Metalinių 3D spausdintuvų principai

Metaliniai 3D spausdintuvai veikia sukepindami, lydydami arba suvirindami metalines medžiagas (pvz., miltelius ar vielą) sluoksnis po sluoksnio, kad trimatį skaitmeninį modelį paverstų vientisa metaline dalimi. Pagrindinį procesą galima suskirstyti į keturis etapus: duomenų paruošimas, medžiagų tiekimas, sluoksnių-pagal-sluoksnių gamyba ir tolesnis{5}}apdorojimas. Ši technologija visiškai įveikia geometrinius tradicinės atimtinės gamybos sudėtingumo apribojimus ir tapo svarbiu gamybos metodu aukštos klasės-srityse, tokiose kaip aviacija, biomedicinos inžinerija ir energetikos įranga. Tolesniuose skyriuose paaiškinami kiekvieno pagrindinio etapo principai ir techninės detalės.

3D modelio apdorojimas: vartotojai kuria modelį naudodami CAD programinę įrangą (pvz., SolidWorks, UG arba CATIA) arba gauna jį 3D skenavimo ar KT rekonstrukcijos būdu. Programinė įranga konvertuoja modelį į spausdintuvo-skaitomą formatą (dažniausiai STL, bet taip pat 3MF arba OBJ) ir ištaiso geometrines klaidas (pvz., skyles, ne{5}}kolektoriaus briaunas, persidengiančius paviršius arba neteisingus normalius). Šis veiksmas yra labai svarbus, nes bet koks modelio defektas gali tiesiogiai sukelti spausdinimo gedimą arba dalies atmetimą. Išplėstinis išankstinis{8}apdorojimas taip pat apima topologijos optimizavimą ir generatyvų dizainą, kad būtų galima žymiai sumažinti svorį ir atitikti stiprumo reikalavimus.

Layer Slicing: Specializuota spausdintuvo programinė įranga (pvz., Materialize Magics, EOSPRINT arba SLM Build Processor) supjausto 3D modelį išilgai vertikalios (Z) ašies į šimtus ar tūkstančius plonų sluoksnių. Sluoksnio storis paprastai yra 20–100 mikrometrų (20–40 μm tikslioms dalims; 60–100 μm didelių konstrukcijų komponentams). Pjaustymo procesas sugeneruoja failą, kuriame yra kontūro informacija, užpildymo keliai, nuskaitymo strategijos ir kiekvieno sluoksnio pagalbinės struktūros, tiksliai nukreipiančios spausdintuvą. Skenavimo strategijos (juostelė, šaškių lenta, spiralė ir kt.) ir energijos tankio parametrai turi didelę įtaką liekamajam įtempimui, tankiui ir paviršiaus kokybei, todėl turi būti optimizuoti pagal medžiagos ir detalės geometriją.

Metalo 3D spausdinimo technologijos skiriasi pagal medžiagos formą ir energijos šaltinį. Pagrindinės kategorijos yra šios:

Powder Bed Fusion (PBF) Šiuo metu tai yra brandžiausia ir{0}}tiksliausia pagrindinė technologija.

Selektyvus lazerinis lydymas (SLM): didelės-galios skaidulinis lazeris (paprastai 200–1000 W; daugialypės -lazerinės sistemos gali pasiekti kelis kilovatus) selektyviai ir visiškai išlydo metalo miltelių sluoksnį pagal pjaustytą kelią. Išlydyta sritis aušinant sukietėja ir sudaro vieną sluoksnį, o neištirpę milteliai tarnauja ir kaip atrama, ir kaip apsauga. Visas procesas vyksta inertinėse dujose (argonu arba azotu), kad būtų išvengta oksidacijos. Tinka titano lydiniams, aliuminio lydiniams, nerūdijančiam plienui, nikelio{7}superlydiniams ir kt., kurių tankis didesnis kaip 99%.

Lydymas elektronų pluoštu (EBM): kaip šilumos šaltinį naudojamas didelės{0}}energijos elektronų pluoštas metalo milteliams pašildyti ir išlydyti didelio{1}}vakuuminėje aplinkoje. Išankstinis pašildymas žymiai sumažina liekamąjį įtampą ir leidžia greičiau pastatyti, todėl ypač tinka titano ortopediniams implantams. Įrangos kaina yra didelė, o paviršiaus šiurkštumas yra santykinai didesnis.

Tiesioginis metalų sukepinimas lazeriu (DMLS): iš esmės panašus į SLM. Istoriškai tai reiškė procesus, kurių metu milteliai buvo tik iš dalies lydomi (sukepinami), tačiau šiandien terminai DMLS ir SLM pramonėje dažnai vartojami pakaitomis. Tinka naudoti su daugybe -medžiagų arba dėklų, kuriems taikomi šiek tiek mažesni pilno-lydymosi reikalavimai.

nukreiptas energijos nusodinimas (DED)

Lazerinis metalo nusodinimas (LMD): tuo pačiu metu tiekiami metalo milteliai arba viela, o lazeris sukuria lydalo telkinį ant pagrindo arba ankstesnio sluoksnio ir nusodina medžiagą. Įgalinamas didelių-dalių remontas, funkcionaliai surūšiuotos medžiagos ir hibridinė priedų{2}}atimama gamyba. Nusėdimo greitis yra daug didesnis nei PBF.

Vielos lanko priedų gamyba (WAAM): Naudojamas elektros lankas kaip šilumos šaltinis metalinei vielai ištirpdyti ir sluoksnis po sluoksnio nusodinti. Maža įrangos kaina, didelis medžiagų panaudojimas ir tinka itin didelėms erdvėlaivių konstrukcijoms, tačiau dėl mažesnio tikslumo ir paviršiaus kokybės paprastai reikia vėliau apdirbti.

Rišiklio purškimas Spausdinimo galvutė selektyviai purškia rišiklį ant metalo miltelių sluoksnio, surišdama miltelius, sudarydama vieną „žalią“ sluoksnį, o nesurišti milteliai veikia kaip atrama. Po spausdinimo dalis yra atrišama (pašalinamas rišiklis) ir aukštoje temperatūroje sukepinamas, kad būtų pasiektas galutinis tankis. Procesas neturi šiluminio įtempio spausdinimo metu, pasižymi dideliu greičiu ir tinka vidutinei-tūrio gamybai, nors sukepinimo susitraukimas turi būti tiksliai kompensuojamas.

Miltelių barstymas / medžiagų padavimas: naudojant miltelių-sluoksnio technologijas, didelio-tikslumo pakartotinio dažymo peiliukas arba volelis paskleidžia vienodą metalo miltelių sluoksnį ant konstrukcijos platformos, atitinkančio pjūvio storį. Miltelių takumas ir dalelių dydžio pasiskirstymas tiesiogiai veikia sluoksnio kokybę. Nusodinant energiją, vielos tiektuvas arba bendraašis / šoninis miltelių antgalis tiekia medžiagą tiksliai į lydalo baseiną.

Energijos įvedimas ir lydymas: lazeris, elektronų pluoštas arba lankas dideliu greičiu nuskaito medžiagą užprogramuotu keliu, lokaliai ją išlydydamas arba sukepindamas, kad susidarytų plonas sluoksnis, tiksliai atitinkantis pjūvio kontūrą. Lydymosi-baseino temperatūra, dydis ir aušinimo greitis yra tiksliai valdomi pagal galią, nuskaitymo greitį ir dėmės skersmenį, kurie lemia mikrostruktūrą ir defektų lygius.

Klijavimas tarp sluoksnių: užbaigus kiekvieną sluoksnį, platforma sumažėja vienu sluoksnio storiu (arba miltelių sluoksnis pakyla), paskleidžiamas naujas miltelių sluoksnis ir lydymosi procesas kartojamas. Sluoksniai sujungiami metalurginiu ryšiu, kad susidarytų ištisinė trimatė kieta medžiaga. Šiuolaikinės sistemos dažnai apima baseino stebėjimą realiuoju laiku-lydymosi-laiku, naudojant didelės spartos kameras, infraraudonųjų spindulių pirometriją arba optinę tomografiją.

Atraminės konstrukcijos: perdangoms, skylėms ir didelėms nuožulnioms konstrukcijoms turi būti suprojektuotos nuimamos atraminės konstrukcijos, kad būtų išvengta deformacijos ar griuvimo veikiant gravitacijai lydymosi metu. Pagalbinis dizainas ir pašalinimas daro didelę įtaką galutinei kainai ir paviršiaus kokybei.

Post{0}}apdorojimas yra nepakeičiamas metalo 3D spausdinimo etapas ir dažnai sudaro 30–50 % visų išlaidų.

Atramos nuėmimas ir valymas: atramos pašalinamos mechaniniu pjovimu, vielos EDM, cheminiu tirpinimu arba rankiniu būdu. Neišsilydę milteliai (miltelių-sluoksnio apdorojimas) arba purslų perteklius (DED) kruopščiai išvalomi. Miltelių regeneravimo sistemos leidžia perdirbti daugumą nepanaudotų miltelių.

Terminis apdorojimas: atkaitinimas-, apdorojimas tirpalu, senėjimas arba karštasis izostatinis presavimas (HIP) pašalina liekamuosius įtempimus, uždaro poras ir homogenizuoja mikrostruktūrą, žymiai pagerindamas kietumą, stiprumą, kietumą ir nuovargį. HIP tapo standartiniu svarbių kosmoso dalių procesu.

Paviršiaus apdorojimas: Smėliavimas, šlifavimas, poliravimas, elektrocheminis poliravimas, dengimas arba dengimas pagerina paviršiaus kokybę, sumažina šiurkštumą ir atitinka surinkimo bei išvaizdos reikalavimus.

Apdirbimas: Kritiniai sujungimo matmenys, srieginės skylės ir sandarinimo paviršiai apdorojami CNC apdirbimu, kad galutiniai leistini nuokrypiai atitiktų projektavimo specifikacijas. Daugelis aukščiausios klasės{1}}programų naudoja hibridinį „pridėjimo ir atimties“ gamybos metodą.

Privalumai: laisvos-formos sudėtingų konstrukcijų gamyba be formų, idealiai tinka pritaikyti ir mažo{1}}–-vidutinio tūrio, didelio{3}}mišinio gamybai. Didelis medžiagų panaudojimas (miltelių-sluoksnio apdorojimas gali viršyti 90 proc., gerokai pranašesnis už aukštą tradicinio titano apdirbimo-ir{8}}skraidinimo santykį), sumažinant brangių metalų švaistymą. Įgalina lengvą dizainą (grotelių struktūros, topologijos optimizavimas), kuris atitinka dvigubus svorio mažinimo ir didelio našumo reikalavimus aviacijos ir panašiose srityse. Leidžia daug konsoliduoti dalis, sumažinant surinkimo žingsnius ir padidinant patikimumą.

Apribojimai: didelės pramoninės įrangos kapitalo sąnaudos (nuo šimtų tūkstančių iki kelių milijonų RMB) ir santykinai lėtas kūrimo greitis šiuo metu daro technologiją mažiau tinkama labai didelio masto paprastų dalių gamybai. Pagaminto paviršiaus šiurkštumas ir matmenų tikslumas paprastai yra mažesni už tradicinį CNC apdirbimą ir priklauso nuo tolesnio apdorojimo. Metalo milteliai kelia sprogimą, oksidaciją ir pavojų sveikatai, todėl reikalaujama griežtos apsaugos nuo inertinių{5}dujų ir dulkių kontrolės. Medžiagų įvairovės ir proceso{7}}parametrų duomenų bazės vis dar plečiamos, o sertifikavimo ciklai išlieka gana ilgi.

Gaminant skaitmeninį{0}}sluoksnį-, metalo 3D spausdintuvai įveikė tradicinio apdirbimo sudėtingumo kliūtis ir pateikė revoliucinius sprendimus aviacijos ir kosmoso (variklio komponentų, palydovų konstrukcijų), medicinos (pacientų-konkrečių implantų, chirurginių vadovų), įrankių (konformalių aušinimo kanalų), energetikos ir automobilių pramonėje. Sparčiai tobulėjant daugia-lazerinėms sistemoms, in-pažangiam stebėjimui in situ, AI-pagrįstam proceso optimizavimui ir mišrioms gamybos technologijoms, efektyvumas, kaina ir patikimumas toliau gerėja. Ši technologija spartina perėjimą nuo greito prototipų kūrimo prie tiesioginės skaitmeninės gamybos ir serijinės gamybos, todėl ji taps nepakeičiamu aukščiausios- įrangos gamybos ramsčiu.