Видове 3D принтиране с метал

Металният прах е метафорично гръбнакът на 3D принтирането с метал. Въпреки че е трудно и опасно да се борави с него в необработено състояние, уникалните характеристики го правят предпочитания тип метална суровина. По-голямата част от технологиите за метално 3D принтиране използват метален прах. Основните разлики между видовете метални 3D принтери са свързани с начина, по който те сливат праха в метални части. Тези методи варират значително – от използване на високоенергийни лазери за стопяване на насипен прах до екструдиране на  метална тел или метален филамент. В тази статия ще разгледаме най-често използваните видове метално 3D принтиране, как работят и защо са полезни.

Powder Bed Fusion

Това в момента е най-разпространеният тип метално 3D принтиране. Машините, който работят на принципа на powder bed fusion разпределят фин слой прах върху изграждащата платформа и селективно разтопяват напречно сечение на детайла от слоя метален прах. Има два различни вида техники за топене на прахов слой: селективно лазерно топене (известно още като селективно лазерно синтероване selective laser sintering или SLS, кактo го използваме ние в B2N) и топене с електронен лъч (electron beam melting или съкратено EBM).

Селективно лазерно топене (SLM)

Този метод е известен също и като директно лазерно синтероване на метал (DMLS direct metal laser sintering), селективно лазерно синтероване (SLS selective laser sintering), директен метален печат (DMP direct metal printing) и сливане с лазерен прах (LPBF laser powder bed fusion).

По-голямата част от машините за 3D печат с метал са машини за селективно лазерно топене (SLM). SLM машините използват мощни лазери за спояване на металните частици в части. След принтирането, операторът премахва частта (или частите) от праховия слой, отрязва частта далеч от изграждащата повърхност и след това обработва детайла. Това е текущият стандарт за метално принтиране – повечето производители на 3D принтери за метал днес продават SLM машини.

Като една от първите технологии за металното 3D принтиране, селективното лазерно топене често се счита за стандарт, спрямо който се оценяват другите технологии. SLM принтираните елементи са чудесни за прецизни, геометрично сложни части, които иначе не биха могли да се обработват. Те се вписват в голямо разнообразие от приложения: от стоматология, здравеопазване до аерокосмическата индустрия. Обемът на печат варира от много малък (100 мм куб) до голям (800 мм x 500 мм x 400 мм), а скоростта на принтиране е умерена. Прецизността на тези детайли се определя от ширината на лазерния лъч и височината на слоя. Повечето налични материали за 3D принт днес могат да се използват на SLM машина.

Въпреки че тези машини са новаторски, голямото разнообразие от изисквания за съоръженията и последващата обработка ги ограничават само до промишлени потребители. SLM 3D принтерите изискват обучени професионалисти, които да ги управляват. След принтирането повечето части изискват значителна последваща обработка.

От тази група, DMLS 3D принтерите, които B2N предлага са системите за 3D принтиране с метал на марка EOS. Патентованата технология на EOS представлява една от най-модерните и надеждни технологии в света за адитивно производство на метални изделия. Използва се за директно производство на кратки (малки до средни) серий продукти. Отличителните характеристики на DMLS технологията са висока прецизност и отлични механични свойства. Основните й приложения са в индустрии, където всеки детайл отговаря на стандарти за издръжливост, термоустойчивост, износване, триене, химическа корозия като космонавтиката, авиацията, автомобилната индустрия, медицината. EOS М290 е най-компактната от 3D системите за принтиране с метал на EOS. С изграждаща платформа 250 х 250 х 325 мм и 400 W лазер, М290 принтира неусетно бързо и ефикасно.

Топене на електронен лъч (Electron Beam Melting EBM)

EBM машините използват електронен лъч вместо лазер за производство на части. GE Additive е единствената компания, произвеждаща EBM машини. Електронният лъч дава по-малко точност от селективното лазерно топене, но процесът като цяло е по-бърз при производството на по-големи части. Тези машини имат почти същите ограничения, разходи и спецификации като SLM машините, но се използват по-интензивно в аерокосмонавтиката и медицината, отколкото другаде. Подобно на SLM, EBM 3D принтерите изискват голяма първоначална инвестиция и обучен техник да оперира с тях.

Direct Energy Deposition DED

Direct Energy Deposition използва метален филамент и лазер за производството на части. За разлика от Powder Bed Fusion, материалът (който може да бъде прах или тел) и лазерът са разположени в една принтираща глава, която разпределя и стопява материала едновременно. Получените части са много подобни на Powder Bed Fusion, с няколко ключови разлики.

Powder DED

Още известен като laser metal deposition (LMD)

Подобен на селективното лазерно топене, LMD също използва лазер и метален прах за производството на метални части. Вместо да разпръскват прах обаче върху работната повърхност и да го топят с лазер, DED машините прецизно издухват прахообразните частици от принтиращата глава върху детайла, като използват лазер, за да ги слеят в конструкция.

Тъй като и двете технологии (DED и SLM) използват метален прах и лазер, частите, отпечатани с DED, са много подобни на тези, принтирани от SLM с едно изключение: DED машините могат да използват своята уникална система за разпределение на прах, за да поправят принтирани части, които имат недостатъци. Техните налични материали, изисквания за последваща обработка и управление на праха са аналогични на SLM. Машините също изискват висока първоначална инвестиция.

Wire DED

Метод, известен също и като електронно лъчево адитивно производство или EBAM. Wire DED  3D принтерите използват лазер за стопяване на суровината по много подобен начин на машините за прахообразен DED. Разликата е, че тяхната суровина е метална тел вместо прах. Това е нишова технология, използвана с по-големи обеми на изграждане (до 5 м x 1 м x 1 м) и по-бързо време за принтиране за сметка на прецизност и качество. В резултат на това частите Wire DED са проектирани да бъдат значително по-големи и по-малко прецизни от машините с прахово легло.

От DED 3D принтерите за метал, в България има една машина с тази технология на фирма Meltio, за която B2N е официален вносител и представител. Meltio патентова хибридна технология за принтиране на метален прах и метална тел, по отделно или едновременно. Laser Metal Deposition – Wire Powder (LMD-WP) е тяхната патентована технология, която предефинира конвенционалното заваряване. 3D принтерите на Meltio са високопроизводителни и в пъти по-бързи от останалите метални 3D принтери на пазара с впечатляващата си скорост на печат – 0,8кг стоманени детайли на час. Базовият модел Meltio M450 работи с титан, мека стомана, въглеродна стомана, Inconel 718, Неръждаема стомана 316L , и други, а принтираните детайли са с 99.98% плътност.

Метални глава за сондажно оборудване и метален калъп, изработени с Meltio M450

Binder Jetting

Binder Jetting е широкоформатен и прецизен метод на прахово метално 3D принтиране, който може да замени SLM технологията. През последните две години областта се разрасна от един производител до различни компании (включително лидери в индустрията на AM). Поради своята скорост на развитие и мащабируемост, това може да е технологията, която задвижва възможностите и скалируемостта 3D принтирането да бълва производствени обеми.

Технологията, която стои зад струйното нанасяне на металнатите прахообразни материали, е идентична с това, което конвенционалният (2D) мастилно-струен принтер използва за бързо нанасяне на мастило върху хартията. Първо, струйната машина разпределя равномерно метална пудра върху работната повърхност, образувайки несвързан слой. След това струяща глава, подобна на тази в 2D принтерите, разпределя свързващ полимер (лепило), което свободно прилепва праха. Процесът се повтаря, докато машината получи готова конструкция от завършени части.

Частите, отпечатани на машини за струйно свързване, изискват пост обработка, наречена „синтероване“, за да станат напълно метални елементите. При този процес 3D принтираната част се нагрява във фурна до малко под температурата на топене. Свързващият полимер изгаря и металният прах се обединява в цяла метална част. Този процес може да се извършва на партиди, което означава, че не влияе значително на капацитета на машината.

Binder Jetting има две основни предимства пред селективното лазерно топене. Първо, машините могат да принтират много по-бързо, като използват няколко струйни глави на няколко места едновременно. Второ, машината може да направи десетки или дори стотици бройки с едно зареждане на работната камера. Тези части могат да бъдат синтеровани в голяма пещ, за да се постигне управляема инфраструктура за партидно производство. В резултат на това Binder Jetting е значително по-бърз от всеки друг тип метод за 3D принтиране на метални части. Негативът на технологията е, че с тази скорост (и изискванията за управление на металния прах) идват огромни разходи и първоначални инвестиции.

Екструдиране на свързан прах (Bound powder extrusion BPE)

Известно е още като адитивно производство с атомна дифузия. Bound Powder Extrusion (BPE) е вълнуващ нов метод за производството на метални части. За разлика от почти всеки друг основен процес на 3D принтиране, BPE 3D принтерите не използват насипен метален прах. Вместо това, прахът е свързан във восъчни полимери по същия начин, по който се създава метален шприц за формоване. Резултатът е материал, който е много по-безопасен и по-лесен за използване от прах в насипно състояние. Материалът за екструдиране на свързан прах може да се манипулира ръчно и не изисква мерките за безопасност от останалите машини. BPE филаментът се екструдира от дюза по начин, много подобен на стандартния FFF 3D принт, като се получава част, която все още не е завършена. Тя съдържа метален прах, равномерно разпределен във восъчен полимер. След процесът по 3D принтиране, BPE има два етапа на последваща обработка, за да приключи производствения процес:

1. Частта се измива в машина за почистване, където полимерът се разтваря
2. Измитата част се синтерова в пещ (подобно на свързващия полимер от технологията Binder Jetting).

По време на процеса на синтероване, частта се свива, за да компенсира пространството, освободено между металните прашинки след разтварянето на свързващото вещество, докато не се получи солидно метално изделие.

Системата за 3D печат на метални детайли Metal X, от марка Markforged, съдържа метален 3D принтер, станция за измиване на принтираните части и пещ за синтероване.

Като процес на 3D принтиране, базиран на филаменти, това, което може да се очаква от частите, 3D принтирани по BPE технология, наподобява характеристиките на FFF 3D принтирането с полимерни филаменти. Той работи добре за почти всички геометрии на детайлите и може да принтира оптимизирани детайли откъм вътрешен пълнеж (infill). Негативи са нуждата от термо обработка за частите, които трябва да отговарят на оптимални механични свойства (въпреки че това е необходимо за всеки метал) и последваща механична обработка, например полиране за подобряване на повърхността. Плюсовете са, че процесът не е прашен, почистването е лесно, и няма изискванията към средата и сградата, където е инсталирано оборудването сравнено с другите метални 3D принтери. Bоund powder exstrusion 3D принтерите използват по-опростен процес, за да бъдат много по-достъпни от всички други основни видове метално 3D принтиране.

Официален представител и оторизиран сервиз на марка Markforged за България е фирма B2N. За повече информация може да се консултирате с нашите специалисти коя система за 3D печат на метални детайли би била най-подходяща за Вашето производство.