3D tiskanje kovine s praškom, imenovano BOM, je postopek, ki uporablja podajalnik prahu za transport kovinskega prahu v bazen za lasersko taljenje in uporablja sevanje laserja za taljenje in ponovno kondenzacijo prahu, s čimer neposredno proizvaja kovinske dele. Ima prednosti velike velikosti oblikovanja izdelka, hitre obdelave in zmožnosti doseganja kompleksnega gradientnega tiskanja komponent. Hkrati ima tudi slabosti, kot sta težaven nadzor kakovosti delov in grob videz delov. Ta članek povzema tehnično stanje 3D-tiskanja kovin s polnjenjem prahu in analizira njegovo nadaljnjo razvojno smer.

1 Primerjava več običajnih postopkov 3D tiskanja kovin

Za kovinsko 3D tiskanje so običajno uporabljene procesne metode tiskanje z obločno žico (skrajšano kot WAAM), tiskanje s podajanjem prahu (skrajšano LDM) in tiskanje s polaganjem prahu (SLM). Kratka primerjava njihovih značilnosti in primerne uporabe je prikazana v tabeli 1.

Kot je razvidno iz zgornje tabele, ima tiskanje s podajanjem prahu edinstvene prednosti: lahko zmeša več materialov za dokončanje gradientnega tiskanja, pa tudi velike dele z zahtevami po zmanjšanju teže in strukturo notranjih pretočnih kanalov. Zaradi tega je trenutno nenadomestljiv.

2 Tehnična vprašanja 3D tiskanja s podajanjem prahu in njihovi protiukrepi

2.1 Analiza tehničnih vprašanj 3D-tiskanja s podajanjem prahu

Pri 3D-tisku s podajanjem prahu se med obdelavo laserska točka in šoba za podajanje prahu premikata sinhrono pod pogonom gibalnega mehanizma. Kjer se madež premakne, nastane bazen staline, hkrati pa prah pade v bazen staline, da se oblikuje aditivno tiskan obdelovanec. V procesu tiskanja po določitvi procesnih parametrov je še vedno nekaj vprašanj, ki zahtevajo posebno pozornost:

Tiskanje se pogosto izvaja na podlago; in substrat je sprva hladen. Po določenem obdobju tiskanja imata substrat in na novo natisnjen obdelovanec določeno temperaturo. Hladen substrat neizogibno hitro absorbira veliko količino toplote, kar povzroči nizko temperaturo staljenega bazena med začetno obdelavo. To je glavni dejavnik, ki povzroča težave s kakovostjo v bližini substrata.

Mehanizem gibanja je enakomeren pri linearnem gibanju, ni pa enakomeren pri zavojih in vogalih. Sčasoma bo na zavojih in vogalih nastala tiskovna izboklina; v skladu s tem bo na ravnem tiskarskem delu oblikovan strnjen pas.

Višinska razlika površine obdelovanca bo povzročila, da bo šoba za dovajanje prahu bližje ali dlje od površine obdelovanca. Odboj svetlobe od staljenega bazena bo povzročil, da se prah stopi in ponovno kondenzira na šobi za dovajanje prahu, da nastanejo aglomerati. Ko aglomerati padejo v bazen staline, bodo povzročili posamezne štrline na površini obdelovanca, kjer se zlahka oblikujejo pore; dolgotrajna prisotnost aglomeratov na šobi zlahka povzroči, da se šoba zamaši, zaradi česar se parametri dovajanja prahu pasivno spremenijo.

Izbokline in vdolbine na površini obdelovanca povzročijo spremembo stanja ostrenja laserja na površini obdelovanca, kar bo vplivalo na učinek laserja na površino obdelovanca in nato povzročilo spremembo gostote moči laserja med obdelavo obdelovanca.

Pasivno spreminjanje procesnih parametrov zaradi nezadovoljivega površinskega stanja obdelovanca je glavni dejavnik pri nastanku razpok obdelovanca.

Zato sta pod pogojem razumnih nastavitev procesnih parametrov nezadovoljiv postopek podajanja prahu in neenakomerna hitrost premikanja točke med 3D-tiskanjem glavna bistvena dejavnika, ki povzročata napake obdelovanca. Hitrost gibanja svetlobne točke je omejena z dinamičnimi odzivnimi lastnostmi mehanske strukture in je nemogoče doseči popolnoma idealno stanje; nastajanje aglomeratov na šobi za dovajanje prahu, odpadanje aglomeratov in zamašitev šobe za dovajanje prahu so prav tako naključni pojavi brez posebnih pravil. Obe točki je težko obravnavati neposredno.

2.2 Protiukrepi za težave pri 3D tiskanju s praškom

V trenutnih inženirskih aplikacijah se dvojni kolorimetrični temperaturni senzorji ali kamere za zaznavanje bazena staline pogosto uporabljajo za spremljanje temperature ali morfologije bazena staline in za izvajanje zaprtozančnega nadzora moči laserja, kar je koristno za izravnavo vpliva hladnega stanja substrat na staljenem bazenu.

Brez upoštevanja temperature podlage je iz analize 2.1 razvidno, da bosta stabilnost hitrosti gibanja svetlobne točke in pasivna sprememba stanja dovajanja prahu vplivala na bazen staline in s tem povzročila napake v kakovosti. Ker je pasivne spremembe hitrosti gibanja svetlobne točke in parametrov stanja dovajanja prahu težko upravljati neposredno v inženirski praksi, je mogoče bazen staline prilagoditi tudi v koristno smer s spremljanjem stanja bazena staline in ustreznim nadzorom drugih parametrov procesa.

Svetlobna točka se na vogalu premika počasneje, kar bo povzročilo, da bo laser dlje časa deloval na površino obdelovanca, zato se bo temperatura bazena staline ustrezno povečala. Nasprotno pa mora biti pri ravnih odsekih temperatura bazena s stalino nekoliko nižja od temperature vogala.

Ko se površina obdelovanca zruši, ko gre svetlobna točka skozi zloženo območje, se laserska energija razprši na bazen staline, ker je konvergenčna točka laserja po prehodu skozi lečo za fokusiranje nad površino obdelovanca in temperatura obdelovanca Nizek bo tudi bazen staljene vode.

Na podlagi zgornje analize, pri čemer je za primer zaznavanje temperature bazena staline, je mogoče izpeljati novo strategijo nadzora – s spremljanjem temperature bazena staline, ko je prvih nekaj plasti substrata hladnih, se temperatura bazena staline spremljanje se uporablja kot vhod za izvedbo zaprtozančnega nadzora laserske moči za izravnavo vpliva hladnega stanja substrata na bazen staline; in ko temperatura substrata preide v vroče stanje, ko se zazna, da je temperatura staljenega bazena prenizka, to pomeni, da svetlobna točka prehaja skozi zrušeno območje. Glede na odstopanje med ciljno temperaturo in idealno temperaturo je oprema nadzorovana za zmanjšanje razmerja hitrosti gibanja v skladu z določenimi pravili, da se podaljša čas delovanja laserja na površini obdelovanca in čas za padec prahu, ki se lahko samodejno napolni porušeno območje.

Pravzaprav taljeni bazen ni statičen, kot je vrela voda. Pod udarom laserja se staljena kovina na dnu še naprej kotali navzgor. Temperatura staljene kovine, ki se kotali z dna, mora biti nižja od prvotne temperature staljene kovine na površini, kar bo povzročilo določeno odstopanje pri merjenju temperature bazena staline. Poleg tega, če se za spremljanje morfologije bazena staline uporablja kamera, je površinska morfologija bazena staline prav tako nestabilna zaradi kotaljenja in valovanja bazena staline, pa tudi zaradi učinka pihanja plina za dovajanje prahu in zaščitnega plina na staljeni bazen. Zato je treba pri načrtovanju regulacijskega algoritma posvetiti pozornost filtriranju in povprečenju, da se izognemo škodljivim učinkom odstopanja meritev na krmiljenje z zaprto zanko.

3 Industrijski obeti 3D tiskanja z dovajanjem prahu

Trenutno se tiskanje z žičnim oblokom (WAAM) hitro razvija zaradi svoje visoke hitrosti in zmogljivosti nekaterih delov, ki celo presegajo tradicionalne ulitke; SLM se hitro širi zaradi svojih finih delov, izjemnega zmanjšanja teže obdelovancev z zahtevami po notranji strukturi in skoraj nobene ročne udeležbe v proizvodnem procesu po določitvi procesnih parametrov; medtem ko je tiskanje s podajanjem prahu (LDM) postopoma izrinjeno, ker zahteva več ročnega posredovanja v procesu obdelave in ni posebej izstopajoče v hitrosti izdelave. Vendar pa je tisk z dovajanjem prahu nenadomestljiv: gradientne funkcionalne dele s spreminjajočimi se komponentami tiska in velike strukturne dele s posebnimi komponentami je mogoče dokončati samo s tiskom s podajanjem prahu. Poleg tega lahko značilnosti tiskanja z dovajanjem prahu, ki lahko kadar koli prilagodi sestavo delov, razvijejo visoko zmogljivo opremo za testiranje materialov za razvoj novih materialov, kar je velikega pomena za razvoj domače znanosti o materialih. Zato ima tiskanje s polnjenjem prahu (LDM) svoj specifični razvojni prostor in potrebo.

S primerjavo treh procesov 3D-tiskanja, navedenih v tabeli 1, je slabost 3D-tiskanja z dovajanjem prahu (LDM) v primerjavi s tiskanjem z žičnim oblokom (WAAM) hitrost obdelave, slabost v primerjavi s 3D-tiskanjem s polaganjem prahu (SLM) pa je natančnost dela; hitrost obdelave 3D-tiskanja s podajanjem prahu je težko doseči obsežno izboljšavo, toda z izboljšanjem natančnosti delov se bodo scenariji uporabe 3D-tiskanja s podajanjem prahu (LDM) hitro razširili. Združevanje 3D-tiskanja s podajanjem prahu s tradicionalnim rezkanjem in rezanjem, načrtovanje in izdelava večpostajne aditivne in subtraktivne integrirane opreme, uresničevanje menjave aditivnega tiskanja in subtraktivne proizvodnje. Medtem ko ena postaja izvaja 3D tiskanje ali rezkanje in rezanje s praškom, se druge postaje uporabljajo za hlajenje natisnjenih obdelovancev, da počakajo na rezkanje in rezanje. Z uporabo nabora dodatne in subtraktivne opreme za izmenično izvajanje aditivnega tiska ter rezkanja in rezanja na več delih se proizvodna učinkovitost ne bo bistveno zmanjšala, medtem ko se bo izboljšala natančnost delov izdelka. To bo ustvarilo izjemno prednost pred 3D tiskanjem s polaganjem prahu (SLM) in močno razširilo scenarije uporabe 3D tiskanja s podajanjem prahu (LDM).

Integracija 3D-tiskanja s podajanjem prahu ter rezkanja in rezanja je težavna točka. Rešiti je treba probleme prostorskega pozicioniranja izdelka in koordinatnega preoblikovanja v procesu aditivnega in subtraktivnega. To zahteva razvoj in inovacije pri razvoju programske opreme za načrtovanje poti; prav tako je treba rešiti problem kombinacije procesa med aditivnim in subtraktivnim: na primer, rezalne tekočine ni mogoče uporabiti v procesu rezkanja in rezanja, sicer bo preostala rezalna tekočina vplivala na sestavo dela v naslednjem postopku tiskanja.

4 Zaključek

3D tiskanje z dovajanjem prahu ima prednosti visoke hitrosti tiskanja, načeloma neomejene velikosti delov in gradientnega tiska, zaradi česar je nenadomestljiv na področju 3D tiskanje. Ciljno usmerjene raziskave tehnologije nadzora staljenega bazena ter tehnologije aditivnih in subtraktivnih materialov za 3D-tiskanje s polnjenjem prahu lahko zmanjšajo odvisnost 3D-tiskanja s polnjenjem prahu od osebja v procesu, učinkovito razširijo scenarije uporabe 3D-tiskanja s polnjenjem prahu in prinesejo obsežne družbene koristi.