3D drukas tehnoloģija pieder ātrās prototipēšanas tehnoloģija. Atšķirībā no tradicionālās subtraktīvās ražošanas, tiek saukta 3D drukas tehnoloģija piedevu ražošanas tehnoloģija. Tradicionālo detaļu ražošanai parasti ir nepieciešami instrumenti un veidnes, un ir grūti apstrādāt detaļas ar sarežģītu formu un nelīdzenām virsmām. 3D drukas tehnoloģija izmanto modernus līdzekļus, piemēram, datorus, lāzerus un CNC, lai izveidotu datorā apstrādājamās daļas 3D modeļa failu. Pēc modeļa izveides tas tiek importēts griešanas programmatūrā, lai iestatītu apstrādes parametrus, piemēram, apstrādes ātrumu, slāņa augstumu utt. Kad iestatījumi ir pabeigti, tas tiek importēts 3D printerī. Printeris uztver apstrādes parametrus un realizē objekta apstrādi, drukājot materiālu slāni pa slānim. Parastajā 3D drukas tehnoloģijā izmantotie materiāli parasti ir sveķi, PLA, ABS plastmasa utt., savukārt metālu 3D drukas tehnoloģijā izmantotie materiāli ir metāli vai sakausējumu materiāli. Saskaņā ar dažādiem metāla 3D drukāšanas procesiem to var aptuveni iedalīt selektīvās lāzera saķepināšanas tehnoloģijā (SLS), selektīvā lāzera kausēšanas tehnoloģijā (SLM), elektronu staru selektīvās kausēšanas tehnoloģijā (EBSM), lāzera tuvu tīkla veidošanas tehnoloģijā (LENS), tiešās metāla lāzera saķepināšanas tehnoloģija (DMLS) un citas jaunas tehnoloģijas. Metāla 3D drukas tehnoloģija ir plaši izmantota daudzās jomās, piemēram, precīzajā ražošanā, kosmosa un medicīnas iekārtās, jo tā spēj apstrādāt jebkuras formas detaļas.

Attīstoties sabiedrībai un nepārtraukti attīstoties zinātnei un tehnoloģijām, metāla 3D drukas tehnoloģija ar savu augsto materiālu izmantošanas līmeni, īso ražošanas ciklu un augstu elastību ir ātri ieņēmusi nozīmīgu vietu metālapstrādes nozarē. Metāla 3D drukas tehnoloģija var izdrukāt dažas nelielas, sarežģītas un augstas precizitātes metāla detaļas, tāpēc šai tehnoloģijai ir galvenā loma visas rūpnieciskās ražošanas kvalitātes un efektivitātes uzlabošanā, uzlabojot pašreizējo metāla detaļu ražošanas stāvokli, sniedzot plašākas iespējas metāla detaļu ražošanas procesu un veicināt metālapstrādes nozares attīstību.

1 Metāla 3D drukas tehnoloģijas pielietojums

Šobrīd galvenās metāla 3D drukas tehnoloģijas, kas tiek tieši izmantotas metāla detaļu ražošanas tirgū, ir: selektīvā lāzera saķepināšana (SLS), selektīva lāzerkausēšana (SLM), tiešā metāla lāzera saķepināšana (DMLS), lāzera tuvu tīkla veidošana (LENS), un elektronu staru selektīvā kausēšana (EBSM).

1.1. Selektīvā lāzera saķepināšanas (SLS) tehnoloģija

Selektīvā lāzera saķepināšanas (SLS) tehnoloģija ir senākā metāla 3D drukas tehnoloģija. Izmantotais metalurģijas mehānisms ir šķidrās fāzes saķepināšanas mehānisms. Izmantotais materiāls ir jaukts pulveris no metāla ar augstu kušanas temperatūru un metāla vai polimērmateriālu ar zemu kušanas temperatūru. Kušanas procesā zemas kušanas temperatūras metāla vai polimērmateriāla pulveris kūst, savukārt augstas kušanas temperatūras metāla pulveris neizkūst un saglabā cietās fāzes kodolu kā strukturālu metālu. Izkusušais materiāls darbojas kā savienojošais metāls un kausēšanas procesā ģenerē šķidru fāzi, lai pārklātu, samitrinātu un savienotu cieto metālu, lai panāktu saķepināšanas blīvumu. Visa procesa iekārta sastāv no divām daļām: pulvera cilindra un formēšanas cilindra. Darbības laikā pulvera cilindrs kreisajā pusē paceļas par vienu slāni, un tad pulvera veltnis vienmērīgi izkliedē pulvera slāni formēšanas cilindrā. Datora vadītais lāzera stars skenē pulveri atbilstoši sagrieztajam modelim, lai metāla pulveris sasniegtu kušanas temperatūru un saķepinātu, lai pabeigtu detaļas slāni. Pēc pabeigšanas formēšanas cilindrs nokrīt vienu kārtu, un pulvera veltnis formēšanas cilindrā atkal izkliedēs vienmērīgu pulvera slāni, lai saķepinātu nākamo slāni. Šo procesu atkārto, lai pabeigtu visas daļas ražošanu.

Selektīvas lāzera saķepināšanas iezīmes: Priekšrocības: (1) Var izmantot dažādus materiālus. Ieskaitot polimēru materiālus, metāla pulverus, keramikas pulverus, neilona pulverus utt., ar spēcīgu selektivitāti. (2) Atbalsts nav vajadzīgs. Tā kā nesaķepinātais pulveris drukas procesā var atbalstīt radīto suspendēto slāni. (3) Augsts materiālu izmantošanas līmenis. Drukāšanas procesā atbalsts nav nepieciešams, un materiāla cena ir zema. Trūkumi ietver: (1) raupja virsma. SLS procesā ražotā prototipa virsma ir pulverveida un salīmēta, un tā ir pulvera daļiņu veidā, tāpēc virsmas kvalitāte nav augsta. (2) Procesa laikā ir jūtama smaka. Tas ir tāpēc, ka polimērmateriāli vai pulvera daļiņas saķepināšanas laikā izdalīs smaku.

1.2. Selektīvās lāzerkausēšanas (SLM) tehnoloģija

Selektīvā lāzerkausēšanas (SLM) tehnoloģija ir izstrādāta uz SLS bāzes. Tās pamatprincips ir līdzīgs SLS. Pirmkārt, modeļa izveidošanai tiek izmantota datora 3D modelēšanas programmatūra, pēc tam slāņu programmatūra tiek izmantota, lai pielāgotu parametrus un iegūtu katra slāņa datus, un pēc tam dators kontrolē lāzera staru, lai skenētu un izkausētu slāni pa slānim, lai izveidotu slāni pa slānim. Jāņem vērā, ka, lai novērstu metāla reakciju ar citām gāzēm augstā temperatūrā, SLM process ir jāveic inertā gāzē. Atšķirībā no SLS procesa, SLM procesā metāla pulveris ir pilnībā jāizkausē un pēc tam jāatdzesē, lai izveidotu, tāpēc pulvera skenēšanai ir nepieciešams lieljaudas blīvuma lāzers.

Selektīvas lāzerkausēšanas iezīmes: Priekšrocības: (1) Pulveris apstrādes laikā ir pilnībā izkusis un nav nepieciešams savienošanas materiāls. Tāpēc apstrādes rezultātā izveidoto detaļu precizitāte un mehāniskās īpašības ir labākas nekā tām, kuras veido SLS. (2) Augsts blīvums. Lāzera stara vietas diametrs ir labs, un blīvums ir tuvu 100%, kas ir gandrīz vienāds ar metalurģiju. (3) Tas var vienkārši un tieši izgatavot sarežģītas formas metāla detaļas. Trūkumi ietver: (1) Dārgas iekārtas un sarežģīta darbība. Darbībai ir nepieciešami profesionāļi. (2) Sarežģīta pēcapstrāde. SLM procesam ir jāpievieno balsti, un formētās daļas ir pēcapstrādātas, lai noņemtu balstus.

1.3. Elektronu staru selektīvās kausēšanas (EBSM) tehnoloģija

Divas vissvarīgākās EBSM aprīkojuma daļas ir elektronu lielgabals un vakuuma kamera. Elektronu lielgabalā ietilpst anods, katods, režģis, kvēldiegs, novirzes spole un fokusēšanas spole. Vakuuma kamerā ietilpst pulvera izkliedētājs, virzulis un pulvera uzglabāšanas kaste. Darbības princips ir tāds, ka kvēldiegs elektronu pistoles augšpusē (parasti volframa kvēldiegs) augstas temperatūras apstākļos uz savas virsmas ģenerē lielu skaitu karstu elektronu un izstaro tos caur katodu. Režģa augšpusē ir neliels caurums. Relatīvā pozīcija ar katodu var kontrolēt elektronu staru kūļa daudzumu, kas iet cauri. Zem anoda paātrinājuma tas iegūst ļoti augstu kinētisko enerģiju, ko var paātrināt līdz apmēram pusei līdz trešdaļai no gaismas ātruma. Elektronu staru fokusē fokusēšanas spole, un pēc tam tas nonāk novirzes spolē. Elektronu staru var novirzīt ar novirzes spoli, un pulveris tiek selektīvi skenēts datora vadībā. Pulveris tiek ievietots pulvera uzglabāšanas kastē. Darbības laikā pulvera klājējs vienmērīgi uzklāj pulvera slāni uz pulvera slāņa. Pulvera slāni iepriekš uzsilda ar zemas enerģijas, zema skenēšanas ātruma elektronu staru kūli, lai temperatūra būtu zemāka par metāla pulvera kušanas temperatūru. Tad pulvera kausēšanai tiek izmantota lielāka enerģija un skenēšanas ātrums. Kad elektronu stars saduras ar metāla pulveri, tā kinētiskā enerģija tiek pārvērsta siltumenerģijā, lai izkausētu metāla pulveri. Pēc skenēšanas slāņa pabeigšanas virzulis nolaižas par vienu slāni, un pulvera izkliedētājs atkal izkliedē pulveri, lai uzsildītu un izkausētu jauno pulvera slāni. Šo procesu atkārto, līdz metāla daļa ir pilnībā izveidota. Jāatzīmē, ka EBSM process ir jāveic vakuuma apstākļos. Pēc detaļas izgatavošanas ierīce ir jāpārvieto pēcapstrādes iekārtā, lai noņemtu apkārtējo pulveri, izpūšot saspiestu gāzi, lai iegūtu galīgo nospiedumu, un atlikušo pulveri var izmantot atkārtoti.

Elektronu staru selektīvās kausēšanas raksturojums: Priekšrocības: (1) EBSM tehnoloģijai ir augsta priekšsildīšanas temperatūra vakuuma apstākļos, kas var izkausēt metālus ar augstu kušanas temperatūru, samazināt termiskā sprieguma koncentrāciju un izvairīties no formēto detaļu lieces un deformācijas. (2) Formēšanas procesā atbalsts nav nepieciešams. Kā balsts tiek izmantots nesaķepināts pulveris, un pēc ražošanas pabeigšanas pulveris ir tikai jāizpūš. Trūkumi: (1) “Pulvera pūšanas” fenomens. Pulveris, kas izkliedēts uz pulvera slāņa ar pulvera izkliedētāju, elektronu stara iedarbībā atstāj iepriekš nolikto pozīciju. Iemesls tam ir tas, ka elektronu stars liek pulverim ar sliktu vadītspēju pārnēsāt statisko elektrību, un statiskās elektrības atgrūšanas spēks izraisa pulvera sabrukšanu. (2) “Sferoidizācijas” fenomens. Tas attiecas uz metālu, kas nav pilnībā izkusis un veido metāla lodīšu grupu, kas ir atdalīta viena no otras. (3) Iekārtas jāpabeidz vakuuma apstākļos ar lielām uzturēšanas izmaksām, un elektronu staru kūļa nogulsnēšanas procesā tiks ģenerēti gamma stari, kas var izraisīt noplūdi un piesārņot vidi.

1.4 Laser Near Net Shape (LENS) tehnoloģija

Šo tehnoloģiju pirmo reizi ieviesa Sandia Nacionālā laboratorija Amerikas Savienotajās Valstīs pagājušajā gadsimtā. Šis process apvieno lāzera apšuvuma tehnoloģiju ar selektīvās lāzera saķepināšanas (SLS) tehnoloģiju. Tas izmanto koaksiālo pulvera padeves metodi, lai ar lāzeru izveidotu izkausētu baseinu. Pulveris izkausētajā baseinā kūst un sacietē, lai panāktu detaļu ražošanu.

Lāzera īpašības tuvu tīkla formai: Priekšrocības: (1) LENS tehnoloģija izmanto ātru metāla kušanu un sacietēšanu, un daļām, kas iegūtas formējot, ir augsts blīvums un labas mehāniskās īpašības. (2) Nav nepieciešama pelējuma, kas ietaupa izmaksas un var realizēt neviendabīgu materiālu apstrādi. Trūkumi: (1) Formēto detaļu virsmas kvalitāte nav augsta, virsma ir raupja, formēšanas procesā ir liels termiskais spriegums, un ir viegli rasties plaisas. (2) Formēšanas procesā ir nepieciešama aizsarggāze. Tajā pašā laikā titāna sakausējuma pulvera izmantošanas dēļ izmaksas ir salīdzinoši augstas.

1.5 Tiešās metāla lāzera saķepināšanas (DMLS) tehnoloģija

DMLS tehnoloģija ir SLS tehnoloģijas nozare. Tas sāka veidoties deviņdesmitajos gados. DMLS tehnoloģija saķepināšanai tieši izmanto metāla pulveri. Atšķirība no SLM tehnoloģijas ir tāda, ka SLM tehnoloģija prasa, lai metāla pulveris būtu pilnībā izkusis, savukārt DMLS ir jāpanāk tikai saķepināšana.

Tiešās metāla lāzera saķepināšanas raksturojums: Priekšrocības: (1) Metāla detaļas var saķepināt tieši (2) Var izmantot dažādus materiālus. Piemēram, nerūsējošā tērauda, ​​kobalta, niķeļa uc Trūkumi: (3) “Sferoidizācijas” fenomens. (1) Viegli saķepināms un deformējams, un blīvums nav augsts.

1.6. Jaunas tehnoloģijas

Piemēram, elektriskā loka piedevu ražošana (WAAM), nanodaļiņu strūklas metāla formēšana (NPJ) un ultraskaņas konsolidācija (UAM) utt., šīm tehnoloģijām ir lielas attīstības iespējas nākotnē.

2 Metāla 3D drukas tehnoloģijas attīstības perspektīvas

2.1. Pielietojuma lauku paplašināšana

Mūsdienās metāla 3D druka vairs neaprobežojas tikai ar mehāniskās veidņu apstrādes un izgatavošanas jomām, bet to var izmantot arī citās jomās. To var izmantot kosmosa jomā. Metāla 3D drukāšanas tehnoloģiju var izmantot, lai nomainītu dažas bojātas detaļas, tādējādi izvairoties no visas iekārtas nomaiņas dārgi un pagarinot tās kalpošanas laiku. Tas var arī izdrukāt galvenās lidmašīnas sastāvdaļas. Piemēram, 2018. gada novembrī GE izstrādātais metāla 3D drukātais dzinēja kronšteins tika apstiprināts izmantošanai lidmašīnu ražošanā[7]. To var attiecināt uz izglītības un mācību jomu. Metāla 3D drukāšanu var izmantot kā mācību instrumentu, lai palīdzētu skolēniem izprast šo tehnoloģiju. Tas var arī izdrukāt mācību modeļus, lai palīdzētu studentiem intuitīvāk izprast modeli un uzlabot mācīšanas kvalitāti. To var izmantot automobiļu jomā. 2017. gadā Volkswagen drukātais bremžu suports izturēja profesionālus testus un sasniedza minimālā svara un augstākās izturības mērķus. To var izmantot arī automašīnu detaļu remontam. Turklāt to var izmantot arī medicīnas jomā. Titāna sakausējums ir visbiežāk izmantotais materiāls zobu implantiem. Tradicionālā ražošanas metode ir ne tikai dārga, bet arī viena izmēra, un to nevar personalizēt. Tagad to var tieši izmantot, skenējot pacienta muti, izveidojot zobu implanta modeli un pēc tam tieši izdrukājot to, izmantojot metāla saķepināšanas tehnoloģiju, kas ievērojami samazina apstrādes izmaksas un posmus. Ir arī potenciālas pielietojuma jomas, piemēram, dažu mājas mēbeļu, rotaļlietu un animācijas modeļu izgatavošana.

2.2. Printera iekārtu un materiālu specializācija

Metāla 3D drukas tehnoloģija ir agrīnā stadijā, ar mazām un nepilnīgām drukas iekārtām, un tās attīstība ir sastrēgumā. Ja šī situācija ir jāuzlabo, ir jāizveido ekonomiski izdevīgs aprīkojums un jāturpina paplašināt drukas mehānismu. Piemēram, ir nepieciešams veikt padziļinātu izpēti par metāla 3D drukāšanas mehānismiem, piemēram, paralēlo druku, vairāku materiālu drukāšanu, vairāku sprauslu druku, lielu gabalu druku un nepārtrauktu druku, un izmantot tos produktu ražošanā, pamatojoties uz to. . Drukas materiālu ierobežojumi zināmā mērā ierobežo arī metāla 3D drukas attīstību. Runājot par drukas materiāliem, vajadzētu būt iespējai drukāt dažādus materiālus un drukāt dažādus materiālus dažādām vietām. Piemēram, kobalta materiālus var izmantot gāzturbīnās; niķeļa materiālus var izmantot sadegšanas kamerās; dārgmetālus var izmantot elektronisko ierīču integrācijā, kā arī dažus ugunsizturīgus metālu materiālus, piemēram, volframu. Jaunas drukas metodes un jaunu metālu materiālu drukāšana būs pētniecības karstie punkti un fokuss nākotnē, lai uzlabotu metāla 3D drukas kvalitāti un produkciju, lai tā atbilstu ražošanai dažādos scenārijos un apstākļos.