Может ли 3D-принтер печатать нержавеющую сталь?

Вопрос «Может ли 3D-принтер печатать нержавеющей сталью?» кажется простым, но ответ открывает мир промышленных технологий, который находится на целую вселенную дальше пластиковых принтеров на столе любителя. Короткий ответ — это убедительно. Да. Более развернутый ответ заключается в том, что для этого потребуются машины размером с холодильник, лазеры достаточной мощности, чтобы резать листовую сталь, и уровень контроля процесса, которым мог бы гордиться инженер НАСА.

Речь идёт не о плавлении нити накаливания, а о микросварке порошкового металла в контролируемой среде без кислорода. Прежде чем погрузиться в невероятную физику, вот краткое изложение основных способов её достижения.

Краткое содержание: Как нержавеющая сталь печатается на 3D-принтере

История Клайва: «Невозможное» многообразие

Я проработал механиком уже 25 лет, когда в мою мастерскую зашёл молодой инженер, едва окончивший колледж. Он вручил мне планшет с 3D-моделью, которая заставила меня рассмеяться. Это был коллектор для гоночного автомобиля, но он больше походил на кусок кораллового рифа, чем на… часть двигателя. Он имел извилистые, разветвляющиеся внутренние каналы, которые сливались и разделялись способами, которые невозможно было бы ни просверлить, ни отфрезеровать.

«Это шутка, да?» — сказал я. «Ты не сможешь этого сделать. Это невозможно».

Он просто улыбнулся. «Ты не можешь машина Это, Клайв. Но ты можешь Распечатать Это."

Это было моё первое настоящее знакомство с 3D-печатью по металлу. Речь шла не о том, чтобы изготавливать те же самые старые детали по-новому, а о создании совершенно новых классов объектов, которые раньше были ограничены экраном компьютера. Именно тогда я понял, что у моего мира субтрактивного производства появился новый мощный аналог.

Итак, как машина «печатает» цельный стальной блок?

Самый распространенный и наиболее эффективный метод называется Прямое лазерное спекание металла (DMLS), или очень похожий процесс, называемый селективной лазерной плавкой (SLM). Забудьте всё, что вы знали о пластике. FDM-печать. Это совсем другой зверь.

Представьте себе камеру для сборки, изолированную от внешнего мира и заполненную инертным газом, например аргоном. предотвратить металл от окисления (ржавления) при высоких температурах. Внутри этой камеры начинается процесс.

Что представляет собой пошаговый процесс DMLS/SLM?

1. Порошковая кровать: Лезвие устройства для повторного нанесения покрытия наносит слой очень мелкого покрытия (похожего на сахарную пудру) 316L или 17-4 PH толщиной с бумагу. нержавеющая сталь Нанесите порошок на рабочую пластину. Толщина слоя может составлять всего 20 микрон (толщина человеческого волоса составляет около 70 микрон).
2. Лазер: Мощный волоконный лазер, часто мощностью от 400 до 1000 Вт, направляется через ряд зеркал. Он воздействует на слой порошка, очерчивая первое поперечное сечение трёхмерной модели. Энергия настолько интенсивна, что плавит и сплавляет частицы металлического порошка в сплошной слой.
3. Нанесение и повторное нанесение: Платформа построения опускается на высоту одного слоя. Лезвие устройства повторного нанесения наносит ещё один тонкий слой порошка поверх только что расплавленного слоя.
4. Повторяйте тысячи раз:  лазер начинает работать И снова, сплавляя новый слой порошка с твердым слоем под ним. Этот процесс повторяется, слой за слоем, кропотливо, часами или даже днями. Твердый слой металлическая часть постепенно выходит из слоя рассыпчатой ​​пудры.

После завершения сборки и охлаждения камера открывается, и деталь извлекается из порошка, словно ископаемое. Это грубый и мощный процесс, позволяющий создавать плотные, невероятно прочные металлические компоненты из одних лишь пыли и света.

Теперь, когда мы разобрались с доминирующим промышленным процессом, что насчёт более доступных альтернатив? В следующем разделе мы рассмотрим промышленную мощь DMLS. столкновение лицом к лицу с дружелюбным офисным Bound Процесс осаждения металла для определения критических компромиссов в стоимости, качество и сложность.

Через несколько недель после моей встречи с молодым инженером в мастерскую прибыл ящик. Внутри, обёрнутый пенопластом, лежал его «невозможный» коллектор. Он казался тяжёлым, прочным и, несомненно, стальным. Но это была не та блестящая, идеальная деталь, которую я ожидал. Поверхность имела шероховатую матовую текстуру, и я мог различить едва заметные линии слоёв, из которых он был собран. Что ещё важнее, он всё ещё был прикреплён к толстой стальной плите с помощью тонких опорных конструкций. Он не был закончен. Это была сырая деталь, которая всё ещё требовала прикосновения механика. Её нужно было аккуратно отрезать от плиты, точки контакта опор нужно было отшлифовать, и всё это требовало термообработки для снятия внутренних напряжений, возникающих в процессе печати.

Именно тогда я усвоил второй урок 3D-печати металлом: работа не заканчивается с остановкой принтера. «Магия» печати реальна, но за ней следует тяжёлая работа по постобработке.

Какой процесс 3D-печати металлом подойдет для вашего случая?

Инженерный коллектор был изготовлен с использованием технологии DMLS, поскольку это был единственный способ добиться сложной внутренней геометрии с максимальной плотностью и прочностью. Но это не единственный вариант. Появление более доступных технологий, таких как осаждение связанных металлов (BMD), изменило ситуацию, предложив компромисс между стоимостью, удобством и максимальной производительностью.

Давайте сравним три основных метода в очном поединке.

Сравнение: DMLS/SLM с осаждением связанного металла и струйным нанесением связующего

Как на самом деле работает процесс осаждения связанного металла (BMD)?

Через несколько лет после того, как я увидел этот коллектор DMLS, ко мне в магазин зашёл другой продавец. Он заявил, что у него есть 3D-принтер для металлической печати, который можно разместить в нашей… контроль качества Лаборатория. Я был готов высмеять его до смерти, вспоминая промышленные масштабы машины DMLSНо он продавал не лазерную систему. Он продавал систему ПРО, и это был совершенно другой подход.

Процесс BMD — это умный, многоэтапный обходной путь, позволяющий избежать стоимость и сложность мощных лазеров и порошковые кровати.

Шаг 1: Печать («зеленая» часть)

Представьте себе стандартный FDM 3D-принтер. Теперь вместо катушки с чистым пластиком используется нить, изготовленная из тонких нержавеющая сталь Порошок, скреплённый воском и полимерным связующим. Принтер выдавливает эту нить, создавая вашу деталь слой за слоем, как принтер для печати пластиком. В результате получается так называемая «зелёная» деталь. Она имеет правильную форму, но хрупкая — примерно такая же прочная, как мелок, — и представляет собой композит из металла и пластика.

Шаг 2: Удаление связующего (коричневая часть)

Затем «зелёная» деталь поступает на станцию ​​удаления связующего, которая, по сути, представляет собой специализированную химическую промывку. Деталь замачивается в специальной жидкости, которая растворяет большую часть первичного полимерного связующего. После этого процесса деталь называется «коричневой». Она чрезвычайно пористая и хрупкая, её держит лишь небольшое количество оставшегося вторичного связующего.

Шаг 3: Спекание (цельная металлическая часть)

Заключительный этап — обжиг. Коричневую деталь помещают в высокотемпературную спекательную печь. Печь медленно нагревается, сначала выжигая последние остатки связующего. Затем температура поднимается чуть ниже температура плавления нержавеющей стали (около 1300°C / 2372°F). При этой температуре отдельные металлические частицы сплавляются в единое целое в процессе спекания, уплотняя деталь и превращая её в твёрдый металл. В ходе этого процесса деталь предсказуемо усаживается — примерно на 15–20%, — что программа автоматически учитывает при разрезании модели.

В результате вы получаете практически цельнометаллическую деталь без использования лазера или работы с сыпучим порошком.

Какие скрытые компромиссы следует учитывать?

Процесс BMD великолепен, но это не волшебство. Этап спекания — самое большое ограничение. Деталь должна быть достаточно прочной, чтобы сохранять форму в печи по мере уплотнения. Это означает, что не должно быть больших, неподдерживаемых выступов или очень хрупких деталей, которые могут провиснуть или сломаться при высоких температурах. «Невозможный» коллектор с его извилистыми внутренними каналами никогда не удалось бы изготовить с помощью BMD; внутренние структуры разрушились бы во время спекания.

Это подводит нас к самой важной части уравнения. Вы знакомы с технологиями. Но как спроектировать деталь, которая не развалится от термического напряжения в машине DMLS и не разрушится в кучу в спекательной печи? В заключительном разделе мы рассмотрим пять важнейших заповедей дизайна для Производство добавок (ДфАМ) для металла, которые являются ключом к раскрытию истинного потенциала этих невероятных машин.

Мы установили, что нержавеющую сталь можно печатать на 3D-принтере, и рассмотрели различные технологии, которые делают это возможным. Но тот первый коллектор DMLS, который я держал в руках много лет назад, научил меня самому важному уроку. Инженер, который его проектировал, не просто взял модель CAD для… обработанная часть и отправить её в типографию. Ему пришлось кардинально переосмыслить конструкцию детали, чтобы она пережила все тяготы её создания. Деталь была покрыта странными органическими изгибами, пустотами и скруглениями в местах, где я бы никогда их не разместил. Она больше напоминала кость, чем механизм.

Он объяснил, что первые несколько попыток провалились с треском: из-за огромных термических напряжений они деформировались и отрывались от платформы. Ему пришлось научиться «говорить на языке «язык лазера», проектирование детали, которую нельзя резать, но и вырасти. Он должен был спроектировать этот процесс.

Как следует проектировать детали для 3D-печати по металлу по-другому?

Это самое большое препятствие для инженеры-новички в аддитивном производстве. Нельзя относиться к 3D-принтеру по металлу как к волшебной шкатулке. Необходимо следовать набору принципов, известных как Проектирование для аддитивного производства (DfAM)Игнорирование этих правил — самый быстрый способ превратить шестизначную сумму в машина в очень дорогой металлолом Генератор. Вот пять заповедей, которые нельзя нарушать.

Заповедь 1: Уменьшай количество опор и выступов

В мире лазерной сварки порошковых материалов каждый слой строится на основе сплошного слоя, находящегося под ним. Если вы спроектируете элемент, выступающий в открытое пространство, под которым ничего нет – навес – он не справится. Лазер попытается сварить порошок с более рыхлым порошком, создавая расплавленную массу, которая опадает, деформируется и разрушает деталь.

• Правило 45 градусов: Как правило, любой выступ с углом наклона менее 45 градусов относительно рабочей платформы требует опорных конструкций. Это тонкие металлические каркасы, которые печатаются вместе с деталью для её поддержки.
• Почему поддержка — враг: In печать на металлеЭти опоры не являются тривиальными отрывными конструкциями, как при печати пластиком. Они полностью приварены к детали. Их удаление — сложный этап ручной обработки, включающий резку, шлифовку или CNC-обработка. Они тратят впустую дорогой материал, тратят часы труда и оставляют следы на поверхности вашей детали. Хороший дизайнер DfAM одержимо ориентацией своей детали на рабочей платформе и использует хитрые конструктивные приёмы (например, фаски вместо плоских отверстий), чтобы исключить как можно больше поддержек.

Заповедь 2: Управляй тепловым стрессом

Представьте себе, что вы берете крошечную точку на стальной пластине и нагреваете ее до температура плавления (около 1400 °C), а затем дать остыть за доли секунды. И так миллионы раз. Это процесс DMLS. Быстрый нагрев и охлаждение создают огромные внутренние напряжения в детали.

• Избегайте острых углов: Острые внутренние углы являются концентраторами напряжений. материал охлаждается и сжимается, вся эта сила давит на этот острый кончик, что приводит к трещинам и деформации. Решение — добавить большие скругления и радиусы ко всем углам, чтобы нагрузка распределялась более равномерно. Вот почему этот коллектор выглядел таким органичным и похожим на кость.
• Постепенные переходы: Резкие перепады толщины стенки также опасны. Толстый участок будет остывать гораздо медленнее, чем прикреплённый к нему тонкий участок, что создаёт значительную разницу напряжений, которая может привести к расслоению или деформации детали. Необходимо проектировать изделие с плавными, постепенными переходами между толстыми и тонкими элементами.

Заповедь 3: Объединяй собрания

Именно здесь 3D-печать по металлу действительно блистает. В традиционном производстве сложный процесс сборка Например, коллектор может состоять из десяти или двадцати отдельных деталей, которые обрабатываются на станке, свариваются и скрепляются болтами. Это приводит к сложности, весу и множеству потенциальных точек отказа (сварные швы, прокладки, болты).

С помощью DMLS можно напечатать всю сборку как единую монолитную деталь. Инженеру удалось объединить монтажный фланец, внутренние каналы и выпускные отверстия в единый цельный стальной элемент. Это позволило создать деталь легче, прочнее и надежнее, чем аналог, изготовленный традиционным способом. DfAM — это не просто предотвращение отказов, это использование уникальных преимуществ процесса для создания превосходных продуктов.

Заповедь 4: Проектируй с учётом последующей обработки

Когда принтер издаёт звуковой сигнал, работа ещё не закончена. Деталь всё ещё приварена к толстой стальной рабочей платформе и закреплена в опорах. Вам нужно спланировать, как оператор завершит работу.

• Доступность: Может ли ленточная пила или Электроэрозионный станок с проволочной проволокой фактически достигает детали Чтобы вырезать его из рабочей платформы? Можно ли снять опорные конструкции шлифовальным станком или станком с ЧПУ? Необходимо проектировать с учётом этого доступа.
• Припуски на обработку: ДМЛС детали имеют шероховатую поверхность (около 10–15 мкм Ra). Если поверхность должна быть идеально плоской для уплотнения или иметь жёсткий допуск для подшипника, необходимо спроектировать её с дополнительным материалом — «припуском на обработку» от 0.5 до 1 мм, — который можно фрезеровать или точить до нужной формы. идеальная отделка при вторичной операции.

Заповедь 5: Используй легкость

Поскольку вы создаёте деталь с нуля, вам нужно разместить материал только там, где это необходимо с точки зрения конструкции. Используя такие программные инструменты, как оптимизация топологии, инженер может определить нагрузки и ограничения на деталь, а программное обеспечение создаст конструкцию, использующую минимально необходимое количество материала, что приведет к получению оптимизированной, скелетной или сетчатой ​​структуры.

Кроме того, вы можете проектировать детали с внутренними решетчатые конструкцииЭто сложные трёхмерные сетки, заполняющие внутреннюю часть детали, что значительно снижает вес при сохранении невероятной структурной целостности. Этого невозможно достичь никаким другим методом производства, и это ключевая причина, по которой аддитивное производство металлов так широко применяется в аэрокосмической промышленности и производстве медицинских имплантатов.

Окончательный вердикт: больше, чем машина, новое мышление

Итак, может ли 3D-принтер печатать нержавеющую сталь? Безусловно. Но вопрос вводит в заблуждение. Он подразумевает простую операцию «печати на прессе». На самом деле, прямое лазерное спекание металла и склеивание Металлообработка – это передовые технологии производства процессов, а не только машины.

Успех требует совершенно нового мышления. Вам необходимо перейти от субтрактивного мышления механика, который видит блок и думает: «Что можно удалить?», к аддитивному мышлению конструктора, который видит пустую рабочую поверхность и думает: «Как мне вырастить эту деталь эффективно и надёжно?». Освоив принципы DfAM, вы сможете раскрыть весь потенциал этой технологии для создания деталей, которые прочнее, легче и сложнее, чем всё, что когда-либо видел мир.

Референсы

• EOS GmbH. (nd). Правила проектирования для аддитивного производства. ЭОС.
• Markforged, Inc. (2021). Руководство по дизайну Metal X. Markforged.
• Protolabs. (nd). Советы по проектированию для прямого лазерного спекания металлов (DMLS). Протолабс.
• Гибсон, И., Розен, Д., и Стакер, Б. (2015). Технологии аддитивного производства: 3D-печать, Быстрое прототипирование:и прямое цифровое производство, Springer.
• 3D Hubs (теперь Hubs от Protolabs). (2019).  Руководство инженера по металлу 3D печать.

Часто задаваемые вопросы (FAQ):

В чем основное различие между DMLS и BMD при печати на стали?

DMLS (прямое лазерное спекание металлов) использует мощный лазер для сварной металл Порошок непосредственно вводится в полностью плотную деталь. Этот метод обеспечивает высочайшую производительность, плотность (более 99.5%) и геометрическую свободу, но чрезвычайно дорог и требует промышленного применения. Технология BMD (Bound Metal Deposition) предполагает экструдирование нити металлического порошка, смешанного со связующим, после чего связующее вещество удаляется в печи и порошок спекается в сплошную деталь. Этот метод гораздо дешевле, удобен для офисного использования, но обеспечивает несколько меньшую плотность (~97%) и имеет больше геометрических ограничений из-за стадии обработки в печи.

Насколько прочны детали из нержавеющей стали, напечатанные на 3D-принтере?

Детали, напечатанные с помощью DMLS, могут иметь механические свойства, которые не уступают или даже превосходят свойства деталей, изготовленных из цельного куска кованого металла. нержавеющая сталь, особенно после последующей обработки, например, термообработки. Детали, изготовленные с использованием BMD, обычно сопоставимы с деталями, изготовленными из металла. литье под давлением (MIM) или литье по выплавляемым моделям, которое очень прочно, но, как правило, не так прочно, как деформированные или кованые материалы.

Можно ли иметь дома 3D-принтер по металлу?

Для DMLS ответ — категорическое «нет». Системы стоят сотни тысяч долларов, требуют специализированного высоковольтного питания, систем подачи инертного газа и обширных протоколов безопасности при работе с взрывоопасными металлическими порошками. Что касается BMD, то, хотя сам принтер подходит для офисного использования, необходимые для него станция удаления связующего и высокотемпературная печь для спекания представляют собой промышленное оборудование, требующее специальной вентиляции и электропитания, что делает их непригодными для использования в обычных домашних условиях.

Почему постобработка так важна для 3D-печати металлом?

Постобработка — неотъемлемая часть рабочего процесса. Для DMLS она включает в себя снятие напряжений в печи для предотвращения растрескивания, отрезание детали от рабочей платформы, механическую обработку опорных конструкций и отделка критических поверхностей для соответствия требованиям к допускам и гладкости. Для BMD это включает в себя весь процесс удаления связующего и спекания. «Напечатанная» часть никогда не является окончательный часть.

Какая нержавеющая сталь чаще всего используется для 3D-печати?

Две самые популярные нержавеющие стали: 316L и 17-4 PH. Марка 316L выбрана из-за ее превосходной коррозионной стойкости и пластичности, что делает ее идеальным материалом для медицинских имплантатов, пищевой промышленности и судостроения. 17-4 PH — это дисперсионно-твердеющая сталь, известная своей очень высокой прочностью и твердостью после термической обработки, что делает ее предпочтительной для изготовления высокопроизводительных промышленных и аэрокосмических компонентов.

Условия использования

Информация на этой странице предназначена только для информационных целей. RM Компания не предоставляет никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности или полноты данной информации. Для любых услуг третьих лиц, приобретённых через RM сеть, покупатель несет ответственность за указание и подтверждение параметров производительности, допусков, материалыи качество работы в процессе составления сметы. Для получения более подробной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами.o Свяжитесь с нами.

RM: Ваш партнер в области точного производства

RM является лидером отрасли в индивидуальные производственные решения. Обладая более чем 20-летним богатым опытом, мы стали надежным партнером для более чем 5,000 клиентов по всему миру. Мы специализируемся на широком спектре производственных услуг, включая высокоточную обработку. CNC-обработка, изготовление листового металла, 3D печать, литье под давлением и металлическое тиснение— чтобы предоставить вам истинную опыт комплексного обслуживания.

Наше предприятие мирового класса оснащено более чем 100 современными Обработка по оси 5 центры и работают в строгом соответствии с ISO 9001:2015 Система контроля качестваМы стремимся предоставлять решения, сочетающие в себе скорость, эффективность и исключительное качество, клиентам в более чем 150 странах. Быстрое прототипирование до крупномасштабного производства мы гарантируем доставку в течение 24 часов, помогая вам получить конкурентное преимущество на рынке. Выбор РМ означает выбор эффективного, надежного и профессионального производственного партнера.

Ознакомьтесь с нашими возможностями уже сегодня, посетив наш веб-сайт: www.rapmaf.com