Процесот на изработка на метални компоненти со техники на 3D печатење
Развојот на модерното производство донесе големи промени во начинот на кој индустриите дизајнираат и произведуваат компоненти. Додека производството на метални компоненти некогаш беше синоним за процеси на машинска обработка, леење или ковање кои бараа калапи и долги фази, сега технологијата за 3D печатење (адитивно производство) станува сè позрела алтернатива. 3D печатењето на метал овозможува постепено, слој по слој, производство на сложени компоненти од метал, нудејќи флексибилност во дизајнот, ефикасност на материјалот и забрзана итерација. Оваа статија го разгледува процесот на производство на метални компоненти со употреба на техники на 3D печатење, од фазата на дизајнирање до постпродукција и контрола на квалитетот.
1. Разбирање и основни принципи на 3D печатење на метал
3D печатењето на метал е метод на адитивно производство кој гради предмети со додавање материјал слој по слој врз основа на дигитален модел. За разлика од субтрактивните процеси како CNC, кои отстрануваат материјал од блок од метал, 3D печатењето користи метален прав или жица во комбинација со извор на енергија како што се ласер, електронски зрак или електричен лак за да се создаде конечната геометрија.
Основниот принцип е едноставен: моделот се креира во софтвер за дизајн, а потоа се разложува на тенки слоеви (сечење). Машината потоа го печати секој слој по однапред одредена патека сè додека не се формира целиот дел. Иако концептот може да изгледа едноставен, 3D печатењето на метал бара строга контрола на процесот поради високите температури, реактивните материјали и барањата за прецизност што се вклучени.
2. Фаза на дизајнирање: Дизајн за адитивно производство (DfAM)
Првата фаза е дизајн на компоненти во CAD (компјутерски потпомогнат дизајн). Тука се појавува главната разлика од конвенционалното производство. 3D печатењето овозможува органски форми, внатрешни канали, решеткасти структури и оптимизирани топологии за леснотија, но и цврстина. Затоа, практиките на DfAM (Дизајн за адитивно производство) се од суштинско значење.
Некои размислувања за дизајнот вклучуваат:
– Ориентација на печатење: ја одредува насоката на формирање на слоеви што влијае на цврстината, дисторзијата и барањата за потпора.
– Минимална дебелина на ѕидот: секоја технологија има одредени ограничувања за делот да не стане кршлив или да не успее да се формира.
– Надстрешници и потпори: на надстрешниците обично им е потребна потпора за да се спречи нивно уривање за време на процесот.
– Толеранции и дозволи при завршна обработка: компонентите често бараат машинска обработка или полирање по обликувањето.
По конечниот дизајн, датотеките генерално се експортираат во STL или 3MF формат за обработка во следната фаза.
3. Подготовка на податоци: Сечење и одредување на параметрите на процесот
Потоа, 3Д-датотеката се обработува со софтвер за сечење. Во оваа фаза, моделот се претвора во слоеви со одредена дебелина (на пр., 20–60 микрони за процеси базирани на прашок). Дополнително, операторот одредува важни параметри како што се:
– моќност на ласер/зрак,
– брзина на скенирање,
– растојание меѓу лентите (растојание помеѓу отворите),
– стратегија за скенирање,
- дебелина на слојот,
- поддршка за дизајн.
Овие параметри директно влијаат врз густината на материјалот, квалитетот на површината, брзината на производство и ризикот од дефекти како што се порозноста и пукањето. За критичните компоненти (на пр., воздухопловни или медицински), овие параметри обично ги следат валидираните процедури и индустриските стандарди.
4. Избор на материјал: Метален прав или жица
Материјалот што се користи зависи од технологијата на печатење. Двете најчести форми на материјал се:
1. Метален прав: се користи во процеси како што се SLM/DMLS (Селективно ласерско топење/Директно ласерско синтерување на метал) и EBM (Електронски зрак топење). Правот мора да има контролирана големина на честичките, добра дистрибуција и ниски нивоа на кислород за да се постигнат оптимални резултати.
2. Метална жица: се користи во процеси како што е WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing), кој користи електричен лак. Овој метод е погоден за големи компоненти поради неговата висока стапка на таложење, но обично бара поинтензивна завршна обработка.
Популарни материјали во 3D печатењето на метали вклучуваат не'рѓосувачки челик, титаниум (Ti-6Al-4V), алуминиум, инконел, кобалт-хром и алатен челик.
5. Процес на печатење: Вообичаени технологии за 3D печатење на метал
Постојат неколку главни технологии што се користат за производство на метални компоненти:
а. Фузија во правлив слој (PBF)
Овој метод е најпознат за прецизни компоненти. Машината нанесува тенок слој прав врз плочата за склопување, а потоа ласерски или електронски зрак го топи правот според шемата на слоевите. Процесот се повторува сè додека не се формира делот.
Предностите на PBF се високите детали и можноста за креирање сложени геометрии. Сепак, неговата големина е релативно ограничена од обемот на просторот за печатење, а трошоците за машината и материјалите имаат тенденција да бидат високи.
б. Насочено таложење на енергија (DED)
DED го топи материјалот (прав или жица) додека се таложи низ млазница, обично со помош на ласер или електричен лак. Оваа технологија често се користи за поправки на компоненти, дополнување на карактеристики или производство на големи делови.
Предностите се флексибилност и брзи стапки на додавање материјал, но резолуцијата на деталите и квалитетот на површината обично се инфериорни во однос на PBF.
в. Испрскање со врзивно средство
При млазницата со врзивно средство, металниот прав се врзува со врзивно средство за да се формира „зелен дел“, кој потоа се подложува на процес на одврзување и синтерување за да се зацврсти. Овој метод може да биде побрз и посоодветен за масовно производство, но собирањето за време на синтерувањето мора точно да се предвиди.
6. Пост-обработка: Од сурови делови до компоненти подготвени за употреба
3D печатените материјали од метал генерално не се подготвени за непосредна употреба. Пост-обработката е речиси секогаш неопходна, особено за компоненти кои бараат специфични толеранции и механички својства.
Вообичаените фази на пост-обработка вклучуваат:
– Отстранување од градежната плоча: обично со употреба на EDM сечење со жица или механичко сечење.
– Отстранување на потпората: потпората се сече или бруси, а потоа површината се измазнува.
– Термичка обработка: како што е ослободување од стрес за намалување на преостанатите стресови и спречување на деформација. За некои материјали се врши третман со раствор и стареење.
– Топло изостатско пресување (HIP): ја зголемува густината и ја намалува порозноста, важно за критични апликации.
– Површинска обработка: пескарење, полирање, пескарење или премачкување.
– Конечно обработување: за да се постигнат тесни толеранции на дупки, референтни рамнини или навои.
Пост-обработката често е одлучувачки фактор во вкупните трошоци, па затоа планирањето од фазата на дизајнирање е од суштинско значење.
7. Контрола на квалитет и инспекција
Бидејќи 3D печатењето на метал се користи на компоненти со висока вредност, контролата на квалитетот станува составен дел. Методите за инспекција може да вклучуваат:
– Димензионално тестирање: CMM (Машина за мерење координати) или 3D скенирање.
– Недеструктивно тестирање (NDT): КТ скенирање, рендген, пенетрантна боја и ултразвук за откривање на внатрешни пукнатини или порозност.
– Механички тестови: истегнување, тврдост, удар и замор за да се осигура дека својствата ги исполнуваат спецификациите.
– Мониторинг на процесот: некои машини користат сензори за базени за топење, камери и евидентирање на податоци за да се обезбеди стабилност на процесот.
Во одредени индустрии, документацијата и следливоста на материјалите се исто така задолжителни, вклучувајќи ги сериите на прав, параметрите за печатење и чекорите по обработката.
8. Предности и предизвици во производството на метални компоненти
3D печатењето на метал нуди важни предности, како што се:
– Комплексни дизајни без трошоци за обликување,
– Намалување на тежината на компонентите (леснотија),
– Оптимизација на внатрешната структура,
– Забрзано прототипирање и производство во мал обем,
– Ефикасност на материјалот за даден облик.
Сепак, предизвиците се исто така реални:
– високи трошоци за машини и материјали,
– значајни потреби за пост-обработка,
– комплексна контрола на квалитетот,
– ограничувања на големината на некои технологии,
– ризик од искривување и преостанат стрес.
Затоа, изборот на технологија мора да ги земе предвид барањата на апликацијата, обемот на производство и целните трошоци.
Затворање
Процесот на производство на метални компоненти со употреба на техники на 3D печатење не е едноставно „печатење од датотека“, туку интегрирана серија фази: дизајн по нарачка за адитивно производство, одредување на параметри и материјал, контролирани процеси на печатење, пост-обработка за подобрување на својствата и точноста на материјалот и строги инспекции за квалитет. Со правилна примена, 3D печатењето на метал може да произведе високо-перформансни компоненти кои се тешки или скапи за производство со употреба на конвенционални методи. Во иднина, се очекува оваа технологија да станува сè пошироко користена, особено во воздухопловниот, автомобилскиот, медицинскиот, енергетскиот и прецизниот производствен сектор кои бараат иновации во дизајнот и ефикасност на производството.
