3D trükitehnoloogia kuulub kiire prototüüpimise tehnoloogiaErinevalt traditsioonilisest lahutavast tootmisest nimetatakse 3D-printimise tehnoloogiat lisandite valmistamise tehnoloogiaTraditsiooniliste osade tootmine nõuab üldiselt tööriistu ja vorme ning keeruka kuju ja ebaühtlase pinnaga osade töötlemine on keeruline. 3D-printimistehnoloogia kasutab tänapäevaseid vahendeid, nagu arvutid, laserid ja CNC, et luua arvutis töödeldava osa 3D-mudelifail. Pärast mudeli valmimist imporditakse see viilutamistarkvarasse, et määrata töötlemisparameetrid, näiteks töötlemiskiirus, kihi kõrgus jne. Pärast sätete valmimist imporditakse see 3D-printerisse. Printer võtab töötlemisparameetrid ja töötleb objekti, printides materjali kiht kihi haaval. Tavapärases 3D-printimistehnoloogias kasutatavad materjalid on üldiselt vaigud, PLA, ABS-plastid jne, samas kui metallide 3D-printimistehnoloogias kasutatavad materjalid on metallid või sulammaterjalid. Erinevate metallide 3D-printimisprotsesside kohaselt saab need jagada laias laastus selektiivseks lasersulatustehnoloogiaks (SLS), selektiivseks lasersulatustehnoloogiaks (SLM), elektronkiire selektiivseks sulatustehnoloogiaks (EBSM), laservõrgu lähikujulisteks vormimistehnoloogiateks (LENS), otsemetallide lasersulatustehnoloogiaks (DMLS) ja muudeks uuteks tehnoloogiateks. Metallist 3D-printimise tehnoloogiat on laialdaselt kasutatud paljudes valdkondades, näiteks täppistöötluses, lennunduses ja meditsiiniseadmetes, kuna see suudab töödelda mis tahes kujuga osi.

Ühiskonna arengu ja teaduse ning tehnoloogia pideva arenguga on metalli 3D-printimise tehnoloogia oma kõrge materjalikasutuse määra, lühikese tootmistsükli ja suure paindlikkusega kiiresti hõivanud olulise positsiooni metallitööstuses. Metalli 3D-printimise tehnoloogia abil saab printida väikeseid, keerulisi ja ülitäpseid metalldetaile, seega mängib see tehnoloogia võtmerolli kogu tööstustoodangu kvaliteedi ja efektiivsuse parandamisel, metalldetailide tootmise praeguse olukorra parandamisel, metalldetailide tootmisprotsessis rohkemate võimaluste pakkumisel ning metallitööstuse arengu edendamisel.

1 Metallist 3D-printimise tehnoloogia rakendamine

Praegu on metalldetailide tootmisel turul otse kasutatavad peamised metalli 3D-printimise tehnoloogiad järgmised: selektiivne laserpaagutamine (SLS), selektiivne lasersulatus (SLM), otsene metalli laseriga paagutamine (DMLS), laseriga lähivõrrandi kujundamine (LENS)ja elektronkiire selektiivne sulatamine (EBSM).

1.1 Selektiivne laserpaagutamise (SLS) tehnoloogia

Selektiivne laserpaagutamise (SLS) tehnoloogia on varaseim metalli 3D-printimise tehnoloogia. Metallurgiliseks mehhanismiks kasutatakse vedelfaasilist paagutamise mehhanismi. Kasutatav materjal on kõrge sulamistemperatuuriga metalli ja madala sulamistemperatuuriga metalli või polümeermaterjali segapulber. Sulamisprotsessi käigus sulab madala sulamistemperatuuriga metalli- või polümeermaterjali pulber, samas kui kõrge sulamistemperatuuriga metallipulber ei sula ja säilitab oma tahke faasi tuuma struktuurmetallina. Sulanud materjal toimib sideainena ja tekitab sulamisprotsessi ajal vedelfaasi, mis katab, niisutab ja sidub tahket metalli, et saavutada paagutamise tihendamine. Kogu protsessiseade koosneb kahest osast: pulbrisilindrist ja vormimissilindrist. Töötamise ajal tõuseb vasakpoolne pulbrisilinder ühe kihi võrra ja seejärel jaotab pulbrirull pulbrikihi ühtlaselt vormimissilindrisse. Arvuti juhitav laserkiir skaneerib pulbrit vastavalt viilutatud mudelile, nii et metallipulber jõuab sulamistemperatuurini ja paagutusprotsessi käigus detaili kihi viimistlemiseks. Pärast valmimist langetab vormimissilinder ühe kihi ja pulberrull jaotab vormimissilindrisse ühtlase kihi pulbrit järgmise kihi paagutamiseks. Seda protsessi korratakse kogu detaili tootmise lõpetamiseks.

Selektiivse laserpaagutamise omadused: Eelised: (1) Kasutada saab mitmesuguseid materjale. Sealhulgas polümeermaterjalid, metallpulbrid, keraamilised pulbrid, nailonpulbrid jne, millel on tugev selektiivsus. (2) Tuge pole vaja. Kuna paagutamata pulber suudab trükiprotsessi ajal tekkivat suspensioonkihti toetada. (3) Kõrge materjali kasutusmäär. Trükiprotsessi ajal pole tuge vaja ja materjali hind on madal. Puudused on järgmised: (1) Kare pind. SLS-protsessi abil valmistatud prototüübi pind on pulbristatud ja liimitud ning pulbriosakeste kujul, seega pole pinnakvaliteet kõrge. (2) Protsessi ajal on tunda lõhna. See on tingitud asjaolust, et polümeermaterjalid või pulbriosakesed eraldavad paagutamise ajal lõhna.

1.2 Selektiivne lasersulatustehnoloogia (SLM)

Selektiivne lasersulatustehnoloogia (SLM) on välja töötatud SLS-i baasil. Selle põhiprintsiip on sarnane SLS-iga. Esmalt kasutatakse arvuti 3D-modelleerimistarkvara mudeli loomiseks, seejärel viilutarkvara abil reguleeritakse parameetreid ja saadakse iga kihi andmed ning seejärel juhib arvuti laserkiirt, et skaneerida ja sulatada kiht kihi haaval, moodustades kiht kihi haaval. Tuleb märkida, et metalli kõrgel temperatuuril reageerimise vältimiseks teiste gaasidega tuleb SLM-protsess läbi viia inertgaasi keskkonnas. Erinevalt SLS-protsessist nõuab SLM-protsess metallipulbri täielikku sulamist ja seejärel jahutamist, seega on pulbri skaneerimiseks vaja suure võimsusega tihedusega laserit.

Selektiivse lasersulatusmeetodi omadused: Eelised: (1) Pulber sulab töötlemise ajal täielikult ja pole vaja sideainet. Seetõttu on töötlemisel moodustatud detailide täpsus ja mehaanilised omadused paremad kui SLS-meetodil moodustatud detailidel. (2) Suur tihedus. Laserkiire täpi läbimõõt on peen ja tihedus ligi 100%, mis on peaaegu võrdne metallurgiaga. (3) Sellega saab lihtsalt ja otse toota keeruka kujuga metalldetaile. Puudused on järgmised: (1) Kallid seadmed ja keeruline töö. Tööks on vaja spetsialiste. (2) Keerukas järeltöötlus. SLM-protsess nõuab tugede lisamist ja vormitud detailid vajavad tugede eemaldamiseks järeltöötlust.

1.3 Elektronkiire selektiivse sulatamise (EBSM) tehnoloogia

EBSM-seadme kaks kõige olulisemat osa on elektronpüstol ja vaakumkamber. Elektronpüstol sisaldab anoodi, katoodi, võret, hõõgniiti, suunamismähist ja fokuseerimismähist. Vaakumkamber sisaldab pulbrijaoturit, kolbi ja pulbri hoiukasti. Tööpõhimõte seisneb selles, et elektronpüstoli ülaosas olev hõõgniit (tavaliselt volframniit) genereerib kõrge temperatuuri tingimustes oma pinnale suure hulga kuumi elektrone ja kiirgab neid läbi katoodi. Võre ülaosas on väike auk. Suhteline asend katoodiga saab reguleerida läbiva elektronkiire hulka. Anoodi kiirenduse all saavutab see väga suure kineetilise energia, mida saab kiirendada umbes poole kuni kolmandikuni valguse kiirusest. Fokuseerimismähis fokuseerib elektronkiire ja seejärel siseneb see suunamismähisesse. Suunamismähis saab elektronkiirt suunata ja pulbrit skaneeritakse valikuliselt arvuti juhtimisel. Pulber asetatakse pulbri hoiukasti. Töö ajal jaotab pulbrijaotur pulbrikihi ühtlaselt pulbrikihile. Pulbrikihti eelsoojendatakse madala energiatarbega ja madala skaneerimiskiirusega elektronkiirega, et hoida temperatuur alla metallipulbri sulamistemperatuuri. Seejärel kasutatakse pulbri sulatamiseks suuremat energiat ja skaneerimiskiirust. Kui elektronkiir põrkub metallipulbriga, muundatakse selle kineetiline energia soojusenergiaks, mis sulatab metallipulbri. Pärast skaneerimiskihi lõpetamist laskub kolb ühe kihi võrra alla ja pulbrijaotur jaotab pulbri uuesti laiali, et eelsoojendada ja sulatada uus pulbrikiht. Seda protsessi korratakse, kuni metalldetail on täielikult vormitud. Tuleb märkida, et EBSM-protsess tuleb läbi viia vaakumtingimustes. Pärast detaili valmistamist tuleb seade viia järeltöötlusseadmesse, et eemaldada ümbritsev pulber surugaasi puhumisega, et saada lõplik prinditud tulemus, ja ülejäänud pulbrit saab taaskasutada.

Elektronkiire selektiivse sulatamise omadused: Eelised: (1) EBSM-tehnoloogial on vaakumtingimustes kõrge eelsoojendustemperatuur, mis võimaldab sulatada kõrge sulamistemperatuuriga metalle, vähendada termilise pinge kontsentratsiooni ning vältida vormitud osade painutamist ja deformeerumist. (2) Vormimisprotsessi ajal ei ole vaja tuge. Toestusvahendina kasutatakse paagutamata pulbrit ja pärast tootmise lõppu tuleb ainult pulber ära puhuda. Puudused: (1) „Pulbri puhumise“ nähtus. Pulbrilaoturi poolt pulbrialusele laotatud pulber lahkub elektronkiire mõjul eelnevalt asetatud asendist. Selle põhjuseks on asjaolu, et elektronkiir põhjustab halva juhtivusega pulbris staatilise elektri ülekannet ja staatilise elektri tõukejõud põhjustab pulbri kokkuvarisemise. (2) „Sferoidiseerumise“ nähtus. See viitab metalli täielikule sulamata jätmisele ja üksteisest eraldatud metallkuulikeste moodustamisele. (3) Seadmed tuleb paigaldada vaakumtingimustes, millega kaasnevad suured hoolduskulud, ja elektronkiire sadestamise käigus tekivad gammakiirgused, mis võivad põhjustada lekkeid ja saastata keskkonda.

1.4 Laseri lähivõtme kuju (LENS) tehnoloogia

Selle tehnoloogia võttis esmakordselt kasutusele Sandia riiklik labor Ameerika Ühendriikides eelmisel sajandil. See protsess ühendab laserplakaadi tehnoloogia selektiivse laserpaagutamise (SLS) tehnoloogiaga. See kasutab koaksiaalset pulbri etteandemeetodit, et moodustada laseriga sulavann. Sulavannis olev pulber sulab ja tahkestub, et saavutada osade tootmine.

Laseri lähivõrra kuju omadused: Eelised: (1) LENS-tehnoloogia kasutab kiiret metalli sulamist ja tahkestumist ning vormimise teel saadud osadel on suur tihedus ja head mehaanilised omadused. (2) Vormi pole vaja, mis säästab kulusid ja võimaldab töödelda heterogeenseid materjale. Puudused: (1) Vormitud osade pinnakvaliteet ei ole kõrge, pind on kare, vormimisprotsessi ajal on termiline pinge suur ja praod tekivad kergesti. (2) Vormimisprotsessi ajal on vaja kaitsegaasi. Samal ajal on titaanisulamipulbri kasutamise tõttu kulud suhteliselt kõrged.

1.5 Otsese metalli laser-paagutamise (DMLS) tehnoloogia

DMLS-tehnoloogia on SLS-tehnoloogia haru. See hakkas kuju võtma 1990. aastatel. DMLS-tehnoloogia kasutab paagutamiseks otse metallipulbrit. Erinevus SLM-tehnoloogiast seisneb selles, et SLM-tehnoloogia nõuab metallipulbri täielikku sulamist, samas kui DMLS-tehnoloogia puhul on vaja saavutada ainult paagutamine.

Otsese metalllaser-paagutamise omadused: Eelised: (1) Metalldetaile saab otse paagutada. (2) Kasutada saab mitmesuguseid materjale. Näiteks roostevaba teras, koobaltipõhine, niklipõhine jne. (3) Töötlemisel moodustunud toorikul on tihe struktuur ja kõrge nakketugevus. Puudused: (1) "Sferoidiseerumise" nähtus. (2) Lihtne paagutada ja deformeerida ning tihedus ei ole kõrge.

1.6 Uued tehnoloogiad

Näiteks elektrilise kaarelektroodiga lisandite tootmine (WAAM), nanoosakeste joametalli vormimine (NPJ) ja ultraheli konsolideerimine (UAM) jne – neil tehnoloogiatel on tulevikus palju arenguruumi.

2 Metallist 3D-printimise tehnoloogia arenguväljavaated

2.1 Kasutusväljade laiendamine

Tänapäeval ei piirdu metalli 3D-printimine enam ainult mehaanilise vormimise ja tootmise valdkondadega, vaid seda saab rakendada ka teistes valdkondades. Seda saab rakendada lennunduses. Metalli 3D-printimise tehnoloogiat saab kasutada mõnede kahjustatud osade asendamiseks, vältides seeläbi kogu masina kulukat väljavahetamist ja pikendades selle kasutusiga. Samuti saab printida õhusõidukite põhikomponente. Näiteks 2018. aasta novembris kiideti heaks GE poolt väljatöötatud metallist 3D-prinditud mootori kronstein kasutamiseks õhusõidukite tootmises [7]. Seda saab rakendada hariduse ja õpetamise valdkonnas. Metalli 3D-printimist saab kasutada õppevahendina, et juhendada õpilasi selle tehnoloogia mõistmisel. Samuti saab printida õppemudeleid, et juhendada õpilasi mudeli intuitiivsemalt mõistmisel ja õpetamise kvaliteedi parandamisel. Seda saab rakendada autotööstuses. 2017. aastal läbis Volkswageni trükitud pidurisadul professionaalsed testid ja vastas minimaalse kaalu ja suurima tugevuse eesmärkidele. Seda saab kasutada ka autoosade parandamiseks. Lisaks saab seda kasutada ka meditsiinivaldkonnas. Titaanisulam on hambaimplantaatide jaoks kõige sagedamini kasutatav materjal. Traditsiooniline tootmismeetod pole mitte ainult kallis, vaid ka ühekordse suurusega ja seda ei saa isikupärastada. Nüüd saab seda otse kasutada patsiendi suu skannimise, hambaimplantaadi mudeli loomise ja seejärel metalli paagutamise tehnoloogia abil otse printimise teel, mis vähendab oluliselt töötlemise kulusid ja etappe. Samuti on potentsiaalseid rakendusvaldkondi, näiteks kodumööbli, mänguasjade ja animamudelite valmistamine.

2.2 Printeriseadmete ja -materjalide spetsialiseerumine

Metalli 3D-printimise tehnoloogia on alles algusjärgus, trükiseadmeid on vähe ja need on ebatäiuslikud ning selle areng on kitsaskohas. Selle olukorra parandamiseks on vaja luua kulutõhusaid seadmeid ja jätkata trükkimismehhanismi laiendamist. Näiteks on vaja läbi viia põhjalikke uuringuid metalli 3D-printimise mehhanismide, näiteks paralleeltrüki, mitmematerjalitrüki, mitme otsikuga printimise, suuremahuliste tükkide printimise ja pideva printimise kohta ning rakendada neid sellel põhinevas toodete valmistamises. Trükimaterjalide piirangud piiravad teatud määral ka metalli 3D-printimise arengut. Trükimaterjalide osas peaks olema võimalik printida erinevaid materjale ja printida erinevaid materjale erinevatesse kohtadesse. Näiteks koobaltmaterjale saab kasutada gaasiturbiinides; nikkelmaterjale saab kasutada põlemiskambrites; väärismetalle saab kasutada elektroonikaseadmete integreerimisel, samuti mõningaid tulekindlaid metallmaterjale, näiteks volframit. Uued trükkimismeetodid ja uute metallmaterjalide trükkimine on tulevikus uurimisvaldkonnad ja fookused, mille eesmärk on parandada metalli 3D-printimise kvaliteeti ja väljundit, et see vastaks tootmisele erinevates stsenaariumides ja tingimustes.