Влияние 3D-печати металлов на традиционные технологии изготовления металлических изделий

В рассматриваемой статье обсуждается, как 3D-печать металлом создает новые технологии, влияющие на такие методы, как литье, обработка и формовка. IT также расскажет о том, как металл с помощью персонализированная 3D-печать и дайте общую оценку его влияния на цепочку поставок и стоимость, применения, преимуществ перед традиционными методами и недостатков.

Влияние 3D-печати металлов на традиционные технологии изготовления металлических изделий

Технология печати на металле

Мы просто называем технологию 3D-печати металлов аддитивным производством металлов. Она относится к процессу создания металлических объектов с помощью техники производства аддитивных слоев. Некоторые ключевые моменты, которые необходимо знать о технологии печати металлами:

Процессы: Распространенными процессами металлической 3D-печати являются селективное лазерное плавление (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и электронно-лучевое плавление (EBM). Они работают, заставляя несколько тонких слоев металлического порошка расплавляться и сплавляться, чтобы сформировать конечный твердый объект.

Материалы: В качестве материалов могут использоваться нержавеющая сталь, алюминий, титан, никелевые сплавы, медь, кобальт-хромовые сплавы и другие. Ассортимент растет по мере того, как повышается активность.

Как это работает: Эта техника предполагает использование лазерного или электронного луча, с помощью которого слои металлического порошка или проволоки подвергаются воздействию энергии и скрепляются, образуя запланированную конструкцию. Каждый последующий слой прочно приклеивается к предыдущему, формируя конечную деталь слой за слоем.

Основные процессы 3D-печати металлов

Наиболее известные методы 3D-печати металлов, которые используются сегодня, это SLM - селективное лазерное плавление, DMLS - прямое лазерное спекание металла, и EBM - электронно-лучевое плавление. В SLM и DMLS процесс заключается в том, что лазерный луч используется для расплавления металлического порошка, в то время как в EBM слои порошка расплавляются с помощью электронного луча. Многоструйная плавка также используется для селективного лазерного спекания. Он совершенствуется, поскольку печатает быстрее и способен комбинировать различные материалы в процессе печати.

Материалы для 3D-печати из металла

Материалы, которые используются в 3D-печати металлов, - это нержавеющая сталь, алюминий, никелевые сплавы, титан и медь. Выбор материалов расширяется по мере развития технологии, чтобы удовлетворить все больше промышленных потребностей и запросов.

Техники изготовления

Традиционные методы изготовления металла

До появления аддитивного производства распространенные методы придания формы сырым металлическим заготовкам включали в себя механическую обработку, такую как точение, фрезерование и шлифование; формовку, такую как штамповка, гибка и вращение; и заливку расплавленного металла в формы. Эти субтрактивные и формообразующие методы удаляют или придают форму сыпучему материалу для производства деталей в больших объемах, но ограничены геометрией и дизайном, которые они могут создавать.

Обработка с ЧПУ

При обработке с ЧПУ (компьютерным числовым программным управлением) используются режущие инструменты, закрепленные на многоосевых станках, для удаления лишнего материала с металлических заготовок на основе запрограммированных инструкций G-кода. При этом обеспечивается точность, Обработка с ЧПУ Образует отходы в виде стружки и лучше всего подходит для изготовления основных профилей, а не сложных внутренних деталей и легких конструкций.

Литье металлов

Такие методы литья, как литье в песчаные формы, литье под давлением и литье по выплавляемым моделям, подразумевают заливку жидких металлических сплавов в формы для застывания в виде компонентов, имеющих почти чистую форму. Литье позволяет получать сложные детали, подходящие для производства малых и средних объемов, но требует затрат на изготовление формы.

Формовка листового металла

Такие процессы, как штамповка, штамповка, гибка и вращение, формируют металлические листы и пластины в детали за счет сжимающих усилий, прикладываемых между инструментами. Штамповка позволяет эффективно изготавливать идентичные детали, но имеет конструктивные ограничения по сравнению с возможностями 3D-печати металла.

Влияние на производство

Более короткие цепочки поставок

Руководство по 3D-печати упрощает цепочки поставок, объединяя несколько этапов изготовления в один процесс. Больше нет необходимости в промежуточных этапах, таких как горячая/холодная обработка, резка, соединение или сборка. Детали могут производиться по требованию везде, где есть 3D-печать металла и порошок, что сокращает длительное время изготовления и необходимость в запасах прочности.

Сокращение отходов и использования материалов

Благодаря послойному нанесению точного материала в нужных местах 3D-печать металлом сводит к минимуму количество отходов по сравнению с субтрактивными методами, при которых удаляются излишки массы. Для деталей почти полной плотности требуется на 5-10% меньше материала, чем для традиционных аналогов, и до 97% металлического порошка может быть использовано повторно. Это снижает энергозатраты и расходы, одновременно уменьшая воздействие на окружающую среду.

Более низкие затраты при изготовлении на заказ и небольших партий продукции

Высокие постоянные затраты традиционных заводов массового производства можно избежать, поскольку металлические 3D-принтеры требуют меньших капитальных затрат. Это делает аддитивное производство привлекательным для малосерийного производства, поскольку стоимость каждой детали не сильно возрастает для нестандартных или изготовленных на заказ компонентов. Малые тиражи доступны по цене.

Повышенная свобода проектирования и сложные геометрии

Аддитивные технологии накладывают меньше геометрических ограничений на дизайн деталей по сравнению с субтрактивной обработкой или возможностями формообразующего процесса 3D-печати металлов. Замысловатые внутренние решетчатые структуры, конформные каналы охлаждения и имплантаты, специфичные для пациента, возможны без ограничений по оснастке. Легкий вес может быть оптимизирован с учетом прочности.

Применение печати на металле

Аэрокосмическая промышленность

3D-печать металлом позволяет производителям самолетов и космических аппаратов изготавливать все более сложные малообъемные компоненты, такие как лопасти турбин и теплообменники. Детали с оптимизированной конструкцией, снижающие вес, обеспечивают значительную производительность и экономию топлива. Для соответствия строгим механическим требованиям обычно используются титановые и никелевые сплавы.

Автомобильная промышленность

Автоспорт и дорогие автомобили - первые пользователи металлических 3D-печатных деталей для таких применений, как компоненты двигателя, благодаря скорости и преимуществам персонализации. Производители автомобилей массового производства также изучают возможности, например, тепловые экраны, использующие легкие решетчатые структуры. Популярными материалами являются алюминиевые сплавы.

Медицинская промышленность

Регулируемое производство биосовместимых имплантатов, протезов и хирургических инструментов из титана и кобальт-хромовых сплавов хорошо налажено. Индивидуальные устройства улучшают результаты лечения пациентов и повышают экономическую эффективность по сравнению с готовыми альтернативами.

Другие отрасли промышленности

Аддитивное производство с использованием таких металлов, как нержавеющая сталь, распространяется на такие отрасли, как промышленное оборудование, нефть/газ, оборона и энергетика. Специальные приложения используют свободу дизайна, в то время как общее производство исследует экономическую эффективность по сравнению с традиционным производством.

Сравнение процессов

Преимущества металлической 3D-печати

Аддитивное производство обеспечивает более высокую геометрическую сложность, оптимизацию дизайна и персонализированное производство по сравнению с субтрактивными методами. Упрощение цепочки поставок и уменьшение количества отходов снижают затраты, а масштабируемость производства выгодна при малых и средних объемах. Возможны сложные внутренние решетчатые структуры.

Ограничения металлической 3D-печати

Механические свойства могут меняться в зависимости от ориентации сборки. Иногда требуется постобработка. Более высокая стоимость материалов и более длительное время изготовления по сравнению с массовым производством ограничивают возможности применения. Большие размеры деталей могут превышать размеры принтера. Существует меньшее количество доступных сортов металла по сравнению со стандартными деформируемыми сплавами.

Когда использовать традиционное и аддитивное производство

Традиционное производство сохраняет свои преимущества для крупносерийных стандартизированных деталей за счет экономии на масштабе. Сложное литье целесообразно для крупных специализированных деталей, выпускаемых небольшими партиями. Выбор оптимального процесса зависит от конструкции/материала детали, масштаба/частоты производства, а также от того, влияет ли стандартная/нестандартная геометрия на подход к изготовлению. Часто оба метода становятся интегрированными в рамках одной отрасли.

Интеграция технологий

Сочетание традиционных и аддитивных методов

Вместо того чтобы заменять устаревшие методики, 3D-печать в прототипировании интегрируется в производственные экосистемы. Литье почти чистой формы обеспечивает заготовку для обработки на станках с ЧПУ. Печатные формы производят отливки обычным способом. Субтрактивные методы позволяют получить полуфабрикаты печатных деталей, требующих жестких допусков. Гибридные процессы используют преимущества соответствующих методов для получения результатов из нескольких материалов и с использованием нескольких атрибутов.

Аутсорсинг для специализированных производителей

В то время как крупные OEM-производители оснащены собственными возможностями 3D-печати металлов, многие поставщики получают выгоду от аутсорсинга работ по аддитивной обработке металлов. Контрактные производители обеспечивают экономичный доступ к передовым технологиям без крупных затрат. капитальные вложения. Партнеры предлагают поддержку в разработке приложений, оптимизацию производства, услуги по пост-обработке, тестированию и сертификации. Клиенты сосредотачиваются на основных сферах деятельности, в то время как специалисты обеспечивают техническое и нормативное соответствие при выпуске новых продуктов

Заключение

Интеграция 3D-печати металлов в основное производство набирает обороты, поскольку обе технологии продолжают стремительно развиваться. Несмотря на то, что традиционное производство будет оставаться важным для крупносерийного производства, преимущества, которые дает аддитивное производство при усложнении конструкции, эффективности цепочки поставок и изготовлении на заказ малосерийных компонентов, позволяют ему занять прочное место во всех отраслях.

По мере совершенствования материалов и снижения скорости технологии, 3D-печать металлов будет все больше конкурировать с традиционной механической обработкой не только для прототипов, но и для конечных производственных деталей. Взаимодополняющие преимущества обоих подходов к изготовлению также будут все чаще использоваться в гибридных автоматизированных решениях. В конечном счете, революционные возможности аддитивного производства по преобразованию рабочих процессов проектирования и производства будут определять его растущее влияние на будущие отраслевые стандарты и глобальную конкурентоспособность.

Вопросы и ответы

Какие материалы можно использовать для металлической 3D-печати?

К распространенным материалам относятся сталь, алюминий, титан, никелевые суперсплавы и медь. Все большее разнообразие металлических сплавов оценивается и оптимизируется для аддитивных процессов.

Сколько времени занимает 3D-печать металлической детали?

Время печати значительно варьируется в зависимости от таких факторов, как материал, размер детали и тип/настройки принтера. На печать простых деталей может уйти несколько часов, в то время как более сложные конструкции могут потребовать несколько дней для послойной сборки.

Требуется ли постобработка для 3D-печатных металлов?

Для достижения окончательных размеров и механических свойств могут потребоваться некоторые виды последующей обработки, такие как очистка, термообработка или механическая обработка. Также обычно требуется удаление несущих конструкций.

В каких отраслях промышленности используются металлические детали, напечатанные методом 3D?

Основные отрасли включают аэрокосмическую промышленность, здравоохранение, автомобилестроение, промышленное оборудование и потребительские товары. Специализированные приложения можно найти в оборонной промышленности, нефтегазовой отрасли, морском флоте и т.д.

Как стоимость 3D-печати металлов сопоставима с традиционным производством?

Для небольших партий и сложных, индивидуальных конструкций аддитивное производство часто оказывается более доступным. При больших объемах производства предпочтение обычно отдается традиционным технологиям из-за экономии на масштабе.