3D-печать по металлу: беспрецедентная точность и минимизация отходов

3D-печать по металлу все увереннее конкурирует с традиционными методами производства. На 3D-принтерах можно печатать металлические гайки и ключи к ним, винты, болты, запчасти для автомобилей и самолетов, декоративные изделия, столовые приборы и практически любую продукцию, чьи габариты соответствуют размерам печатной поверхности принтера. Более крупногабаритные объекты можно распечатать в виде отдельных компонентов, а затем собрать воедино.

Основной проблемой 3D-печати по металлу остается высокая стоимость расходных материалов. Многие изделия до сих пор проще и выгоднее изготавливать методами традиционного производства. В этой статье будет рассмотрен процесс 3D-печати металлом по технологиям SLM и DLMS, приведен обзор наиболее востребованных принтеров, дана оценка перспектив технологии в промышленности и в домашних условиях.

• SLM или DMLS: в чем разница?
• Как работает 3D-печать металлами?
• Схема работы 3D-принтера по металлу
• Основные характеристики SLM & DMLS
• Параметры принтера
• Адгезия между слоями
• Область поддержки и ориентация деталей
• Полые секции и облегченные конструкции
• Расходные материалы для SLM и DMLS
• Постобработка
• Обзор 3D-принтеров по металлу
  • HP Metal Jet
  • Farsoon FS121M
  • Russian SLM 250
  • Concept Laser X line 2000R
• Своими руками: 3D-принтер по металлу для дома
• Заключение

SLM или DMLS: в чем разница?

Обе эти технологии сегодня активно применяются для 3D-печати по металлу. SLM предусматривает выборочное лазерное плавление металлического порошка, а DMLS — прямое лазерное спекание металла. В обоих случаях для выборочного плавления крупиц металлического порошка задействуют лазер, связывают эти крупицы воедино и создают изделия послойно.

Разница между технологиями такова:

• В SLM металлический порошок расплавляется.
• В DLMS применяются не настолько высокие температуры, поэтому металл не переходит в жидкое состояние. Частицы порошка просто спекаются между собой.

Обе технологии защищены патентами.

Как работает 3D-печать металлами?

3D-печать металлами сегодня требует внушительных затрат. Стоимость принтеров измеряется сотнями тысяч долларов, а ведь к этому надо еще добавить затраты на их содержание и обслуживание, закупку расходных материалов, обучение сотрудников и оплату их труда.

В то же время эти издержки компенсируются экономичностью производственного процесса. Так, традиционные методы производства в авиационной промышленности приводят к тому, что до 90 % сырья превращается в отходы. При 3D-печати же в отходы отправляется не более 5 % материала. Неиспользованный порошок просеивают, перемешивают с новым и повторно применяют для печати.

 ВНИМАНИЕ : Отходами становятся обычно элементы области поддержки.

Энергопотребление у 3D-принтеров намного ниже, чем у традиционного оборудования. Масса распечатанных комплектующих наполовину меньше, чем у традиционных аналогов. Это особенно важно для авиационной и космической промышленности, так как позволяет сэкономить миллионы долларов на топливе для летательных аппаратов.

По 3D-технологии можно распечатать такую продукцию:

Схема работы 3D-принтера по металлу

3D-принтеры, работающие по технологиям SLM и DMLS, печатают по одному и тому же алгоритму:

1. Внутрь камеры построения запускают аргон или иной инертный газ, чтобы металлический порошок не так сильно окислялся.
2. Камеру разогревают.
3. По печатной платформе распределяют тонким слоем порошок металла. Лазер высокой мощности начинает сканировать деталь в поперечном сечении, спекая или сплавляя крупицы металла. Объект получается сразу твердым, так как вся его область обрабатывается одновременно.
4. Как только один слой будет завершен, печатная платформа опустится на толщину этого слоя, и лазер начнет создавать очередной слой. Так будет повторяться до тех пор, пока объект не будет напечатан полностью.

Готовый объект будет покрыт металлическим порошком и прикреплен поддержками к рабочей поверхности. Поддержки изготавливают из того же материала, что и сам объект — иначе они могут исказиться или деформироваться под воздействием высоких температур.

Камере построения позволяют охладиться до комнатной температуры, оставшийся порошок удаляют вручную. Распечатанный объект сначала подвергают термообработке, чтобы снять остаточные напряжения, а затем устраняют поддержки. После отделения от печатной платформы детали готовы к использованию.

Основные характеристики SLM & DMLS

В SLM-устройствах лазер расплавляет каждый слой металлического порошка по отдельности. Температуры резко меняются, из-за чего в деталях возникают внутренние напряжения. Это может негативно сказаться на качестве продукции, хотя оно в любом случае будет выше, чем при литье. Изделия, распечатанные на SLM-принтерах, превосходят DLMS-аналоги по запасу прочности и по монолитности.

При работе по DLMS-технологии внутренние напряжения не создаются, поэтому качество изделий несоизмеримо выше, чем у аналогов, изготовленных посредством штамповки или литья. Это особенно востребовано для аэрокосмической и автомобильной отраслей, так как используемые в них комплектующие должны быть исключительно прочными.

Параметры принтера

Параметры 3D-принтеров для печати по металлу обычно таковы:

• Толщина слоя колеблется в диапазоне от 20 мкм до 50 мкм.
• Точность размеров равна ориентировочно ± 0,1 мм.
• Среднестатистические габариты области печати составляют 250 мм × 150 мм × 150 мм.

Обычно устройства продаются уже с заданными настройками, поэтому пользователю не приходится в них ничего менять.

Адгезия между слоями

По своим изотропным термическим и механическим свойствам изделия, распечатанные на SLM и DMLS-принтерах, практически идентичны. Они твердые, показатель их внутренней пористости не превышает 0,5 %. По сравнению с аналогами, изготовленными на традиционном производстве, такие детали обычно более прочные и гибкие, зато более подвержены усталости.

Область поддержки и ориентация деталей

Поддержка для металлических деталей в 3D-печати нужна обязательно, так как температуры их обработки чрезвычайно высоки. Для построения таких поддержек обычно применяют решетчатую структуру.

При изготовлении металлических объектов поддержка берет на себя следующие задачи:

• обеспечить следующему слою надежную платформу;
• прикрепить элемент к платформе построения и предотвратить ее деформации;
• отвести от изделия тепло и дать ему остыть с контролируемой скоростью.

Чтобы минимизировать риск деформации и усилить прочность на критических направлениях, изделия обычно ориентируют под углом. Из-за этого продолжительность печати и расход материала возрастают, стоимость производства увеличивается, а область необходимой поддержки расширяется.

 ВНИМАНИЕ : Чтобы избежать деформации, допустимо пользоваться случайными бессистемными шаблонами сканирования. Такая последовательность прохода лазера по участкам слоев снимет остаточные напряжения, оставшиеся по конкретному направлению.

Чтобы спрогнозировать поведение изделия в процессе печати, задействуют симуляции. Для производства легких деталей и улучшения их технических характеристик можно воспользоваться алгоритмами непрерывной оптимизации. Эти алгоритмы также снижают риск деформации и уменьшают необходимую область поддержки.

Полые секции и облегченные конструкции

Удаление областей поддержек для металлических деталей требует значительных усилий, поэтому полых секций стараются избегать. Вместо этого изделия проектируют так, чтобы в них выделялось ядро и оболочка. Их обрабатывают лазером на разных мощностях, с разной скоростью сканирования. В результате разные области деталей обладают разными свойствами.

Такой подход оказывается особенно полезным для производства объектов с большим сплошным сечением. Риск их деформации минимизируется, время печати сокращается. Готовые объекты получаются исключительно стабильными, а их поверхность — крайне высококачественной.

 ВНИМАНИЕ : чтобы уменьшить массу объекта, в 3D-печати по металлу часто задействуют решетчатую структуру.

Расходные материалы для SLM и DMLS

Эти технологии позволяют вести печать на основе алюминия, титана, инконеля, кобальтового хрома и прочих металлов и металлических сплавов. Сфера применения порошков этих металлов чрезвычайно широка: от медицины до аэрокосмической отрасли. Серебром, золотом, палладием и платиной печатают в основном в ювелирной отрасли, за ее пределами эти материалы не слишком востребованы.

 ВНИМАНИЕ : расценки на металлические порошки остаются высокими и могут составлять в районе $400 долларов за 1 кг. Поэтому сегодня в 3D выгодно печатать в первую очередь мелкие металлические детали, которые слишком сложно или дорого создавать традиционными способами.

Традиционными способами крайне трудно работать с суперсплавами кобальта-хрома или никеля. 3D-принтеры же создают из такого порошка изделия с почти чистой поверхностью, которую потом можно доработать более привычными методами.

Постобработка

Постобработке детали подвергают для того, чтобы повысить их точность, улучшить механические свойства и внешний вид. С них удаляют области поддержки, счищают остатки порошка, а затем подвергают термическому обжигу. В ходе термообработки с изделий снимаются остаточные напряжения.

Если изделию необходимо придать сложную геометрическую форму, создать на нем резьбу или отверстия, для этого задействуют ЧПУ-станки. Для улучшения качества поверхности и повышения усталостной прочности продукцию обрабатывают давлением, подвергают металлизации, полируют и выполняют микрообработку.

Обзор 3D-принтеров по металлу

Ниже приведены технические характеристики и краткие описания четырех  3D-принтеров по металлу , наиболее востребованных в промышленном производстве. Точная цена приведена только для одной модели, так как расценки на подобные агрегаты обычно озвучиваются по запросу. В любом случае речь идет о сотнях тысяч долларов.

HP Metal Jet

Спекание порошка по технологии MJF позволяет вдвое ускорить печать по сравнению с лазерной технологией. Металлический порошок наносится на рабочую поверхность аппарата, выравнивается и заливается по форме детали печатающим составом, который связывает крупицы порошка воедино. Каждый слой закрепляют при высокой температуре, затем счищают с рабочей поверхности остатки порошка и спекают объект целиком.

3D принтер HP Metal Jet

• Материал Металлический порошок
• Разрешение печати 1200х1200 dpi
• Тип платформы Нержавеющая сталь
• Область рабочей камеры 430х320х200 мм

Перейти к товару

Ресурс работы устройства, по заверению производителя, составляет 100 000 деталей как минимум. В просторной рабочей области можно изготавливать несколько объектов за один заход, причем их высота может быть разной. Распечатанная на принтере продукция соответствует мировому стандарту ASTM. Показатель плотности после спекания превышает 93 %.

Farsoon FS121M

Эта модель отличается высокой скоростью работы и предельной точностью построения, которые обеспечивают алгоритм индивидуализированного сканирования лазера. Для инертного газа разработана система подачи и фильтрации, повышающая безопасность работы и качество производимых объектов. Программное обеспечение устройства создавалось на открытом коде и постоянно совершенствуется. За счет этого пользователь получает максимальный доступ ко всем настраиваемым параметрам принтера.

Russian SLM 250

Russian SLM 250 российского производства от компании 3DSLA совместим как с родными, так и с чужими расходными материалами. При необходимости производитель готов создавать порошки по индивидуальному заказу. Аппарат печатает порошками с фракциями не более 60 мкм, послойно сплавляя их лазером в присутствии инертного газа. Для принтера было разработано собственное программное обеспечение Triangulatica, которое не только обрабатывает загруженные модели и генерирует поддержки для них, но и контролирует все фазы печатного процесса (мощность лазера, состояние инертного газа, толщину слоев и так далее). При желании к устройству можно докупить станцию просеивания порошков и узел фракционного деления для нее, систему послойного видеоконтроля печати с архивом для хранения данных, генератор защитного газа с чистотой до 99,99 % (данный показатель приведен для азота). Если планируется задействовать не всю платформу принтера сразу, будет разумно докупить также модуль экономии порошка.

3D принтер SLM 280 2.0

• Форматы файлов STL
• Размеры, мм 2600 x 1200 x 2700
• Программное обеспечение SLM AutoFabMC
• Страна производитель Германия
• Вес, кг 1300

• Диаметр пятна лазера 80 - 115 мкм
• Минимальная толщина стенки 150 мкм
• Мощность лазера 1x400/2x400/1x700/2x700/1x700 + 1x1000 Вт
• Печать SLM
• Производительность 55 см³/ч
• Расход защитного газа при построении, л/мин. Ar 2,5
• Расход защитного газа при продувке (начало работы), л Ar 70 л/мин
• Тип лазера IPG волоконный
• Область рабочей камеры 280 х 280 х 365 мм
• Толщина слоя от 20 мкм
• Дисплей есть
• Интерфейсы Ethernet 10/100/1000
• Скорость сканирования 10 м/с

Перейти к товару

Concept Laser X line 2000R

• Технология: LC
• Габариты печатной поверхности: 800 мм x 400 мм x 500 мм
• Масса: 8000 кг
• Толщина слоя: от 20 мкм

Аббревиатура LC расшифровывается как LaserCusing, и это собственная разработка производителя. Эта технология близка лазерному спеканию, но осуществляется с помощью волоконных лазеров высокой мощности. Таким образом, происходит не спекание, а полное сплавление крупиц порошка до однородной массы. Это позволяет создавать изделия максимально сложной геометрии с выдающимися техническими характеристиками. Устройство оснащено вакуумной установкой и может работать среди прочего и с реактивными материалами (например, титаном). Программа Marcam AutoFab M2 позволяет создавать модели ювелирных и стоматологических изделий для распечатки, а 3Shape CAMbridge автоматизирует производство ортопедических конструкций из металла.

Своими руками: 3D-принтер по металлу для дома

Вне производственной среды лучше печатать не металлом, а пластиковым филаментом с добавлением металлических частиц, например бронзы. Для этого подойдет FDM-принтер, чья стоимость ощутимо ниже, чем у аппаратов для печати металлами. FDM-устройствам не надо разогреваться до настолько высоких температур, как промышленным принтерам по металлу, уровень шума и малоприятного запаха от них намного ниже. Таким способом очень удобно печатать объекты интерьера, предметы обихода и бижутерию.

Изделия, распечатанные из пластикового филамента с частицами металла, внешне и на ощупь неотличимы от металлических аналогов, а также обладают сопоставимой массой. В отличие от металла, они никогда не покроются ржавчиной. Для их изготовления на принтер необязательно устанавливать подогреваемый стол, а при охлаждении такая продукция даст минимальную усадку. Однако ей необходима постобработка в виде шлифовки и полировки, а температуру сопла и скорость подачи филамента надо настраивать очень точно. Кроме того, филаменты с металлическими частицами крайне абразивны, что ускоряет износ сопла.

 ВНИМАНИЕ : Из пластикового филамента с использованием металла не рекомендуется создавать объекты, которые будут контактировать с пищевыми продуктами.

3D-печать металлическим порошком позволяет создавать изделия с гораздо более сложной геометрией, чем аналоги, произведенные традиционными методами. Готовая продукция обладает превосходными физическими характеристиками, даже если она была изготовлена из суперсплавов, которые с трудом поддаются традиционной обработке. Однако в силу высокой стоимости расходных материалов для 3D-принтеров простые детали до сих пор выгоднее изготавливать традиционными методами. К тому же рабочая область принтеров ограниченна, а для их работы требуются особые условия и постоянный контроль производства. Тем не менее темпы прогресса дают основания полагать, что в ближайшем будущем недостатки технологии будут преодолены. Постоянно совершенствуясь, 3D-печать по металлу станет все более общедоступной и широко распространенной, а ассортимент ее продукции значительно расширится.