3D басып шығару әдістерін қолдана отырып, металл компоненттерін жасау процесі
Қазіргі заманғы өндірістің дамуы салалардың компоненттерді жобалау және өндіру тәсілінде үлкен өзгерістерге әкелді. Металл компоненттерін өндіру бұрын қалыптар мен ұзақ кезеңдерді қажет ететін өңдеу, құю немесе соғу процестерімен синоним болған болса, қазір 3D басып шығару (қосымша өндіріс) технологиясы барған сайын жетілген баламаға айналуда. Металл 3D басып шығару металлдан күрделі компоненттерді біртіндеп, қабат-қабат жасауға мүмкіндік береді, бұл дизайн икемділігін, материал тиімділігін және жеделдетілген итерацияны ұсынады. Бұл мақалада жобалау кезеңінен бастап өндірістен кейінгі және сапаны бақылауға дейінгі 3D басып шығару әдістерін қолдана отырып, металл компоненттерін өндіру процесі талқыланады.
1. Металл 3D басып шығаруды түсіну және негізгі принциптері
Металл 3D басып шығару - сандық модельге негізделген материалды қабат-қабат қосу арқылы нысандарды құрастыратын аддитивті өндіріс әдісі. Металл блогынан материалды алып тастайтын CNC сияқты субтрактивті процестерден айырмашылығы, 3D басып шығару соңғы геометрияны жасау үшін металл ұнтағын немесе сымды лазер, электронды сәуле немесе электр доғасы сияқты энергия көзімен біріктіріп пайдаланады.
Негізгі қағида қарапайым: модель дизайн бағдарламалық жасақтамасында жасалады, содан кейін жұқа қабаттарға бөлінеді (кесу). Содан кейін машина әрбір қабатты алдын ала белгіленген жолмен бүкіл бөлшек қалыптасқанша басып шығарады. Тұжырымдама қарапайым болып көрінгенімен, металл 3D басып шығару жоғары температураға, реактивті материалдарға және дәлдік талаптарына байланысты қатаң процесті бақылауды қажет етеді.
2. Жобалау кезеңі: Қоспа өндірісіне арналған жобалау (DfAM)
Бірінші кезең - CAD (компьютерлік көмекші жобалау) жүйесіндегі компоненттерді жобалау. Дәстүрлі өндірістен негізгі айырмашылық осында пайда болады. 3D басып шығару органикалық пішіндерді, ішкі арналарды, торлы құрылымдарды және жеңілдік пен беріктік үшін оңтайландырылған топологияларды жасауға мүмкіндік береді. Сондықтан DfAM (қосымша өндіріске арналған дизайн) тәжірибелері өте маңызды.
Кейбір дизайн ерекшеліктеріне мыналар жатады:
– Басып шығару бағыты: беріктікке, бұрмалауға және тірек талаптарына әсер ететін қабаттың қалыптасу бағытын анықтайды.
– Қабырғаның минималды қалыңдығы: әрбір технологияның белгілі бір шектеулері бар, сондықтан бөлшек сынғыш болып қалмайды немесе пішінін жоғалтпайды.
– Салбырап тұратын бөліктер мен тіректер: салбырап тұратын бөліктер әдетте өңдеу кезінде құлап кетпеуі үшін тіректі қажет етеді.
– Өңдеуге төзімділік пен рұқсат етілген мәндер: құрамдас бөліктер көбінесе қалыптаудан кейін өңдеуді немесе жылтыратуды қажет етеді.
Соңғы дизайннан кейін файлдар келесі кезеңге өңдеу үшін әдетте STL немесе 3MF форматына экспортталады.
3. Деректерді дайындау: кесу және процесс параметрлерін анықтау
Содан кейін 3D файл кесу бағдарламалық жасақтамасымен өңделеді. Бұл кезеңде модель белгілі бір қалыңдықтағы қабаттарға түрлендіріледі (мысалы, ұнтақ негізіндегі процестер үшін 20-60 микрон). Сонымен қатар, оператор келесідей маңызды параметрлерді анықтайды:
– лазер/сәуле қуаты,
- сканерлеу жылдамдығы,
– жолақтар арасындағы қашықтық (люк аралығы),
– сканерлеу стратегиясы,
– қабат қалыңдығы,
- дизайнды қолдау.
Бұл параметрлер материалдың тығыздығына, бетінің сапасына, өндіріс жылдамдығына және кеуектілік пен жарықшақтану сияқты ақаулардың пайда болу қаупіне тікелей әсер етеді. Маңызды компоненттер үшін (мысалы, аэроғарыштық немесе медициналық) бұл параметрлер әдетте тексерілген процедуралар мен салалық стандарттарға сәйкес келеді.
4. Материалды таңдау: металл ұнтағы немесе сым
Қолданылатын материал басып шығару технологиясына байланысты. Материалдың ең көп таралған екі түрі:
1. Металл ұнтағы: SLM/DMLS (Селективті лазерлік балқыту/Тікелей металл лазерлік синтездеу) және EBM (Электронды сәулелік балқыту) сияқты процестерде қолданылады. Оңтайлы нәтижелерге қол жеткізу үшін ұнтақтың бөлшектердің мөлшері бақылануы, жақсы таралуы және оттегі деңгейі төмен болуы керек.
2. Металл сым: электрлік доғаны пайдаланатын WAAM (Wire Doc Additive Manufacturing) сияқты процестерде қолданылады. Бұл әдіс жоғары тұндыру жылдамдығына байланысты үлкен компоненттерге жарамды, бірақ әдетте қарқынды өңдеуді қажет етеді.
Металл 3D басып шығарудағы танымал материалдарға тот баспайтын болат, титан (Ti-6Al-4V), алюминий, инконель, кобальт-хром және құрал-сайман болаты жатады.
5. Басып шығару процесі: Жалпы металл 3D басып шығару технологиялары
Металл бөлшектерін өндіру үшін бірнеше негізгі технологиялар қолданылады:
а. Ұнтақ қабатының балқытуы (PBF)
Бұл әдіс дәлдіктегі бөлшектер үшін ең танымал. Машина құрастыру пластинасына жұқа ұнтақ қабатын жағады, содан кейін лазер немесе электронды сәуле ұнтақты қабат үлгісіне сәйкес ерітеді. Процесс бөлшек қалыптасқанша қайталанады.
PBF артықшылықтары - жоғары егжей-тегжейлілік және күрделі геометрияларды жасау мүмкіндігі. Дегенмен, оның өлшемі басып шығару кеңістігінің көлемімен салыстырмалы түрде шектеулі, ал машина мен материалдың құны жоғары болып келеді.
b. Бағытталған энергия тұндыру (БЖТ)
DED материалды (ұнтақты немесе сым) форсунка арқылы құйған кезде, әдетте лазер немесе электр доғасының көмегімен балқытады. Бұл технология көбінесе компоненттерді жөндеу, қосымша функциялар немесе үлкен бөлшектерді өндіру үшін қолданылады.
Артықшылықтары - икемділік және материалды қосудың жылдам жылдамдығы, бірақ бөлшектердің ажыратымдылығы мен бетінің сапасы әдетте PBF-тен төмен.
c. Байланыстырғышты ағынмен жіберу
Байланыстырғышты ағынды түрде өңдеу кезінде металл ұнтағы байланыстырғышпен байланысып, «жасыл бөлік» түзіледі, содан кейін ол қатаю үшін ажырату және күйдіру процесінен өтеді. Бұл әдіс жылдамырақ және жаппай өндіріс үшін қолайлырақ болуы мүмкін, бірақ күйдіру кезіндегі кішіреюді дәл болжау қажет.
6. Кейінгі өңдеу: Шикі бөлшектерден пайдалануға дайын компоненттерге дейін
Металл 3D басып шығарулар әдетте бірден пайдалануға дайын емес. Кейінгі өңдеу әрқашан қажет, әсіресе белгілі бір төзімділік пен механикалық қасиеттерді қажет ететін компоненттер үшін.
Өңдеуден кейінгі жалпы кезеңдерге мыналар жатады:
– Құрастыру тақтасынан алып тастау: әдетте сыммен кесілген EDM немесе механикалық кесу қолданылады.
– Тіректі алып тастау: тіреуіш кесіледі немесе тегістеледі, содан кейін беті тегістеледі.
– Жылулық өңдеу: мысалы, қалдық кернеулерді азайту және деформацияның алдын алу үшін кернеуді жеңілдету. Кейбір материалдар үшін ерітіндімен өңдеу және қартаю орындалады.
– Ыстық изостатикалық престеу (HIP): тығыздықты арттырады және кеуектілікті азайтады, бұл маңызды қолданбалар үшін маңызды.
– Беткі өңдеу: құммен сылау, жылтырату, дробпен тегістеу немесе жабынмен қаптау.
– Соңғы өңдеу: тесіктерде, тірек жазықтықтарында немесе бұрандаларда тығыз төзімділікке қол жеткізу.
Кейінгі өңдеу көбінесе жалпы шығындарды анықтаушы фактор болып табылады, сондықтан жобалау кезеңінен бастап жоспарлау өте маңызды.
7. Сапаны бақылау және тексеру
Металл 3D басып шығару жоғары құнды компоненттерде қолданылатындықтан, сапаны бақылау ажырамас бөлікке айналады. Тексеру әдістеріне мыналар кіруі мүмкін:
– Өлшемдік сынақтар: CMM (координаталық өлшеу машинасы) немесе 3D сканерлеу.
– Бұзбайтын тестілеу (БТТ): ішкі жарықтарды немесе кеуектілікті анықтау үшін компьютерлік томография, рентген, бояғыштың енуін тексеру және ультрадыбыстық зерттеу.
– Механикалық сынақтар: қасиеттердің сипаттамаларға сәйкестігін қамтамасыз ету үшін созылу, қаттылық, соққы және шаршау.
– Процесті бақылау: кейбір машиналар процестің тұрақтылығын қамтамасыз ету үшін балқыту пулының сенсорларын, камераларын және деректерді тіркеуді пайдаланады.
Кейбір салаларда ұнтақ партияларын, басып шығару параметрлерін және өңдеуден кейінгі қадамдарды қоса алғанда, материалдарды құжаттау және бақылау міндетті болып табылады.
8. Металл компоненттерін өндірудегі артықшылықтар мен қиындықтар
Металл 3D басып шығару келесі маңызды артықшылықтарды ұсынады:
– Қалыптау шығындарынсыз күрделі конструкциялар,
– Компонент салмағын азайту (жеңілдету),
– Ішкі құрылымды оңтайландыру,
– Жеделдетілген прототиптеу және аз көлемді өндіріс,
– Берілген пішін үшін материалдың тиімділігі.
Дегенмен, қиындықтар да нақты:
- машиналар мен материалдардың жоғары құны,
– өңдеуден кейінгі маңызды қажеттіліктер,
– кешенді сапаны бақылау,
– кейбір технологияларға қатысты өлшем шектеулері,
– бұрмалану және қалдық кернеу қаупі.
Сондықтан технологияны таңдау қолдану талаптарын, өндіріс көлемін және шығындардың нысаналы көрсеткіштерін ескеруі керек.
Жабу
3D басып шығару әдістерін қолдана отырып, металл компоненттерін өндіру процесі жай ғана «файлдан басып шығару» емес, керісінше, бірнеше кезеңнен тұрады: қосымша өндіріс үшін арнайы дизайн, параметрлер мен материалды анықтау, бақыланатын басып шығару процестері, материалдың қасиеттері мен дәлдігін жақсарту үшін кейінгі өңдеу және қатаң сапаны тексеру. Дұрыс қолдану арқылы металл 3D басып шығару дәстүрлі әдістерді қолдана отырып өндіру қиын немесе қымбат жоғары өнімді компоненттерді шығара алады. Болашақта бұл технология, әсіресе аэроғарыш, автомобиль, медициналық, энергетикалық және дәлдік өндіріс салаларында кеңінен қолданылады деп күтілуде, олар дизайн инновациясын және өндіріс тиімділігін талап етеді.
