Принципы и применение металлических 3D-принтеров

3D-принтеры по металлу, типичный пример технологии аддитивного производства, работают, отменяя традиционную «субтрактивную» логику производства, обеспечивая прямое формирование металлических деталей посредством подхода «послойный-за-слоем». Весь процесс начинается с построения цифровой модели. Дизайнеры используют программное обеспечение для 3D-моделирования для создания цифрового чертежа детали. Затем программное обеспечение делит модель на слои толщиной в сотни или даже тысячи микрон-, при этом 2D-данные каждого слоя точно управляют работой принтера.

В процессе 3D-печати основные компоненты металлического 3D-принтера работают по заранее-заданному пути. При типичном техническом подходе машина сначала наносит на рабочий стол равномерный слой металлического порошка. Размер частиц порошка обычно составляет десятки микрон, что обеспечивает точное формование. Затем высокоэнергетический лазер или электронный луч выборочно сканирует порошок на основе данных о поперечном сечении текущего слоя, мгновенно нагревая порошок до расплавленного состояния и образуя чрезвычайно тонкую ванну расплава. После сканирования слоя расплавленная ванна быстро охлаждается и затвердевает, сливаясь с предварительно-сформированной частью ниже. Деталь, напечатанная на 3D-принтере, образует прочную металлургическую связь. Затем рабочий стол опускается на толщину слоя, и устройство для укладки порошка-наносит новый слой порошка, повторяя процесс плавления и затвердевания до тех пор, пока вся деталь не будет напечатана на 3D-принтере. Этот многослойный метод производства освобождает сложные детали от ограничений традиционных процессов обработки, позволяя формировать уникальные структуры, такие как внутренние полости и переплетенные полости, за один этап.
Чтобы обеспечить качество печати, 3D-принтеры по металлу должны работать в строго контролируемой среде. Большинство устройств имеют герметичную камеру, заполненную инертным газом для предотвращения окисления металлического порошка при высоких температурах. Температура камеры точно контролируется, чтобы минимизировать концентрацию напряжений, вызванную большой разницей температур между слоями. Небольшие изменения таких параметров, как мощность лазера, скорость сканирования и толщина слоя порошка, могут повлиять на качество затвердевания ванны расплава, тем самым изменяя плотность и механические свойства детали. Поэтому оборудование обычно оснащено системой мониторинга-в режиме реального времени, обеспечивающей стабильное состояние формирования каждого слоя.

Металлические 3D-принтеры используются в различных отраслях промышленности. Во многих отраслях промышленности его основное преимущество заключается в решении сложных структур и требований к изготовлению небольших-партий, которые традиционному производству с трудом удается удовлетворить. В аэрокосмической отрасли он используется для изготовления компонентов двигателей со сложными каналами охлаждения, которые сложно сформировать с помощью традиционной ковки или литья.. 3Технология D-печати позволяет распределять каналы охлаждающей жидкости по всей поверхности, что значительно повышает эффективность отвода тепла. Кроме того, за счет топологической оптимизации вес детали может быть уменьшен более чем на 30%, что напрямую снижает расход топлива космического корабля.

Медицина и здравоохранение являются ключевыми сферами применения 3D-принтеров по металлу. На основе данных компьютерной томографии пациента устройство точно печатает имплантаты из титанового сплава, которые идеально соответствуют морфологии кости. Пористая поверхность способствует росту костных клеток, значительно повышая вероятность успеха имплантации. В стоматологии персонализированные коронки, имплантаты и другие реставрации можно изготовить в тот же день и изготовить на следующий день с помощью 3D-печати, что значительно сокращает время ожидания пациентов.

В автомобильной промышленности 3D-печать металлом является ключевым применением. Печатные машины часто используются для быстрой проверки деталей на этапе исследований и разработок. Для новых моделей транспортных средств, систем подвески, компонентов трансмиссии и других компонентов печать позволяет быстро создавать прототипы для испытаний механических характеристик, сокращая цикл исследований и разработок более чем на 50 % по сравнению с традиционным производством с использованием пресс-форм-. Для нишевых применений, таких как гонки, эти машины могут напрямую производить высокопрочные, легкие и нестандартные детали, отвечающие требованиям к производительности в экстремальных условиях эксплуатации.

Промышленность по производству пресс-форм также постепенно внедряет эту технологию. Формы для литья под давлением, созданные с помощью металлических 3D-принтеров, могут включать в себя конформные каналы охлаждения, обеспечивая более равномерное распределение температуры в форме. Это сокращает цикл формования пластиковых изделий на 20-30% и снижает дефекты изделий, вызванные неравномерным охлаждением.

По мере развития технологии границы применения металлических 3D-принтеров продолжают расширяться. От металлических компонентов для художественных инсталляций до деталей, устойчивых к высоким-температурам-для энергетического оборудования, их производственные возможности по принципу «что хочешь, что получаешь» меняют традиционные модели производства и открывают новый технологический путь для персонализированного, высокопроизводительного-производства.