Teknolohiya sa pag-print ng 3D nabibilang sa mabilis na teknolohiya ng prototyping. Iba sa tradisyunal na subtractive manufacturing, ang 3D printing technology ay tinatawag teknolohiya sa paggawa ng additive. Ang paggawa ng mga tradisyonal na bahagi ay karaniwang nangangailangan ng mga kasangkapan at amag, at mahirap iproseso ang mga bahagi na may kumplikadong mga hugis at hindi pantay na ibabaw. Gumagamit ang teknolohiya ng 3D printing ng mga makabagong paraan tulad ng mga computer, laser at CNC upang lumikha ng 3D model file ng bahaging ipoproseso sa computer. Matapos mabuo ang modelo, ini-import ito sa software ng slicing upang itakda ang mga parameter ng pagproseso, tulad ng bilis ng pagproseso, taas ng layer, atbp. Pagkatapos makumpleto ang mga setting, ini-import ito sa 3D printer. Kinukuha ng printer ang mga parameter ng pagproseso at napagtanto ang pagproseso ng bagay sa pamamagitan ng pag-print ng materyal na layer sa pamamagitan ng layer. Ang mga materyales na ginagamit sa ordinaryong 3D na teknolohiya sa pag-imprenta ay karaniwang mga resin, PLA, ABS na plastik, atbp., habang ang mga materyales na ginagamit sa metal na 3D printing technology ay mga metal o alloy na materyales. Ayon sa iba't ibang mga proseso ng pag-print ng 3D na metal, maaari itong halos nahahati sa selective laser sintering technology (SLS), selective laser melting technology (SLM), electron beam selective melting technology (EBSM), laser near-net shaping technology (LENS), direct metal laser sintering technology (DMLS) at iba pang mga bagong teknolohiya. Ang teknolohiyang metal 3D printing ay malawakang ginagamit sa maraming larangan tulad ng precision manufacturing, aerospace, at medikal na kagamitan dahil sa kakayahan nitong magproseso ng mga bahagi ng anumang hugis.

Sa pag-unlad ng lipunan at patuloy na pag-unlad ng agham at teknolohiya, ang teknolohiya ng metal na 3D printing ay mabilis na sumakop sa isang mahalagang posisyon sa industriya ng pagmamanupaktura ng metal na may mataas na rate ng paggamit ng materyal, maikling yugto ng pagmamanupaktura, at mataas na kakayahang umangkop. Ang teknolohiya sa pag-print ng metal 3D ay maaaring mag-print ng ilang maliit, kumplikado, at mataas na katumpakan na mga bahagi ng metal, kaya ang teknolohiyang ito ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa pagpapabuti ng kalidad at kahusayan ng buong pang-industriya na produksyon, pagpapabuti ng kasalukuyang katayuan ng pagmamanupaktura ng mga bahagi ng metal, na nagbibigay ng higit pang mga posibilidad sa ang proseso ng pagmamanupaktura ng mga bahagi ng metal, at pagtataguyod ng pag-unlad ng industriya ng pagmamanupaktura ng metal.

1 Application ng metal 3D printing technology

Sa kasalukuyan, ang mga pangunahing teknolohiya sa pag-print ng 3D na metal na direktang ginagamit sa merkado para sa paggawa ng mga bahagi ng metal ay: selective laser sintering (SLS), selective laser melting (SLM), direktang metal laser sintering (DMLS), laser near net shaping (LENS), at electron beam selective melting (EBSM).

1.1 Selective laser sintering (SLS) na teknolohiya

Ang teknolohiyang selective laser sintering (SLS) ay ang pinakaunang teknolohiya sa pagpi-print ng 3D na metal. Ang ginamit na mekanismo ng metalurhiko ay ang mekanismo ng sintering na bahagi ng likido. Ang materyal na ginamit ay isang halo-halong pulbos ng mataas na punto ng pagkatunaw ng metal at mababang punto ng pagkatunaw ng metal o polymer na materyal. Sa panahon ng proseso ng pagkatunaw, ang mababang punto ng pagkatunaw ng metal o polymer na materyal na pulbos ay natutunaw, habang ang mataas na punto ng pagkatunaw ng metal na pulbos ay hindi natutunaw at pinapanatili ang solidong bahagi ng core nito bilang isang istrukturang metal. Ang natunaw na materyal ay gumaganap bilang isang bonding metal at bumubuo ng isang likidong bahagi sa panahon ng proseso ng pagkatunaw upang takpan, basa at i-bond ang solid na metal upang makamit ang sintering densification. Ang buong proseso ng device ay binubuo ng dalawang bahagi: isang powder cylinder at isang molding cylinder. Sa panahon ng operasyon, ang powder cylinder sa kaliwa ay tumataas ng isang layer, at pagkatapos ay ang powder roller ay kumakalat ng isang layer ng powder nang pantay-pantay sa molding cylinder. Ang laser beam na kinokontrol ng computer ay nag-scan ng pulbos ayon sa hiniwang modelo, upang ang metal na pulbos ay umabot sa punto ng pagkatunaw at sintering upang makumpleto ang isang layer ng bahagi. Pagkatapos makumpleto, ang molding cylinder ay bumaba ng isang layer, at ang powder roller ay magkakalat ng isang pare-parehong layer ng powder sa molding cylinder muli upang sintero ang susunod na layer. Ang prosesong ito ay paulit-ulit upang makumpleto ang produksyon ng buong bahagi.

Mga tampok ng selective laser sintering: Mga Bentahe: (1) Maaaring gamitin ang iba't ibang materyales. Kabilang ang mga polymer na materyales, metal powder, ceramic powder, nylon powder, atbp., na may malakas na selectivity. (2) Walang kinakailangang suporta. Dahil kayang suportahan ng unsintered powder ang nabuong suspended layer sa panahon ng proseso ng pag-print. (3) Mataas na rate ng paggamit ng materyal. Walang kinakailangang suporta sa panahon ng proseso ng pag-print, at mababa ang presyo ng materyal. Kabilang sa mga disadvantage ang: (1) Magaspang na ibabaw. Ang ibabaw ng prototype na ginawa ng proseso ng SLS ay may pulbos at nakagapos, at nasa anyo ng mga particle ng pulbos, kaya ang kalidad ng ibabaw ay hindi mataas. (2) May amoy sa panahon ng proseso. Ito ay dahil ang mga polymer material o powder particle ay maglalabas ng amoy sa panahon ng sintering.

1.2 Selective Laser Melting (SLM) Technology

Ang teknolohiyang selective laser melting (SLM) ay binuo batay sa SLS. Ang pangunahing prinsipyo nito ay katulad ng SLS. Una, ang computer 3D modeling software ay ginagamit upang bumuo ng modelo, pagkatapos ay ang slice software ay ginagamit upang ayusin ang mga parameter at makuha ang data ng bawat layer, at pagkatapos ay kinokontrol ng computer ang laser beam upang i-scan at matunaw ang layer sa pamamagitan ng layer upang mabuo ang patong-patong. Dapat pansinin na upang maiwasan ang pagtugon ng metal sa iba pang mga gas sa mataas na temperatura, ang proseso ng SLM ay kailangang isagawa sa ilalim ng inert gas. Hindi tulad ng proseso ng SLS, ang proseso ng SLM ay nangangailangan ng metal na pulbos na ganap na matunaw at pagkatapos ay palamig upang mabuo, kaya ang isang high-power density laser ay kinakailangan upang i-scan ang pulbos.

Mga tampok ng selective laser melting: Mga Bentahe: (1) Ang pulbos ay ganap na natutunaw sa panahon ng pagproseso at walang bonding material ang kinakailangan. Samakatuwid, ang katumpakan at mekanikal na mga katangian ng mga bahagi na nabuo ng pagproseso ay mas mahusay kaysa sa nabuo ng SLS. (2) Mataas na density. Ang diameter ng laser beam spot ay maayos at ang density ay malapit sa 100%, na halos katumbas ng metalurhiya. (3) Maaari itong simple at direktang gumawa ng mga bahaging metal na may kumplikadong mga hugis. Kabilang sa mga disadvantage ang: (1) Mamahaling kagamitan at kumplikadong operasyon. Ang mga propesyonal ay kinakailangan upang gumana. (2) Kumplikadong post-processing. Ang proseso ng SLM ay nangangailangan ng pagdaragdag ng mga suporta, at ang mga hinulmang bahagi ay kailangang ma-post-proseso upang maalis ang mga suporta.

1.3 Electron beam selective melting (EBSM) na teknolohiya

Kasama sa dalawang pinakamahalagang bahagi ng kagamitan ng EBSM ang electron gun at ang vacuum chamber. Kasama sa electron gun ang anode, cathode, grid, filament, deflection coil, at focusing coil. Kasama sa vacuum chamber ang powder spreader, piston, at powder storage box. Ang prinsipyo ng pagtatrabaho ay ang filament sa tuktok ng electron gun (karaniwan ay isang tungsten filament) ay bumubuo ng isang malaking bilang ng mga mainit na electron sa ibabaw nito sa ilalim ng mga kondisyon ng mataas na temperatura at naglalabas ng mga ito sa pamamagitan ng katod. May maliit na butas sa tuktok ng grid. Ang kamag-anak na posisyon sa katod ay maaaring makontrol ang dami ng electron beam na dumadaan. Sa ilalim ng acceleration ng anode, nakakakuha ito ng napakataas na kinetic energy, na maaaring mapabilis sa halos kalahati hanggang isang-katlo ng bilis ng liwanag. Ang electron beam ay nakatutok sa pamamagitan ng focusing coil at pagkatapos ay pumapasok sa deflection coil. Ang electron beam ay maaaring ilihis ng deflection coil at ang pulbos ay piling ini-scan sa ilalim ng kontrol ng computer. Ang pulbos ay inilalagay sa kahon ng imbakan ng pulbos. Sa panahon ng operasyon, ang isang layer ng powder ay pantay na ikinakalat sa powder bed ng powder spreader. Ang powder bed ay pinainit ng isang low-energy, low-scanning-speed electron beam upang mapanatili ang temperatura sa ibaba ng temperatura ng pagkatunaw ng metal powder. Pagkatapos, ang isang mas mataas na enerhiya at bilis ng pag-scan ay ginagamit upang matunaw ang pulbos. Kapag ang electron beam ay bumangga sa metal powder, ang kinetic energy nito ay na-convert sa heat energy upang matunaw ang metal powder. Pagkatapos makumpleto ang isang layer ng pag-scan, ang piston ay bumaba ng isang layer, at ang powder spreader ay muling kumakalat ng pulbos upang painitin at matunaw ang bagong layer ng pulbos. Ang prosesong ito ay paulit-ulit hanggang sa ganap na mabuo ang bahaging metal. Dapat tandaan na ang proseso ng EBSM ay kailangang isagawa sa ilalim ng mga kondisyon ng vacuum. Pagkatapos gawin ang bahagi, kailangang ilipat ang device sa post-processing equipment upang alisin ang nakapalibot na pulbos sa pamamagitan ng pag-ihip ng compressed gas upang makuha ang huling print, at ang natitirang pulbos ay maaaring magamit muli.

Mga katangian ng electron beam selective melting: Mga Bentahe: (1) Ang teknolohiya ng EBSM ay may mataas na temperatura ng preheating sa ilalim ng mga kondisyon ng vacuum, na maaaring matunaw ang mga high-melting-point na metal, bawasan ang konsentrasyon ng thermal stress, at maiwasan ang pagyuko at pagpapapangit ng mga bahaging hinulma. (2) Walang kinakailangang suporta sa panahon ng proseso ng paghubog. Ang unsintered powder ay ginagamit bilang suporta, at pagkatapos makumpleto ang produksyon, ang pulbos lamang ang kailangang tangayin. Disadvantages: (1) "Powder blowing" phenomenon. Ang pulbos na kumalat sa powder bed ng powder spreader ay umalis sa paunang inilatag na posisyon sa ilalim ng pagkilos ng electron beam. Ang dahilan para dito ay ang electron beam ay nagiging sanhi ng pulbos na may mahinang kondaktibiti upang magdala ng static na kuryente, at ang salungat na puwersa ng static na kuryente ay nagiging sanhi ng pagbagsak ng pulbos. (2) "Spheroidization" phenomenon. Ito ay tumutukoy sa metal na hindi ganap na natutunaw at bumubuo ng isang grupo ng mga metal na bola na hiwalay sa isa't isa. (3) Ang kagamitan ay kailangang kumpletuhin sa ilalim ng mga kondisyon ng vacuum, na may mataas na gastos sa pagpapanatili, at ang gamma ray ay bubuo sa panahon ng proseso ng pagdeposito ng electron beam, na maaaring magdulot ng pagtagas at pagdumi sa kapaligiran.

1.4 Laser Near Net Shape (LENS) Technology

Ang teknolohiyang ito ay unang ipinakilala ng Sandia National Laboratory sa Estados Unidos noong nakaraang siglo. Pinagsasama ng prosesong ito ang teknolohiya ng laser cladding na may teknolohiyang selective laser sintering (SLS). Gumagamit ito ng coaxial powder feeding method para bumuo ng molten pool na may laser. Ang pulbos sa molten pool ay natutunaw at nagpapatigas upang makamit ang produksyon ng mga bahagi.

Mga katangian ng laser na malapit sa hugis ng net: Mga Bentahe: (1) Ang teknolohiya ng LENS ay gumagamit ng mabilis na pagtunaw at solidification ng metal, at ang mga bahagi na nakuha sa pamamagitan ng paghubog ay may mataas na density at magandang mekanikal na katangian. (2) Walang amag ay kinakailangan, na nakakatipid sa mga gastos at maaaring mapagtanto ang pagproseso ng magkakaibang mga materyales. Mga disadvantages: (1) Ang kalidad ng ibabaw ng mga molded na bahagi ay hindi mataas, ang ibabaw ay magaspang, ang thermal stress ay malaki sa panahon ng proseso ng paghubog, at ang mga bitak ay madaling mangyari. (2) Ang proteksiyon na gas ay kinakailangan sa panahon ng proseso ng paghubog. Kasabay nito, dahil sa paggamit ng titanium alloy powder, ang gastos ay medyo mataas.

1.5 Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Technology

Ang teknolohiya ng DMLS ay isang sangay ng teknolohiya ng SLS. Nagsimula itong magkaroon ng hugis noong 1990s. Direktang gumagamit ang teknolohiya ng DMLS ng metal powder para sa sintering. Ang pagkakaiba sa teknolohiya ng SLM ay ang teknolohiya ng SLM ay nangangailangan ng pulbos ng metal na ganap na matunaw, habang ang DMLS ay kailangan lamang upang makamit ang sintering.

Mga katangian ng direktang metal laser sintering: Mga Bentahe: (1) Ang mga bahagi ng metal ay maaaring direktang sintered (2) Ang iba't ibang mga materyales ay maaaring gamitin. Halimbawa, hindi kinakalawang na asero, cobalt-based, nickel-based, atbp. (3) Ang workpiece na nabuo sa pamamagitan ng pagproseso ay may siksik na istraktura at mataas na lakas ng pagbubuklod. Disadvantages: (1) "Spheroidization" phenomenon. (2) Madaling sinter at deform, at ang density ay hindi mataas.

1.6 Mga Bagong Teknolohiya

Halimbawa, ang electric arc additive manufacturing (WAAM), nanoparticle jet metal forming (NPJ) at ultrasonic consolidation (UAM), atbp., ang mga teknolohiyang ito ay may magandang puwang para sa pag-unlad sa hinaharap.

2 Mga prospect ng pag-unlad ng teknolohiya sa pag-print ng metal na 3D

2.1 Pagpapalawak ng mga patlang ng aplikasyon

Sa ngayon, ang metal 3D printing ay hindi na limitado sa mga larangan ng mekanikal na pagpoproseso at pagmamanupaktura ng amag, ngunit maaari ding ilapat sa iba pang larangan. Maaari itong ilapat sa larangan ng aerospace. Maaaring gamitin ang teknolohiyang metal 3D printing upang palitan ang ilang mga sirang bahagi, sa gayon ay maiiwasan ang mataas na gastos na pagpapalit ng buong makina at pagpapahaba ng buhay ng serbisyo nito. Maaari rin itong mag-print ng mga pangunahing bahagi ng sasakyang panghimpapawid. Halimbawa, noong Nobyembre 2018, ang metal 3D printed engine bracket na binuo ng GE ay naaprubahan para gamitin sa paggawa ng sasakyang panghimpapawid[7]. Maaari itong ilapat sa larangan ng edukasyon at pagtuturo. Maaaring gamitin ang metal 3D printing bilang instrumento sa pagtuturo upang gabayan ang mga mag-aaral na maunawaan ang teknolohiyang ito. Maaari din itong mag-print ng mga modelo ng pagtuturo upang gabayan ang mga mag-aaral na maunawaan ang modelo nang mas intuitive at mapabuti ang kalidad ng pagtuturo. Maaari itong ilapat sa larangan ng automotive. Noong 2017, ang brake caliper na inilimbag ng Volkswagen ay pumasa sa mga propesyonal na pagsubok at nakamit ang mga layunin ng pinakamababang timbang at pinakamataas na lakas. Maaari rin itong gamitin para sa pag-aayos ng mga bahagi ng automotive. Bilang karagdagan, maaari rin itong magamit sa larangan ng medikal. Ang titanium alloy ay ang pinakakaraniwang ginagamit na materyal para sa mga implant ng ngipin. Ang tradisyunal na paraan ng pagmamanupaktura ay hindi lamang mahal, ngunit isa ring sukat at hindi maaaring i-personalize. Ngayon ay maaari na itong direktang gamitin sa pamamagitan ng pag-scan sa bibig ng pasyente, pagtatatag ng modelo ng dental implant at pagkatapos ay direktang i-print ito gamit ang metal sintering technology, na lubos na nakakabawas sa gastos at mga hakbang ng pagproseso. Mayroon ding mga potensyal na lugar ng aplikasyon tulad ng paggawa ng ilang kagamitan sa bahay, mga laruan at mga modelo ng animation.

2.2 Mga kagamitan sa printer at espesyalisasyon ng materyal

Ang teknolohiya sa pagpi-print ng metal 3D ay nasa maagang yugto, na may kakaunti at hindi perpektong kagamitan sa pag-print, at ang pag-unlad nito ay nasa isang bottleneck. Kung ang sitwasyong ito ay kailangang mapabuti, ito ay kinakailangan upang lumikha ng cost-effective na kagamitan at patuloy na palawakin ang mekanismo ng pag-print. Halimbawa, kinakailangang magsagawa ng malalim na pananaliksik sa mga mekanismo ng metal na 3D printing gaya ng parallel printing, multi-material printing, multi-nozzle printing, large-piece printing, at tuluy-tuloy na pag-print, at ilapat ang mga ito sa paggawa ng produkto batay dito. . Ang mga limitasyon ng mga materyal sa pag-print ay naghihigpit din sa pagbuo ng metal na 3D printing sa isang tiyak na lawak. Sa mga tuntunin ng mga materyales sa pag-print, dapat na posible na mag-print ng iba't ibang mga materyales at mag-print ng iba't ibang mga materyales para sa iba't ibang mga lugar. Halimbawa, ang mga kobalt na materyales ay maaaring gamitin sa mga gas turbine; ang mga materyales ng nikel ay maaaring gamitin sa mga silid ng pagkasunog; Ang mga mahalagang metal ay maaaring gamitin sa pagsasama ng elektronikong aparato, pati na rin ang ilang mga refractory metal na materyales tulad ng tungsten. Ang mga bagong paraan ng pagpi-print at pag-print ng mga bagong metal na materyales ang magiging mga hotspot at pagtutuunan ng pansin sa hinaharap, na may layuning pahusayin ang kalidad at output ng metal 3D printing upang matugunan ang produksyon sa iba't ibang sitwasyon at kundisyon.