3Д технологија за печатење припаѓа на технологија за брзо изработка на прототипови. Различно од традиционалното субтрактивно производство, се нарекува технологија за 3D печатење технологија за производство на адитиви. Производството на традиционални делови генерално бара алатки и калапи, а тешко е да се обработат делови со сложени форми и нерамни површини. Технологијата за 3D печатење користи современи средства како што се компјутери, ласери и CNC за да создаде датотека со 3D модел на делот што треба да се обработи во компјутерот. Откако ќе се изгради моделот, тој се увезува во софтверот за сечење за да се постават параметрите за обработка, како што се брзината на обработка, висината на слојот итн. Откако ќе се завршат поставките, тој се увезува во 3D печатачот. Печатачот ги зема параметрите за обработка и ја реализира обработката на објектот со печатење на материјалот слој по слој. Материјалите што се користат во обичната технологија за 3D печатење се генерално смоли, PLA, ABS пластика итн., додека материјалите што се користат во технологијата за метално 3D печатење се метали или легирани материјали. Според различните процеси на метално 3D печатење, може грубо да се подели на технологија за селективно ласерско синтерување (SLS), технологија за селективно ласерско топење (SLM), технологија за селективно топење со електронски сноп (EBSM), технологија за ласерско обликување во близина на мрежата (LENS), директна метална ласерска технологија за синтерување (DMLS) и други нови технологии. Технологијата за 3D печатење на метал е широко користена во многу области како што се прецизното производство, воздушната и медицинската опрема поради нејзината способност да обработува делови од која било форма.

Со развојот на општеството и континуираниот напредок на науката и технологијата, технологијата за 3D печатење на метал брзо зазеде важна позиција во индустријата за производство на метали со високата стапка на искористеност на материјали, краток производствен циклус и висока флексибилност. Технологијата за метално 3D печатење може да печати некои мали, сложени и високопрецизни метални делови, така што оваа технологија игра клучна улога во подобрувањето на квалитетот и ефикасноста на целото индустриско производство, подобрување на моменталната состојба на производството на метални делови, обезбедувајќи повеќе можности во процесот на производство на метални делови и промовирање на развојот на индустријата за производство на метал.

1 Примена на технологија за метално 3D печатење

Во моментов, главните метални технологии за 3D печатење што се користат директно на пазарот за производство на метални делови се: селективно ласерско синтерување (SLS), селективно ласерско топење (SLM), директно метално ласерско синтерување (DMLS), ласерско обликување во близина на мрежа (LENS), и Селективно топење со електронски сноп (EBSM).

1.1 Технологија за селективно ласерско синтерување (SLS).

Технологијата за селективно ласерско синтерување (SLS) е најраната технологија за метално 3D печатење. Металуршкиот механизам што се користи е механизмот за синтерување во течна фаза. Материјалот што се користи е мешан прав од метал со висока температура на топење и метал или полимер материјал со ниска точка на топење. За време на процесот на топење, прашокот од метал или полимер материјал со ниска точка на топење се топи, додека металниот прав со висока температура на топење не се топи и го задржува своето јадро од цврста фаза како структурен метал. Стопениот материјал делува како метал за поврзување и генерира течна фаза за време на процесот на топење за покривање, влажнење и спојување на цврстиот метал за да се постигне згуснување на синтерување. Целиот процесен уред се состои од два дела: цилиндар за прав и цилиндар за обликување. За време на работата, цилиндерот за прав лево се крева еден слој, а потоа валјакот за прав рамномерно шири слој прашок во цилиндерот за обликување. Ласерскиот зрак контролиран од компјутерот го скенира прашокот според исечениот модел, така што металниот прав ќе достигне точка на топење и ќе се синтерува за да заврши слој од делот. По завршувањето, цилиндерот за обликување паѓа еден слој, а валјакот за прав повторно ќе шири униформа слој прашок во цилиндерот за обликување за да го синтетува следниот слој. Овој процес се повторува за да се заврши производството на целиот дел.

Карактеристики на селективно ласерско синтерување: Предности: (1) Може да се користат различни материјали. Вклучувајќи полимерни материјали, метални прашоци, керамички прашоци, најлонски прашоци итн., со силна селективност. (2) Не е потребна поддршка. Бидејќи неинтермираниот прав може да го поддржи создадениот суспендиран слој за време на процесот на печатење. (3) Висока стапка на искористеност на материјалите. Не е потребна поддршка за време на процесот на печатење, а цената на материјалот е ниска. Недостатоците вклучуваат: (1) Груба површина. Површината на прототипот произведен со процесот SLS е прашкаста и врзана и е во форма на честички во прав, така што квалитетот на површината не е висок. (2) Во текот на процесот има мирис. Тоа е затоа што полимерните материјали или честичките во прав ќе испуштаат мирис за време на синтерувањето.

1.2 Технологија за селективно ласерско топење (SLM).

Технологијата за селективно ласерско топење (SLM) е развиена врз основа на SLS. Нејзиниот основен принцип е сличен на SLS. Прво, софтверот за компјутерско 3D моделирање се користи за да се изгради моделот, потоа софтверот slice се користи за прилагодување на параметрите и добивање на податоците за секој слој, а потоа компјутерот го контролира ласерскиот зрак за да го скенира и топи слој по слој за да формира слој по слој. Треба да се напомене дека за да се спречи металот да реагира со други гасови на висока температура, процесот SLM треба да се спроведе под инертен гас. За разлика од SLS процесот, процесот SLM бара металниот прав целосно да се стопи и потоа да се излади за да се формира, па затоа е потребен ласер со густина со висока моќност за скенирање на прав.

Карактеристики на селективно ласерско топење: Предности: (1) Прашокот целосно се топи во текот на обработката и не е потребен материјал за врзување. Затоа, прецизноста и механичките својства на деловите формирани со обработката се подобри од оние што ги формира SLS. (2) Висока густина. Дијаметарот на точката на ласерскиот зрак е фин, а густината е блиску до 100%, што е речиси еднакво на металургијата. (3) Може едноставно и директно да произведува метални делови со сложени форми. Недостатоците вклучуваат: (1) Скапа опрема и сложена работа. Се бараат професионалци да работат. (2) Комплексна пост-обработка. Процесот SLM бара додавање на носачи, а обликуваните делови треба да бидат пост-обработени за да се отстранат потпорите.

1.3 Технологија за селективно топење со електронски сноп (EBSM).

Двата најважни делови од опремата EBSM вклучуваат електронски пиштол и вакуумска комора. Електронскиот пиштол вклучува анода, катода, решетка, филамент, калем за отклонување и калем за фокусирање. Вакуумската комора вклучува распрскувач на прав, клип и кутија за складирање прав. Принципот на работа е дека влакното на врвот на електронскиот пиштол (обично волфрамово влакно) генерира голем број жешки електрони на неговата површина при високи температурни услови и ги испушта низ катодата. На врвот на решетката има мала дупка. Релативната положба со катодата може да го контролира количеството на електронски зрак што минува низ. Под забрзување на анодата, таа добива многу висока кинетичка енергија, која може да се забрза до околу половина до една третина од брзината на светлината. Електронскиот зрак е фокусиран од серпентина за фокусирање, а потоа влегува во калем за отклонување. Електронскиот зрак може да се оттргне со калем за отклонување и прашокот селективно се скенира под контрола на компјутерот. Прашокот се става во кутијата за складирање прашок. За време на работата, слој од прав се рамномерно распоредени на креветот за прав од страна на распрскувачот на прав. Креветот за прав се загрева со електронски сноп со мала енергија и со мала брзина на скенирање за да се задржи температурата под точката на топење на металниот прав. Потоа, поголема енергија и брзина на скенирање се користат за топење на прав. Кога електронскиот зрак ќе се судри со металниот прав, неговата кинетичка енергија се претвора во топлинска енергија за да се стопи металниот прав. По завршувањето на слојот на скенирање, клипот се спушта за еден слој, а распрскувачот на прав повторно шири прав за да се загрее и стопи новиот слој во прав. Овој процес се повторува додека целосно не се формира металниот дел. Треба да се напомене дека процесот на EBSM треба да се спроведе под вакуумски услови. Откако ќе се направи делот, уредот треба да се премести во опремата за пост-обработка за да се отстрани околниот прав со дување на компримиран гас за да се добие финалниот отпечаток, а преостанатиот прав може повторно да се употреби.

Карактеристики на селективно топење со електронски сноп: Предности: (1) Технологијата EBSM има висока температура за предзагревање при вакуумски услови, што може да топи метали со висока точка на топење, да ја намали концентрацијата на термички стрес и да избегне свиткување и деформација на обликуваните делови. (2) Не е потребна поддршка за време на процесот на обликување. Како потпора се користи неинтермираниот прав, а по завршувањето на производството потребно е само да се издува пудрата. Недостатоци: (1) феномен „дување прав“. Прашокот што се шири на креветот за прав со распрскувачот на прав ја напушта претходно поставената положба под дејство на електронскиот зрак. Причината за ова е што електронскиот зрак предизвикува прашокот со слаба спроводливост да носи статички електрицитет, а одбивната сила на статичкиот електрицитет предизвикува колапс на прашокот. (2) Феномен „сфероидизација“. Се однесува на тоа металот да не се стопи целосно и да формира група метални топчиња одвоени едни од други. (3) Опремата треба да се комплетира во вакуумски услови, со високи трошоци за одржување, а за време на процесот на таложење на електронскиот сноп ќе се генерираат гама зраци, што може да предизвика истекување и да ја загади животната средина.

1.4 Технологија на ласер во близина на мрежата (LENS).

Оваа технологија првпат беше воведена од Националната лабораторија Сандија во САД во минатиот век. Овој процес ја комбинира технологијата на ласерско обложување со технологијата за селективно ласерско синтерување (SLS). Користи коаксијален метод на хранење со прав за да формира стопен базен со ласерот. Прашокот во стопениот базен се топи и се зацврстува за да се постигне производство на делови.

Карактеристики на обликот на ласерот во близина на мрежата: Предности: (1) Технологијата ЛЕНС користи брзо топење и зацврстување на металите, а деловите добиени со обликување имаат висока густина и добри механички својства. (2) Не е потребен калап, со што се заштедуваат трошоци и може да се реализира преработка на хетерогени материјали. Недостатоци: (1) Квалитетот на површината на обликуваните делови не е висок, површината е груба, термичкиот стрес е голем за време на процесот на обликување и лесно се појавуваат пукнатини. (2) За време на процесот на обликување е потребен заштитен гас. Во исто време, поради употребата на прав од легура на титаниум, цената е релативно висока.

1.5 Технологија за директно ласерско синтерување на метал (DMLS).

DMLS технологијата е гранка на SLS технологијата. Почна да се обликува во 1990-тите. Технологијата DMLS директно користи метален прав за синтерување. Разликата од SLM технологијата е во тоа што технологијата SLM бара металниот прав целосно да се стопи, додека DMLS треба само да постигне синтерување.

Карактеристики на директно ласерско синтерување на метали: Предности: (1) Металните делови може директно да се синтеруваат (2) Може да се користат различни материјали. На пример, не'рѓосувачки челик, на база на кобалт, на никел итн. (3) Работното парче формирано со обработка има густа структура и висока јачина на врзување. Недостатоци: (1) феномен на „сфероидизација“. (2) Лесно се синтерува и деформира, а густината не е висока.

1.6 Нови технологии

На пример, производството на адитиви со електричен лак (WAAM), формирање на наночестички млаз метал (NPJ) и ултразвучна консолидација (UAM), итн., овие технологии имаат голем простор за развој во иднина.

2 Изгледи за развој на технологијата за метално 3D печатење

2.1 Проширување на полињата за апликација

Денес, металното 3D печатење повеќе не е ограничено на полињата на механичка обработка и производство на калапи, туку може да се примени и во други области. Може да се примени во воздушната област. Технологијата за метално 3D печатење може да се користи за замена на некои оштетени делови, со што се избегнува скапата замена на целата машина и продолжување на нејзиниот животен век. Може да печати и клучни компоненти на авионот. На пример, во ноември 2018 година, металниот 3D печатен држач за мотор развиен од GE беше одобрен за употреба во производството на авиони[7]. Може да се примени во областа на образованието и наставата. Металното 3D печатење може да се користи како наставен инструмент за да ги наведе учениците да ја разберат оваа технологија. Може да печати и наставни модели за да ги наведе учениците поинтуитивно да го разберат моделот и да го подобрат квалитетот на наставата. Може да се примени во автомобилската област. Во 2017 година, дебеломерот на сопирачките отпечатен од Volkswagen помина професионални тестови и ги исполни целите за минимална тежина и најголема јачина. Може да се користи и за поправка на автомобилски делови. Покрај тоа, може да се користи и во медицинската област. Легурата на титаниум е најчесто користениот материјал за забни импланти. Традиционалниот метод на производство не е само скап, туку е и единствен по големина и не може да се персонализира. Сега може директно да се користи со скенирање на устата на пациентот, воспоставување на модел на забен имплант и потоа директно печатење со помош на технологија за синтерување на метал, што во голема мера ги намалува трошоците и чекорите на обработка. Исто така, постојат потенцијални области за примена, како што се изработка на некои домашни мебели, играчки и модели на анимација.

2.2 Опрема за печатач и специјализација на материјали

Технологијата за 3D печатење на метал е во рана фаза, со мала и несовршена опрема за печатење, а нејзиниот развој е во тесно грло. Доколку оваа ситуација треба да се подобри, неопходно е да се создаде исплатлива опрема и да се продолжи со проширување на механизмот за печатење. На пример, неопходно е да се спроведат длабинско истражување на механизмите за метално 3D печатење, како што се паралелно печатење, печатење со повеќе материјали, печатење со повеќе млазници, печатење со големи парчиња и континуирано печатење, и да се применат во производството на производи врз основа на ова . Ограничувањата на материјалите за печатење, исто така, го ограничуваат развојот на металното 3D печатење до одреден степен. Во однос на материјалите за печатење, треба да биде можно да се печатат различни материјали и да се печатат различни материјали за различни места. На пример, кобалтните материјали може да се користат во гасни турбини; никелните материјали може да се користат во коморите за согорување; благородни метали може да се користат во интеграција на електронски уреди, како и некои огноотпорни метални материјали како што е волфрам. Новите методи на печатење и печатењето на нови метални материјали ќе бидат жариштата и фокусите на истражувањето во иднина, со цел да се подобри квалитетот и излезот на металното 3D печатење за да се исполни производството во различни сценарија и услови.