3D-utskriftsteknologi tilhører rask prototyping-teknologi. Forskjellig fra tradisjonell subtraktiv produksjon, kalles 3D-utskriftsteknologi additiv produksjonsteknologi. Produksjonen av tradisjonelle deler krever generelt verktøy og former, og det er vanskelig å behandle deler med komplekse former og ujevne overflater. 3D-utskriftsteknologi bruker moderne midler som datamaskiner, lasere og CNC for å lage en 3D-modellfil av delen som skal behandles i datamaskinen. Etter at modellen er bygget, importeres den inn i slicing-programvaren for å stille inn prosessparametere, som prosesseringshastighet, laghøyde osv. Etter at innstillingene er fullført, importeres den til 3D-printeren. Skriveren fanger opp prosesseringsparametrene og realiserer behandlingen av objektet ved å skrive ut materialet lag for lag. Materialene som brukes i vanlig 3D-utskriftsteknologi er generelt harpiks, PLA, ABS-plast, etc., mens materialene som brukes i metall 3D-utskriftsteknologi er metaller eller legeringsmaterialer. I henhold til de forskjellige metall 3D-utskriftsprosessene, kan den grovt deles inn i selektiv lasersintringsteknologi (SLS), selektiv lasersmelteteknologi (SLM), elektronstråleselektiv smelteteknologi (EBSM), laser near-net shaping-teknologi (LENS), direkte metalllasersintringsteknologi (DMLS) og andre nye teknologier. Metall 3D-utskriftsteknologi har blitt mye brukt i mange felt som presisjonsproduksjon, romfart og medisinsk utstyr på grunn av dens evne til å behandle deler av enhver form.

Med utviklingen av samfunnet og den kontinuerlige utviklingen av vitenskap og teknologi, har metall 3D-utskriftsteknologi raskt inntatt en viktig posisjon i metallindustrien med sin høye materialutnyttelsesgrad, korte produksjonssyklus og høye fleksibilitet. Metall 3D-utskriftsteknologi kan skrive ut noen små, komplekse og høypresisjonsmetalldeler, så denne teknologien spiller en nøkkelrolle i å forbedre kvaliteten og effektiviteten til hele industriproduksjonen, forbedre dagens status for produksjon av metalldeler, og gi flere muligheter i prosessen med å produsere metalldeler, og fremme utviklingen av metallindustrien.

1 Anvendelse av metall 3D-utskriftsteknologi

For tiden er de vanlige metall 3D-utskriftsteknologiene som brukes direkte i markedet for produksjon av metalldeler: selektiv lasersintring (SLS), selektiv lasersmelting (SLM), direkte metalllasersintring (DMLS), laser nær nettforming (LENS)og elektronstråleselektiv smelting (EBSM).

1.1 Selektiv lasersintring (SLS) teknologi

Selektiv lasersintringsteknologi (SLS) er den tidligste 3D-utskriftsteknologien av metall. Den metallurgiske mekanismen som brukes er væskefasesintringsmekanismen. Materialet som brukes er et blandet pulver av metall med høyt smeltepunkt og metall eller polymermateriale med lavt smeltepunkt. Under smelteprosessen smelter metall- eller polymermaterialpulveret med lavt smeltepunkt, mens metallpulveret med høyt smeltepunkt ikke smelter og beholder sin fastfasekjerne som et strukturelt metall. Det smeltede materialet fungerer som et bindemetall og genererer en flytende fase under smelteprosessen for å dekke, fukte og binde fast metall for å oppnå sintringsfortetting. Hele prosessanordningen består av to deler: en pulversylinder og en støpesylinder. Under drift stiger pulversylinderen til venstre ett lag, og deretter sprer pulvervalsen et lag med pulver jevnt i støpesylinderen. Laserstrålen kontrollert av datamaskinen skanner pulveret i henhold til skivemodellen, slik at metallpulveret når smeltepunktet og sintring for å fullføre et lag av delen. Etter ferdigstillelse faller støpesylinderen ett lag, og pulvervalsen vil spre et jevnt lag med pulver i støpesylinderen igjen for å sintre neste lag. Denne prosessen gjentas for å fullføre produksjonen av hele delen.

Egenskaper ved selektiv lasersintring: Fordeler: (1) En rekke materialer kan brukes. Inkludert polymermaterialer, metallpulver, keramisk pulver, nylonpulver, etc., med sterk selektivitet. (2) Ingen støtte er nødvendig. Fordi det usintrede pulveret kan støtte det genererte suspenderte laget under utskriftsprosessen. (3) Høy materialutnyttelsesgrad. Ingen støtte er nødvendig under utskriftsprosessen, og materialprisen er lav. Ulemper inkluderer: (1) Ru overflate. Overflaten til prototypen produsert ved SLS-prosessen er pulverisert og bundet, og er i form av pulverpartikler, så overflatekvaliteten er ikke høy. (2) Det er en lukt under prosessen. Dette er fordi polymermaterialer eller pulverpartikler vil avgi en lukt under sintring.

1.2 Selektiv lasersmelting (SLM) teknologi

Selektiv lasersmelting (SLM) teknologi er utviklet på grunnlag av SLS. Dets grunnleggende prinsipp ligner på SLS. Først brukes datamaskinens 3D-modelleringsprogramvare til å bygge modellen, deretter brukes skiveprogramvaren til å justere parametrene og hente dataene for hvert lag, og deretter kontrollerer datamaskinen laserstrålen for å skanne og smelte lag for lag for å danne lag for lag. Det skal bemerkes at for å forhindre at metallet reagerer med andre gasser ved høy temperatur, må SLM-prosessen utføres under inertgass. I motsetning til SLS-prosessen, krever SLM-prosessen at metallpulveret smeltes fullstendig og deretter avkjøles for å dannes, så det kreves en laser med høy effekttetthet for å skanne pulveret.

Egenskaper ved selektiv lasersmelting: Fordeler: (1) Pulveret smeltes fullstendig under behandlingen og det kreves ikke noe bindemateriale. Derfor er presisjonen og de mekaniske egenskapene til delene som dannes av behandlingen bedre enn de som dannes av SLS. (2) Høy tetthet. Laserstrålepunktdiameteren er fin og tettheten er nær 100 %, noe som er nesten lik metallurgi. (3) Den kan enkelt og direkte produsere metalldeler med komplekse former. Ulemper inkluderer: (1) Dyrt utstyr og kompleks drift. Fagfolk er pålagt å operere. (2) Kompleks etterbehandling. SLM-prosessen krever tillegg av støtter, og de støpte delene må etterbehandles for å fjerne støttene.

1.3 Elektronstråleselektiv smelting (EBSM) teknologi

De to viktigste delene av EBSM-utstyret inkluderer elektronkanonen og vakuumkammeret. Elektronkanonen inkluderer en anode, en katode, et gitter, en filament, en avbøyningsspole og en fokuseringsspole. Vakuumkammeret inkluderer en pulverspreder, et stempel og en pulveroppbevaringsboks. Arbeidsprinsippet er at filamentet på toppen av elektronkanonen (vanligvis en wolframfilament) genererer et stort antall varme elektroner på overflaten under høye temperaturforhold og sender dem ut gjennom katoden. Det er et lite hull på toppen av rutenettet. Den relative posisjonen med katoden kan kontrollere mengden elektronstråle som passerer gjennom. Under anodens akselerasjon oppnår den en meget høy kinetisk energi, som kan akselereres til omtrent en halv til en tredjedel av lysets hastighet. Elektronstrålen fokuseres av fokuseringsspolen og går deretter inn i avbøyningsspolen. Elektronstrålen kan avledes av avbøyningsspolen og pulveret skannes selektivt under kontroll av datamaskinen. Pulveret legges i pulveroppbevaringsboksen. Under drift spres et lag med pulver jevnt på pulverbedet av pulversprederen. Pulverlaget forvarmes av en lavenergi-elektronstråle med lav skanningshastighet for å holde temperaturen under smeltepunktet til metallpulveret. Deretter brukes en høyere energi og skannehastighet for å smelte pulveret. Når elektronstrålen kolliderer med metallpulveret, omdannes dens kinetiske energi til varmeenergi for å smelte metallpulveret. Etter å ha fullført et lag med skanning, synker stempelet ett lag, og pulversprederen sprer pulver igjen for å forvarme og smelte det nye pulverlaget. Denne prosessen gjentas til metalldelen er fullstendig dannet. Det skal bemerkes at EBSM-prosessen må utføres under vakuumforhold. Etter at delen er laget, må enheten flyttes inn i etterbehandlingsutstyret for å fjerne det omkringliggende pulveret ved å blåse komprimert gass for å oppnå det endelige trykket, og det gjenværende pulveret kan gjenbrukes.

Egenskaper ved selektiv smelting av elektronstråler: Fordeler: (1) EBSM-teknologi har høy forvarmingstemperatur under vakuumforhold, som kan smelte metaller med høyt smeltepunkt, redusere termisk spenningskonsentrasjon og unngå bøyning og deformasjon av støpte deler. (2) Ingen støtte er nødvendig under støpeprosessen. Usintret pulver brukes som støtte, og etter at produksjonen er ferdig er det kun pulveret som skal blåses bort. Ulemper: (1) "Powder blowing"-fenomen. Pulveret som spres på pulverbedet ved pulversprederen forlater den forhåndslagte posisjonen under påvirkning av elektronstrålen. Grunnen til dette er at elektronstrålen får pulveret med dårlig ledningsevne til å bære statisk elektrisitet, og frastøtende kraften til statisk elektrisitet får pulveret til å kollapse. (2) "Sfæroidisering"-fenomen. Det refererer til at metallet ikke er fullstendig smeltet og danner en gruppe metallkuler skilt fra hverandre. (3) Utstyret må fullføres under vakuumforhold, med høye vedlikeholdskostnader, og gammastråler vil bli generert under elektronstråleavsetningsprosessen, noe som kan forårsake lekkasje og forurense miljøet.

1.4 Laser Near Net Shape (LENS) teknologi

Denne teknologien ble først introdusert av Sandia National Laboratory i USA i forrige århundre. Denne prosessen kombinerer laserkledningsteknologi med selektiv lasersintringsteknologi (SLS). Den bruker en koaksial pulvermatingsmetode for å danne et smeltet basseng med laseren. Pulveret i smeltebassenget smelter og stivner for å oppnå produksjon av deler.

Karakteristikk av laser nær nettoform: Fordeler: (1) LENS-teknologi bruker rask metallsmelting og størkning, og delene som oppnås ved støping har høy tetthet og gode mekaniske egenskaper. (2) Ingen form er nødvendig, noe som sparer kostnader og kan realisere behandlingen av heterogene materialer. Ulemper: (1) Overflatekvaliteten på de støpte delene er ikke høy, overflaten er ru, den termiske spenningen er stor under støpeprosessen, og det er lett å oppstå sprekker. (2) Beskyttelsesgass er nødvendig under støpeprosessen. Samtidig, på grunn av bruken av titanlegeringspulver, er kostnadene relativt høye.

1.5 Direct Metal Laser Sintering (DMLS) teknologi

DMLS-teknologi er en gren av SLS-teknologi. Det begynte å ta form på 1990-tallet. DMLS-teknologi bruker direkte metallpulver til sintring. Forskjellen fra SLM-teknologien er at SLM-teknologien krever at metallpulveret er fullstendig smeltet, mens DMLS kun trenger å oppnå sintring.

Egenskaper ved direkte metalllasersintring: Fordeler: (1) Metalldeler kan sintres direkte (2) En rekke materialer kan brukes. For eksempel rustfritt stål, koboltbasert, nikkelbasert osv. (3) Arbeidsstykket som dannes ved bearbeiding har en tett struktur og høy bindestyrke. Ulemper: (1) "Sfæroidisering"-fenomen. (2) Lett å sintre og deformere, og tettheten er ikke høy.

1.6 Ny teknologi

For eksempel, elektrisk lysbue additiv produksjon (WAAM), nanopartikkel jet metall forming (NPJ) og ultralyd konsolidering (UAM), etc., disse teknologiene har stort rom for utvikling i fremtiden.

2 Utviklingsmuligheter for 3D-utskriftsteknologi av metall

2.1 Utvidelse av søknadsfelt

I dag er 3D-utskrift av metall ikke lenger begrenset til feltene mekanisk formbehandling og produksjon, men kan også brukes på andre felt. Det kan brukes på romfartsfeltet. Metall 3D-utskriftsteknologi kan brukes til å erstatte noen skadede deler, og dermed unngå høy kostnadsutskifting av hele maskinen og forlenge levetiden. Den kan også skrive ut nøkkelkomponenter til fly. For eksempel, i november 2018, ble den 3D-printede metallbraketten utviklet av GE godkjent for bruk i flyproduksjon[7]. Det kan brukes på feltet utdanning og undervisning. Metall 3D-printing kan brukes som et undervisningsinstrument for å veilede elevene til å forstå denne teknologien. Den kan også skrive ut undervisningsmodeller for å veilede elevene til å forstå modellen mer intuitivt og forbedre kvaliteten på undervisningen. Det kan brukes på bilindustrien. I 2017 besto bremsekaliperen trykket av Volkswagen profesjonelle tester og oppfylte målene om minimumsvekt og høyeste styrke. Den kan også brukes til å reparere bildeler. I tillegg kan den også brukes innen det medisinske feltet. Titanlegering er det mest brukte materialet for tannimplantater. Den tradisjonelle produksjonsmetoden er ikke bare dyr, men også enkel i størrelse og kan ikke tilpasses. Nå kan den brukes direkte ved å skanne pasientens munn, etablere en tannimplantatmodell og deretter skrive den direkte ut ved hjelp av metallsintringsteknologi, noe som i stor grad reduserer kostnadene og prosesstrinnene. Det er også potensielle bruksområder som å lage noen boliginnredninger, leker og animasjonsmodeller.

2.2 Skriverutstyr og materialspesialisering

Metall 3D-utskriftsteknologi er i tidlig fase, med lite og ufullkomment utskriftsutstyr, og utviklingen er på en flaskehals. Hvis denne situasjonen må forbedres, er det nødvendig å lage kostnadseffektivt utstyr og fortsette å utvide utskriftsmekanismen. For eksempel er det nødvendig å foreta dyptgående forskning på mekanismer for 3D-utskrift av metall som parallell utskrift, multi-material printing, multi-dyse printing, large piece printing og kontinuerlig utskrift, og bruke dem på produktproduksjon basert på dette. . Begrensningene til utskriftsmaterialer begrenser også utviklingen av metall 3D-utskrift til en viss grad. Når det gjelder trykkmateriell, skal det være mulig å trykke forskjellige materialer og trykke forskjellige materialer for forskjellige steder. For eksempel kan koboltmaterialer brukes i gassturbiner; nikkelmaterialer kan brukes i forbrenningskamre; edle metaller kan brukes i elektronisk enhetsintegrasjon, så vel som noen ildfaste metallmaterialer som wolfram. Nye utskriftsmetoder og utskrift av nye metallmaterialer vil være forskningshotspots og fokus i fremtiden, med mål om å forbedre kvaliteten og produksjonen av metall 3D-utskrift for å møte produksjon i ulike scenarier og forhold.