3D-печать сталью — краткое руководство / Хабр

3D-печать сталью — краткое руководство / Хабр 3d печать
3д печать, 3д принтер, аддитивные технологии, аддитивное производство, печать металлом, 3d печать, 3d принтер, 3d-печать , 3d-принтер

3D-печать сталью — краткое руководство

3D-печать сталью — краткое руководство / Хабр

Трехмерная печать по металлу с использованием чистой стали и сплавов позволяет получать прочные и функциональные компоненты для машин и промышленных изделий.

С помощью технологии трехмерной печати по металлу на любом металле можно напечатать сталью . самые популярные материалы. Но какое качество стали и какая технология наиболее подходят для вашего случая? Являются ли напечатанные стальные компоненты такими же прочными и долговечными, как традиционные?

Узнайте, как трехмерные напечатанные стальные компоненты совершают революцию в строительстве и открывают двери для новых применений в аэрокосмической промышленности, медицинском оборудовании, автомобилестроении, производстве инструментов, тяжелой промышленности, строительстве и многих других отраслях. Более того, самые доступные настольные принтеры расширяют возможности и сферы применения 3D-печатных деталей из настоящей стали.

Прочность стальных печатных деталей.

Самый распространенный вопрос, касающийся 3D-печатных металлических моделей: «Являются ли они такими же прочными, как поддельные или литые аксессуары?» . Короткий ответ — «да».

3D-печатные металлические компоненты не уступают по прочности обычным, а иногда даже превосходят их. Это зависит от многих факторов, таких как конечное использование, тип стали, выбор метода 3D-печати, последующая обработка и геометрия аксессуара. Сравнение зависит от того, на какие прочностные характеристики вы ориентируетесь: сопротивление растяжению, сопротивление статической нагрузке, сопротивление усталости и т. д.

Стальные компоненты используются в аэрокосмической и военной промышленности, например, в пешеходных мостах, показанных ниже. Таким образом, прочность напечатанных объектов не вызывает сомнений, но давайте посмотрим на это поближе.

Стальные детали, напечатанные на 3D-принтерах или изготовленные методом лазерно-пылевой обработки (LPBF), имеют более тонкую структуру, чем литые металлические изделия. Это обеспечивает лучшие характеристики прочности на разрыв, но по другим параметрам литая деталь даже прочнее. В большинстве случаев напечатанные на 3D-принтере LPBF используются для замены литых компонентов, но в некоторых случаях 3D-печать позволяет заменить контрафактные компоненты.

Одно из исследований показало, что при определенных условиях компоненты из нержавеющей стали, созданные на 3D-принтере с использованием технологии LPBF, были в три раза прочнее, чем компоненты, изготовленные из той же стали традиционным способом.

В эксперименте по сравнению стальных аксессуаров, напечатанных на 3D-принтере, с аксессуарами, изготовленными традиционным способом, исследователи создали идентичные изделия с использованием двух методов и сравнили их характеристики. Однако сравнение компонентов «лоб в лоб» — это лишь часть общей картины.

Главное преимущество печати на стали заключается не только в ее долговечности, но и в уникальной способности создавать внутренние каналы и заполнения, похожие на фитинги, что невозможно при использовании традиционных методов производства. Трехмерная печать по металлу позволяет изготавливать аксессуары быстрее, чем традиционные конструкции, так как этот метод не требует использования специальных инструментов и оснастки, создавая композит как единое целое и исключая необходимость последующей сборки и сварки. Разработка печатных аксессуаров обычно означает меньший вес при той же прочности, поскольку для их изготовления требуется меньше металла.

3D-печать сталью Они также более стабильны и экономически эффективны, поскольку сокращают количество отходов: абстрактные методы конструирования, такие как обработка на станках с ЧПУ, создают много отходов, поскольку аксессуары создаются путем их вырезания из более крупных деталей. При изготовлении протезов используется только тот материал, который необходим для производства готового изделия.

3D-печать сталью Она не призвана заменить традиционные методы во всех областях, но может стать лучшим выбором для широкого спектра применений. 3D-печать — самая быстрая и гибкая технология для массового производства и создания прототипов, особенно когда требуемые компоненты уникальны и адаптированы к конкретной области применения, например, в ракетных двигателях, гоночных автомобилях и нефтегазовой промышленности. Для военных и промышленных применений 3D-печать сталью — это самый быстрый и эффективный способ создания индивидуальных аксессуаров для транспортных средств и машин. 3-D печать из нержавеющей стали быстро завоевывает популярность в медицинском секторе, где создаются уникальные хирургические инструменты и имплантаты.

Если известно, какими свойствами должен обладать конечный продукт (прочность на растяжение, сжатие, твердость, плотность и т. д.), все эти параметры могут быть заложены в изделие на этапе изготовления.

Виды стали для 3D-печати

Если в традиционном производстве используются тысячи видов сталей и сплавов с различными механическими свойствами, то 3D-печать предлагает всего несколько десятков, некоторые из которых уникальны и созданы специально для этой технологии. Варианты стали включают.

  • Нержавеющая сталь (316L, 304L, 17-4PH, 15-5PH, 420, 254, PH1, GP1, 630, 410).
  • Инструментальная сталь (D2, M2, H13, H11, MS1, 1. 2709).
  • Низколегированные сталь (4140).
  • Конструкционные сплавы (20MnCr5).

В последнее время появились уникальные сплавы, специально разработанные для 3D-печати, чтобы решить проблемы, возникающие при использовании классических методов производства.

Например, производитель 3D-принтеров Desktop Metal в 2022 году выпустил запатентованную нержавеющую сталь. сталь По словам компании, она сочетает в себе прочность на разрыв, пластичность и коррозионную стойкость нержавеющей стали 13-8 PH с твердостью низколегированных сталей, таких как 4140. Компания утверждает, что клиенты могут продавать детали из этого материала, не прибегая к оцинковке для защиты изделия от коррозии.

ExOne предлагает две специальные смеси стали и бронзы, которые, по словам компании, повышают коррозионную стойкость 3D-печатных стальных деталей, в то же время облегчая их обработку и полировку.

Большинство металлических порошков, используемых в 3D-печати, похожи на те, что применяются в других методах производства, но их количество растет по мере того, как все больше компаний внедряют эту технологию; некоторые производители металлических порошков, такие как GKN, адаптируют свои порошки для конкретных областей применения 3D-печати.

Как печатать сталью

Прочность, свойства и области применения 3D-печатных стальных изделий во многом зависят от используемой технологии 3D-печати. Некоторые методы позволяют получать более прочные детали, другие обеспечивают лучшую твердость и износостойкость, а третьи просто слишком быстры.

Ниже перечислены основные методы 3D-печати металлов, их свойства и наиболее распространенные области применения.

Печать плавленым напылением (FDM)

Формование методом наплавленного послойного осаждения (FDM) — это новая технология трехмерной печати металлом, которая быстро развивается, поскольку печатники изготавливают металлические нити для использования в принтерах Ultimaker, BCN3D, Makerbot и Raise. 3d.Raise3D недавно выпустила полный комплект для печати металлом MetalFuse (3D-принтер, печь для удаления склеивающегося материала и печь для обжига). Этот метод еще более популярен для печати пластиком, но с новыми пластиковыми нитями, наполненными порошком из нержавеющей стали, можно производить прочные металлические компоненты.

Раньше материалы для FDM-печати ограничивались термопластиками. Сегодня такие компании, как BASF Forward AM и Virtual Foundry, предлагают металлические нити, которые можно использовать практически во всех FDM-принтерах, если только они оснащены соплом из закаленной стали для обработки абразивных материалов.

Эти материалы состоят примерно на 80 % из металла и на 20 % из пластика. После печати пластик удаляется в процессе последующей обработки, в результате чего получается 100% металлическая деталь.

Из-за удаления пластикового соединительного материала металлические детали FDM сжимаются при последующей обработке. Величина усадки постоянна и может быть учтена в системе CAD, что позволяет получить относительно дорогой конечный компонент.

Резьба из нержавеющей стали Forward AM со сверхвысокими свойствами материала 316L позволяет получить конечный компонент со свойствами материала, которые, как утверждается, сопоставимы с металлическим компонентом литьевой формы.

Хотя 3D-печать металлических материалов может не подойти для приложений с жесткими требованиями к выносливости (например, для аэрокосмической отрасли), экономический фактор производства простых металлических компонентов без значительной нагрузки на доступный FDM-принтер может компенсировать недостатки некоторых приложений.

Идеальными случаями для использования этой технологии являются оригинальные металлические компоненты и конечные компоненты, не подвергающиеся экстремальным нагрузкам.

Осаждение вязаного металла (BMD) — ‘связанное осаждение металла’

Как и FDM, осаждение металлической сетки (BMD) или экструзия BPE (BPE) — это процесс 3D-печати, основанный на экструзии. В этом методе используются сваренные металлические стержни или сваренные металлические нити, содержащие гораздо больше металлической пыли, чем нити, используемые в FDM; как и в случае с FDM, требуется постобработка для удаления печного связующего и термообработка для окончательного пожаротушения.

На рынке появилось всего несколько 3D-принтеров, использующих этот метод, таких как Desktop Metal, MarkForged и совсем недавно 3DGence, так что следите за новостями. Предполагается, что эти принтеры станут удобным решением для офисной 3D-печати по металлу. Они дороже, чем большинство FDM-принтеров, но дешевле, чем описанные ниже технологии 3D-печати металлом на основе пыли.

В этих принтерах используются собственные нити. Desktop Metal и Markford предлагают четыре вида стали.

Идеальное применение для этой технологии — металлические компоненты, функциональность которых необходимо проверить перед массовым производством обычными методами. Популярными областями применения являются пресс-формы, пуансоны, сопла, ускорители, крепеж и теплообменники.

Например, компания Shukla Medical использует принтер Markforged Metal X для печати стальных прототипов ортопедических имплантатов.

Агломерация лазерной пыли.

Лазерный обжиг (LPBF), также известный как селективный лазерный обжиг (SLM), является наиболее распространенным типом 3D-печати металлами. Эта технология используется в 80 % всех 3D-принтеров, представленных на рынке.

В этом методе используется мощный лазер для селективного нанесения слоев металлической пыли на матрас.

3D-принтеры LPBF доступны в широком диапазоне размеров, цен и мощности лазера. Эти и другие характеристики влияют на свойства конечной детали, скорость печати и другие параметры готового изделия.

Сталь и стальные сплавы — самые популярные материалы для LPBF-оборудования, и, в отличие от FDM и BMD, металлические порошки легко доступны, поскольку они чаще всего используются в традиционных методах производства.

LPBF — это технология, позволяющая максимально повысить качество 3D-печатных деталей. Области применения включают монолитные камеры тяги, аэрокосмические компоненты, такие как детали ракетных двигателей и теплообменники, пресс-формы, инструменты и другие приложения, а также быстроизнашивающиеся детали и хирургические инструменты.

Нанесение связующего

Струйное нанесение связующего — еще один метод порошковой печати, в котором для скрепления слоев металлического порошка используется не лазер, а жидкое связующее. Связующее вещество удаляется в процессе последующей обработки.

Метод осаждения связующего отличается высокой скоростью печати по сравнению с другими методами 3D-печати и традиционными способами производства, а металлические детали, изготовленные с помощью этого метода, по свойствам материала сопоставимы с деталями, изготовленными методом литья металла под давлением.

Количество производителей, выпускающих струйные 3D-принтеры с металлической связкой, значительно меньше, чем производителей LPBF-машин. К ведущим производителям относятся ExOne, Desktop Metal, Digital Metal, GE Additive и HP.

Идеальная область применения дробеструйной обработки металла на связке — средне- и крупносерийное производство металлических инструментов и компонентов.

Компания HP утверждает, что ее 3D-принтеры Metal Jet специально разработаны для крупносерийного производства изделий из нержавеющей стали 316L; HP сотрудничает с компанией Parmatech для производства металлических компонентов для медицинской промышленности. Компания ExOne, расположенная в Пенсильвании, использует технологию для производства режущих инструментов из твердого сплава и инструментальной стали.

Электронно-лучевая плавка (EBM)

Электронно-лучевое плавление (ЭЛП) — еще одна технология обработки поверхности порошковых материалов. Она работает так же, как и селективное лазерное плавление (SLM), но в качестве источника энергии используется не лазер, а более мощный пучок заряженных частиц.

Перемещающее устройство перемещает порошок на печатную форму, а электронный луч избирательно расплавляет каждый слой порошка. После печати каждого слоя пластина опускается, и поверх предыдущего слоя наносится еще один.

ЭБМ намного быстрее, чем СЛМ, но СЛМ позволяет получать более гладкие и точные детали. ЭБМ не может производить детали с такой же точностью, как SLM, поскольку электронный луч шире лазерного. Еще одно отличие заключается в том, что процесс производства происходит в вакуумной камере, что уменьшает содержание примесей в материале, которые могут вызвать дефекты. Именно поэтому EBM часто выбирают для печати деталей для аэрокосмической, автомобильной, оборонной, нефтехимической промышленности и медицинских имплантатов.

Титан — наиболее распространенный металл для большинства применений EBM, хотя может использоваться и титан. сталь .

Холодное напыление.

Технология 3D-печати холодным распылением предполагает впрыскивание металлических порошков через сопло инжекционного устройства в ультразвуковой поток газа под давлением, например воздуха, азота или гелия. Этот процесс называют «холодным». Это связано с тем, что металлические частицы не плавятся, а, наоборот, ударяются о металлическую подложку и прилипают к ее поверхности в результате так называемой пластической деформации.

Печатные изделия, полученные методом холодного напыления, менее подвержены пористости, термическому растрескиванию и другим дефектам, присущим технологии плавления. Этот метод имеет множество преимуществ перед другими способами производства. Технология используется в военной и аэрокосмической промышленности по всему миру. Например, американские военные используют холодное напыление для ремонта изношенных стальных оснований башен 25 мм Bradley 25 мм.

В автомобильной промышленности холодное напыление стали используется для ремонта после аварий, поскольку высокопрочные стальные основы автомобилей уязвимы для термических методов ремонта, таких как сварка.

Прямое энергетическое осаждение (DED) и проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM)

При прямом энергетическом осаждении (DED) сварочный порошок или проволока подаются через сопло и поступают в источник питания для расплавления металла. Образуется область расплавленного металла, который наносится на подложку.DED — это новый процесс, напоминающий старую строительную технику, известную как «облицовка». Этот метод часто включает в себя нанесение покрытия на подложку для изоляции и защиты от атмосферных воздействий.DED полезен для изготовления крупных цельных объектов и сложных форм, требующих тщательной обработки.DED позволяет изготавливать такие детали гораздо ближе к готовому состоянию, чем при обычной обработке с ЧПУ. DED позволяет изготавливать такие детали гораздо ближе к готовому состоянию, чем при обычной обработке с ЧПУ.

Поскольку DED использует процесс наложения, его можно применять для придания сложной геометрии существующим стальным компонентам, сочетая сложность с экономией средств. Например, французская компания AddUp рекламирует ракетное сопло, в котором используется предварительно отпрессованный большой конус воронки из нержавеющей стали 304 с напечатанной изобригадной структурой. Такие воронки обычно изготавливаются из более крупных деталей традиционными методами.

С DED связана технология проволочно-дугового аддитивного формования (WAAM), в которой вместо порошка используется металлическая проволока, расплавляемая электрической дугой. Процесс контролируется роботизированной рукой, и WAAM также способна производить крупные металлические детали, что наглядно продемонстрировал мост из нержавеющей стали длиной 41 фут и весом 9 000 фунтов в Амстердаме, созданный голландской компанией MX3D. Кроме того, он может производить детали для ремонта нефтегазового оборудования. Они могут быть изготовлены прямо на месте.

Микрокомпьютерная 3D-печать

Микромасштабное аддитивное производство, или микро 3D-печать, позволяет изготавливать изделия с разрешением в несколько микрометров (или меньше). Существует три метода микро 3D-печати, которые позволяют изготавливать металлические детали

LMM (литографическое производство металлов) — это технология, основанная на использовании света, которая позволяет создавать небольшие детали из такого сырья, как нержавеющая сталь. сталь Сфера применения — хирургические инструменты и микромеханические компоненты.

Электрохимическое осаждение — новейший процесс микрометаллической 3D-печати, разработанный швейцарской компанией Exaddon. В этом процессе печатная насадка наносит жидкость, содержащую ионы металлов, для создания деталей на атомарном уровне.

Третий метод микрометаллической 3D-печати — микроселективное лазерное спекание, при котором слой чернил с металлическими наночастицами наносится на подложку и высушивается для получения равномерного слоя наночастиц.

Немецкие исследователи успешно испытали метод SLS для микропечати полых микроигл из нержавеющей стали 316L.

  • 3D-печать
  • 3D-принтер
  • Дополнительные технологии
  • Изготовление протезов
  • Печать на металле
  • 3D-печать
  • 3D-принтеры
  • 3d-печать
  • 3D-принтеры
Оцените статью