Načela kovinskih 3D tiskalnikov

Kovinski 3D-tiskalniki delujejo s sintranjem, taljenjem ali varjenjem kovinskih materialov (kot je prah ali žica) plast za plastjo, da pretvorijo tri-dimenzionalni digitalni model v trden kovinski del. Osnovni proces lahko razdelimo na štiri stopnje: priprava podatkov, dobava materiala, izdelava-plasti za-plastjo in naknadna-obdelava. Ta tehnologija popolnoma premaga omejitve geometrijske zapletenosti tradicionalne subtraktivne proizvodnje in je postala pomembna proizvodna metoda na visoko-področjih, kot so letalstvo, biomedicinski inženiring in energetska oprema. V naslednjih razdelkih so razložena načela in tehnične podrobnosti vsake ključne stopnje.

Obdelava 3D-modela: Uporabniki oblikujejo model s programsko opremo CAD (kot je SolidWorks, UG ali CATIA) ali pa ga pridobijo s 3D-skeniranjem ali rekonstrukcijo CT. Programska oprema pretvori model v obliko-berljivo za tiskalnik (najpogosteje STL, vendar tudi 3MF ali OBJ) in popravi geometrijske napake (kot so luknje, ne-robovi razdelilnika, prekrivajoče se ploskve ali nepravilne normale). Ta korak je ključnega pomena, ker lahko kakršna koli okvara modela neposredno povzroči napako tiskanja ali zavrnitev dela. Napredna pred-obdelava vključuje tudi optimizacijo topologije in generativno zasnovo za znatno zmanjšanje teže ob izpolnjevanju zahtev glede trdnosti.

Rezanje plasti: Specializirana programska oprema za tiskalnik (kot je Materialize Magics, EOSPRINT ali SLM Build Processor) razreže 3D model vzdolž navpične (Z) osi na stotine ali tisoče tankih plasti. Debelina plasti je običajno 20–100 mikrometrov (20–40 μm za natančne dele; 60–100 μm za velike strukturne komponente). Postopek rezanja generira datoteko, ki vsebuje informacije o konturah, polnilnih poteh, strategijah skeniranja in podpornih strukturah za vsako plast, ki natančno vodijo tiskalnik. Strategije skeniranja (trak, šahovnica, spirala itd.) in parametri energijske gostote močno vplivajo na preostalo napetost, gostoto in kakovost površine ter jih je treba optimizirati glede na material in geometrijo delov.

Tehnologije 3D tiskanja kovin se razlikujejo glede na materialno obliko in vir energije. Glavne kategorije so naslednje:

Powder Bed Fusion (PBF) To je trenutno najbolj zrela in najbolj{0}}natančna glavna tehnologija.

Selektivno lasersko taljenje (SLM): visoko{0}}zmogljiv vlakneni laser (običajno 200–1000 W; več-laserski sistemi lahko dosežejo več kilovatov) selektivno in v celoti tali kovinsko praškasto plast glede na razrezano pot. Staljeno območje se ob ohlajanju strdi v eno plast, medtem ko nestopljen prah služi kot podpora in zaščita. Celoten proces poteka pod inertnim plinom (argonom ali dušikom), da se prepreči oksidacija. Primerno za titanove zlitine, aluminijeve zlitine, nerjavna jekla, superzlitine na osnovi -niklja itd., z gostoto nad 99 %.

Taljenje z elektronskim žarkom (EBM): uporablja visoko{0}}energijski elektronski žarek kot vir toplote za predgretje in taljenje kovinskega prahu v visoko-vakuumskem okolju. Predgretje občutno zmanjša preostale napetosti in omogoča hitrejše gradnje, zaradi česar je še posebej primeren za ortopedske vsadke iz titana. Stroški opreme so visoki in hrapavost površine je relativno večja.

Neposredno lasersko sintranje kovin (DMLS): Načeloma podobno SLM. V preteklosti se je nanašal na postopke, pri katerih je bil prah le delno stopljen (sintran), danes pa se izraza DMLS in SLM v industriji pogosto uporabljata kot sopomenki. Primeren za aplikacije iz več-materialov ali za primere z nekoliko nižjimi zahtevami po-polnem taljenju.

Usmerjeno odlaganje energije (DED)

Lasersko nanašanje kovin (LMD): Istočasno dovaja kovinski prah ali žico, medtem ko laser ustvarja bazen taline na substrat ali prejšnji sloj in odlaga material. Omogoča popravilo-velikih delov, funkcionalno razvrščene materiale in hibridno aditivno-subtraktivno proizvodnjo. Stopnje nanašanja so veliko višje od PBF.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM): uporablja električni oblok kot vir toplote za taljenje kovinske žice in njeno odlaganje plast za plastjo. Nizki stroški opreme, visoka poraba materiala in primerni za ultra-velike letalske strukture, vendar manjša natančnost in kakovost površine običajno zahtevata naknadno obdelavo.

Brizganje veziva Tiskalna glava selektivno brizga vezivo na kovinsko prašno podlago, pri čemer prah veže v eno samo "zeleno" plast, medtem ko nevezani prah deluje kot podpora. Po tiskanju je del podvržen razvezovanju (odstranitev veziva) in visoko{1}}temperaturnemu sintranju, da se doseže končna gostota. Postopek med tiskanjem nima toplotnih obremenitev, ponuja visoko hitrost in je primeren za srednje-serijsko proizvodnjo, čeprav mora biti krčenje pri sintranju natančno kompenzirano.

Razprševanje prahu/dovajanje materiala: Pri tehnologijah prašnih-postelj visoko{1}}natančno rezilo ali valj za ponovni premaz razporedi enakomerno plast kovinskega prahu na gradbeno ploščad, ki se ujema z debelino rezine. Pretočnost prahu in porazdelitev velikosti delcev neposredno vplivata na kakovost plasti. Pri usmerjenem nanašanju energije podajalnik žice ali koaksialna/stranska prašna šoba dovaja material natančno v bazen taline.

Vnos energije in taljenje: Laser, elektronski žarek ali oblok skenira material vzdolž programirane poti pri visoki hitrosti, ga lokalno tali ali sintra, da tvori tanko plast, ki se natančno ujema s konturo rezine. Temperatura-bazena taline, velikost in hitrost ohlajanja so natančno nadzorovani z močjo, hitrostjo skeniranja in premerom točke, ki določa mikrostrukturo in ravni napak.

Med-slojno lepljenje: po zaključku vsakega sloja se gradbena ploščad zniža za eno debelino sloja (ali se dvigne sloj prahu), razporedi se nov sloj prahu in postopek taljenja se ponovi. Plasti so spojene z metalurško vezjo, da tvorijo neprekinjeno tri-dimenzionalno trdno snov. Sodobni sistemi pogosto vključujejo-nadzor tali-bazena v realnem času z uporabo-hitrostnih kamer, infrardeče pirometrije ali optične tomografije.

Podporne strukture: Za previse, luknje in velike nagnjene elemente morajo biti odstranljive podporne strukture zasnovane tako, da preprečijo deformacijo ali zrušitev pod gravitacijo med taljenjem. Zasnova podpore in odstranitev pomembno vplivata na končne stroške in kakovost površine.

Naknadna-obdelava je nepogrešljiva faza kovinskega 3D-tiskanja in pogosto predstavlja 30–50 % skupnih stroškov.

Odstranjevanje in čiščenje nosilca: Nosilci se odstranijo z mehanskim rezanjem, žično EDM, kemičnim raztapljanjem ali ročnimi metodami. Nestopljen prah (postopki s-plastjo prahu) ali odvečno brizganje (DED) se temeljito očisti. Sistemi za predelavo prahu omogočajo recikliranje večine neuporabljenega prahu.

Toplotna obdelava: žarjenje-za lajšanje napetosti, obdelava z raztopino, staranje ali vroče izostatično stiskanje (HIP) odpravi preostale napetosti, zapre pore in homogenizira mikrostrukturo, kar znatno izboljša trdoto, trdnost, žilavost in odpornost proti utrujenosti. HIP je postal standardni postopek za kritične letalske dele.

Površinska obdelava: peskanje, drobljenje, poliranje, elektrokemično poliranje, galvanizacija ali premaz izboljša kakovost površine, zmanjša hrapavost in izpolnjuje zahteve glede sestavljanja in videza.

Strojna obdelava: kritične parne dimenzije, navojne luknje in tesnilne površine so obdelane s CNC obdelavo, da se zagotovi, da končne tolerance ustrezajo konstrukcijskim specifikacijam. Številne-aplikacije višjega cenovnega razreda uporabljajo hibridni proizvodni pristop »aditivnega + subtraktivnega«.

Prednosti: Izdelava zapletenih struktur v prosti-formi brez kalupov, idealna za prilagajanje in proizvodnjo nizkih-do-srednjih količin, visoko-mešanic. Visok izkoristek materiala (postopki s-prahom lahko presežejo 90 %, kar je veliko boljše od visokih razmerij med nakupom-in-pri tradicionalni obdelavi titana), kar zmanjšuje odpadke dragih kovin. Omogoča lahko zasnovo (mrežaste strukture, optimizacija topologije), ki izpolnjuje dvojne zahteve zmanjšanja teže in visoke zmogljivosti v letalstvu in podobnih področjih. Omogoča visoko konsolidacijo delov, zmanjšanje korakov sestavljanja in izboljšanje zanesljivosti.

Omejitve: Visoki kapitalski stroški industrijske opreme (od sto tisoč do več milijonov RMB) in sorazmerno počasne hitrosti gradnje trenutno naredijo tehnologijo manj primerno za -velikoserijsko proizvodnjo preprostih delov. Hrapavost-izdelane površine in dimenzijska natančnost sta na splošno nižji od tradicionalne CNC obdelave in temeljita na naknadni-obdelavi. Kovinski prah predstavlja tveganje za eksplozijo, oksidacijo in zdravje ter zahteva strogo zaščito pred inertnim-plinom in nadzor prahu. Baze podatkov o raznolikosti materialov in procesnih-parametrih se še vedno širijo, certifikacijski cikli pa ostajajo relativno dolgi.

Z digitalno proizvodnjo plasti-za-plastjo so kovinski 3D-tiskalniki premagali kompleksne ovire tradicionalne strojne obdelave in zagotovili revolucionarne rešitve za vesoljsko industrijo (komponente motorjev, satelitske strukture), medicinsko (-specifični vsadki, kirurška vodila), orodje (konformni hladilni kanali), energetiko in avtomobilsko industrijo. S hitrim razvojem več-laserskih sistemov,-inteligentnega nadzora na kraju samem,-optimizacije procesov, ki jo poganja AI, in hibridnih proizvodnih tehnologij se učinkovitost, stroški in zanesljivost še naprej izboljšujejo. Tehnologija pospešuje svoj prehod od hitre izdelave prototipov k neposredni digitalni proizvodnji in serijski proizvodnji ter naj bi postala nepogrešljiv steber visoko{9}}proizvodnje opreme.