Автоматизированное 3д производство изделий из металла. Плавка электронно-лучевая и лазерная. D-печать металлом - применение

Era-3D предлагает комплексные решения в области аддитивного производства. Мы поставляем и обслуживаем 3Д-оборудование, а также самостоятельно моделируем проекты и выполняем 3D-печать металлом под заказ.

Большой выбор материалов, высокое качество готовых металлических изделий и оптимальные цены услуг – наши главные преимущества. Прямое сотрудничество с ведущими производителями отрасли позволяет делать 3Д-технологии более доступными. Подробнее ознакомиться с материалами и оборудованием для 3D-печати металлом можно в соответствующих разделах на сайте или в нашем демо-зале в Москве.

3D-печать: область применения металлических изделий

Технологии послойного синтеза активно применяются в современной промышленности:

.в аэрокосмической и авиационной отрасли;

.в автопроме;

.на предприятиях ОПК.

3D-печать способствует повышению энергоэффективности производства, сокращению отходов и оптимизации веса готового металлического изделия.

В медицине особо востребованы импланты, стоматологические съемные и несъемные протезы, которые выполняются по аддитивной технологии. С применением 3Д-печати металлом, цены изделий становятся ниже, степень детализации значительно выше, а сам процесс производства значительно ускоряется.

Технологические особенности и материалы

Основные технологии, применяемые для построения 3D-моделей и готовой продукции из металла:

.выборочная лазерная плавка SLM (Selective Laser Melting);

.выборочное лазерное спекание SLS (Selective Laser Sintering);

.прямое лазерное спекание DLMS (Direct Laser Metal Sintering);

.прямая печать металлом DMP (Direct Metal Printing);

.лазерное сплавление LC;

.наплавление: Directed Energy Deposition (при помощи лазера) и Electron Beam Manufacturing (посредством электронного луча).

При необходимости опытные консультанты помогут подобрать подходящий порошковый металл, исходя из выбранной технологии и актуальных производственных задач. Это может быть:

.кобальт-хром;

.титан;

.алюминий;

.нержавеющая сталь и так далее.

Заказы на 3D-принтеры по металлу и расходные материалы принимаются онлайн, в телефонном режиме, а также непосредственно в демонстрационном зале в Москве.

3D-печать металлом становится все более популярной. И это не удивляет: каждый металлический материал для печати предлагает уникальное сочетание практических и эстетических свойств, чтобы удовлетворить требования предъявляемые к различным продуктам, будь то прототипы, миниатюры, украшения, функциональные детали или даже кухонные принадлежности.

Причины печатать металлами настолько веские, что 3D-печать металлами уже внедряется в серийное производство. На самом деле, некоторые 3D-печатные детали уже догнали, а какие-то и превзошли своими свойствами те, что производятся традиционными методами.
Традиционное производство из металлов и пластиков очень расточительно - в авиапромышленности, например, до 90% материалов уходит в отходы, а выход продукции, лежащей в пределах допусков, в некоторых отраслях составляет не более 30%.

3D-печать металлами потребляет меньше энергии и сокращает количество отходов до минимума. Кроме того, готовое 3D-печатное изделие может быть до 60% легче, по сравнению с фрезерованной или литой деталью. Одна лишь авиационная промышленность сэкономит миллиарды долларов на топливе, за счет снижения веса конструкций, а ведь прочность и легкость нужны и в других отраслях. Да и экономичность тоже.

3D-печать металлом дома

Что можно сделать, если появилось желание попробовать 3D-печать металлом в домашних условиях? Для печати металлом необходимы чрезвычайно высокие температуры, вряд ли вы сможете использовать обычный FDM 3D-принтер для этого, по крайней мере пока. Ситуация может измениться лет через 15-20, но сейчас домашней 3D-технике это недоступно.

Если вы хотите сделать выглядящие металлическими распечатки у себя дома, лучший вариант - использование пластика содержащего частицы металла.

Такого например, как Colorfabb Bronzefill или Bestfilament Bronze .

Эти филаменты содержат значительный процент металлических порошков, но и достаточно пластика для печати при низкой температуре любым 3D-принтером. В то же время, они содержат достаточное количество металла, чтобы соответственно выглядеть, ощущаться и даже иметь вес близкий к весу металлического предмета.

Изделия из филамента с содержанием железа даже покрываются ржавчиной в определенных условиях, что добавляет правдоподобности, а вот проржаветь насквозь и испортиться от этого не смогут - и в этом их преимущество перед настоящими металлическими предметами.
Плюсы таких материалов:

• Уникальный внешний вид распечаток
• Идеально подходит для бижутерии, статуэток, предметов домашнего обихода и декора
• Высокая прочность
• Очень малая усадка во время охлаждения
• Подогреваемый стол не обязателен

Минусы:

• Низкая гибкость изделий, зависит от конструкции распечатки
• Не считается безопасным при контакте с пищей
• Требует тонкой настройки температуры сопла и скорости подачи филамента
• Необходима постобработка изделий - шлифовка, полировка
• Быстрый износ сопла экструдера - филамент с металлом очень абразивен, по сравнению с обычными материалами

Общий температурный диапазон печати обычно составляет 195°C - 220°C.

3D-печать металлом в промышленности Если вы хотите приобрести 3D-принтер печатающий настоящим металлом, для использования на предприятии, то тут для вас две новости - хорошая и плохая.
Хорошая новость состоит в том, что их ассортимент достаточно широк и продолжает расширяться, и можно будет выбрать такой аппарат, который соответствует любым техническим требованиям. Далее в статье можно убедиться в этом.
Плохая же новость одна - цены. Стоимость профессиональных печатающих металлом принтеров начинается где-то от $200000 и растет до бесконечности. Кроме того, даже если вы выберете и приобретете самый недорогой из них, отдельным ударом станет покупка расходников, плановое обслуживание с заменой узлов, ремонт. Не забываем также о персонале и расходах на постобработку изделий. Да, и на стадии подготовки к печати понадобится специальное ПО и умеющие обращаться с ним люди.
Если вы готовы ко всем этим тратам и трудностям - читайте дальше, мы представим несколько очень интересных образцов.
3D-печать металлом - применение

Части реактивного двигателя GE’s LEAP напечатаны в 3D на фабрике аддитивного производства AvioAero (изображение: GE)

В некоторых промышленных секторах уже используют металлические 3D-принтеры, сделав их неотъемлемой частью производственного процесса, о чем обычный потребитель может и не подозревать:

• Наиболее распространенным примером являются медицинские импланты и стоматологические коронки, мосты, протезы, которые уже считаются наиболее оптимальным вариантом для пациентов. Причина: Они могут быть быстрее и дешевле изготовлены на 3D-принтере и адаптированы к индивидуальным потребностям каждого пациента.

• Второй столь же часто встречающийся пример: ювелирное дело. Большинство крупных производителей постепенно переходит от 3D-печати форм и восковок к непосредственной 3D-печати металлом, а печать из титана позволяет ювелирам создавать изделия невозможного ранее дизайна.

• Кроме того, аэрокосмическая промышленность становится все более и более зависима от 3D-печатных металлических изделий. Ge-AvioAero в Италии - первая в мире полностью 3D-печатная фабрика, которая выпускает компоненты для реактивных двигателей LEAP .

• Следующая отрасль использующая металлические 3D-принтеры будет находиться в автомобильном секторе. BMW, Audi, FCA уже серьезно рассматривают применение технологии в серийном производстве, а не только в прототипировании (где они используют 3D-печать уже многие годы).

• Казалось бы - зачем изобретать велосипед? Но и здесь 3D-печать металлом нашла применение. Уже несколько лет производители велосипедных компонентов и рам применяют 3D печать. Не только в мире, но и в России это получило распространение. Производитель эксклюзивных велосипедов Triton заканчивает проект с элементом титановой рамы, напечатанным на 3д принтере для снижения веса без ущерба прочности.

Но прежде, чем 3D-печать металлами действительно захватит мир, необходимо будет преодолеть несколько серьезных проблем. В первую очередь - это высокая стоимость и низкая скорость производства больших серий этим методом.

3D-печать металлом - технологии

Большинство процессов 3D-печати металлом начинаются с порошка

Многое можно сказать о применении печатающих металлом 3D-принтеров. Тем не менее, основные вопросы такие же, как и с любыми другими 3D-принтерами: программное обеспечение и аппаратные ограничения, оптимизация материалов и печать несколькими материалами. Мы не будем говорить о программном обеспечении много, упомянем лишь, что наиболее крупные издатели, такие как Autodesk , SolidWorks и - все разрабатывают программные продукты для использования в объемной печати металлами, чтобы пользователи могли воплотить в жизнь изделие любой вообразимой формы.

В последнее время появились примеры того, что 3D-детали напечатанные металлом могут быть столь же прочными, как традиционно производимые металлические компоненты, а в некоторых случаях и превосходят их. Созданные с помощью DMLS изделия имеют механические свойства эквивалентные цельнолитым.

Посмотрим же на имеющиеся металлические технологии 3D-печати:

Процесс # 1: Послойное сплавление порошка Процесс 3D-печати металлами, которым наиболее крупные компании пользуются в наши дни, известен как сплавление или спекание порошкового слоя. Это означает, что лазерный или другой высокоэнергетический луч сплавляет в единое целое частицы равномерно распределенного металлического порошка, создавая тем самым слои изделия, один за другим.

В мире есть восемь основных производителей 3D-принтеров для печати металлом, большинство из них расположены в Германии. Их технологии идут под аббревиатурой SLM (выборочное лазерное плавление) или DMLS (прямое спекание металла лазером).

Процесс # 2: Binder Jetting

ExOne производит 3D-печать металлических частей нанося связующее вещество перед обжигом в печи (изображение: ExOne)

Еще один профессиональный метод с послойным соединением - склеивание частиц металла для последующего обжига в высокотемпературной печи, где частицы сплавляются под давлением, составляя единое металлическое целое. Печатная головка наносит соединительный раствор на порошковую подложку послойно, как обычный принтер на листы бумаги, после чего изделие отправляется в обжиг.

Еще одна похожая, но в отдельных деталях разительно отличающаяся технология, в основе которой лежит FDM печать - замешивание металлического порошка в металлическую пасту. С помощью пневматической экструзии 3D-принтер выдавливает ее, подобно тому, как строительный 3D-принтер делает это с цементом, чтобы сформировать 3D-объекты. После того, как нужная форма напечатана, объекты также спекают в печи.

Эту технологию использует Mini Metal Maker - возможно, единственный более-менее доступный 3D-принтер для печати металлом ($1600). Прибавьте стоимость небольшой печки для обжига.
Процесс # 3: Наплавление Можно подумать, что среди технологий печатью металлом отсутствует похожая на обычную FDM, но это не совсем так. Конечно, вы не сможете плавить металлическую нить в хот-энде своего 3D-принтера, а вот крупные производители владеют такой технологией и пользуются ею. Есть два основных способа печатать цельнометаллическим материалом.

Один из них называется DED (Directed Energy Deposition) или лазерная наплавка. Он использует лазерный луч для сплавления металлического порошка, который медленно высвобождается и осаждается из экструдера формируя слои объекта с помощью промышленного манипулятора.

Обычно это делается внутри закрытой камеры, однако, недавний проект MX3D реализовал аналогичный подход к 3D-печати в сооружении настоящего полноразмерного моста.

Другой называется EBM (Electron Beam Manufacturing - производство электронным лучом), это технология формирования слоев из металлического сырья под воздействием мощного электронного луча, с ее помощью создают крупные и очень крупные конструкции. Если вы не работаете в оборонном комплексе РФ или США, то вряд ли увидите эту технологию живьем.
Еще парочка новых, едва появившихся технологий, используемых пока только их создателями, представлена ниже - в разделе о принтерах.

Используемые металлы

Ti - Титан Чистый титан (Ti64 или TiAl4V) является одним из наиболее часто используемых металлов для 3D-печати, и безусловно - одним из самых универсальных, так как он является одновременно прочным и легким. Он используется как в спекании слоев порошка, главным образом в медицинской промышленности (в персонализированом протезировании), так и в аэрокосмической и автомобильной отрасли (для изготовления деталей и прототипов), и в других областях. Единственная загвоздка - он обладает высокой реакционной способностью, что означает - он может легко взорваться, когда находится в форме порошка, поэтому обязательно должен применяться для печати лишь в среде инертного газа Аргона.

SS - Нержавеющая сталь Нержавеющая сталь является одним из самых доступных металлов для 3D-печати. В то же время, она очень прочна и может быть использована в широком спектре промышленных и даже художественных производств. Этот тип стального сплава, содержащий кобальт и никель, обладает высокой упругостью и прочностью на разрыв. 3D-печать нержавейкой используется в основном лишь в тяжелой промышленности.

Inconel - Инконель Инконель - суперсплав производимый компанией Special Metals Corporation, запатентованный товарный знак. Он состоит в основном из никеля и хрома и имеет высокую жаропрочность. Именно поэтому он используется в основном в нефтяной, химической и аэрокосмической промышленности (например: для создания распределительных форсунок, бортовых “черных ящиков”).

Al - Алюминий Из-за присущей ему легкости и универсальности, алюминий в настоящее время является очень популярным металлом для применения в 3D-печати. Он используется обычно в виде различных сплавов, составляя их основу. Но порошок алюминия взрывоопасен и применяется в печати также в среде инертного газа Аргона.

CoCr - Кобальт-хром

Этот металлический сплав имеет очень высокую удельную прочность. Чаще всего он используется для 3D-печати зубных коронок, мостов и бюгельных протезов.

Cu - Медь За редким исключением, медь и ее сплавы - бронза, латунь - используются для литья с использованием выжигаемых моделей, а не для прямой печати металлом. Это потому, что их свойства далеко не идеальны для применения в промышленной 3D-печати, они чаще используются в декоративно-прикладном искусстве. Однако, с большим успехом они добавляются в пластиковый филамент для 3D-печати на обычных 3D-принтерах.

Fe - Железо Железо и магнитный железняк также, в основном, используются в качестве добавки к PLA-филаменту. В крупной промышленности чистое железо редко находит применение, а о стали мы написали выше.

Au, Ag - Золото, серебро и другие драгоценные металлыБольшинство сплавляющих слои порошка 3D-принтеров могут работать с драгоценными металлами, такими как золото, серебро и платина. Главная задача при работе с ними - убедиться в оптимальном расходе дорогостоящего материала. Драгоценные металлы применяются в 3D-печати ювелирных и медицинских изделий, а также при производстве электроники.

3D принтеры печатающие металлом

# 1: Sciaky EBAM 300 - титановый прутДля печати действительно больших металлических конструкций лучшим выбором будет EBAM от Sciaky . Этот аппарат может быть любого размера, на заказ. Он используется, в основном, в аэрокосмической и оборонной промышленности США.

Как серийную модель, Sciaky продает EBAM 300. Он имеет размер рабочей области со сторонами 5791 х 1219 х 1219 мм.

Компания утверждает, что EBAM 300 также является одним из самых быстрых коммерчески доступных промышленных 3D-принтеров. Конструкционные элементы самолетов, производство которых по традиционным технологиям могло занимать до полугода, теперь печатаются в течение 48 часов.
Уникальная технология Sciaky использует электронно-лучевую пушку высокой мощности для плавки титанового филамента толщиной 3мм, со стандартной скоростью осаждения около 3-9 кг/час.

# 2: Fabrisonic UAM - ультразвуковой

Другой способ 3D-печати больших металлических деталей - Ultrasound Additive Manufacturing Technology (UAM - технология ультразвукового аддитивного производства) от Fabrisonic. Детище Fabrisonic является трехосевым ЧПУ-станком, имеющим дополнительную сварочную головку. Металлические слои сначала разрезают, а затем сваривают друг с другом с помощью ультразвука. Крупнейший 3D-принтер Fabrisonic - “7200”, имеет объем сборки 2 х 2 х 1,5 м.

# 3: Laser XLine 1000 - металлический порошок

Одним из самых крупных на рынке 3D-принтеров печатающих с помощью металлического порошка долго являлся XLine 1000 производства Concept Laser. Он имеет область сборки размером 630 х 400 х 500 мм, а места занимает как небольшой дом.

Изготовившая его немецкая компания, которая является одним из поставщиков 3D-принтеров для аэрокосмических компаний-гигантов, таких как Airbus, недавно представила новый принтер - XLine 2000.

2000 имеет два лазера и еще больший объем сборки - 800 х 400 х 500 мм. Эта машина, которая использует патентованную технологию LaserCUSING (тип селективного лазерного плавления), может создавать объекты из сплавов стали, алюминия, никеля, титана, драгоценных металлов и из некоторых чистых материалов (титана и сортовых сталей.)

Машины, подобные этой, есть у всех основных игроков на рынке 3D-печати металлом: у EOS, SLM, Renishaw, Realizer и 3D Systems, а также у Shining 3D - стремительно развивающейся компании из Китая.

# 4: M Line Factory - модульная 3D-фабрика

Рабочий объем: 398,78 х 398,78 х 424,18 мм
От 1 до 4 лазеров, 400 - 1000 Вт мощности каждый.

Концепция M Line Factory основана на принципах автоматизации и взаимодействия.

M Line Factory, от той же Concept Laser и работающий по той же технологии, делает акцент не на размере рабочей области, а на удобстве производства - он представляет собой аппарат модульной архитектуры, который разделяет производство на отдельные процессы таким образом, что эти процессы могут происходить одновременно, а не последовательно.

Эта новая архитектура состоит из 2 независимых узлов машины:

M Line Factory PRD (Production Unit - производственная единица)

Production Unit состоит из 3-х типов модулей: модуль дозирования, печатный модуль и модуль переполнения (лоток для готовой продукции). Все они могут быть индивидуально активированы и не образуют одну непрерывную единицу аппаратуры. Эти модули транспортируются через систему туннелей внутри машины. Например, когда новый порошок подается, пустой модуль хранения порошка может быть автоматически заменен на новый модуль, без прерывания процесса печати. Готовые детали могут быть перемещены за пределы машины и немедленно автоматически заменяются следующими заданиями.

M Line Factory PCG (Processing Unit - процессинговая единица)

Это независимый блок обработки данных, который имеет встроенную станцию просеивания и подготовки порошка. Распаковка, подготовка к следующему заданию печати и просеивание происходят в замкнутой системе, без участия оператора.

# 5: ORLAS CREATOR - 3D-принтер готовый к работе

Создатели ORLAS CREATOR позиционируют этот 3D-принтер как максимально доступный, простой в обращении и готовый к работе, не требующий установки никаких дополнительных комплектующих и программ сторонних производителей, способный печатать прямо из файла комплектной CAD/CAM их собственной разработки.
# 6: FormUp 350 - Powder Machine Part Method (PMPM)

FormUp 350, работающий в системе Powder Machine Part Method (PMPM) создан компанией AddUp - совместным проектом Fives и Michelin. Это новейший аппарат для 3D-печати металлами, впервые представленный в ноябре на Formnext2016.

Принцип работы у этого 3D-принтера тот же, что и у приведенных выше коллег, но его главная особенность в другом - она заключается в его включенности в PMPM.

Принтер предназначен именно для промышленного использования в режиме 24/7 и рассчитан именно на такой темп работы. Система PMPM включает в себя контроль качества всех комплектующих и материалов на всех стадиях их производства и распространения, что должно гарантировать стабильно высокие показатели качества работы, в чем у Мишлена огромный многолетний опыт.

# 7: XJET - NanoParticle Jetting - струйная печать металлом

Технология впрыска наночастиц предполагает использование специальных герметичных катриджей с раствором, в котором находится взвесь наночастиц металла.
Наночастицы осаждаются и образуют собой материал печатаемого изделия.
Учитывая заявленные особенности технологии (применение металлических частиц наноразмера) несложно поверить создателям аппарата, когда они утверждают о его беспрецедентных точности и разрешении печати по всем трем геометрическим осям.

# 8: VADER Mk1 - MagnetoJet - струйная печать металлом

Технология Зака Вейдера MagnetoJet основана на изучении магнитной гидродинамики, а конкретнее - возможности управлять расплавленным металлом с помощью магнитных полей. Суть разработки в том, что из расплавленного алюминия формируется капля строго контролируемого размера, этими каплями и осуществляется печать.

Размер такой капельки - от 200 до 500 микрон, печать происходит со скоростью 1000 капель в секунду.
Рабочая область принтера: 300 мм х 300 мм х 300 мм
Рабочий материал: Алюминий и его сплавы (4043, 6061, 7075)

И пусть пока это только алюминий, но принтер в 2 раза быстрее порошковых и до 10 раз дешевле.
В 2018 году планируется выпуск Mk2 с 10 печатающими головками, что должно дать прирост скорости печати до 30 раз.
Что ж, посмотрим как они справятся.

# 9: METAL X - ADAM - атомная диффузия

Компания Markforged представила новую технологию 3D-печати металлом - ADAM, и 3D-принтер работающий по этой технологии - Metal X.

ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing) - технология атомной диффузии . Печать производится металлическим порошком, где частицы металла покрыты синтетическим связующим веществом, которое удаляется после печати, позволяя металлу соединиться в единое целое.

Главное преимущество технологии - отсутствие необходимости применения сверхвысоких температур непосредственно в процессе печати, а значит - отсутствие ограничений по тугоплавкости используемых для печати материалов. Теоретически, принтер может создавать 3D-модели из сверхпрочных инструментальных сталей - сейчас он уже печатает нержавейкой, а в разработке титан, Инконель и стали D2 и A2.

Технология позволяет создавать детали со сложной внутренней структурой, такой как в пчелиных сотах или в пористых тканях костей, что затруднительно при других технологиях 3D-печати, даже для DMLS.

Размер изделий: до 250мм х 220мм х 200мм.
Высота слоя - 50 микрон.

Того гляди, скоро можно будет распечатать высококачественный нож, например, с нуля, за пару часов, придав ему любой самый замысловатый дизайн.

Хотите больше интересных новостей из мира 3D-технологий?

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.

Объемная печать начала развиваться в середине XX века. В 1948 году американец Чарльз Халл (Charles Hull) изобрел технологию, которая получила название SLA (Stereolithography) , или стереолитография. Процесс основан на свойстве жидкого фотополимера отвердевать под лазерным излучением. Выращивание модели ведется аддитивным методом, рабочая площадка опускается на 0,05-0,15 мм и покрывается новым слоем фотополимеризующейся композиции, а лазерный луч засвечивает участки, соответствующие стенкам виртуальной детали, заставляя их отвердевать.

Чарльз Халл оформил патент на изобретение в 1986 году и основал компанию 3D Systems (крупнейший производитель отрасли до настоящего времени). Тогда еще не было понятия 3D печать, и машину назвали аппаратом для стереолитографии. Но это первое устройство, создавшее реальный объект по виртуальному образцу методом послойного выращивания. С того времени направление бурно развивается, делаются открытия, основываются компании. Появились лазерные и струйные принтеры для объемной печати, использующие в качестве сырья пластики, полимеры, биоматериалы, продукты питания, и, конечно, металлы.

Подавляющее большинство 3D принтеров по металлу – огромные модели весом более тонны. Они используются в промышленных целях и служат для выращивания деталей сложной геометрии, которые затруднительно изготовить литьем или механической обработкой. Цена такого 3d-принтера может достигать нескольких сотен тысяч долларов.

На 3D устройствах изготавливаются:

• прототипы для тестирования и испытания деталей серийного производства;
• индивидуальные медицинские имплантаты;
• зубные коронки и мосты в стоматологии;
• ювелирные изделия.

Существует несколько технологий 3D печати металлами и их сплавами. Одни из них успешно применяются для работы с разными материалами, а другие предназначены исключительно для выращивания металлических изделий.

Послойное наплавление и ламинирование

Самый популярный способ выращивания объемных моделей – технология FDM (Fused Deposition Modeling) , называемая также FFF (Fused Filament Fabrication) . Печать ведется методом послойного наложения расплавленного материала, поставляемого в виде нити . Использование здесь тугоплавких металлов невозможно, слишком высока температура, которую должен выдерживать экструдер принтера, но в филамент можно добавить какое-то количество металлического порошка. Один из таких материалов – BronzeFill – состоит из термопластика и бронзы. В процессе изготовления детали металл, естественно, не плавится, только основная составляющая нити. Благодаря содержанию бронзового порошка готовый предмет поддается полировке и выглядит как металлическое изделие, хотя прочность, и другие свойства модели, ограничиваются характеристиками пластика.

Технология LOM (Laminated Object Manufacturing) , или ламинирование, заключается в последовательном наложении друг на друга тонких листов, в частности, может быть использована металлическая фольга. В каждом слое лазером вырезается контур, соответствующий сечению прототипа на соответствующем уровне. Соединяются же листы между собой связующим веществом на клеевой основе. Визуально полученные изделия напоминают металлические, но их целостность зависит от возможностей клея.

Струйная 3D печать

Принтеры, работающие по этой технологии, используют любые материалы, которые могут быть превращены в порошок , в том числе металлы и их сплавы. Из струйной печатающей головки на тонкий слой композита поступает жидкое связующее вещество, которое скрепляет основной материал. Затем в рабочую зону подается новый слой порошка и выращивание продолжается. Распечатанное 3D принтером изделие по-прежнему нельзя назвать металлическим, ведь его прочность зависит от свойств полимера. Но такую деталь можно подвергнуть термической обработке, в процессе которой металлический порошок начинает спекаться, а связующее вещество выгорает. На этом этапе изготовления, хотя в составе модели исключительно металл, она крайне хрупка из-за своей пористости. Для повышения прочности проводят пропитку изделия бронзой. Несмотря на сложность и продолжительность работ цельнометаллическая модель, полученная таким способом, не обладает свойствами, позволяющими использовать ее в каких-то механизмах. Однако технология широко применяется для производства предметов очень сложной формы, к которым такие требования не предъявляются:

• ювелирных изделий,
• сувениров,
• предметов интерьера.

Лазерное спекание порошковых материалов

Два метода 3D печати, разработанные разными компаниями, отличаются друг от друга техническими решениями, но приводят к одному результату: лазер принтера разогревает порошок до температуры, близкой к точке плавления, и спекает гранулы вместе для получения твердой структуры. По технологии SLS (Selective Laser sintering) , или выборочное (селективное) лазерное спекание, используется углекислотный лазер. Иногда для увеличения скорости работ конструкцией может быть предусмотрено два лазера. В качестве сырья используются порошки из полимеров, керамики, стекла, металлов. Часто гранула представляет собой ядро из металлического порошка, покрытое оболочкой из легкоплавкого материала. Чем ниже температура спекания – тем менее мощным может быть лазерный излучатель. Владелец патента – компания 3D Systems – в качестве сырья для своих принтеров серии sPro, работающих этому методу, заявляет прочные инженерные пластики.

Технология DMLS (Direct Metal Laser Sintering) , или прямое лазерное спекание металла, изобретена компанией EOS из Германии и позиционируется как способ спекания именно металлических порошков:

• инструментальных и нержавеющих сталей,
• титановых и никелевых сплавов,
• легких металлов,
• кобальт хрома.

Используются оптоволоконные лазеры 200 или 400 Вт, их мощность и количество зависит от комплектации конкретной модели принтера. Построение модели происходит в закрытой камере, наполненной инертным газом для предотвращения окисления металла. Кроме того, порошок подогревается до температуры, близкой к точке плавления. Линейка 3D принтеров компании EOS, использующих технологию DMLS, предназначена для промышленного производства, так же как и устройства серии ProX компании 3D Systems.

Лазерная и электронно-лучевая плавка

Металлы подвергаются не спеканию, а полной плавке до образования гомогенной массы по технологии SLM (Selective Laser Melting) , или селективное лазерное плавление. Компания Phenix Systems выпускает линейку принтеров Phenix PL, использующих этот метод. Устройства оснащены мощными иттербиевыми волоконными лазерами, позволяющими значительно повысить температуру луча. Самое существенное отличие от технологии SLS, что при лазерном плавлении структура полученной детали по своим свойствам практически не отличается от литых изделий.

По технологии EBM (Electron beam melting) , или электронно-лучевая плавка, место лазера занимают электронные излучатели, выращивание модели идет в глубоком вакууме при температурах до 1000°C. На этом методе основана работа 3D устройств компании Arcam, Швеция. Принтеры предназначены для промышленного производства ортопедических имплантатов, деталей аэрокосмической продукции, изделий из титановых сплавов и других материалов, требующих повышенной температуры для обработки.

Видео (Промышленный 3D принтер по металлу)

Промышленное прототипирование объектов с помощью технологии 3D-печати, пока еще только набирает свои обороты завоевывая сердца все больших и больших промышленных предприятий. Разумеется, такая тяжеловесная область человеческой деятельности не может перейти на новую технику за один день. Однако те, кто уже попробовал быстрое прототипирование, немедленно понимают все преимущества такого подхода и делают все, чтобы изготовление прототипов их объектов происходило только в такой способ.

А преимуществ здесь (во всяком случае, основных) ровно три: скорость, точность и стоимость. Несмотря на мнимую медлительность промышленных 3D принтеров, общее временные затраты на изготовление одного прототипа разительно отличаются от традиционных методов. Что же до точности: можно сказать лишь то, что в современных реалиях нам вообще не приходится говорить о какой-либо технологии, которая хотя бы близка к аддитивному производству по точности в изготовлении деталей. Стоимость же каждой детали, при наличии должного оборудования, ограничивается лишь стоимостью расходных материалов и разработки 3D модели.

Top 3D Shop: лучшие макеты для промышленности

Выбор программ для создания 3D-моделей, уже на сегодняшний день заставляет глаза разбегаться в разные стороны. Причем на выбор существуют программы разной сложности, начиная от самых простых и заканчивая ПО предназначенным исключительно для профессионалов. Один единственный клиент выделить просто невозможно. Однако среди прочих, можно выделить производителя Autodesk, являющегося крупнейшим в мире поставщиков программ для инженеров, архитекторов, строителей и т.д.

Почти каждый, кто хоть раз подобного рода задачами знает, что золотым правилом создания прототипа является небольшой промежуток времени, потраченный на его изготовление. А раз ничего быстрее, чем аддитивное производство для этой цели нет, разве выбор не очевиден?

Металл в истории человечества - с незапамятных времен. Конечно же, первобытные способы его обработки несравнимы с современными. Раньше для того, чтобы сделать железный или оловянный наконечник для стрелы, требовались дни, а то и недели тяжелого ручного труда. Теперь же все намного проще - довольно сложный в технологическом плане процесс почти полностью автоматизирован.

Правда, металлические изделия нестандартной формы делать иногда приходится все-таки вручную. Сначала отливают форму, потом с ее помощью получают заготовку, которую шлифуют, наносят резьбу, гравируют… Это, опять же, долго и к тому же затратно.

По крайней мере, так было до тех пор, пока не придумали 3d печать из металла. Ее преимущества:

− облегчение довольно трудоемкого процесса;

− возможность создавать конструкции и предметы высокой степени сложности;

− сокращение времени, необходимого на выполнение заказа;

− безвредный и гораздо менее затратный способ производства.

3d печать металлом: волшебство рождения

Интересно наблюдать за гончаром, который из куска серой глины ваяет совершенной формы сосуды. Кажется, он просто высвобождает из бесформенной массы уже существующий образ, убирая все лишнее.

Не менее удивительна и 3d печать металлом, которая появилась сравнительно недавно и сразу же была высоко оценена производственниками. Она позволяет быстро и качественно делать детали и предметы, процесс создания которых при использовании традиционных технологий (ковки или литья) занимает слишком много времени. Например, для того, чтобы сделать эксклюзивную дверную ручку, украшенную витиеватым узором, ранее нужно было сначала изготовить форму, потом отлить и отшлифовать заготовку. Не каждый мастер мог взяться за такой заказ.

Металлическая 3d печать открыла неизведанные производственные возможности, которые позволяют экономить не только время (значительно сократился технологический процесс), но и сырье. Конечно же, только специальный 3d принтер печать металлом может выполнять. Своим внешним видом он напоминает духовой шкаф, а производственный процесс похож на увлекательный иллюзион. Еще бы - в емкости, заполненной металлическим порошком, вдруг начинают проступать контуры заготовки. Сначала - нечетко, а потом - все более отчетливо и уверенно…

Одна из технологий нетрадиционной обработки сырья - SLS. Она предполагает использование лазера: его луч нагревает и спекает металлический порошок по контуру будущей детали, который задается компьютером, соединенным с принтером. Частицы плавятся, превращаясь в фигурный монолит - именно так делают детали сложной конфигурации. Когда процесс завершается, заготовку достают из контейнера с порошком, тщательно очищают и шлифуют. Таким образом, 3д печать металл, измельченный в порошок, облекает в форму - нередко самую удивительную. При этом цена полностью автоматизированного высокоточного производства - значительно ниже ручного труда.

3d печать на заказ из металла позволяет создавать опытные образцы новых механизмов, детали разной степени сложности одним нажатием кнопки «пуск», дающей команду запуска принтеру. При вполне доступной цене высококачественная 3д печать из металла на заказ - это большие возможности для выполнения сложных производственных задач с минимальными затратами.