Использование энергии для придания слою порошкового материала твердых, замысловатых форм - один из самых популярных видов 3D-печати. Узнайте, как это работает и какое решение подходит именно вам.
#
3DMART студия - услуги 3D печати, изготовление запасных частей, заказ образцов, 3D моделирование, разработка корпусов РЭА, 3D формы для настенной плитки.
#
Если вы слышали термин “3D-печать методом порошкового напыления” и не уверены, что именно это означает, вы обратились по адресу. Синтезирование напылением становится все более популярным термином, но оно может относиться к нескольким совершенно разным типам 3D-печати.
В нескольких методах 3D-печати (также называемых аддитивным производством) используется порошковый материал, который слой за слоем “сплавляется” энергией. После печати готовые детали покрываются “слоем” неиспользованного порошка, и их необходимо откапывать.
Международная организация по стандартизации (ISO) делит технологии 3D-печати на семь основных категорий, одна из которых называется сплавлением в порошковом слое.
К категории сплавления в порошковом слое ISO относятся:
Селективное лазерное спекание (SLS) полимеров
Лазерное наплавление в порошковом слое (LPBF) – Металлы
Электронно–лучевая плавка (EBM) - Металлов
Несмотря на усилия ISO по обеспечению ясности, названия технологий и их вариации меняются в индустрии аддитивного производства. Не только производители 3D-принтеров предпочитают давать совершенно новое название своей технологии, но и конечные пользователи технологии разрабатывают новые сокращенные обозначения процессов и методов.
Например, лазерное наплавление в порошковом слое - это название технологии, позволяющей с помощью лазера сплавлять металлический порошок в форму (разработанной почти 20 лет назад в Германии). Однако его также очень часто называют селективным лазерным плавлением (SLM), прямым лазерным спеканием металла (DMLS), прямым лазерным плавлением металла (DMLM) и лазерным спеканием металла, среди прочего, в зависимости от производителя, но все они являются одной и той же технологией.
Слои металлического или пластикового порошка
Лазеры также используются при плавлении в слое полимерного порошка, но этот процесс чаще всего называют селективным лазерным спеканием (SLS). Вы также можете услышать термины “сплавление полимерным лазером в порошковом слое” и “сплавление металлическим лазером в порошковом слое” от людей, которые любят быть точными, но это пока не является нормой.
Чтобы еще больше запутать тему, существуют и другие технологии 3D-печати, которые включают порошковый слой, но, как правило, не считаются сплавлением порошкового слоя. Одним из которых является струйное нанесение связующего. Этот метод использует жидкий клей для связывания металлических, керамических или пластиковых порошков вместе. Они не включены в категорию PBF по стандарту ISO, поскольку в процессе печати не используется энергия для сплавления порошка, хотя после процесса печати часто используется тепло.
Кроме того, есть несколько исключений, таких как популярная технология Multi Jet Fusion от HP. Эту технологию иногда относят к категории PBF, поскольку она использует тепло для расплавления порошкового материала, но иногда относят к категории струйной обработки связующего, поскольку в ней также используется связующее вещество. Существует также технология Stratasys под названием Selective Absorbtion Fusion (SAF), которая во многом похожа на MJF.
Другая компания, Voxeljet, предлагает технологию, известную как высокоскоростное спекание (HSS), которая использует нагреваемую строительную платформу и поглощающие инфракрасный свет связующие чернила, которые затем облучаются для поглощения тепла, в результате чего слой порошка спекается (лазеры не используются). Детали, полученные в результате этих процессов, также извлекаются из слоя неиспользованного порошка.
Давайте посмотрим, что общего у всех этих процессов и чем они отличаются, чтобы вы могли найти подходящую технологию для вашего приложения.
Сплавление лазером металлического порошка в слое порошка
Давайте начнем с первого соображения: вам нужны пластиковые или металлические детали? Самым прочным материалом, возможным при использовании технологии плавления в полимерном порошковом слое, обычно является нейлон, армированный углеродным волокном, который обычно используется для приспособлений, креплений и долговечных запасных частей и инструментов. Если этого недостаточно (или вам нужны другие свойства вашей детали), вы захотите сосредоточить свое внимание на процессах получения металлического порошка.
С самого начала технология 3D-печати с использованием лазеров и металлического порошка называлась laser powder bed fusion (LPBF), и организация по стандартизации ASTM также использует этот термин.
3D-принтеры LPBF используют мощные лазеры для выборочного расплавления металлического порошка. Расплавленные детали сплавляются вместе слой за слоем на молекулярной основе до тех пор, пока не будет получена однородная модель.
Операторы принтеров могут использовать “чистые” металлические материалы, хотя сплавы также используются регулярно. Существуют десятки металлов, доступных для процесса LPBF.
В 3D-принтере LPBF используется порошок металлического сырья. Принтер загружает порошок в камеру, где лезвие для нанесения покрытия (например, стеклоочиститель) или валик распределяют его тонким слоем по подложке или монтажной пластине.
Затем мощный лазер расплавляет двумерный срез детали путем выборочного расплавления порошкообразного материала. Затем формовочная пластина опускается на высоту одного небольшого слоя, и устройство для нанесения покрытия распределяет по поверхности еще один слой свежей пудры. Принтер повторяет эти действия до тех пор, пока у вас не будет готовой детали.
Некоторые принтеры оснащены двунаправленными устройствами нанесения покрытия, которые могут перемещать порошок на подложку в обоих направлениях, ускоряя процесс нанесения покрытия до 40%. Другой способ, с помощью которого производители принтеров LPBF ускоряют печать, - это использование более мощных лазеров или нескольких лазерных установок.
Небольшой компактный принтер LPBF может быть оснащен одним 30-ваттным лазером. По мере того как машины становятся больше, они могут начать использовать более мощные лазеры или несколько лазеров в одной матрице. Например, AddUp FormUp 350 оснащен четырьмя лазерами мощностью по 500 Вт, в то время как SLM Solutions NXG XII 600 использует в общей сложности 12 лазеров мощностью по 1000 Вт каждый.
В зависимости от вашего применения, при выборе 3D-принтера LPBF вы будете обращать внимание на уровень мощности лазера, диаметр лазерного луча, скорость сканирования, возможную толщину слоя (от 20 до 120 мкм), стратегию сканирования, стратегию охлаждения детали и другие характеристики, которые определяют различные бренды, и разные модели внутри брендов, отдельно друг от друга.
Процесс печати LPBF происходит в контролируемой атмосфере внутри машины, что означает, что камеру сборки заполняет инертный газ (азот или аргон).
Как только деталь собрана, ее можно извлечь из машины после охлаждения. Для охлаждения крупных деталей может потребоваться много часов, прежде чем их можно будет использовать. Металлический порошок, который не расплавился, впоследствии собирается и повторно используется для дальнейших проектов LPBF. Напечатанные детали первоначально прикрепляются к монтажной плите, от которой они обычно отделяются путем резки, механической обработки или эрозии проволокой.
Если деталь нуждается в опорах, затем вы также должны удалить их. Поскольку принтеры LPBF не используют отдельные вспомогательные материалы, это может быть сложным и отнимающим много времени процессом.
Поверхность готовой расплавленной детали шероховатая, и, в зависимости от ваших требований, для достижения гладкого и блестящего результата может потребоваться последующая обработка. Также относительно часто для достижения более жестких допусков и отделки мелких деталей, поверхностей и отверстий производится дополнительная обработка деталей.
LPBF, как и любая производственная технология, имеет свои сильные и слабые стороны. Плюсы и минусы создания модели с помощью LPBF включают в себя:
Преимущества
Большой ассортимент доступных металлов
Способность создавать сложные формы или внутренние конструкции, возможно, без опор
Сокращенное общее время выполнения заказа благодаря отсутствию необходимости в оснастке
Объединение деталей, позволяющее операторам создавать ранее многокомпонентные детали в виде одной печати
Сокращение отходов за счет аддитивного производства и утилизации порошка
Возможность сокращения постоянных запасов благодаря быстрому производству по требованию
Потенциал для массового изготовления деталей на заказ
Недостатки
Нет низкой планки для входа. Все 3D-принтеры LPBF стоят десятки тысяч долларов
Стоимость одной детали может быть намного выше по сравнению с традиционными методами производства
Детали требуют последующей обработки, такой как удаление порошка, удаление подложки и шлифовка поверхности
Размер в настоящее время ограничен одним метром
Лазеры требуют много энергии
Электронный луч вместо лазера
Электронно-лучевая плавка в порошковом слое (EB PBF), более широко называемая электронно-лучевой плавкой (EBM), использует мощный электронный луч для плавления проводящих металлических порошков, таких как медь и титан, слой за слоем. Полученные в результате детали отличаются высокой плотностью и механической прочностью и находят применение во всем - от лопаток турбин до тазобедренных имплантатов.
EB PBF имеет преимущества перед лазерным наплавлением металлического порошка в определенных областях, таких как обработка материалов при высоких температурах.
Сплавление полимерного лазерного слоя порошка
Высоко ценимая за способность быстро создавать детали инженерного класса с превосходными механическими свойствами и высоким разрешением, 3D-печать методом полимерного лазерного наплавления в порошковом слое или селективного лазерного спекания (SLS) - это то, к чему обращаются инженеры и промышленные дизайнеры для создания функциональных быстрых прототипов и больших объемов деталей для конечного использования.
Сегодня широко используется 3D-печать методом синтеза с использованием полимерного лазера в порошковом слое, поскольку она соперничает с изделиями для литья под давлением по прочности и точности, но намного дешевле и быстрее в производстве, особенно в небольших количествах. По сравнению с литьем под давлением, 3D-печать позволяет создавать детали, недоступные литью под давлением, такие как изделия с внутренними каналами, решетчатые структуры и другие геометрически сложные элементы.
Как и при лазерном наплавлении металлического порошка в слое, полимерная версия использует лазер для выборочного расплавления частиц полимерного порошка, сплавляя их вместе с помощью тепла и давления послойно, пока не будет получен 3D-дизайн. Эти принтеры могут иметь один или несколько лазеров различных типов (волоконный лазер, диодный лазер, CO2 и т.д.) и мощности (10 Вт, 60 Вт, 100 Вт).
Процесс начинается с нагревания бункера для порошка, заполненного порошкообразным материалом, до температуры чуть ниже температуры плавления полимера. Лезвие для повторного нанесения покрытия распределяет тонкий слой порошка по рабочей платформе. Затем лазер (или лазеры) сканирует контур слоя и спекает частицы порошка. Чтобы убедиться в том, что деталь полностью цельная, сканируется все поперечное сечение требуемого компонента. Как только нанесение слоя завершено, платформа для укладки перемещается вниз, и лезвие повторно покрывает поверхность чистым слоем порошка. Этот процесс повторяется до тех пор, пока деталь или части не будут завершены.
Как только процесс печати завершен, следует изрядный объем постобработки. Как только камера сборки остынет, вы извлекаете свои детали из камеры сборки на станции измельчения в порошок. С помощью кисти, воздуходувки сжатым воздухом или какого-либо другого метода струйной обработки вы удаляете рассыпчатый порошок и собираете его для использования при следующем отпечатке. Дополнительные автоматизированные установки для измельчения порошка сокращают количество беспорядка, но они, естественно, увеличат общую стоимость ваших инвестиций в SLS.
В отличие от некоторых других технологий 3D-печати, оставшийся порошок можно повторно использовать для следующего задания печати. В зависимости от машины вам потребуется добавить от 10% до 70% свежего порошка для следующей печати.
Эти конечные полимерные детали могут быть окрашены, разглажены и отполированы.
Технологии плавления в жидком и горячем порошковом слое
Как мы упоминали выше, существует несколько технологий 3D-печати, которые включают слой порошка и источник энергии, но не поддаются простой классификации. В этих запатентованных технологиях, предназначенных только для полимеров, используется жидкое или термореактивное связующее, которое избирательно поглощается полимерным порошком, который затем сплавляет частицы полимера вместе под воздействием тепла.
Это дает некоторые преимущества по сравнению со “стандартным” лазерным наплавлением полимерного порошка в слое, главным образом, в области скорости и производительности, что позволяет производить нейлоновые детали в больших объемах. Метод жидкого связующего, по сравнению с методом лазерного спекания, позволяет печатать широкий спектр геометрических форм параллельно друг другу за одно задание процесса печати. Это означает, что крупные компоненты могут печататься непосредственно рядом с более тонкими компонентами более высокого уровня сложности.
Существуют также преимущества перед струйным нанесением полимерного связующего, когда речь заходит о прочности, долговечности и ударной вязкости деталей.
Например, Multi Jet Fusion (MJF) - это технология 3D-печати методом синтеза в порошковом слое, представленная HP на рынке в 2016 году. В двух словах, технология предполагает использование жидкого связующего вещества для склеивания порошкообразного полимерного материала слой за слоем. Затем инфракрасный нагревательный элемент перемещается по отпечатку. Везде, где был добавлен плавящий агент, нижележащий слой “расплавляется” вместе, в то время как участки, обработанные детализирующим агентом, остаются в виде порошка.
Selective Absorbtion Fusion (SAF) - это еще одна запатентованная технология синтеза в порошковом слое, разработанная компанией Stratasys для 3D-принтеров и производителя материалов. SAF использует жидкость для поглощения инфракрасного излучения для послойного склеивания частиц нейлонового порошка для изготовления деталей. Печатающие головки распыляют жидкость в заданных местах для создания каждого поперечного сечения детали. За этим следует воздействие инфракрасной энергии, которая заставляет участки с жидкостью плавиться и сплавляться вместе. Последовательность повторяется до тех пор, пока детали не будут завершены.
Как и MJF, SAF - это более быстрый метод изготовления нейлоновых деталей, чем технологии, использующие лазеры. Оба этих метода имеют сходство с высокоскоростным спеканием (HSS) от Voxeljet.
Ассортимент пластмасс HSS несколько шире, включая не только нейлон и TPU, но и полипропилен (PP) и сополимер этиленвинилацетата (EVA).
ПОСТAВЬ ЛAЙК И ПОДПИШИCЬ, ЕCЛИ ТEБЕ ИНТEPEСНА ТEМА 3D ПЕЧАТИ!
еще интересные статьи по теме:
3DMART студия услуги 3D печати и 3D моделирование
Изобретая баскетбол: беседа с создателями последней спортивной инновации 3D-печати
Лучшие настройки / профиль Cura PETG
Prusa Research выпускает обновление 2.6 для многофункционального PrusaSlicer
Шов по оси Z (Cura): Как его скрыть
Сглаживание PLA: как сгладить 3D-отпечатки из популярного пластика
