Принципи металних 3Д штампача

Метални 3Д штампачи раде синтеровањем, топљењем или заваривањем металних материјала (као што су прах или жица) слој по слој да би се тродимензионални дигитални модел-конвертовао у чврст метални део. Основни процес се може поделити у четири фазе: припрема података, снабдевање материјалом, слој-израда-слојева и накнадна- обрада. Ова технологија у потпуности превазилази ограничења геометријске сложености традиционалне субтрактивне производње и постала је важан производни метод у врхунски-областима као што су ваздухопловство, биомедицинско инжењерство и енергетска опрема. Следећи одељци објашњавају принципе и техничке детаље сваке кључне фазе.

Обрада 3Д модела: Корисници дизајнирају модел користећи ЦАД софтвер (као што је СолидВоркс, УГ или ЦАТИА) или га добијају 3Д скенирањем или ЦТ реконструкцијом. Софтвер конвертује модел у штампач{3}}читљив формат (најчешће СТЛ, али и 3МФ или ОБЈ) и поправља геометријске грешке (као што су рупе, ивице које нису -разноструке, преклапајућа лица или нетачне нормале). Овај корак је критичан јер било који дефект модела може директно да изазове неуспех штампања или одбацивање дела. Напредна пред{8}}обрада такође укључује оптимизацију топологије и генеративни дизајн за значајно смањење тежине уз испуњавање захтева за чврстоћом.

Сечење слојева: Специјализовани софтвер за штампач (као што је Материализе Магицс, ЕОСПРИНТ или СЛМ Буилд Процессор) сече 3Д модел дуж вертикалне (З) осе на стотине или хиљаде танких слојева. Дебљина слоја је типично 20–100 микрометара (20–40 μм за прецизне делове; 60–100 μм за велике структурне компоненте). Процес сечења генерише датотеку која садржи информације о контури, путање попуњавања, стратегије скенирања и структуре подршке за сваки слој, прецизно водећи штампач. Стратегије скенирања (трака, шаховница, спирала, итд.) и параметри густине енергије снажно утичу на заостали напон, густину и квалитет површине и морају бити оптимизовани у складу са материјалом и геометријом дела.

Технологије 3Д штампања метала разликују се у зависности од облика материјала и извора енергије. Главне категорије су следеће:

Повдер Бед Фусион (ПБФ) Ово је тренутно најзрелија и{0}}најпрецизнија главна технологија.

Селективно ласерско топљење (СЛМ): Ласер са влакнима велике{0}}снаге (обично 200–1000 В; више-ласерски системи могу да достигну неколико киловата) селективно и потпуно топи слој металног праха у складу са путањом пресека. Растопљени део се учвршћује након хлађења и формира један слој, док неотопљени прах служи и као подршка и као заштита. Цео процес се одвија под инертним гасом (аргон или азот) како би се спречила оксидација. Погодно за легуре титанијума, легуре алуминијума, нерђајући челик, суперлегуре на бази никла- итд., са густином већом од 99%.

Топљење електронским снопом (ЕБМ): Користи високо-енергијски сноп електрона као извор топлоте за претходно загревање и топљење металног праха у окружењу високог{1}}вакума. Претходно загревање значајно смањује заостали стрес и омогућава бржу изградњу, што га чини посебно погодним за ортопедске имплантате од титанијума. Цена опреме је висока, а храпавост површине је релативно већа.

Директно ласерско синтеровање метала (ДМЛС): Слично у принципу као СЛМ. Историјски се то односило на процесе у којима је прах само делимично топљен (синтерован), али данас се термини ДМЛС и СЛМ често користе наизменично у индустрији. Погодно за-примену са више материјала или кућишта са нешто нижим захтевима за потпуно-тапање.

Усмерено таложење енергије (ДЕД)

Ласерско таложење метала (ЛМД): Истовремено напаја метални прах или жицу док ласер ствара талог на подлози или претходном слоју и таложи материјал. Омогућава-поправку великих делова, функционално класификоване материјале и хибридну адитивну-субтрактивну производњу. Стопе депозиције су много веће од ПБФ-а.

Производња адитива са електричним луком (ВААМ): Користи електрични лук као извор топлоте за топљење металне жице и таложење слој по слој. Ниска цена опреме, висока употреба материјала и погодна за ултра-велике ваздухопловне структуре, али нижа прецизност и квалитет површине обично захтевају накнадну машинску обраду.

Убризгавање везива Глава за штампање селективно убацује везиво на слој металног праха, везујући прах тако да формира један "зелени" слој, док невезани прах делује као подршка. Након штампе, део се подвргава уклањању везива (уклањању везива) и високо{1}}синтеровању да би се постигла коначна густина. Процес нема топлотног напрезања током штампања, нуди велику брзину и погодан је за средњу{3}}производњу, иако се скупљање при синтеровању мора прецизно надокнадити.

Расипање праха / храњење материјала: У технологијама прашкастог{0}}слоја, високо-оштрица или ваљак за поновно наношење премаза шири равномеран слој металног праха на платформу за израду, који одговара дебљини пресека. Течљивост праха и дистрибуција величине честица директно утичу на квалитет слоја. Код усмереног таложења енергије, довод жице или коаксијална/бочна млазница праха испоручује материјал прецизно у базен за топљење.

Унос енергије и топљење: Ласер, електронски сноп или лук скенира материјал дуж програмиране путање великом брзином, локално га топи или синтерује да би се формирао танак слој који тачно одговара контури пресека. Температура-базе талине, величина и брзина хлађења се прецизно контролишу снагом, брзином скенирања и пречником тачке, који одређују микроструктуру и нивое дефекта.

Везивање између-слојева: Након што је сваки слој завршен, платформа за израду се смањује за један слој (или се слој праха подиже), наноси се нови слој праха и процес топљења се понавља. Слојеви се спајају металуршким везивањем да би се формирала континуирана тродимензионална чврста-чврста материја. Савремени системи често укључују-надзор талине-у реалном времену помоћу-камера велике брзине, инфрацрвене пирометрије или оптичке томографије.

Потпорне конструкције: За препусте, рупе и велике нагнуте елементе, уклоњиве потпорне структуре морају бити пројектоване да спрече деформацију или колапс под дејством гравитације током топљења. Дизајн и уклањање носача значајно утичу на коначну цену и квалитет површине.

Накнадна{0}}обрада је незаобилазна фаза 3Д штампања метала и често чини 30–50% укупних трошкова.

Уклањање и чишћење носача: Носачи се уклањају механичким сечењем, жицом ЕДМ, хемијским растварањем или ручним методама. Неотопљени прах (поступци у слоју праха-) или вишак прскања (ДЕД) се темељно чисте. Системи за рекуперацију праха омогућавају рециклажу већине неискоришћеног праха.

Топлотна обрада: жарење-за ублажавање напрезања, третман раствором, старење или вруће изостатичко пресовање (ХИП) елиминише заостала напрезања, затвара поре и хомогенизује микроструктуру, значајно побољшавајући тврдоћу, чврстоћу, жилавост и перформансе замора. ХИП је постао стандардни процес за критичне делове ваздухопловства.

Површинска обрада: Пескарење, пјескарење, полирање, електрохемијско полирање, облагање или премазивање побољшавају квалитет површине, смањују храпавост и испуњавају захтјеве за монтажу и изглед.

Машинска обрада: Критичне димензије за спајање, рупе са навојем и заптивне површине су завршене ЦНЦ обрадом како би се осигурало да коначне толеранције испуњавају спецификације дизајна. Многе-апликације високе класе усвајају хибридни производни приступ „адитивно + субтрактивно“.

Предности: слободна-производња сложених структура без калупа, идеална за прилагођавање и мале{1}}до-средње количине, велике-производње. Високо искоришћење материјала (процеси у слоју праха-могу да премаши 90%, далеко бољи од високог односа куповине{7}}и-у традиционалној машинској обради титанијума), смањујући расипање скупих метала. Омогућава лагани дизајн (решеткасте структуре, оптимизација топологије) који испуњава двоструке захтеве смањења тежине и високих перформанси у ваздухопловству и сличним областима. Омогућава високу консолидацију делова, смањујући кораке монтаже и побољшавајући поузданост.

Ограничења: Високи капитални трошкови индустријске опреме (стотине хиљада до неколико милиона РМБ) и релативно мала брзина израде тренутно чине технологију мање погодном за{0}}производњу једноставних делова веома великих размера. Као-храпавост површине и тачност димензија су генерално ниже од традиционалне ЦНЦ обраде и ослањају се на накнадну{3}}обраду. Метални прах представља ризик од експлозије, оксидације и здравља, захтевајући строгу заштиту од инертног{5}}гаса и контролу прашине. Разноврсност материјала и базе података{7}}параметара процеса се и даље проширују, а циклуси сертификације остају релативно дуги.

Кроз дигиталну производњу-слој по{1}}слој, метални 3Д штампачи су разбили баријере сложености традиционалне машинске обраде и обезбедили револуционарна решења за ваздухопловство (компоненте мотора, сателитске структуре), медицину (специфични имплантати-за пацијенте, хируршки водичи), алате (конформни канали за хлађење), индустрију и индустрију. Са брзим развојем више-ласерских система,-интелигентним надзором на лицу места, оптимизацијом процеса вођеном вештачком интелигенцијом-и хибридним производним технологијама, ефикасност, цена и поузданост настављају да се побољшавају. Технологија убрзава прелазак са брзе израде прототипа на директну дигиталну производњу и серијску производњу, и требало би да постане незамењив стуб производње врхунске{9}}опреме.