3D տպագրության տեխնոլոգիա պատկանում է արագ նախատիպավորման տեխնոլոգիաԱվանդական հանույթային արտադրությունից տարբերվող, 3D տպագրության տեխնոլոգիան կոչվում է հավելումների արտադրության տեխնոլոգիաԱվանդական մասերի արտադրությունը սովորաբար պահանջում է գործիքներ և կաղապարներ, և դժվար է մշակել բարդ ձևերի և անհարթ մակերեսների մասերը: 3D տպագրության տեխնոլոգիան օգտագործում է ժամանակակից միջոցներ, ինչպիսիք են համակարգիչները, լազերները և CNC-ն՝ համակարգչում մշակվող մասի 3D մոդելի ֆայլ ստեղծելու համար: Մոդելի կառուցումից հետո այն ներմուծվում է կտրման ծրագրակազմ՝ մշակման պարամետրերը, ինչպիսիք են մշակման արագությունը, շերտի բարձրությունը և այլն, սահմանելու համար: Կարգավորումներն ավարտվելուց հետո այն ներմուծվում է 3D տպիչ: Տպիչը վերցնում է մշակման պարամետրերը և իրականացնում է օբյեկտի մշակումը՝ նյութը շերտ առ շերտ տպելով: Սովորական 3D տպագրության տեխնոլոգիայում օգտագործվող նյութերը սովորաբար խեժեր, PLA, ABS պլաստմասսաներ և այլն են, մինչդեռ մետաղական 3D տպագրության տեխնոլոգիայում օգտագործվող նյութերը մետաղներ կամ համաձուլվածքներ են: Ըստ մետաղի 3D տպագրության տարբեր գործընթացների, այն կարելի է մոտավորապես բաժանել ընտրողական լազերային սինթերացման տեխնոլոգիայի (SLS), ընտրողական լազերային հալման տեխնոլոգիայի (SLM), էլեկտրոնային ճառագայթով ընտրողական հալման տեխնոլոգիայի (EBSM), լազերային մոտ ցանցի ձևավորման տեխնոլոգիայի (LENS), մետաղի ուղղակի լազերային սինթերացման տեխնոլոգիայի (DMLS) և այլ նոր տեխնոլոգիաների: Մետաղի 3D տպագրության տեխնոլոգիան լայնորեն կիրառվել է բազմաթիվ ոլորտներում, ինչպիսիք են ճշգրիտ արտադրությունը, ավիատիեզերական արդյունաբերությունը և բժշկական սարքավորումները՝ ցանկացած ձևի մասեր մշակելու իր ունակության շնորհիվ:

Հասարակության զարգացման և գիտության ու տեխնոլոգիայի շարունակական զարգացման հետ մեկտեղ, մետաղի եռաչափ տպագրության տեխնոլոգիան արագորեն գրավել է կարևոր դիրք մետաղամշակման արդյունաբերության մեջ՝ իր բարձր նյութական օգտագործման մակարդակով, կարճ արտադրական ցիկլով և բարձր ճկունությամբ։ Մետաղի եռաչափ տպագրության տեխնոլոգիան կարող է տպել որոշ փոքր, բարդ և բարձր ճշգրտության մետաղական մասեր, ուստի այս տեխնոլոգիան կարևոր դեր է խաղում ամբողջ արդյունաբերական արտադրության որակի և արդյունավետության բարելավման, մետաղական մասերի արտադրության ներկայիս վիճակի բարելավման, մետաղական մասերի արտադրության գործընթացում ավելի շատ հնարավորություններ ընձեռելու և մետաղամշակման արդյունաբերության զարգացումը խթանելու գործում։

1 Մետաղական 3D տպագրության տեխնոլոգիայի կիրառում

Ներկայումս մետաղական մասերի արտադրության համար շուկայում ուղղակիորեն օգտագործվող մետաղի 3D տպագրության հիմնական տեխնոլոգիաներն են՝ ընտրողական լազերային սինտերացում (SLS), ընտրողական լազերային հալեցում (SLM), մետաղի ուղղակի լազերային սինտերացում (DMLS), Լազերային մոտ ցանցի ձևավորում (LENS), եւ էլեկտրոնային ճառագայթային ընտրողական հալեցում (EBSM).

1.1 Ընտրողական լազերային սինտերացման (SLS) տեխնոլոգիա

Ընտրողական լազերային սինտերացման (SLS) տեխնոլոգիան մետաղի 3D տպագրության ամենավաղ տեխնոլոգիան է: Մետաղագործական մեխանիզմը հեղուկ փուլի սինտերացման մեխանիզմն է: Օգտագործվող նյութը բարձր հալման կետի մետաղի և ցածր հալման կետի մետաղի կամ պոլիմերային նյութի խառը փոշի է: Հալման գործընթացի ընթացքում ցածր հալման կետի մետաղը կամ պոլիմերային նյութը հալվում է, մինչդեռ բարձր հալման կետի մետաղական փոշին չի հալվում և պահպանում է իր պինդ փուլի միջուկը որպես կառուցվածքային մետաղ: Հալված նյութը գործում է որպես կապող մետաղ և հալման գործընթացի ընթացքում առաջացնում է հեղուկ փուլ՝ ծածկելու, թրջելու և կապելու պինդ մետաղը՝ սինտերացման խտացման հասնելու համար: Ամբողջ գործընթացային սարքը բաղկացած է երկու մասից՝ փոշու գլան և ձուլման գլան: Աշխատանքի ընթացքում ձախ կողմում գտնվող փոշու գլանը բարձրանում է մեկ շերտով, ապա փոշու գլանը հավասարաչափ տարածում է փոշու շերտը ձուլման գլանում: Համակարգչի կողմից կառավարվող լազերային ճառագայթը սկանավորում է փոշին կտրատված մոդելի համաձայն, որպեսզի մետաղական փոշին հասնի հալման կետին և սինտերացվի՝ մասի շերտը լրացնելու համար: Ավարտից հետո ձուլման գլանը մեկ շերտ է գցում, և փոշու գլանը կրկին փոշու միատարր շերտ է տարածում ձուլման գլանի վրա՝ հաջորդ շերտը թրծելու համար: Այս գործընթացը կրկնվում է ամբողջ մասի արտադրությունն ավարտելու համար:

Ընտրողական լազերային սինթերացման առանձնահատկությունները. Առավելություններ՝ (1) Կարող են օգտագործվել բազմազան նյութեր։ Այդ թվում՝ պոլիմերային նյութեր, մետաղական փոշիներ, կերամիկական փոշիներ, նեյլոնե փոշիներ և այլն, որոնք ունեն ուժեղ ընտրողականություն։ (2) Հենարան չի պահանջվում։ Քանի որ չսինթերացված փոշին կարող է պահել առաջացած կախված շերտը տպագրության գործընթացի ընթացքում։ (3) Նյութի բարձր օգտագործման մակարդակ։ Տպագրության գործընթացի ընթացքում հենարան չի պահանջվում, և նյութի գինը ցածր է։ Թերությունները ներառում են՝ (1) Կոպիտ մակերես։ SLS գործընթացով պատրաստված նախատիպի մակերեսը փոշեպատված և կապակցված է, և փոշու մասնիկների տեսքով է, ուստի մակերեսի որակը բարձր չէ։ (2) Գործընթացի ընթացքում հոտ է գալիս։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ պոլիմերային նյութերը կամ փոշու մասնիկները հոտ կարձակեն սինթերացման ժամանակ։

1.2 Ընտրողական լազերային հալեցման (SLM) տեխնոլոգիա

Ընտրողական լազերային հալեցման (SLM) տեխնոլոգիան մշակվել է SLS-ի հիման վրա: Դրա հիմնական սկզբունքը նման է SLS-ին: Սկզբում մոդելը կառուցելու համար օգտագործվում է համակարգչային 3D մոդելավորման ծրագիրը, այնուհետև կտրման ծրագիրը օգտագործվում է պարամետրերը կարգավորելու և յուրաքանչյուր շերտի տվյալները ստանալու համար, ապա համակարգիչը կառավարում է լազերային ճառագայթը՝ շերտ առ շերտ սկանավորելու և հալեցնելու համար՝ շերտ առ շերտ ձևավորելու համար: Պետք է նշել, որ մետաղի բարձր ջերմաստիճանում այլ գազերի հետ փոխազդեցությունը կանխելու համար SLM գործընթացը պետք է իրականացվի իներտ գազի տակ: SLS գործընթացից տարբերվող SLM գործընթացը պահանջում է, որ մետաղական փոշին լիովին հալվի, ապա սառեցվի՝ ձևավորվելու համար, ուստի փոշին սկանավորելու համար անհրաժեշտ է բարձր հզորության խտության լազեր:

Ընտրովի լազերային հալեցման առանձնահատկությունները. Առավելություններ. (1) Փոշին ամբողջությամբ հալվում է մշակման ընթացքում, և կապող նյութ չի պահանջվում: Հետևաբար, մշակման միջոցով ձևավորված մասերի ճշգրտությունը և մեխանիկական հատկությունները ավելի լավն են, քան SLS-ով ձևավորվածները: (2) Բարձր խտություն: Լազերային ճառագայթի կետային տրամագիծը փոքր է, իսկ խտությունը մոտ է 100%-ի, ինչը գրեթե հավասար է մետալուրգիային: (3) Այն կարող է պարզապես և ուղղակիորեն արտադրել բարդ ձևերի մետաղական մասեր: Թերությունները ներառում են. (1) Թանկ սարքավորումներ և բարդ գործողություն: Աշխատելու համար անհրաժեշտ են մասնագետներ: (2) Բարդ հետմշակում: SLM գործընթացը պահանջում է հենարանների ավելացում, և ձուլված մասերը պետք է հետմշակվեն՝ հենարանները հեռացնելու համար:

1.3 Էլեկտրոնային ճառագայթային ընտրողական հալեցման (EBSM) տեխնոլոգիա

EBSM սարքավորումների երկու ամենակարևոր մասերն են էլեկտրոնային թնդանոթը և վակուումային խցիկը։ Էլեկտրոնային թնդանոթը ներառում է անոդ, կաթոդ, ցանց, թելիկ, շեղող կծիկ և ֆոկուսացնող կծիկ։ Վակուումային խցիկը ներառում է փոշու տարածիչ, մխոց և փոշու պահեստավորման տուփ։ Աշխատանքային սկզբունքն այն է, որ էլեկտրոնային թնդանոթի վերևի մասում գտնվող թելիկը (սովորաբար վոլֆրամե թելիկ) բարձր ջերմաստիճանի պայմաններում իր մակերեսին առաջացնում է մեծ քանակությամբ տաք էլեկտրոններ և արձակում դրանք կաթոդի միջով։ Ցանցի վերևի մասում կա մի փոքր անցք։ Կաթոդի հետ հարաբերական դիրքը կարող է կարգավորել անցնող էլեկտրոնային փնջի քանակը։ Անոդի արագացման դեպքում այն ​​ստանում է շատ բարձր կինետիկ էներգիա, որը կարող է արագանալ մինչև լույսի արագության մոտ կեսից մինչև մեկ երրորդը։ Էլեկտրոնային փնջը ֆոկուսացվում է ֆոկուսացնող կծիկի կողմից, ապա մտնում է շեղող կծիկ։ Էլեկտրոնային փնջը կարող է շեղվել շեղող կծիկի կողմից, և փոշին ընտրողաբար սկանավորվում է համակարգչի կառավարման ներքո։ Փոշին տեղադրվում է փոշու պահեստավորման տուփի մեջ։ Գործողության ընթացքում փոշու շերտը հավասարաչափ տարածվում է փոշու շերտի վրա փոշու տարածիչի միջոցով: Փոշու շերտը նախապես տաքացվում է ցածր էներգիայի, ցածր սկանավորման արագությամբ էլեկտրոնային փնջով՝ ջերմաստիճանը մետաղական փոշու հալման կետից ցածր պահելու համար: Այնուհետև, ավելի բարձր էներգիա և սկանավորման արագություն են օգտագործվում փոշու հալեցման համար: Երբ էլեկտրոնային փնջը բախվում է մետաղական փոշու հետ, դրա կինետիկ էներգիան վերածվում է ջերմային էներգիայի՝ մետաղական փոշու հալեցման համար: Սկանավորման շերտն ավարտելուց հետո մխոցը իջնում ​​է մեկ շերտով, և փոշու տարածիչը կրկին տարածում է փոշին՝ նոր փոշու շերտը նախապես տաքացնելու և հալեցնելու համար: Այս գործընթացը կրկնվում է մինչև մետաղական մասը լիովին ձևավորվի: Պետք է նշել, որ EBSM գործընթացը պետք է իրականացվի վակուումային պայմաններում: Մասի պատրաստումից հետո սարքը պետք է տեղափոխվի հետմշակման սարքավորում՝ շրջապատող փոշին հեռացնելու համար՝ սեղմված գազ փչելով՝ վերջնական տպագրություն ստանալու համար, իսկ մնացած փոշին կարող է վերօգտագործվել:

Էլեկտրոնային ճառագայթով ընտրողական հալեցման բնութագրերը. Առավելություններ՝ (1) EBSM տեխնոլոգիան ունի բարձր նախնական տաքացման ջերմաստիճան վակուումային պայմաններում, որը կարող է հալեցնել բարձր հալման կետ ունեցող մետաղները, նվազեցնել ջերմային լարվածության կոնցենտրացիան և խուսափել ձուլված մասերի ծռումից և դեֆորմացիայից: (2) Ձուլման գործընթացում հենարան անհրաժեշտ չէ: Չմաքրված փոշին օգտագործվում է որպես հենարան, և արտադրության ավարտից հետո միայն փոշին պետք է փչել: Թերություններ՝ (1) «Փոշու փչման» երևույթ: Փոշու տարածիչի կողմից փոշու շերտի վրա տարածվող փոշին էլեկտրոնային փնջի ազդեցության տակ լքում է նախապես տեղադրված դիրքը: Դրա պատճառն այն է, որ էլեկտրոնային փնջը վատ հաղորդունակություն ունեցող փոշին տեղափոխում է ստատիկ էլեկտրականություն, իսկ ստատիկ էլեկտրականության վանողական ուժը փոշուն փլուզում է առաջացնում: (2) «Սֆերոիդացման» երևույթ: Այն վերաբերում է մետաղի լիովին չհալվելուն և միմյանցից առանձնացված մետաղական գնդիկների խմբի ձևավորմանը: (3) Սարքավորումները պետք է լրացվեն վակուումային պայմաններում՝ բարձր սպասարկման ծախսերով, և էլեկտրոնային փնջի նստեցման գործընթացում կառաջանան գամմա ճառագայթներ, որոնք կարող են արտահոսք առաջացնել և աղտոտել շրջակա միջավայրը:

1.4 Լազերային մոտիկ ցանցի ձևի (LENS) տեխնոլոգիա

Այս տեխնոլոգիան առաջին անգամ ներդրվել է ԱՄՆ-ի Սանդիա ազգային լաբորատորիայի կողմից անցյալ դարում: Այս գործընթացը համատեղում է լազերային ծածկույթի տեխնոլոգիան ընտրողական լազերային սինտերացման (SLS) տեխնոլոգիայի հետ: Այն օգտագործում է կոաքսիալ փոշու մատակարարման մեթոդ՝ լազերի միջոցով հալված ավազան ձևավորելու համար: Հալված ավազանում գտնվող փոշին հալվում և պնդանում է՝ մասերի արտադրությունն ապահովելու համար:

Լազերի մոտիկ ցանցի ձևի բնութագրերը. Առավելություններ՝ (1) LENS տեխնոլոգիան օգտագործում է մետաղի արագ հալեցում և պնդացում, իսկ ձուլման միջոցով ստացված մասերն ունեն բարձր խտություն և լավ մեխանիկական հատկություններ։ (2) Ձուլման կարիք չկա, ինչը խնայում է ծախսերը և կարող է իրականացնել տարասեռ նյութերի մշակում։ Թերություններ՝ (1) Ձուլված մասերի մակերեսի որակը բարձր չէ, մակերեսը կոպիտ է, ձուլման գործընթացում ջերմային լարվածությունը մեծ է, և ճաքերը հեշտությամբ են առաջանում։ (2) Ձուլման գործընթացում անհրաժեշտ է պաշտպանիչ գազ։ Միևնույն ժամանակ, տիտանի համաձուլվածքի փոշու օգտագործման պատճառով, արժեքը համեմատաբար բարձր է։

1.5 Մետաղի ուղղակի լազերային սինթերացման (DMLS) տեխնոլոգիա

DMLS տեխնոլոգիան SLS տեխնոլոգիայի մի ճյուղ է։ Այն սկսել է ձևավորվել 1990-ականներին։ DMLS տեխնոլոգիան անմիջապես օգտագործում է մետաղական փոշի սինտերացման համար։ SLM տեխնոլոգիայից տարբերությունն այն է, որ SLM տեխնոլոգիան պահանջում է, որ մետաղական փոշին լիովին հալվի, մինչդեռ DMLS-ը միայն սինտերացման կարիք ունի։

Մետաղի ուղղակի լազերային սինտերացման բնութագրերը. Առավելություններ՝ (1) Մետաղական մասերը կարող են անմիջականորեն սինտերացվել, (2) Կարող են օգտագործվել տարբեր նյութեր: Օրինակ՝ չժանգոտվող պողպատ, կոբալտի, նիկելի հիմքով և այլն: (3) Մշակմամբ ձևավորված աշխատանքային կտորն ունի խիտ կառուցվածք և բարձր կապակցման ամրություն: Թերություններ՝ (1) «Գնդաձևացման» երևույթ: (2) Հեշտ է սինտերացվել և դեֆորմացվել, և խտությունը բարձր չէ:

1.6 Նոր տեխնոլոգիաներ

Օրինակ՝ էլեկտրական աղեղային հավելումային արտադրությունը (WAAM), նանոմասնիկների ռեակտիվ մետաղի ձևավորումը (NPJ) և ուլտրաձայնային կոնսոլիդացիան (UAM) և այլն, այս տեխնոլոգիաները ապագայում զարգացման մեծ ներուժ ունեն։

2 Մետաղի 3D տպագրության տեխնոլոգիայի զարգացման հեռանկարներ

2.1 Դիմումների դաշտերի ընդլայնում

Այսօր մետաղական 3D տպագրությունը այլևս չի սահմանափակվում մեխանիկական կաղապարների մշակման և արտադրության ոլորտներով, այլ կարող է կիրառվել նաև այլ ոլորտներում: Այն կարող է կիրառվել ավիատիեզերական ոլորտում: Մետաղական 3D տպագրության տեխնոլոգիան կարող է օգտագործվել որոշ վնասված մասեր փոխարինելու համար, այդպիսով խուսափելով ամբողջ մեքենայի բարձրարժեք փոխարինումից և երկարացնելով դրա ծառայության ժամկետը: Այն նաև կարող է տպել ինքնաթիռների հիմնական բաղադրիչները: Օրինակ, 2018 թվականի նոյեմբերին GE-ի կողմից մշակված մետաղական 3D տպագիր շարժիչի հենարանը հաստատվեց ինքնաթիռաշինության մեջ օգտագործելու համար [7]: Այն կարող է կիրառվել կրթության և ուսուցման ոլորտում: Մետաղական 3D տպագրությունը կարող է օգտագործվել որպես ուսուցողական գործիք՝ ուսանողներին այս տեխնոլոգիան հասկանալու համար ուղղորդելու համար: Այն նաև կարող է տպել ուսուցողական մոդելներ՝ ուսանողներին ուղղորդելու մոդելն ավելի ինտուիտիվ հասկանալու և ուսուցման որակը բարելավելու համար: Այն կարող է կիրառվել ավտոմոբիլային ոլորտում: 2017 թվականին Volkswagen-ի կողմից տպված արգելակի սեղմակը հաջողությամբ հանձնեց մասնագիտական ​​​​փորձարկումներ և համապատասխանեց նվազագույն քաշի և ամենաբարձր ամրության նպատակներին: Այն կարող է նաև օգտագործվել ավտոմոբիլային մասերի վերանորոգման համար: Բացի այդ, այն կարող է օգտագործվել նաև բժշկական ոլորտում: Տիտանի համաձուլվածքը ատամնային իմպլանտների համար ամենատարածված նյութն է: Ավանդական արտադրության մեթոդը ոչ միայն թանկ է, այլև մեկ չափսի է և չի կարող անհատականացվել: Այժմ այն ​​կարող է ուղղակիորեն օգտագործվել՝ սկանավորելով հիվանդի բերանը, ստեղծելով ատամնային իմպլանտի մոդել, այնուհետև ուղղակիորեն տպելով այն մետաղի սինտերացման տեխնոլոգիայի միջոցով, ինչը զգալիորեն կրճատում է մշակման ծախսերը և քայլերը: Կան նաև կիրառման պոտենցիալ ոլորտներ, ինչպիսիք են որոշ տնային կահույքի, խաղալիքների և անիմացիոն մոդելների պատրաստումը:

2.2 Տպագրական սարքավորումներ և նյութերի մասնագիտացում

Մետաղական 3D տպագրության տեխնոլոգիան գտնվում է իր վաղ փուլում՝ քիչ և անկատար տպագրական սարքավորումներով, և դրա զարգացումը գտնվում է փակուղու վրա: Եթե այս իրավիճակը պետք է բարելավվի, անհրաժեշտ է ստեղծել ծախսարդյունավետ սարքավորումներ և շարունակել ընդլայնել տպագրության մեխանիզմը: Օրինակ, անհրաժեշտ է խորը հետազոտություններ անցկացնել մետաղական 3D տպագրության մեխանիզմների վերաբերյալ, ինչպիսիք են զուգահեռ տպագրությունը, բազմանյութական տպագրությունը, բազմաբեկորային տպագրությունը, մեծ կտորների տպագրությունը և շարունակական տպագրությունը, և դրանք կիրառել արտադրանքի արտադրության մեջ՝ հիմնվելով դրանց վրա: Տպագրական նյութերի սահմանափակումները նույնպես որոշակիորեն սահմանափակում են մետաղական 3D տպագրության զարգացումը: Տպագրական նյութերի առումով պետք է հնարավոր լինի տպել տարբեր նյութեր և տպել տարբեր նյութեր տարբեր վայրերի համար: Օրինակ, կոբալտային նյութերը կարող են օգտագործվել գազային տուրբիններում, նիկելային նյութերը կարող են օգտագործվել այրման խցիկներում, թանկարժեք մետաղները կարող են օգտագործվել էլեկտրոնային սարքերի ինտեգրման մեջ, ինչպես նաև որոշ հրակայուն մետաղական նյութեր, ինչպիսիք են վոլֆրամը: Տպագրության նոր մեթոդները և նոր մետաղական նյութերի տպագրությունը ապագայում կլինեն հետազոտության թեժ կետերը և ուշադրության կենտրոնում՝ մետաղական 3D տպագրության որակը և արտադրողականությունը բարելավելու նպատակով՝ տարբեր սցենարներում և պայմաններում արտադրությանը համապատասխանելու համար: