3D spausdinimo technologija priklauso greito prototipų kūrimo technologija. Skirtingai nuo tradicinės atimančios gamybos, 3D spausdinimo technologija vadinama priedų gamybos technologija. Tradicinių dalių gamybai paprastai reikia įrankių ir formų, o sudėtingų formų ir nelygių paviršių detales apdoroti sunku. 3D spausdinimo technologija naudoja šiuolaikines priemones, tokias kaip kompiuteriai, lazeriai ir CNC, kad būtų sukurtas kompiuteryje apdorojamos detalės 3D modelio failas. Sukūrus modelį, jis importuojamas į pjaustymo programinę įrangą, kad būtų nustatyti apdorojimo parametrai, tokie kaip apdorojimo greitis, sluoksnio aukštis ir kt. Atlikus nustatymus, jis importuojamas į 3D spausdintuvą. Spausdintuvas paima apdorojimo parametrus ir realizuoja objekto apdorojimą spausdindamas medžiagą sluoksnis po sluoksnio. Įprastoje 3D spausdinimo technologijoje naudojamos medžiagos dažniausiai yra dervos, PLA, ABS plastikai ir kt., o metalo 3D spausdinimo technologijoje naudojamos metalai arba lydiniai. Pagal skirtingus metalo 3D spausdinimo procesus, jį galima apytiksliai suskirstyti į selektyvaus lazerinio sukepinimo technologiją (SLS), selektyvaus lazerinio lydymo technologiją (SLM), elektronų pluošto selektyvaus lydymo technologiją (EBSM), lazerio artimojo tinklo formavimo technologiją (LENS), tiesioginio metalo lazerinio sukepinimo technologija (DMLS) ir kitos naujos technologijos. Metalo 3D spausdinimo technologija buvo plačiai naudojama daugelyje sričių, pavyzdžiui, tiksliosios gamybos, kosmoso ir medicinos įrangos, nes ji gali apdoroti bet kokios formos dalis.

Visuomenei tobulėjant ir nuolat tobulėjant mokslui bei technologijoms, metalo 3D spausdinimo technologija greitai užėmė svarbią vietą metalo gamybos pramonėje dėl aukšto medžiagų panaudojimo lygio, trumpo gamybos ciklo ir didelio lankstumo. Metalo 3D spausdinimo technologija gali atspausdinti kai kurias mažas, sudėtingas ir didelio tikslumo metalines detales, todėl ši technologija atlieka pagrindinį vaidmenį gerinant visos pramoninės gamybos kokybę ir efektyvumą, gerinant esamą metalinių dalių gamybos būklę, suteikiant daugiau galimybių metalinių detalių gamybos procesą ir metalo gamybos pramonės plėtros skatinimą.

1 Metalo 3D spausdinimo technologijos taikymas

Šiuo metu pagrindinės metalo 3D spausdinimo technologijos, tiesiogiai naudojamos metalinių dalių gamybos rinkoje, yra šios: selektyvus lazerinis sukepinimas (SLS), selektyvus lazerinis lydymas (SLM), tiesioginis metalo sukepinimas lazeriu (DMLS), lazerinis netoli tinklo formavimas (LENS)ir elektronų pluošto selektyvus lydymas (EBSM).

1.1 Selektyvaus lazerinio sukepinimo (SLS) technologija

Selektyvaus lazerinio sukepinimo (SLS) technologija yra seniausia metalo 3D spausdinimo technologija. Metalurginis mechanizmas yra skystos fazės sukepinimo mechanizmas. Naudojama medžiaga yra sumaišyti milteliai iš aukštos lydymosi temperatūros metalo ir žemos lydymosi temperatūros metalo arba polimerinės medžiagos. Lydymosi proceso metu žemos lydymosi temperatūros metalo arba polimerinės medžiagos milteliai išsilydo, o aukštos lydymosi temperatūros metalo milteliai netirpsta ir išlaiko kietosios fazės šerdį kaip struktūrinį metalą. Išlydyta medžiaga veikia kaip surišantis metalas ir lydymosi metu sukuria skystą fazę, kuri padengia, sudrėkina ir suriša kietąjį metalą, kad būtų pasiektas sukepinimo tankis. Visas proceso įrenginys susideda iš dviejų dalių: miltelių cilindro ir liejimo cilindro. Eksploatacijos metu kairėje esantis miltelių cilindras pakyla vienu sluoksniu, o tada miltelių volelis tolygiai paskirsto miltelių sluoksnį formavimo cilindre. Kompiuteriu valdomas lazerio spindulys nuskaito miltelius pagal pjaustytą modelį, kad metalo milteliai pasiektų lydymosi temperatūrą ir sukeptų, kad užbaigtų detalės sluoksnį. Užbaigus formavimo cilindrą nuleidžiamas vienas sluoksnis, o miltelių volelis liejimo cilindre vėl paskleis vienodą miltelių sluoksnį, kad sukepintų kitą sluoksnį. Šis procesas kartojamas, kad būtų baigta visos dalies gamyba.

Atrankinio lazerinio sukepinimo ypatybės: Privalumai: (1) Galima naudoti įvairias medžiagas. Įskaitant polimerines medžiagas, metalo miltelius, keramikos miltelius, nailono miltelius ir kt., pasižymintys dideliu selektyvumu. (2) Parama nereikalinga. Nes nesukepinti milteliai gali palaikyti susidariusį suspenduotą sluoksnį spausdinimo proceso metu. (3) Didelis medžiagų panaudojimo lygis. Spausdinimo proceso metu parama nereikalinga, o medžiagos kaina yra maža. Trūkumai: (1) Šiurkštus paviršius. SLS būdu pagaminto prototipo paviršius yra miltelinis ir surištas, yra miltelių dalelių pavidalo, todėl paviršiaus kokybė nėra aukšta. (2) Proceso metu jaučiamas kvapas. Taip yra todėl, kad polimerinės medžiagos arba miltelių dalelės sukepinimo metu skleis kvapą.

1.2 Selektyvaus lazerio lydymosi (SLM) technologija

SLS pagrindu sukurta selektyvaus lydymo lazeriu (SLM) technologija. Jo pagrindinis principas yra panašus į SLS. Pirmiausia modeliui sukurti naudojama kompiuterinė 3D modeliavimo programinė įranga, tada pjaustymo programinė įranga naudojama parametrams reguliuoti ir kiekvieno sluoksnio duomenims gauti, o tada kompiuteris valdo lazerio spindulį, kad nuskaitytų ir išlydytų sluoksnis po sluoksnio, kad susidarytų sluoksnis po sluoksnio. Pažymėtina, kad norint, kad metalas aukštoje temperatūroje nereaguotų su kitomis dujomis, SLM procesą reikia atlikti inertinėse dujose. Skirtingai nuo SLS proceso, SLM procese metalo milteliai turi būti visiškai ištirpinti ir atšaldyti, kad susidarytų, todėl milteliams nuskaityti reikalingas didelio galingumo tankio lazeris.

Atrankinio lydymo lazeriu ypatybės: Privalumai: (1) Apdorojimo metu milteliai visiškai išsilydo ir nereikia rišančios medžiagos. Todėl apdirbimo būdu suformuotų detalių tikslumas ir mechaninės savybės yra geresnės nei suformuotų SLS. (2) Didelis tankis. Lazerio spindulio taško skersmuo yra puikus, o tankis yra beveik 100%, o tai beveik prilygsta metalurgijai. (3) Jis gali paprastai ir tiesiogiai gaminti sudėtingų formų metalines dalis. Trūkumai: (1) Brangi įranga ir sudėtingas veikimas. Norint dirbti, reikalingi profesionalai. (2) Sudėtingas tolesnis apdorojimas. SLM procesui reikia pridėti atramų, o suformuotas dalis reikia apdoroti, kad būtų pašalintos atramos.

1.3 Elektroninio pluošto selektyvaus lydymosi (EBSM) technologija

Dvi svarbiausios EBSM įrangos dalys yra elektronų pistoletas ir vakuuminė kamera. Elektronų pistoletą sudaro anodas, katodas, tinklelis, siūlas, nukreipimo ritė ir fokusavimo ritė. Vakuuminėje kameroje yra miltelių barstytuvas, stūmoklis ir miltelių laikymo dėžutė. Veikimo principas yra toks, kad elektronų pistoleto viršuje esantis siūlas (dažniausiai volframo siūlas) aukštoje temperatūroje sukuria daug karštų elektronų ant jo paviršiaus ir išspinduliuoja juos per katodą. Tinklelio viršuje yra nedidelė skylutė. Santykinė katodo padėtis gali valdyti elektronų pluošto, praeinančio pro jį, kiekį. Anodo pagreičio metu jis įgauna labai didelę kinetinę energiją, kurią galima pagreitinti iki maždaug pusės iki trečdalio šviesos greičio. Elektronų pluoštą sufokusuoja fokusavimo ritė, o tada patenka į nukreipimo ritę. Elektronų pluoštą galima nukreipti nukreipimo ritė, o milteliai selektyviai nuskaitomi valdant kompiuteriui. Milteliai dedami į miltelių laikymo dėžutę. Eksploatacijos metu miltelių barstytuvu ant pudros sluoksnio tolygiai paskirstomas pudros sluoksnis. Miltelių sluoksnis iš anksto šildomas mažos energijos, mažo skenavimo greičio elektronų pluoštu, kad temperatūra būtų žemesnė už metalo miltelių lydymosi temperatūrą. Tada milteliams ištirpinti naudojama didesnė energija ir skenavimo greitis. Kai elektronų pluoštas susiduria su metalo milteliais, jo kinetinė energija paverčiama šilumos energija, kad ištirptų metalo milteliai. Užbaigus skenavimo sluoksnį, stūmoklis nusileidžia vienu sluoksniu, o miltelių barstytuvas vėl paskleidžia miltelius, kad pašildytų ir išlydytų naują miltelių sluoksnį. Šis procesas kartojamas tol, kol metalinė dalis visiškai susiformuoja. Reikėtų pažymėti, kad EBSM procesas turi būti atliekamas vakuumo sąlygomis. Pagaminus detalę, įrenginį reikia perkelti į papildomo apdorojimo įrangą, kad būtų pašalinti aplinkiniai milteliai pučiant suslėgtas dujas, kad būtų gautas galutinis atspaudas, o likusieji milteliai gali būti naudojami pakartotinai.

Elektronų pluošto selektyvaus lydymosi charakteristikos: Privalumai: (1) EBSM technologija turi aukštą pakaitinimo temperatūrą vakuumo sąlygomis, kuri gali išlydyti aukštos lydymosi temperatūros metalus, sumažinti šiluminio įtempio koncentraciją ir išvengti formuojamų dalių lenkimo ir deformacijos. (2) Formuojant nereikia jokios paramos. Nesukepinti milteliai naudojami kaip atrama, o pasibaigus gamybai tereikia pudrą nupūsti. Trūkumai: (1) „Milelių pūtimo“ reiškinys. Milteliai, paskleisti ant miltelių sluoksnio miltelių barstytuvu, veikiami elektronų pluošto palieka iš anksto išdėstytą padėtį. Taip yra dėl to, kad dėl elektronų pluošto prasto laidumo milteliai perneša statinę elektrą, o dėl statinės elektros atstumiančios jėgos milteliai subyra. (2) „Sferoidizacijos“ reiškinys. Tai reiškia, kad metalas nėra visiškai ištirpęs ir sudaro metalinių rutulių grupę, atskirtą vienas nuo kito. (3) Įranga turi būti sukomplektuota vakuumo sąlygomis, su didelėmis priežiūros sąnaudomis, o elektronų pluošto nusodinimo proceso metu bus generuojami gama spinduliai, dėl kurių gali atsirasti nuotėkis ir užteršti aplinką.

1.4 Lazerinė artimo tinklo formos (LENS) technologija

Šią technologiją pirmą kartą pristatė Sandia nacionalinė laboratorija JAV praėjusiame amžiuje. Šis procesas sujungia lazerinio dengimo technologiją su selektyvaus lazerinio sukepinimo (SLS) technologija. Jis naudoja koaksialinį miltelių padavimo metodą, kad lazeriu suformuotų išlydytą baseiną. Išlydytame baseine esantys milteliai išsilydo ir sukietėja, kad būtų galima gaminti dalis.

Netoli tinklo formos lazerio charakteristikos: Privalumai: (1) LENS technologija naudoja greitą metalo lydymą ir kietėjimą, o liejimo būdu gautos dalys turi didelį tankį ir geras mechanines savybes. (2) Nereikia pelėsių, todėl taupomos išlaidos ir galima apdoroti nevienalytes medžiagas. Trūkumai: (1) Formuojamų dalių paviršiaus kokybė nėra aukšta, paviršius šiurkštus, liejimo proceso metu didelis terminis įtempis, lengvai atsiranda įtrūkimų. (2) Liejimo proceso metu reikalingos apsauginės dujos. Tuo pačiu metu dėl titano lydinio miltelių naudojimo kaina yra gana didelė.

1.5 Tiesioginio metalo lazerinio sukepinimo (DMLS) technologija

DMLS technologija yra SLS technologijos šaka. Jis pradėjo formuotis 1990 m. DMLS technologija sukepinant tiesiogiai naudoja metalo miltelius. Skirtumas nuo SLM technologijos yra tas, kad naudojant SLM technologiją metalo milteliai turi būti visiškai ištirpinti, o DMLS reikia tik sukepinti.

Tiesioginio metalo sukepinimo lazeriu charakteristikos: Privalumai: (1) Metalines dalis galima sukepinti tiesiogiai (2) Galima naudoti įvairias medžiagas. Pavyzdžiui, nerūdijantis plienas, kobalto, nikelio ir tt (3) Apdirbimo būdu suformuotas ruošinys turi tankią struktūrą ir didelį sukibimo stiprumą. Trūkumai: (1) „Sferoidizacijos“ reiškinys. (2) Lengvai sukepinamas ir deformuojamas, o tankis nėra didelis.

1.6 Naujos technologijos

Pavyzdžiui, elektros lanko priedų gamyba (WAAM), nanodalelių reaktyvinis metalo formavimas (NPJ) ir ultragarsinis konsolidavimas (UAM) ir kt., šios technologijos turi daug galimybių tobulėti ateityje.

2 Metalo 3D spausdinimo technologijos plėtros perspektyvos

2.1 Taikymo laukų išplėtimas

Šiandien metalo 3D spausdinimas jau neapsiriboja mechaninio formų apdirbimo ir gamybos sritimis, bet gali būti taikomas ir kitose srityse. Jis gali būti pritaikytas kosmoso srityje. Metalo 3D spausdinimo technologija gali būti naudojama kai kurioms pažeistoms dalims pakeisti, taip išvengiant brangaus visos mašinos pakeitimo ir prailginant jos tarnavimo laiką. Jis taip pat gali spausdinti pagrindinius orlaivio komponentus. Pavyzdžiui, 2018 m. lapkritį GE sukurtas metalinis 3D spausdintas variklio laikiklis buvo patvirtintas naudoti orlaivių gamyboje[7]. Jis gali būti taikomas švietimo ir mokymo srityje. Metalo 3D spausdinimas gali būti naudojamas kaip mokymo priemonė, padedanti mokiniams suprasti šią technologiją. Jis taip pat gali spausdinti mokymo modelius, kad padėtų mokiniams intuityviai suprasti modelį ir pagerinti mokymo kokybę. Jis gali būti pritaikytas automobilių pramonei. 2017 metais Volkswagen spausdinta stabdžių apkaba praėjo profesionalius testus ir atitiko minimalaus svorio bei didžiausio stiprumo tikslus. Jis taip pat gali būti naudojamas automobilių dalių remontui. Be to, jis taip pat gali būti naudojamas medicinos srityje. Titano lydinys yra dažniausiai naudojama dantų implantų medžiaga. Tradicinis gamybos būdas yra ne tik brangus, bet ir vienetinio dydžio, todėl jo negalima individualizuoti. Dabar jis gali būti naudojamas tiesiogiai nuskaitant paciento burną, nustatant dantų implanto modelį ir tiesiogiai jį atspausdinant naudojant metalo sukepinimo technologiją, o tai labai sumažina apdorojimo išlaidas ir žingsnius. Taip pat yra potencialių pritaikymo sričių, pavyzdžiui, kai kurių namų baldų, žaislų ir animacinių modelių kūrimas.

2.2 Spausdintuvo įrangos ir medžiagų specializacija

Metalo 3D spausdinimo technologija yra ankstyvosiose stadijose, turi mažai ir netobulos spausdinimo įrangos, o jos plėtra yra kliūtis. Jei šią situaciją reikia gerinti, būtina sukurti ekonomišką įrangą ir toliau plėsti spausdinimo mechanizmą. Pavyzdžiui, būtina atlikti nuodugnius metalo 3D spausdinimo mechanizmų, tokių kaip lygiagretusis spausdinimas, spausdinimas iš kelių medžiagų, spausdinimas iš kelių purkštukų, didelių gabalų spausdinimas ir nepertraukiamas spausdinimas, tyrimus ir pritaikyti juos gaminių gamyboje remiantis tuo. . Spausdinimo medžiagų apribojimai taip pat tam tikru mastu riboja metalinio 3D spausdinimo plėtrą. Kalbant apie spausdinimo medžiagas, turėtų būti įmanoma spausdinti skirtingas medžiagas ir spausdinti skirtingas medžiagas skirtingoms vietoms. Pavyzdžiui, kobalto medžiagos gali būti naudojamos dujų turbinose; nikelio medžiagos gali būti naudojamos degimo kamerose; taurieji metalai gali būti naudojami integruojant elektroninius įrenginius, taip pat kai kurios ugniai atsparios metalo medžiagos, pavyzdžiui, volframas. Nauji spausdinimo metodai ir naujų metalinių medžiagų spausdinimas bus tyrimų taškai ir dėmesys ateityje, siekiant pagerinti metalo 3D spausdinimo kokybę ir produkciją, kad ji atitiktų gamybą įvairiais scenarijais ir sąlygomis.