3D-печать металлами - технологии и принтеры

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 или функциональные детали.

 

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, легкость и экономичность нужны и в других отраслях.

На примерах многих ведущих мировых компаний разных отраслей промышленности можно увидеть эффективность внедрения аддитивных технологий.  Например, в этой статье «SLM 3D-печать металлом с примерами Audi, Porsche, SpaceX и NASA».

Содержание:

• 3D-печать металлом дома
• 3D-печать металлом в промышленности
• 3D-печать металлом - применение
• 3D-печать металлом - технологии
  • Процесс # 1: Послойное сплавление порошка (SLM)
  • Процесс # 2: Binder Jetting
  • Процесс # 3: Наплавление (DED)
• Используемые металлы
  • Ti - Титан
  • SS - Нержавеющая сталь
  • Inconel - Инконель
  • Al - Алюминий
  • CoCr - Кобальт-хром
  • Cu - Медь
  • Fe - Железо
  • Au, Ag - Золото, серебро и другие драгоценные металлы
• 3D-принтеры для печати металлами 
  • 3DLAM
    • Mid2019
    • Mini2019
    • 3DLAM Maxi
• Промышленные 3D-принтеры для печати металлами
  • Farsoon
    • FS421
    • FS121M
    • FS273M
    • FS301M

 

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 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.

Обратите внимание на следующую особенность промышленного 3D-оборудования: каждая дополнительная опция, расширяющая возможности принтера и сферу его применения повышает стоимость самого устройства и увеличивает расходы на его обслуживание. Поэтому предварительно нужно тщательно рассмотреть, насколько важна в производственном процессе та или иная функция.

Второй нюанс — перспектива использования 3D-принтера. Не исключено, что в ближайшем будущем понадобиться расширение функционала оборудования. Значит, при покупке устройства следует предусмотреть возможность его апдейта, если это допускает изготовитель, либо приобретать 3D-принтер с «запасом» функций.

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 SolidThinking - 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 (SLM)

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 (DED)

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, на примере компании MX3D, мы видим возможность реализации подобной технологии в сооружении настоящего полноразмерного моста, который должен быть распечатан в 2017 году в Амстердаме.

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 металлы

Большинство 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 для печати металлами 

3DLAM

Изображение: ru.3dlam.com

Среди российских производителей оборудования для 3D-печати отдельно строкой стоит упомянуть 3DLAM. Инженеры компании разработали три модели печатающего оборудования, работающего с металлами. Предприятие расположено в Санкт-Петербурге и является структурной единицей ЗАО «Биоград». Год появления бренда 3DLAM — 2018 год.

Разработчики выпускают 3D-принтеры, работающие по технологии селективного лазерного спекания металлов (SLS). Все созданные модели выпускаются из российских комплектующих: лазеры поставляет компания IPG Photonics, прочие компоненты выпускает 3DLAM. Программисты компании сами подготавливают софт для работы принтеров. Для предприятий, которым требуется надежное оборудование для аддитивного производства, предлагаемые специалистами 3DLAM решения будут лучшим выбором.

Промышленные 3D-принтеры 3DLAM дают возможность создавать трехмерные объекты любой сложной формы из металлических порошков — нержавеющей стали, кобаль-хрома и сплавов с повышенной жаропрочностью. Потребителям предлагают три модели: Mid2019, Mini2019, Maxi.

Mid2019

Mid2019 — многоцелевой 3D-принтер по выгодной цене. Принтер предназначен для печати любыми металлическими материалами. На принтере можно напечатать детали высотой до 220 мм. Напечатанные изделия обладают высоким качеством поверхности благодаря тому, что принтер способен печатать с толщиной слоя от 0.1 мм. 

Mid2019 работает «из коробки» — в нем уже имеются предустановки для работы с разными материалами, поэтому для начала работы не нужна специальная подготовка. В принтере также предусмотрена возможность удаленного мониторинга и диагностики.

Высокое качество печати деталей с ровными однородными слоями и минимальной пористостью достигается за счет применения высокоточных шарико-винтовых передач.

Плюсы:

• Гарантия ровности и однородности слоев.

• Мастер печати.

• Библиотека материалов.

• Рециркуляция инертного газа.

• Удаленная диагностика и мониторинг.

Минусы:

• Цена.

Узнайте больше о 3D-принтере Mid2019.    

Mini2019

Mini2019 — 3D-принтер, который обеспечивает экономичную печать металлами за счет мгновенного начала печати, минимального расхода порошка и системы рециркуляции инертного газа, позволяющей снизить его потребление до 3 литров в минуту.

Принтер относительно небольшого размера 840 × 865 × 1850 мм работает прямо «из коробки» и не требует специфических настроек и углубленного знания оборудования.

Наличие абсолютных энкодеров позволяет приостанавливать печать и возобновлять ее через несколько часов или даже дней. Удаленный мониторинг позволяет следить за печатью из любой точки мира, где есть доступ к интернету.

Принтер печатает детали высокого качества с ровными однородными слоями и практически без пористости.

Плюсы:

• Мгновенное начало 3D печати.

• Гарантированное качество конечной детали.

• Возможность удаленного управления.

Минусы:

• Цена.

Узнайте больше о 3D-принтере 3DLAM Mini2019.    

3DLAM Maxi

 

Фото: ru.3dlam.com

3D-принтер 3DLAM Maxi предназначен для печати изделий больших размеров. В цилиндрической камере для печати допускается создание трехмерных объектов высотой до 40 см и диаметром 31,5 см. Волоконный лазер с системой охлаждения обеспечивает высокую скорость и точность печати. Система рециркуляции порошка с встроенным пылесосом позволяет повторно использовать материал. Герметичная камера позволяет экономно расходовать инертный газ.

 

Фото: ru.3dlam.com

Плюсы:

• Большая область печати.

• Возможность возобновления печати даже после нескольких дней остановки принтера.

• Удаленное наблюдение за процессом.

• Библиотека материалов.

Минусы:

• Цена.

 Узнайте больше о 3D-принтере 3DLAM Maxi.

Промышленные 3D-принтеры для печати металлами

Farsoon

Изображение: farsoon.ru

Компания Farsoon Technologies — мировой инноватор на рынке аддитивных технологий. Год основания — 2009. Компания выпускает промышленное оборудование для 3D-печати, работающее по технологии лазерного спекания пластика и лазерного сплавления металлических порошков. Свои устройства Farsoon создает как системы с открытой платформой. Благодаря такому подходу пользователи могут интегрировать свои передовые решения с целью расширения возможностей аддитивного производства. Доступ к ключевым параметрам позволяет выполнять настройку принтера в соответствии с поставленными пользователем задачами.

FS421

3D-принтер Farsoon FS421M — флагманская модель в своем классе. Имеет большую рабочую камеру — 420 × 420 × 420 мм и оснащен мощным лазером в 500 Вт. Система фильтрации защитного газа позволяет печатать детали с высокой плотностью, ровные и гладкие, с минимальной шероховатостью. 

Программное обеспечение MakeStar имеет открытый код. Принтер Farsoon FS421M работает с материалами разных производителей: алюминием, кобальт-хромом, инструментальной и нержавеющей сталью, титаном и другими.

Плюсы:

• Компактный.

• Производительный.

• Можно использовать материалы сторонних производителей.

• Гибкая настройка.

 

Узнайте больше о Farsoon FS421M.   

FS121M

Еще один 3D-принтер для печати металлами от Farsoon, модель FS121M, имеет вместительную рабочую зону и оснащен волоконным лазером мощностью 200 Вт.

Система фильтрации защитного газа позволяет добиваться гладких деталей с наименьшей шероховатостью и высокой плотностью. 

Farsoon предоставляет свободу использования своей продукции, как в плане совместимости с различным ПО, так и в плане выбора материалов для печати.

Плюсы:

• Совместим с широким спектром порошковых металлических материалов.

• Большая область печати.

• Встроенная система фильтрации.

• Множество функций для упрощения процесса производства.

Узнайте больше о Farsoon FS121M.   

FS273M

Как и у предыдущих моделей, у 3D-принтера Farsoon FS273M большая рабочая камера 275 × 275 × 355 мм для печати крупногабаритных деталей.

Благодаря волоконному лазеру мощностью 500 Вт (при необходимости мощность можно повысить в два раза) и высокоточным алгоритмам сканирования, принтер отвечает самым высоким требованиям клиентов к производительности и качеству получаемых изделий. Farsoon FS273M подходит для изготовления деталей для аэрокосмической, автомобильной промышленности и медицинской сферы. 

Компания Farsoon использует высококачественные комплектующие, новейшие системы безопасности подачи инертного газа, защитные фильтры, что обеспечивает бесперебойную и долгосрочную эксплуатацию.

Плюсы:

• Большая камера печати.

• Встроенная система фильтрации.

• Множество полезных функций.

Материалы:

• Нержавеющая сталь 316L, инструментальная сталь Н13 и мартенситностареющая сталь.и марки 300.

• Алюминиевые сплавы AlSi10Mg, AlSi7Mg и AlMgScZr.

• Титановый сплав Ti6Al4V.

• Жаропрочный никель-хромовый сплав Inconel 718.

• Медь, тантал, вольфрам и пр. металлы и сплавы.

Узнайте больше о Farsoon FS273M. 

FS301M

Высокопроизводительная модель FS301M оснащена двумя лазерами. Оба лазера могут охватывать всю зону сканирования или быть настроены точечно для построения нескольких моделей одновременно. Герметичность конструкции обеспечивает точный контроль за содержанием кислорода во время печати. Благодаря этому достигается однородность порошка, которая влияет на качество напечатанных деталей. 

​Принтер оснащен встроенной станцией загрузки порошка. Контейнер с материалом используется во время загрузки, разгрузки и просеивания, для удобства переработки порошка и транспортировки между станциями. Автоматическое выравнивание платформы и усовершенствованные системы контроля обеспечивают надежную работу устройства и высококачественные печатные изделия.

Плюсы:

• Увеличенная область печати.

• Высокая скорость.

• Два лазера.

• Встроенный контейнер для загрузки порошка.

Минусы:

• Площадь размещения оборудования более 3,5 м2.

 

В ближайшем будущем, с распространением технологий печати металлами, ждем еще большего их удешевления, а значит - повсеместного применения.

Каждый из представленных принтеров - лишь часть модельного ряда компании, которая его производит. Есть и другие модели, отличающиеся в деталях - объемом рабочей области, комплектацией, опциями, - все они доступны, о свойствах каждой из них узнавайте у наших менеджеров.

 

Эта информация оказалась полезной?

Да Нет

Отправить

Благодарим за отзыв!

VK.com Twitter