Технологія 3D-друку належить до технологія швидкого прототипування. На відміну від традиційного субтрактивного виробництва, технологія 3D-друку називається адитивна технологія виробництва. Для виготовлення традиційних деталей, як правило, потрібні інструменти та форми, а також складно обробляти деталі складної форми та нерівних поверхонь. Технологія 3D-друку використовує сучасні засоби, такі як комп’ютери, лазери та ЧПК, для створення файлу 3D-моделі деталі, яка буде оброблена на комп’ютері. Після того, як модель побудована, вона імпортується в програмне забезпечення для нарізки для встановлення параметрів обробки, таких як швидкість обробки, висота шару тощо. Після завершення налаштувань її імпортують у 3D-принтер. Принтер підбирає параметри обробки і здійснює обробку об'єкта, друкуючи матеріал шар за шаром. Матеріали, які використовуються у звичайній технології 3D-друку, зазвичай це смоли, PLA, ABS-пластики тощо, тоді як матеріали, що використовуються в технології 3D-друку з металу, це метали або сплави. Відповідно до різних процесів 3D-друку металу, його можна приблизно розділити на технологію селективного лазерного спікання (SLS), технологію селективного лазерного плавлення (SLM), технологію селективного плавлення електронного променя (EBSM), технологію лазерного формування майже сітки (LENS), технологія прямого лазерного спікання металів (DMLS) та інші нові технології. Технологія 3D-друку з металу широко використовується в багатьох галузях, таких як точне виробництво, аерокосмічне та медичне обладнання, завдяки її здатності обробляти деталі будь-якої форми.

З розвитком суспільства та постійним прогресом науки й техніки технологія 3D-друку на металі швидко зайняла важливе місце в металообробній промисловості завдяки високому коефіцієнту використання матеріалу, короткому виробничому циклу та високій гнучкості. Технологія 3D-друку металу може друкувати деякі невеликі, складні та високоточні металеві деталі, тому ця технологія відіграє ключову роль у покращенні якості та ефективності всього промислового виробництва, покращуючи поточний стан виробництва металевих деталей, надаючи більше можливостей у процес виготовлення металевих деталей та сприяння розвитку металообробної промисловості.

1 Застосування технології 3D друку металу

В даний час основними технологіями 3D-друку з металу, які безпосередньо використовуються на ринку для виготовлення металевих деталей, є: селективне лазерне спікання (SLS), селективне лазерне плавлення (SLM), пряме лазерне спікання металу (DMLS), лазерне формування ближньої сітки (LENS) та електронно-променеве селективне плавлення (EBSM).

1.1 Технологія селективного лазерного спікання (SLS).

Технологія вибіркового лазерного спікання (SLS) є першою технологією 3D-друку металу. Використовується металургійний механізм рідкофазного спікання. Використовуваний матеріал являє собою змішаний порошок металу з високою температурою плавлення та металу з низькою температурою плавлення або полімерний матеріал. Під час процесу плавлення порошок металу або полімерного матеріалу з низькою температурою плавлення плавиться, тоді як порошок металу з високою температурою плавлення не плавиться і зберігає своє твердофазне ядро ​​як конструкційний метал. Розплавлений матеріал діє як сполучний метал і утворює рідку фазу під час процесу плавлення для покриття, змочування та зв’язування твердого металу для досягнення ущільнення при спіканні. Весь технологічний пристрій складається з двох частин: порошкового циліндра та формувального циліндра. Під час роботи порошковий циліндр зліва піднімається на один шар, а потім порошковий ролик рівномірно розподіляє шар порошку в формувальному циліндрі. Лазерний промінь, керований комп’ютером, сканує порошок відповідно до розрізаної моделі, так що металевий порошок досягає точки плавлення та спікається для завершення шару деталі. Після завершення формувальний циліндр скидає один шар, а порошковий валик знову розподіляє однорідний шар порошку в формувальному циліндрі для спікання наступного шару. Цей процес повторюється для завершення виготовлення всієї деталі.

Особливості селективного лазерного спікання: Переваги: ​​(1) Можна використовувати різні матеріали. Включаючи полімерні матеріали, металеві порошки, керамічні порошки, нейлонові порошки тощо з високою селективністю. (2) Підтримка не потрібна. Оскільки неспечений порошок може підтримувати згенерований зважений шар під час процесу друку. (3) Високий коефіцієнт використання матеріалу. Під час друку не потрібна підтримка, а ціна матеріалу низька. До недоліків належать: (1) Шорстка поверхня. Поверхня прототипу, виготовленого за допомогою процесу SLS, подрібнена та скріплена та має форму частинок порошку, тому якість поверхні невисока. (2) Під час процесу відчувається запах. Це пояснюється тим, що полімерні матеріали або частинки порошку виділяють запах під час спікання.

1.2 Технологія селективного лазерного плавлення (SLM).

На основі SLS розроблена технологія селективного лазерного плавлення (SLM). Його основний принцип подібний до SLS. Спочатку комп’ютерне програмне забезпечення для 3D-моделювання використовується для побудови моделі, потім програмне забезпечення для зрізів використовується для налаштування параметрів і отримання даних кожного шару, а потім комп’ютер керує лазерним променем для сканування та розплавлення шар за шаром для формування шару. шар за шаром. Слід зазначити, що для запобігання реакції металу з іншими газами при високій температурі процес SLM необхідно проводити в інертному газі. На відміну від процесу SLS, процес SLM вимагає, щоб металевий порошок був повністю розплавлений, а потім охолоджений для формування, тому для сканування порошку потрібен лазер високої щільності.

Особливості селективного лазерного плавлення: Переваги: ​​(1) Порошок повністю розплавляється під час обробки, і не потрібен сполучний матеріал. Таким чином, точність і механічні властивості деталей, утворених обробкою, кращі, ніж утворені SLS. (2) Висока щільність. Діаметр плями лазерного променя хороший, а щільність близька до 100%, що майже дорівнює металургії. (3) Він може просто та безпосередньо виготовляти металеві деталі складної форми. До недоліків належать: (1) Дороге обладнання та складна експлуатація. Для роботи потрібні професіонали. (2) Складна постобробка. Процес SLM вимагає додавання опор, а формовані деталі потребують подальшої обробки, щоб видалити опори.

1.3 Технологія електронно-променевого селективного плавлення (EBSM).

Дві найважливіші частини обладнання EBSM включають електронну гармату та вакуумну камеру. Електронна гармата містить анод, катод, сітку, нитку розжарювання, відхиляючу котушку та фокусувальну котушку. Вакуумна камера містить розпилювач порошку, поршень і ящик для зберігання порошку. Принцип роботи полягає в тому, що нитка у верхній частині електронної гармати (зазвичай вольфрамова нитка) генерує велику кількість гарячих електронів на своїй поверхні в умовах високої температури та випускає їх через катод. У верхній частині сітки є невеликий отвір. Відносне розташування відносно катода може контролювати кількість електронного пучка, що проходить. Під дією прискорення анода він отримує дуже високу кінетичну енергію, яку можна прискорити приблизно до половини або однієї третини швидкості світла. Електронний промінь фокусується фокусуючою котушкою, а потім надходить у відхилюючу котушку. Електронний промінь може бути відхилений відхилювальною котушкою, і порошок вибірково сканується під керуванням комп’ютера. Порошок поміщається в ящик для зберігання пудри. Під час роботи шар порошку рівномірно розподіляється на шар порошку за допомогою розкидача порошку. Порошковий шар попередньо нагрівається за допомогою низькоенергетичного електронного променя з низькою швидкістю сканування, щоб підтримувати температуру нижче температури плавлення металевого порошку. Потім для розплавлення порошку використовується більш висока енергія та швидкість сканування. Коли електронний промінь стикається з металевим порошком, його кінетична енергія перетворюється на теплову, щоб розплавити металевий порошок. Після завершення шару сканування поршень опускається на один шар, і розкидувач порошку знову поширює порошок для попереднього нагрівання та розплавлення нового шару порошку. Цей процес повторюється до повного формування металевої частини. Слід зазначити, що процес EBSM необхідно проводити в умовах вакууму. Після виготовлення деталі пристрій потрібно перемістити в обладнання для постобробки, щоб видалити навколишній порошок шляхом продування стисненим газом для отримання остаточного відбитка, а порошок, що залишився, можна використовувати повторно.

Характеристики електронно-променевого селективного плавлення: Переваги: ​​(1) Технологія EBSM має високу температуру попереднього нагріву в умовах вакууму, що може розплавити метали з високою точкою плавлення, зменшити концентрацію термічної напруги та уникнути згинання та деформації формованих деталей. (2) Під час процесу формування опора не потрібна. Неспечений порошок використовується як підкладка, і після завершення виробництва потрібно лише здувати порошок. Недоліки: (1) Феномен «роздування порошку». Порошок, розкиданий на порошковому шарі за допомогою розкидача порошку, залишає попередньо нанесене положення під дією електронного променя. Причина цього полягає в тому, що електронний промінь змушує порошок із поганою провідністю нести статичну електрику, а сила відштовхування статичної електрики спричиняє згортання порошку. (2) Явище «сфероїдизації». Це означає, що метал не повністю розплавлений і утворює групу металевих кульок, відокремлених одна від одної. (3) Обладнання має бути завершено в умовах вакууму, з високими витратами на обслуговування, і гамма-промені будуть генеруватися під час процесу осадження електронним променем, що може спричинити витік і забруднювати навколишнє середовище.

1.4 Лазерна технологія Near Net Shape (LENS).

Цю технологію вперше запровадила Національна лабораторія Сандіа в США в минулому столітті. Цей процес поєднує технологію лазерного покриття з технологією селективного лазерного спікання (SLS). Він використовує коаксіальний метод подачі порошку для формування розплавленої ванни за допомогою лазера. Порошок у розплавленому резервуарі плавиться і твердне для досягнення виробництва деталей.

Характеристики лазерної майже чистої форми: Переваги: ​​(1) Технологія LENS використовує швидке плавлення та затвердіння металу, а деталі, отримані шляхом формування, мають високу щільність і хороші механічні властивості. (2) Не потрібна форма, що економить витрати та може реалізувати обробку різнорідних матеріалів. Недоліки: (1) Якість поверхні формованих деталей невисока, поверхня шорстка, термічна напруга велика під час процесу формування, і легко виникають тріщини. (2) Під час процесу формування необхідний захисний газ. У той же час, через використання порошку титанового сплаву, вартість відносно висока.

1.5 Технологія прямого лазерного спікання металу (DMLS).

Технологія DMLS є відгалуженням технології SLS. Він почав формуватися в 1990-х роках. Технологія DMLS безпосередньо використовує металевий порошок для спікання. Відмінність від технології SLM полягає в тому, що технологія SLM вимагає, щоб металевий порошок був повністю розплавлений, тоді як для DMLS потрібно лише досягти спікання.

Характеристики прямого лазерного спікання металу: Переваги: ​​(1) Металеві частини можна спекати безпосередньо (2) Можна використовувати різні матеріали. Наприклад, нержавіюча сталь, на основі кобальту, на основі нікелю тощо. (3) Заготівля, утворена обробкою, має щільну структуру та високу міцність зв’язку. Недоліки: (1) Явище «сфероїдизації». (2) Легко спікатися та деформуватися, а щільність не висока.

1.6 Нові технології

Наприклад, електродугове адитивне виробництво (WAAM), наночастинкове струменеве формування металу (NPJ) і ультразвукова консолідація (UAM) тощо, ці технології мають великий простір для розвитку в майбутньому.

2 Перспективи розвитку технології 3D друку з металу

2.1 Розширення сфер застосування

Сьогодні металевий 3D-друк більше не обмежується сферами механічної обробки та виробництва форм, але також може бути застосований в інших сферах. Його можна застосувати в аерокосмічній сфері. Технологію металевого 3D-друку можна використовувати для заміни деяких пошкоджених частин, таким чином уникаючи дорогої заміни всієї машини та продовжуючи термін її служби. Він також може друкувати ключові компоненти літаків. Наприклад, у листопаді 2018 року металевий 3D-друкований кронштейн двигуна, розроблений GE, був схвалений для використання в авіабудуванні[7]. Його можна застосувати до сфери освіти та навчання. Металевий 3D-друк можна використовувати як навчальний інструмент, який допоможе студентам зрозуміти цю технологію. Він також може друкувати навчальні моделі, щоб допомогти учням зрозуміти модель більш інтуїтивно та покращити якість навчання. Його можна застосувати в автомобільній сфері. У 2017 році гальмівний супорт, надрукований Volkswagen, пройшов професійні випробування та відповідав цілям мінімальної ваги та найвищої міцності. Його також можна використовувати для ремонту автомобільних деталей. Крім того, його можна використовувати і в медичній сфері. Титановий сплав є найбільш часто використовуваним матеріалом для зубних імплантатів. Традиційний метод виготовлення не тільки дорогий, але й одиничний за розміром і не може бути персоналізований. Тепер його можна безпосередньо використовувати шляхом сканування порожнини рота пацієнта, створення моделі зубного імплантату, а потім прямого друку за допомогою технології спікання металу, що значно скорочує вартість і етапи обробки. Існують також потенційні сфери застосування, такі як виготовлення деяких домашніх меблів, іграшок та анімаційних моделей.

2.2 Спеціалізація принтерного обладнання та матеріалів

Технологія 3D-друку з металу знаходиться на ранніх стадіях, з невеликою кількістю недосконалого обладнання для друку, і її розвиток знаходиться на вузькому місці. Якщо цю ситуацію потрібно покращити, необхідно створювати економічне обладнання та продовжувати розширювати механізм друку. Наприклад, необхідно провести поглиблені дослідження механізмів 3D-друку на металі, таких як паралельний друк, друк з кількох матеріалів, друк із кількома соплами, друк великими шматками та безперервний друк, і застосувати їх у виробництві продукції на основі цього. . Обмеження матеріалів для друку також певною мірою обмежують розвиток металевого 3D-друку. З точки зору друкованих матеріалів, має бути можливість друкувати різні матеріали та друкувати різні матеріали для різних місць. Наприклад, кобальтові матеріали можна використовувати в газових турбінах; в камерах згоряння можна використовувати нікелеві матеріали; дорогоцінні метали можна використовувати в інтеграції електронних пристроїв, а також деякі тугоплавкі металеві матеріали, такі як вольфрам. Нові методи друку та друк нових металевих матеріалів будуть гарячими точками та фокусами досліджень у майбутньому з метою покращення якості та продуктивності металевого 3D-друку, щоб відповідати виробництву в різних сценаріях та умовах.