3D-печать металлами

3D-печать металлами можно считать одним из наиболее заманчивых и технологически сложных направлений аддитивного производства. Попытки печати металлами предпринимались с ранних дней развития технологий 3D-печати, но в большинстве случаев упирались в технологическую несовместимость. В этом разделе мы рассмотрим технологии, опробованные для печати как композитными материалами, содержащими металлы, так и чистыми металлами и сплавами.


Струйная трехмерная печать (3DP)


Схема работы трехмерных струйных принтеров (3DP)

Струйная 3D-печать является не только одним из старейших методов аддитивного производства, но и одним из наиболее успешных в плане использования металлов в качестве расходных материалом. Однако необходимо сразу же пояснить, что это технология позволяет создавать лишь композитные модели ввиду технологических особенностей процесса. Фактически, этот метод позволяет создавать трехмерные модели из любых материалов, которые могут быть переработаны в порошок. Связывание же порошка осуществляется с помощью полимеров. Таким образом, готовые модели нельзя назвать полноценно «металлическими».

В то же время, существует возможность преобразования композитных моделей в цельнометаллические за счет термической обработки с целью выплавки или выжигания связующего материала и спекания металлических частиц. Получаемые таким образом модели не обладают высокой прочностью ввиду пористости. Увеличение прочности возможно за счет пропитки полученной цельнометаллической модели. Например, возможна пропитка стальной модели бронзой с получением более прочной конструкции.

Получаемые подобным образом модели, даже с металлической пропиткой, не используются в качестве механических компонентов ввиду относительно низкой прочности, но активно используются в ювелирной и сувенирной промышленности.

Печать методом ламинирования (LOM)


Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию ламинирования (LOM)

3D-печать методом ламинирования подразумевает последовательное нанесение тонких листов материала с формированием за счет механической или лазерной резки и склеиванием для получения трехмерной модели.

В качестве расходного материала может использоваться и металлическая фольга.

Получаемые модели не являются полностью металлическими, так как их целостность основана на применении клея, связующего листы расходного материала.

Плюсом же данной технологии является относительная дешевизна производства и высокое визуальное сходство получаемых моделей с цельнометаллическими изделиями. Как правило, этот метод используется для макетирования.

Послойное наплавление (FDM/FFF)


Модель, изготовленная из BronzeFill до и после полировки

Наиболее популярный метод 3D-печати также не обошел стороной попытки использования металлов в качестве расходных материалов. К сожалению, попытки печати чистыми металлами и сплавами на данный момент не привели к значительным успехам. Использование тугоплавких металлов натыкается на вполне предсказуемые проблемы с выбором материалов для конструкции экструдеров, которые, по определению, должны выдерживать еще более высокие температуры.

Печать же легкоплавкими сплавами (например, оловом), возможна, но не дает достаточно качественной отдачи для практического применения.

Таким образом, в последнее время внимание разработчиков расходных материалов переключилось на композитные материалы по аналогии со струйной печатью. Типичным примером служит BronzeFill – композитный материал, состоящий из термопластика (детали не разглашаются, но, по всей видимости, используется PLA-пластик) и бронзового порошка. Получаемые модели имеют высокую визуальную схожесть с натуральной бронзой и даже поддаются шлифовке до глянца. К сожалению, физические и химические свойства готовых изделий ограничены параметрами связующего термопластика, что не позволяет классифицировать такие модели, как цельнометаллические.

Тем не менее, подобные материалы могут получить практическое применение не только в создании макетов, сувениров и предметов искусства, но и в промышленности. Так, эксперименты энтузиастов показали возможность создания проводников и экранирующих материалов с использованием термопластиков с металлическим наполнителем. Развитие этого направления может сделать возможной печать электронных плат.

Выборочное лазерное спекание (SLS) и прямое спекание металлов (DMLS)

Наиболее распространенный метод создания цельнометаллических трехмерных моделей подразумевает использование лазерных установок для спекания частиц металлического порошка. Данная технология именуется «выборочным лазерным спеканием» или SLS. Стоит отметить, что SLS используется не только для работы с металлами, но и с термопластиками в порошковом виде. Кроме того, металлические материалы зачастую покрываются более легкоплавкими материалами для снижения необходимой мощности лазерных излучателей. В таких случаях готовые металлические модели требуют дополнительного спекания в печах и пропитки для повышения прочности.

Разновидностью технологии SLS является метод прямого лазерного спекания металлов (DMLS), ориентированный, как понятно из названия, на работу с чистыми металлическими порошками. Данные установки зачастую оснащаются герметичными рабочими камерами, наполняемыми инертным газом для работы с металлами, подверженными оксидации – например, с титаном. Кроме того, DMLS-принтеры в обязательном порядке применяют подогрев расходного материала до точки чуть ниже температуры плавления, что позволяет экономить на мощности лазерных установок и ускорять процесс печати.


Схема работы SLS, DLMS и SLM установок

Процесс лазерного спекания начинается с нанесения тонкого слоя подогретого порошка на рабочую платформу. Толщина наносимых слоев соответствует толщине одного слоя цифровой модели. Затем производится спекание частиц между собой и с предыдущим слоем. Изменение траектории движения лазерного луча производится с помощью электромеханической системы зеркал.

По завершении вычерчивания слоя лишний материал не удаляется, а служит опорой для последующих слоев, что позволяет создавать модели сложной формы, включая навесные элементы, без необходимости построения дополнительных опорных структур. Такой подход вкупе с высокой точностью и разрешением позволяет получать детали, практически не требующие механической обработки, а также цельные детали уровня геометрической сложности, недосягаемого традиционными производственными методами, включая литье.

Лазерное спекание позволяет работать с широким ассортиментом металлов, включая сталь, титан, никелевые сплавы, драгоценные материалы и др. Единственным недостатком технологии можно считать пористость получаемых моделей, что ограничивает механические свойства и не позволяет добиться прочности на уровне литых аналогов.

Выборочная лазерная (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM)

Несмотря на высокое качество моделей, получаемых лазерным спеканием, их практическое применение ограничивается сравнительно низкой прочностью ввиду пористости. Подобные изделия могут быть использованы для быстрого прототипирования, макетирования, производства ювелирных изделий и многих других задач, но малопригодны для производства деталей, способных выдерживать высокие нагрузки. Одним решением это проблемы стало преобразование технологии прямого лазерного спекания металлов (DMLS) в технологию аддитивного производства методом лазерной плавки (SLM). Фактически, единственным принципиальным различием этих методов является степень термической обработки металлического порошка: технология SLM основана на полной плавке для получения гомогенных моделей, практически неотличимых по физическим и механическим свойствам от литых аналогов.


Пример титанового имплантата, полученного с помощью технологии электронно-лучевой плавки (EBM)

Параллельным методом, достигшим прекрасных результатов, стала электронно-лучевая плавка (EBM). На данный момент существует лишь один производитель, создающий EBM-принтеры – шведская компания Arcam.

EBM позволяет достигать точности и разрешения, сравнимых с лазерной плавкой, но обладает определенными преимуществами. Так, использование электронных пушек позволяет избавиться от деликатных электромеханических зеркальных систем, используемых в лазерных установках. Кроме того, манипулирование электронными пучками с помощью электромагнитных полей возможно на скоростях, несравнимых более высоких по сравнению с электромеханическими системами, что вкупе с увеличением мощности позволяет добиться повышенной производительности без существенного усложнения конструкции. В остальном же, конструкция SLM и EBM-принтеров схожа с установками для лазерного спекания металлов.

Возможность работы с широким диапазонам металлов и сплавов позволяет создавать мелкие партии специализированных металлических деталей, практически не уступающих образцам, получаемым с помощью традиционных методов производства. При этом отсутствует необходимость создания дополнительных инструментов и инфраструктуры – таких как, литейные формы и печи. Соответственно, возможна значительная экономия при прототипировании или мелкосерийном производстве.

Установки для лазерной и электронно-лучевой плавки успешно используются для производства таких предметов, как ортопедические титановые протезы, лопатки газовых турбин и форсунки реактивных двигателей среди прочих.

Прямое лазерное аддитивное построение (CLAD)


Схема работы установок, использующих технологию CLAD

Не столько технология 3D-печати, сколько технология «3D-ремонта». Технология применяется исключительно на промышленном уровне ввиду сложности и относительно узкой специализации.

В основе CLAD лежит напыление металлического порошка на поврежденные детали с немедленной наплавкой с помощью лазера. Позиционирование «печатной головки» осуществляется по пяти осям: вдобавок к перемещению в трех плоскостях, головка обладает способностью изменять угол наклона и поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет работать под любым углом.

Подобные устройства зачастую используются для ремонта крупногабаритных изделий, включая производственный брак. Например, установки французской компании BeAM используются для ремонта авиационных двигателей и других сложных механизмов.

Полноценные установки CLAD предусматривают использование герметичной рабочей камеры с инертной атмосферой для работы с титаном и другими металлами и сплавами, поддающимися оксидации.

Произвольная электронно-лучевая плавка (EBFȝ)


Схема работы EBFȝ принтеров

Технология, разрабатываемая специалистами НАСА для применения в условиях невесомости. Так как отсутствие гравитации делает работу с металлическими порошками практически невозможной, технология EBFȝ подразумевает использование металлических нитей.

Процесс построения схож с 3D-печатью методом послойного наплавления (FDM), но с использованием электронно-лучевой пушки для плавки расходного материала.

Данная технология позволит создание металлических запасных частей на орбите, что позволит существенно сократить затраты на доставку частей и обеспечит возможность быстрого реагирования на внештатные ситуации.


Перейти на главную страницу Энциклопедии 3D-печати