Как работают металлические 3D-принтеры?

Как и все 3D-принтеры, металлические моделируют детали, слой за слоем добавляя материал на основе цифрового 3D-проекта. Поэтому их называют аддитивным производством. Это позволяет создавать сложные формы, которые невозможно сделать традиционными методами, такими как обработка на станках с ЧПУ или литье. Кроме того, для этого не требуется специализированное оборудование, например, пресс-формы. 

Конкретные шаги, которые нужно выполнить каждому металлическому 3D-принтеру для изготовления детали, зависят от используемой технологии.

Послойное синтезирование порошка (Powder bed fusion)

Лазер высокой мощности (в DMLS/SLM) или электронный луч (в EBM) используется для выборочного соединения частиц металлического порошка, слой за слоем формируя металлическую деталь. Производители: EOS, 3D Systems, Renishaw, SLM Solutions, Concept Laser, Arcam.

Струйная связка (Binder jetting)

Частицы металлического порошка связываются клеящим веществом слой за слоем, образуя «зеленую» деталь, которая требует термической постобработки (спекания) для удаления связующего и создания полностью металлической детали. Производители: Desktop Metal, ExOne, Digital Metal, HP.

Экструзия металлического материала (Metal material extrusion)

Нить или стержень, состоящий из полимера и сильно насыщенный металлическим порошком, экструдируется через сопло (как в FDM) для формирования «зеленой» детали, которая затем подвергается постобработке (удалению связующего и спеканию) для создания полностью металлической детали. Производители: Desktop Metal, Markforged.

Наплавка направленным потоком энергии (Direct energy deposition)

Металлический порошок или проволока плавится высокоэнергетическим источником и выборочно наносится слой за слоем. Производители: Optomec, Sciaky.

Ультразвуковое аддитивное производство (Ultrasonic additive manufacturing)

Металлические фольги соединяются слой за слоем с использованием ультразвуковой сварки, а затем формируются по заданной форме с использованием услуг обработки на станках с ЧПУ.

Производители: Fabrisonic.

Другие процессы

За эти годы появились новые системы металлической 3D-печати, основанные на уже известных технологиях, таких как струйное нанесение материалов или SLA. 3D-печать стала применяться для создания оснастки для традиционных методов производства металлов, включая литье в песчаные формы и литье по выплавляемым моделям. Примеры таких производителей — XJet и ExOne. Сегодня самыми популярными методами металлической 3D-печати являются прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и селективное лазерное плавление (SLM). За ними следуют струйная связка и экструзия металла. Чтобы глубже понять механизмы, преимущества, ограничения и возможности каждой технологии, переходите к следующей части руководства. Здесь мы рассмотрим общие аспекты металлической 3D-печати, применимые ко всем процессам, и сравним их с традиционными методами производства. Это даст вам более полное представление о том, как эффективно использовать эту уникальную технологию. Но сначала небольшой урок истории…

Краткая история металлической 3D-печати

• В конце 80-х годов доктор Карл Деккард из Техасского университета разработал первый 3D-принтер для лазерного спекания пластмасс. Это изобретение проложило путь к металлической 3D-печати.

• Первый патент на лазерное плавление металлов был подан в 1995 году Институтом Фраунгофера в Германии. Компании, такие как EOS, и многие университеты возглавили разработку этого процесса.

• В 1991 году доктор Эли Сакс из Массачусетского технологического института представил процесс 3D-печати, который сегодня лучше известен как струйная связка. Лицензия на струйную связку металла была затем выдана ExOne в 1995 году.

• Металлическая 3D-печать медленно, но неуклонно росла в 2000-х годах. Ситуация изменилась после 2012 года, когда начали истекать первоначальные патенты, и крупные инвестиции были сделаны такими компаниями, как GE, HP и DM.

• Сегодня, по оценкам отчета Wohler’s, рынок металлической 3D-печати составляет 720 миллионов долларов и быстро растет. Только в 2017 году продажи металлических 3D-принтеров увеличились на 80%.

Преимущества и ограничения металлической 3D-печати

Важно понимать, что металлическая 3D-печать — это мощный инструмент, обладающий множеством уникальных преимуществ. Тем не менее, ее текущие ограничения не всегда делают ее лучшим вариантом, когда речь идет о производстве металлических деталей. Это наиболее важные преимущества и недостатки металлической 3D-печати. Используйте их, чтобы понять, где находится металлическая 3D-печать сегодня и куда она движется в ближайшем будущем.

Преимущества

Геометрическая сложность без дополнительных затрат

Величайшим преимуществом металлической 3D-печати по сравнению с «традиционным» производством является ее исключительная гибкость дизайна. Поскольку не требуется никакого специального инструментария (например, формы или режущего инструмента), геометрии, которые невозможно изготовить другими процессами, легко поддаются 3D-печати. Что еще более важно, увеличение геометрической сложности детали почти не влияет на ее производственную стоимость. Это означает, что органические, топологически оптимизированные структуры могут использоваться с металлической 3D-печатью для значительного улучшения производительности произведенных деталей.

Оптимизированные легкие конструкции

Большая гибкость дизайна металлической 3D-печати идет рука об руку с созданием легких конструкций. Фактически, следование лучшим практикам проектирования для металлической 3D-печати всегда приводит к легкому решению. Как правило, для этой цели используются передовые методы CAD, такие как топологическая оптимизация и генеративный дизайн. Это приводит к деталям с меньшим весом (обычно на 25-50%) и более высокой жесткостью. Это ключ к высокотехнологичным применениям в таких отраслях, как авиация и космос.

Повышенная функциональность детали

Поскольку доступ к инструментам не является проблемой в металлической 3D-печати, можно производить детали с внутренними структурами. Например, внутренние каналы для конформного охлаждения — отличный способ повысить производительность детали. Сердечники для литья под давлением с конформным охлаждением, изготовленные с помощью DMLS/SLM, могут сократить циклы литья до 70%. Еще один пример повышенной функциональности детали связан с экструзией металла. Используя этот процесс, при необходимости можно создавать специальные приспособления и оснастку со сложной геометрией, повышая эффективность операций других промышленных процессов на производстве.

Объединение узлов в одну деталь

Еще одна большая сила металлической 3D-печати — ее способность объединять узел в одну деталь. Это устраняет необходимость в крепежных элементах и приводит к деталям, которые могут выполнять несколько функций одновременно. Также минимизируются затраты на рабочую силу и сроки выполнения, а также сокращаются требования к техническому обслуживанию и сервису. В качестве дополнительного преимущества, сокращение общего количества деталей является еще одним методом создания легких конструкций.

Упрощенные производственные цепочки поставок

Даже если деталь со сложной геометрией может быть изготовлена с использованием «традиционных» методов, это может занять 20 или более производственных этапов.

В таких случаях металлическая 3D-печать должна рассматриваться как приемлемый вариант производства. Например, используя струйную связку, общее количество этапов может быть сокращено до пяти или менее (включая постобработку и финишную обработку). Таким образом, сложность производственной цепочки поставок значительно снижается.

Отличные материальные свойства

В отличие от 3D-печати пластиков, детали, изготовленные с помощью DMLS/SLM или струйной связки, демонстрируют изотропное механическое поведение. Кроме того, их прочность материала сопоставима с прочностью кованого металла (а в некоторых случаях даже лучше). По этой причине детали, напечатанные на 3D-принтере, нашли применение в самых требовательных отраслях, таких как аэрокосмическая.

Однако обратите внимание, что детали, напечатанные на 3D-принтере, обычно имеют более низкую усталостную прочность. Это связано с их шероховатостью поверхности и внутренней пористостью (как правило, детали DMLS/SLM имеют пористость < 0,2%, а детали, изготовленные струйной связкой, < 2%).

Ограничения металлической 3D-печати

Более высокая стоимость по сравнению с традиционным производством

По сравнению с традиционными методами производства, стоимость металлической 3D-печати сегодня значительна. В среднем, типичная деталь DMLS/SLM обойдется вам примерно в $5,000-$10,000 для 3D-печати и финишной обработки. Поэтому важно помнить, что использование металлической 3D-печати имеет экономический смысл только в том случае, если оно связано со значительным улучшением производительности.

Однако существует спрос на доступные решения для металлической 3D-печати. Новые настольные системы экструзии металла и производственные системы струйной связки могут заполнить этот пробел в ближайшем будущем. 

Ограниченная экономия на масштабе

Еще одним ограничением металлической 3D-печати является то, что она пока не может конкурировать с традиционным производством, когда речь идет о больших объемах. Отсутствие специального инструмента означает низкие начальные затраты, но также и то, что общие производственные затраты не значительно зависят от объема производства. Другими словами, цена за единицу почти не меняется при увеличении количества, и экономия на масштабе не может вступить в действие.

Тем не менее, отрасль работает над системами металлической 3D-печати, которые могут оптимизировать производство. Например, машины DMLS/SLM с несколькими лазерами и системы струйной связки, способные к непрерывному производству, в настоящее время выходят на рынок.

Уникальный набор правил проектирования

Проектирование деталей для металлической 3D-печати следует иным правилам, чем «традиционное» производство. Это часто означает, что существующие проекты приходится перерабатывать. Более того, инструменты, предоставляемые старым программным обеспечением CAD, могут быть недостаточными для полного использования преимуществ металлической 3D-печати. Для обширного введения в основные соображения проектирования, передовые инструменты CAD и правила проектирования для металлической 3D-печати, перейдите к последнему разделу этого руководства.

Постобработка почти всегда требуется

Почти каждая металлическая 3D-печатная деталь будет нуждаться в некоторой постобработке, прежде чем она будет готова к использованию. Это увеличивает общую стоимость и время доставки. Независимо от выбранной технологии, комбинации термической обработки, механической обработки, полировки и других методов финишной обработки почти всегда требуются для производства окончательной детали. Более подробную информацию о необходимых этапах постобработки для каждой технологии мы рассмотрим в последующих разделах.

Применение металлической 3D-печати

Здесь собраны примеры ключевых промышленных применений металлической 3D-печати. Они иллюстрируют некоторые из основных преимуществ и ограничений технологии. Используйте их, чтобы лучше понять, почему инженеры выбирают металлическую 3D-печать для своего конкретного применения. Космос, Здравоохранение, Автомобильная промышленность, Оснастка, НИОКР

Космос

Создание легких конструкций имеет первостепенное значение для космической промышленности. Текущая стоимость запуска килограмма полезной нагрузки в космос составляет примерно $10,000-$20,000. Таким образом, металлическая 3D-печать топологически оптимизированных деталей имеет здесь большой потенциал.

Например, Optisys является поставщиком микроантенных продуктов. Они использовали DMLS/SLM для сокращения количества отдельных элементов своих антенных решеток от 100 до всего 1. Благодаря этому упрощению Optisys удалось сократить время выполнения заказа с одиннадцати до двух месяцев, при этом достигнув 95% сокращения веса.

Здравоохранение

Способность создавать органические структуры, персонализированные под анатомию каждого человека, делает металлическую 3D-печать очень привлекательным решением для медицинской промышленности. Сегодня медицинские имплантаты из биосовместимых материалов (таких как титан) являются одним из основных применений металлической 3D-печати.

В 2007 году доктор Гвидо Граппиоло был первым хирургом, имплантировавшим 3D-печатный имплантат тазобедренной чашки. С помощью LimaCorporate и Arcam он разработал Delta-TT Cup, титановый имплантат с решетчатой структурой, которая ускоряет реабилитацию пациента и рост костей. Десять лет спустя более 100 000 таких тазобедренных чашек были успешно имплантированы пациентам. 

Автомобильная промышленность

Внедрение металлической 3D-печати в производство конечных деталей для автомобилей стремительно набирает обороты. Сейчас эту технологию чаще всего используют в создании высокопроизводительных и гоночных машин. Команда TU Delft Formula Student, которая славится своими успехами в автоспорте, применила DMLS для изготовления топологически оптимизированного кронштейна. Этот кронштейн соединяет колесо и шасси и выдерживает нагрузки до 400 кг. Изготовленный из переработанного титана, он вдвое легче и вдвое прочнее аналогичного стального изделия.

Промышленная оснастка

Сегодня металлическая 3D-печать активно применяется для создания промышленных инструментов с уникальными функциями. Эти современные устройства значительно улучшают эффективность других процессов. Например, металлические формы с внутренними каналами охлаждения, изготовленными методом DMLS/SLM, позволяют добиться более эффективного отвода тепла. Такие каналы можно печатать любой формы и размещать ближе к детали, что невозможно при использовании традиционных методов обработки. Изготовление металлической формы на 3D-принтере может стоить около $10,000, что дороже, чем $4,000 за форму, обработанную на станке с ЧПУ. Однако дополнительные затраты оправдываются заметным повышением производительности. Пользователи отмечают сокращение циклов литья на 60-70% и минимальное количество отходов.

Разработка продукта

Сегодня экструзия металла активно используется в создании металлических прототипов. Этот метод значительно экономит время по сравнению с другими подходами, что ускоряет выход новых инженерных продуктов на рынок. Стартап Lumenium, разрабатывающий инновационные двигатели внутреннего сгорания, искал более быстрый и экономичный способ прототипирования своих деталей. Традиционно их цикл разработки занимал около 3,5 лет. Внедрив экструзию металла, они смогли сократить время разработки на 25%, до 2 лет и 9 месяцев.

Материалы для металлической 3D-печати

Количество металлических материалов, доступных для металлической 3D-печати, быстро растет. Сегодня инженеры могут выбирать из сплавов, включая:

• Нержавеющие стали

• Инструментальные стали

• Титановые сплавы

• Алюминиевые сплавы

• Суперсплавы на основе никеля

• Кобальт-хромовые сплавы

• Сплавы на основе меди

• Драгоценные металлы (золото, серебро, платина…)

• Экзотические металлы (палладий, тантал…)

Стоимость металлической 3D-печати

Цены на металлические 3D-принтеры сильно различаются в зависимости от технологии. Принтеры DMLS/SLM стоят в среднем от $550,000 до $2 млн. Системы струйной связки металла обходятся примерно в $400,000. Принтеры для экструзии металла, включая блоки постобработки, стоят около $140,000. Производственная стоимость типичной детали на DMLS/SLM-принтере составляет $5,000-10,000, включая финишную обработку. Для струйной связки металла и экструзии стоимость деталей в 5-10 раз ниже. Однако пока рано оценивать полную эксплуатационную стоимость этих систем. Ниже представлена таблица средних затрат на различные этапы производства DMLS/SLM. Обратите внимание, что стоимость материала и постобработки значительно влияют на общую стоимость.

† Обычно на одной строительной платформе может поместиться от шести до двенадцати деталей.

Скорость металлической 3D-печати

Независимо от процесса, металлическая 3D-печатная деталь требует минимум 48 часов и в среднем 5 дней для изготовления и финишной обработки.

Около 50% общего времени производства отводится на печать. Это, конечно, зависит от объема детали и необходимости в поддерживающих структурах. Для справки, текущая скорость производства современных систем металлической 3D-печати варьируется от 10-40 см³/ч. Оставшееся время производства связано с требованиями к постобработке и финишной обработке. Термическая обработка значительно увеличивает общее время производства: типичный термический цикл длится 10-12 часов. Механическая обработка поверхности также может быть трудоемким этапом, поскольку требует участия специалиста (5-осевая обработка на ЧПУ) или ручного труда (ручная полировка).

Металлическая 3D-печать против традиционного производства

Всегда начинайте с анализа Стоимость против Производительности, когда выбираете между металлической 3D-печатью и субтрактивной (обработка на станках с ЧПУ) или формовочной (литье металла) технологией. В общем, производственные затраты в основном связаны с объемом производства, в то время как производительность детали сильно зависит от ее геометрии. Ключевая сила металлической 3D-печати — это ее способность создавать детали со сложной и оптимизированной геометрией. Это означает, что она идеально подходит для производства высокопроизводительных деталей. С другой стороны, она не масштабируется так же хорошо, как обработка на станках с ЧПУ или литье металла при больших объемах.

Обычно высокая стоимость металлической 3D-печати оправдывает себя только тогда, когда она значительно повышает производительность или эффективность работы.

Конечно, каждый процесс металлической 3D-печати отвечает различным промышленным требованиям. Используйте приведенные ниже советы в качестве общих рекомендаций, чтобы понять, какой процесс наиболее подходит для вас:

• DMLS/SLM — лучшее решение для деталей с высокой геометрической сложностью (органические, топологически оптимизированные структуры), которые требуют отличных материальных свойств для повышения эффективности самых требовательных применений.

• Струйная связка — лучшее решение для мелкосерийного и среднесерийного производства, которое не может оправдать большие экономические вложения в формовочный метод, а также для деталей с геометрией, которую невозможно эффективно изготовить субтрактивным методом.

• Экструзия металла — лучшее решение для металлических прототипов и уникальных деталей с геометрией, которая в противном случае потребовала бы 5-осевой обработки на станке с ЧПУ.

В таблице ниже представлена матрица Объем против Сложности детали, показывающая области, в которых каждый производственный процесс (аддитивный, субтрактивный или формовочный) работает наилучшим образом. Используйте ее как быструю справку: