, што палімерныя матэрыялы або часціцы парашка будуць вылучаць пах падчас спякання.

1.2 Тэхналогія селектыўнага лазернага плаўлення (SLM).

Тэхналогія селектыўнага лазернага плаўлення (SLM) распрацавана на аснове SLS. Яго асноўны прынцып падобны на SLS. Спачатку камп'ютэрнае праграмнае забеспячэнне для 3D-мадэлявання выкарыстоўваецца для стварэння мадэлі, затым праграмнае забеспячэнне для зрэзу выкарыстоўваецца для рэгулявання параметраў і атрымання даных кожнага пласта, а затым камп'ютэр кіруе лазерным прамянём для сканавання і плаўлення пласт за пластом, каб сфармаваць пласт за пластом. Варта адзначыць, што для таго, каб прадухіліць рэакцыю металу з іншымі газамі пры высокай тэмпературы, працэс SLM неабходна праводзіць пад інэртным газам. У адрозненне ад працэсу SLS, працэс SLM патрабуе, каб металічны парашок быў цалкам расплаўлены, а затым астуджаны для адукацыі, таму для сканавання парашка патрабуецца лазер высокай шчыльнасці.

Асаблівасці селектыўнага лазернага плаўлення: Перавагі: (1) Парашок цалкам плавіцца падчас апрацоўкі і не патрабуецца злучны матэрыял. Такім чынам, дакладнасць і механічныя ўласцівасці дэталяў, утвораных у выніку апрацоўкі, лепш, чым тыя, якія ўтвараюцца пры дапамозе SLS. (2) Высокая шчыльнасць. Дыяметр плямы лазернага прамяня добры, а шчыльнасць блізкая да 100%, што амаль роўна металургіі. (3) Ён можа проста і непасрэдна вырабляць металічныя дэталі складанай формы. Да недахопаў адносяцца: (1) Дарагое абсталяванне і складаная эксплуатацыя. Для працы патрабуюцца прафесіяналы. (2) Складаная пост-апрацоўка. Працэс SLM патрабуе дадання апор, а фармованыя дэталі неабходна апрацаваць, каб выдаліць апоры.

1.3 Электронна-прамянёвая селектыўная тэхналогія плаўлення (EBSM).

Дзве найбольш важныя часткі абсталявання EBSM ўключаюць электронную гармату і вакуумную камеру. Электронная гармата ўключае анод, катод, сетку, нітку напальвання, адхіляльную катушку і факусуючую катушку. Вакуумная камера ўключае раскідчык парашка, поршань і скрыню для захоўвання парашка. Прынцып працы заключаецца ў тым, што нітка напальвання ў верхняй частцы электроннай гарматы (звычайна вальфрамавай ніткі) стварае вялікую колькасць гарачых электронаў на сваёй паверхні ва ўмовах высокай тэмпературы і выпускае іх праз катод. У верхняй частцы сеткі ёсць невялікая дзірка. Адноснае становішча з катодам можа кантраляваць колькасць электроннага пучка, які праходзіць праз. Пры паскарэнні анода ён атрымлівае вельмі высокую кінэтычную энергію, якую можна паскорыць прыкладна да паловы-адной траціны хуткасці святла. Электронны пучок факусуецца факусуючай шпулькай, а затым трапляе ў адхіляльную шпульку. Электронны прамень можа быць адхілены адхіляльнай шпулькай, і парашок выбарачна скануецца пад кіраваннем кампутара. Парашок змяшчаецца ў скрыню для захоўвання парашка. У працэсе працы раскідвальнікам парашка раўнамерна рассыпаецца пласт парашка на пласт парашка. Пласт парашка папярэдне награваецца электронным пучком з нізкай энергіяй і нізкай хуткасцю сканавання, каб падтрымліваць тэмпературу ніжэй за тэмпературу плаўлення металічнага парашка. Затым для расплаўлення парашка выкарыстоўваецца больш высокая энергія і хуткасць сканавання. Калі электронны прамень сутыкаецца з металічным парашком, яго кінэтычная энергія пераўтворыцца ў цеплавую энергію, каб расплавіць металічны парашок. Пасля завяршэння пласта сканавання поршань апускаецца на адзін пласт, і раскідвальнік парашка зноў рассыпае парашок для папярэдняга нагрэву і расплаўлення новага пласта парашка. Гэты працэс паўтараецца да поўнага фарміравання металічнай часткі. Варта адзначыць, што працэс ЭБСМ неабходна праводзіць ва ўмовах вакууму. Пасля таго, як дэталь выраблена, прылада павінна быць перамешчана ў абсталяванне для наступнай апрацоўкі, каб выдаліць навакольны парашок шляхам прадзьмуху сціснутым газам для атрымання канчатковага адбітка, а пакінуты парашок можна выкарыстоўваць паўторна.

Характарыстыкі электронна-прамянёвага селектыўнага плаўлення: Перавагі: (1) Тэхналогія EBSM мае высокую тэмпературу папярэдняга нагрэву ва ўмовах вакууму, што можа расплавіць металы з высокай тэмпературай плаўлення, знізіць канцэнтрацыю тэрмічнага напружання і пазбегнуць выгібу і дэфармацыі фармованых дэталяў. (2) У працэсе фармоўкі апора не патрабуецца. Неспеченный парашок выкарыстоўваецца ў якасці асновы, і пасля завяршэння вытворчасці трэба толькі здзьмуць парашок. Недахопы: (1) Феномен "выдзімання парашка". Парашок, рассыпаны на парашковым ложку раскідвальнікам парашка, пакідае папярэдне выкладзенае становішча пад дзеяннем электроннага пучка. Прычынай гэтага з'яўляецца тое, што электронны прамень прымушае парашок з дрэннай праводнасцю пераносіць статычную электрычнасць, а сіла адштурхвання статычнай электрычнасці прымушае парашок разбурацца. (2) Феномен «сфероідызацыі». Гэта адносіцца да таго, што метал не расплаўлены цалкам і ўтварае групу металічных шарыкаў, аддзеленых адзін ад аднаго. (3) Абсталяванне павінна быць завершана ва ўмовах вакууму, з высокімі выдаткамі на тэхнічнае абслугоўванне, і гама-прамяні будуць генеравацца падчас працэсу нанясення электроннага пучка, што можа выклікаць уцечку і забруджваць навакольнае асяроддзе.

1.4 Лазерная тэхналогія Near Net Shape (LENS).

Гэтую тэхналогію ўпершыню ўкараніла Нацыянальная лабараторыя Сандыя ў ЗША ў мінулым стагоддзі. Гэты працэс спалучае тэхналогію лазернай ашалёўкі з тэхналогіяй селектыўнага лазернага спякання (SLS). Ён выкарыстоўвае метад кааксіяльнай падачы парашка для фарміравання расплаўленай ванны з дапамогай лазера. Парашок у расплаўленай басейне плавіцца і застывае для атрымання дэталяў.

Характарыстыкі лазера амаль чыстай формы: Перавагі: (1) Тэхналогія LENS выкарыстоўвае хуткае плаўленне і зацвярдзенне металу, а дэталі, атрыманыя фармаваннем, маюць высокую шчыльнасць і добрыя механічныя ўласцівасці. (2) Форма не патрабуецца, што эканоміць выдаткі і можа рэалізаваць апрацоўку гетэрагенных матэрыялаў. Недахопы: (1) Якасць паверхні фармованых дэталяў нізкая, паверхня шурпатая, тэрмічнае напружанне вялікае ў працэсе фармавання, лёгка ўзнікаюць расколіны. (2) У працэсе фармавання неабходны ахоўны газ. У той жа час з-за выкарыстання парашка тытанавага сплаву кошт адносна высокі.

1.5 Тэхналогія прамога лазернага спякання металу (DMLS).

Тэхналогія DMLS з'яўляецца галіной тэхналогіі SLS. Яно пачало фармавацца ў 1990-я гады. Тэхналогія DMLS непасрэдна выкарыстоўвае металічны парашок для спякання. Адрозненне ад тэхналогіі SLM заключаецца ў тым, што тэхналогія SLM патрабуе, каб металічны парашок быў цалкам расплаўлены, у той час як DMLS трэба толькі дасягнуць спякання.

Характарыстыкі прамога лазернага спякання металу: Перавагі: (1) Металічныя дэталі можна спякаць непасрэдна (2) Можна выкарыстоўваць розныя матэрыялы. Напрыклад, з нержавеючай сталі, на аснове кобальту, на аснове нікелю і г. д. (3) Нарыхтоўка, утвораная ў выніку апрацоўкі, мае шчыльную структуру і высокую трываласць счаплення. Недахопы: (1) Феномен «сфероідызацыі». (2) Лёгка спякаць і дэфармаваць, а шчыльнасць не высокая.

1.6. Новыя тэхналогіі

Напрыклад, электрадугавая адытыўная вытворчасць (WAAM), струйная фармоўка металу наначасціц (NPJ) і ультрагукавая кансалідацыя (UAM) і г.д., гэтыя тэхналогіі маюць вялікія магчымасці для развіцця ў будучыні.

2 Перспектывы развіцця тэхналогіі 3D-друку з металу

2.1 Пашырэнне абласцей прымянення

Сёння 3D-друк на метале больш не абмяжоўваецца сферамі механічнай апрацоўкі і вырабу прэс-формаў, але можа прымяняцца і ў іншых галінах. Ён можа быць ужыты ў аэракасмічнай сферы. Тэхналогія 3D-друку на метале можа быць выкарыстана для замены некаторых пашкоджаных дэталяў, што дазваляе пазбегнуць дарагой замены ўсёй машыны і падоўжыць тэрмін яе службы. Ён таксама можа друкаваць ключавыя кампаненты самалётаў. Напрыклад, у лістападзе 2018 года металічны 3D-друкаваны кранштэйн рухавіка, распрацаваны GE, быў ухвалены для выкарыстання ў авіябудаванні[7]. Гэта можа быць ужыта да сферы адукацыі і навучання. 3D-друк на метале можна выкарыстоўваць у якасці навучальнага інструмента, які дапаможа студэнтам зразумець гэтую тэхналогію. Ён таксама можа друкаваць навучальныя мадэлі, каб дапамагчы студэнтам зразумець мадэль больш інтуітыўна і палепшыць якасць выкладання. Гэта можа быць ужыта ў аўтамабільнай сферы. У 2017 годзе тармазны суппорт, надрукаваны Volkswagen, прайшоў прафесійныя выпрабаванні і адпавядаў патрабаванням мінімальнай вагі і найвышэйшай трываласці. Яго таксама можна выкарыстоўваць для рамонту аўтамабільных дэталяў. Акрамя таго, яго таксама можна выкарыстоўваць у медыцынскай сферы. Тытанавы сплаў - найбольш часта выкарыстоўваны матэрыял для імплантацыі зубоў. Традыцыйны метад вытворчасці не толькі дарагі, але і адзінкавы па памеры і не можа быць персаналізаваны. Цяпер яго можна непасрэдна выкарыстоўваць шляхам сканавання паражніны рота пацыента, стварэння мадэлі зубнога імплантата і непасрэднай яе раздрукоўкі з выкарыстаннем тэхналогіі спякання металу, што значна зніжае кошт і этапы апрацоўкі. Ёсць таксама патэнцыйныя вобласці прымянення, такія як выраб прадметаў хатняй мэблі, цацак і анімацыйных мадэляў.

2.2 Спецыялізацыя прынтэрнага абсталявання і матэрыялаў

Тэхналогія 3D-друку на метале знаходзіцца на ранніх стадыях, з невялікай колькасцю і недасканалым абсталяваннем для друку, і яе развіццё знаходзіцца ў вузкім месцы. Калі гэтую сітуацыю трэба паляпшаць, неабходна ствараць эканамічна эфектыўнае абсталяванне і працягваць пашыраць механізм друку. Напрыклад, неабходна правесці глыбокія даследаванні механізмаў 3D-друку на метале, такіх як паралельны друк, друк з некалькіх матэрыялаў, друк з некалькімі сопламі, друк вялікімі кавалкамі і бесперапынны друк, і прымяніць іх для вытворчасці прадукцыі на аснове гэтага. Абмежаванні матэрыялаў для друку таксама ў пэўнай ступені стрымліваюць развіццё 3D-друку на метале. Што тычыцца друкаваных матэрыялаў, павінна быць магчымасць друкаваць розныя матэрыялы і друкаваць розныя матэрыялы для розных месцаў. Напрыклад, кобальтавыя матэрыялы могуць выкарыстоўвацца ў газавых турбінах; у камерах згарання можна выкарыстоўваць нікелевыя матэрыялы; каштоўныя металы могуць выкарыстоўвацца ў інтэграцыі электронных прылад, а таксама некаторыя тугаплаўкія металічныя матэрыялы, такія як вальфрам. Новыя метады друку і друк новых металічных матэрыялаў будуць гарачымі кропкамі і ў цэнтры ўвагі даследаванняў у будучыні з мэтай паляпшэння якасці і выхаду 3D-друку на метале для задавальнення вытворчасці ў розных сцэнарыях і ўмовах.