Цветной принтер по металлу

Обновлено: 02.07.2024

В этом подробном гиде мы рассмотрим основные принципы технологий 3D-печати металлами, расскажем о разнице между ними и приведем примеры применения. Прочитав эту статью, вы узнаете об их преимуществах и ограничениях. Читайте статью и смотрите видео о 3D-печати металлами.

Содержание

SLM & DMLS: в чем разница

Выборочное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS) являются двумя процессами аддитивного производства, которые относятся к семейству трехмерной печати порошковым слоем. Эти две технологии имеют много общих черт: обе используют лазер для спекания или выборочного плавления частиц металлического порошка, связывая их вместе и создавая слои изделия, один за другим.

Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса склеивания частиц (а также к патентам): в SLM лазер расплавляет металлический порошок, а в DMLS частицы порошка нагреваются меньше и спекаются между собой, не переходя в жидкую фазу.

Основное отличие DMLS от традиционных технологий производства металлических деталей в том, что DMLS-принтер создает объекты без остаточных внутренних напряжений, которые могут снижать качество металлических компонентов изготовленных литьем и штамповкой. Это важно для деталей производимых для автомобильной и аэрокосмической отрасли, так как они должны выдерживать высокие нагрузки.

В SLM лазер расплавляет каждый слой металлического порошка, и перепады температур могут приводить к возникновению внутренних напряжений в детали, что потенциально может сказаться на ее качестве, хоть и в меньшей степени чем, например, при литье. В этом вопросе преимущество SLM перед традиционными технологиями меньше, чем преимущество DMLS. С другой стороны, спеченные по технологии DMLS детали уступают в монолитности и запасе прочности деталям напечатанным по методу SLM.

Технологии похожи до степени смешения, как по принципу действия, так и по используемым техническим решениям, потому некоторые 3D-принтеры способны печатать по обеим методикам.

Обе технологии, SLM и DMLS, используются в промышленности для создания деталей для различных областей машиностроения. В этой статье мы используем термин «3D-печать металлами» для обозначения обоих процессов в целом, и описываем их основные механизмы, что поможет инженерам и дизайнерам в понимании преимуществ и ограничений технологии.

Расскажем и о других технологиях 3D-печати металлами, менее распространенных, таких как электронно-лучевое плавление (EBM) и ультразвуковое аддитивное производство (UAM).

Тем, кто начинает работать с 3D-принтерами, печатающими металлами, нужно ознакомиться с кратким пособием, чтобы избежать основных ошибок в проектировании 3D-печатных металлических конструкций и деталей из металла. Здесь мы делаем акцент на технологиях лазерной обработки металлического порошка — DMLS и DMLM.

Процесс печати SLM / DMLS:

Более подробно о методе SLM Вы можете прочитать в нашей статье.

Как работает 3D-печать металлами

Процессы изготовления деталей по технологиям SLM и DMLS очень схожи.
Основные этапы:

Камеру построения сначала заполняют инертным газом (например, аргоном) для минимизации окисления металлического порошка, а затем нагревают до оптимальной температуры производства.

Тонкий слой металлического порошка распределяется по платформе построения, а высокомощный лазер сканирует поперечное сечение компонента, плавя или спекая вместе металлические частицы и создавая следующий слой. Вся область модели подвергается обработке, поэтому деталь сразу твердая.

После завершения формирования слоя, платформа построения опускается на толщину слоя и рекоутер наносит следующий слой порошка. Процесс повторяется до завершения всей детали.

Когда процесс печати завершается, детали полностью находятся в металлическом порошке. В отличие от процесса спекания полимерного порошкового слоя (такого как SLS), детали прикрепляются к платформе построения с помощью области поддержки. Области поддержки строятся с использованием того же материала, что и деталь, их необходимо использовать для избегания деформации и искажений, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки.

Когда камера построения остывает до комнатной температуры, неизрасходованный порошок вручную удаляется, а детали обычно подвергаются дополнительной термической обработке для снятия остаточных напряжений, затем удаляют поддержки. Детали отделяются от платформы построения и готовы к использованию или последующей обработке.

Схема принтера SLM / DMLS:

Характеристики SLM & DMLS

Параметры принтера

В SLM и DMLS почти все параметры процесса устанавливаются производителем принтера. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлами, колеблется обычно от 20 до 50 микрон и зависит от свойств материала.

Стандартная область 3D-печати металлами варьируется около 250 x 150 x 150 мм, доступны принтеры и с большей областью печати, около 500 x 280 x 360 мм. Точность размеров, которую может достичь 3D-принтер для печати металлами, составляет приблизительно ± 0,1 мм.

Металлический порошок в SLM и DMLS используются повторно: обычно менее 5% уходит в отходы. После каждой печати неиспользованный порошок собирают, просеивают и затем смешивают с новым материалом, до состава необходимого для следующей печати.
В отходы идут, в основном, поддержки.

Небольшое серийное производство рамы велосипеда с использованием SLM. Предоставлено: Renishaw и Empire Cycles.

Адгезия между слоями

Металлические детали, изготовленные методами SLM и DMLS, имеют почти изотропные механические и термические свойства. Они твердые, с очень небольшой внутренней пористостью (менее 0,2-0,5%).

Металлические 3D-печатные детали имеют более высокую прочность и твердость и часто более гибкие, чем детали, изготовленные традиционным способом. Однако они более склонны к усталости.

Например, посмотрите в таблице ниже на механические свойства 3D-печатного сплава AlSi10Mg EOS и литого сплава A360. Эти два материала имеют очень похожий химический состав, с высоким содержанием кремния и магния. 3D-печатные детали имеют превосходные механические свойства и более высокую твердость по сравнению с литым материалом.

Из-за гранулированной формы порошка, шероховатость поверхности (Ra) металлической 3D-печатной детали составляет примерно 6-10 мкм. Эта относительно высокая шероховатость поверхности может частично объяснить более низкую усталостную прочность сплава.

Сравнение механических свойств отдельных разновидностей 3D-печатных и литых деталей:

Лучшие 3D-принтеры для ювелирных изделий

Быстрое развитие аддитивного производства приводит к значительным изменениям во многих отраслях промышленности. Некоторые из них используют 3D-технологии на всех этапах производства, начиная с 3D-сканирования, а затем применяя 3D-печать для создания прототипов или производства конечных деталей. Ювелирное дело — одна из тех областей, где цифровые технологии только начали свое распространение, часто являясь мостом к традиционным методам.

Цифровая революция в ювелирном деле

Ювелирное ремесло старо как мир, и оно всегда предполагало большое мастерство и время, затрачиваемое на создание каждого изделия. Кроме того, возможности человека всегда ограничены — каким бы искусным ни был мастер, некоторые самые замысловатые дизайнерские концепции могли существовать только в его воображении.

С развитием 3D-печати все больше людей в ювелирной промышленности открывают для себя возможности, которые она предоставляет как с художественной, так и с деловой точки зрения.

Традиционный метод изготовления ювелирных изделий подразумевает литье по выплавляемым моделям. Создание литых деталей — дорогостоящая и трудоемкая часть процесса, и именно здесь 3D-печать может оказать большую помощь, став мостом к традиционному производству. Что хорошего в использовании цифровых технологий в такой традиционной области? Давайте посмотрим.

Зачем печатать ювелирные изделия в 3D

Полная свобода дизайна

Как уже говорилось, в традиционном производстве существуют определенные ограничения по дизайну литьевых моделей, которые изготавливаются либо вручную, либо на станках с ЧПУ. Благодаря возможностям цифрового дизайна и 3D-принтерам, способным воспроизводить цифровые модели с предельной точностью и аккуратностью, теперь можно создавать восковые литьевые модели любой сложности. Использование 3D-печати подняло новые стандарты в ювелирном искусстве, позволяя создавать такие узоры, рисунки и конструкции, которые раньше невозможно было воплотить в жизнь.

Неограниченные возможности персонализации

Кастомизация имеет большое значение в ювелирном деле, поскольку клиенты часто хотят получить уникальное украшение. 3D-печать предоставляет широкие возможности для создания изделий на заказ либо с нуля, либо путем корректировки уже существующего дизайна в соответствии с пожеланиями клиента. Процесс изготовления на заказ не требует дополнительных затрат и занимает значительно меньше времени и усилий, чем при традиционном производстве, где любые изменения, вносимые в изделие, увеличивают цену.

Более быстрое создание прототипов

При использовании 3D-печати у клиентов есть возможность примерить модель, чтобы убедиться, что она идеально подходит и полностью отвечает всем их потребностям, прежде чем будет изготовлен окончательный вариант. Печатные прототипы из фотополимера доступны и быстры в изготовлении, они отличаются высоким качеством и точностью и могут обеспечить достоверное впечатление о будущем украшении.

Более низкая стоимость

Серийное производство в ювелирной 3D-печати позволяет снизить затраты на производство, так как за один раз можно напечатать целый тираж восковых моделей, что экономит материал и сокращает время производства; также можно одновременно печатать модели разного дизайна. Все это делает производство ювелирных изделий более рентабельным, чем когда-либо прежде.

Технологии 3D-печати в ювелирном производстве

В принципе, существует два способа внедрения аддитивного производства в ювелирный бизнес, а именно прямая и непрямая 3D-печать, причем первая менее распространена, по крайней мере в настоящее время.

Прямая 3D-печать

Прямая 3D-печать ювелирных изделий подразумевает использование металлических (SLM или DMLS) принтеров для изготовления окончательных деталей прямо из цифровых моделей, созданных в программном обеспечении CAD. Для печати деталей могут использоваться сплавы золота, серебра, платины или порошки других металлов. Такой подход полностью исключает традиционные технологии из производственного цикла и делает его полностью цифровым.

Несмотря на все общие преимущества 3D-печати, рассмотренные выше, этот конкретный метод не очень популярен, поскольку он дороже литья по выплавляемым моделям, а напечатанные детали требуют значительной постобработки. Кроме того, драгоценными металлами очень трудно печатать, так как они обладают высокой отражающей способностью и теплопроводностью. Поэтому на рынке мало принтеров, способных работать с ними. Тем не менее быстрый прогресс в области цифровых технологий может изменить ситуацию к лучшему.

Непрямая 3D-печать

В этом методе 3D-печать используется для оптимизации традиционного процесса литья по выплавляемым восковым моделям, чтобы ускорить производство и сделать его более гибким и экономически эффективным.

Процесс 3D-печати ювелирных изделий

Сначала создается дизайн будущего изделия с помощью программного обеспечения CAD. Файл STL (или другой совместимый файл) импортируется в 3D-слайсер и подготавливается к печати.

Модель печатается с использованием литьевых восковых материалов для изготовления воскового слепка. На этом этапе вы, возможно, захотите сначала напечатать пробную деталь, чтобы убедиться в правильности посадки и дизайна.

Жидкий формовочный материал заливается на восковую модель и оставляется до застывания. Таким образом, создается форма для будущей детали.

Когда форма затвердеет, ее помещают в печь, чтобы расплавить или выжечь восковой рисунок, формируя так называемую негативную форму.

В форму заливают окончательный материал для литья, который обычно представляет собой расплавленное золото, серебро, латунь или другой металл, и оставляют до остывания и затвердевания.

Форма удаляется, и окончательная деталь готова к последующей обработке.

Какие бывают 3D-принтеры для ювелирных изделий?

Для прямой печати металлом используются принтеры SLM или DMLS. Однако очень немногие из них могут работать со сплавами драгоценных металлов, поэтому могут использоваться и другие металлы, например сталь или бронза.

Некоторые ювелиры создают свои коллекции с помощью технологии SLS, печатая уникальные современные ювелирные изделия из нейлона или полиамида.

3D-печать моделей, отлитых из воска, требует исключительной точности и аккуратности, а также использования соответствующих воскоподобных материалов, которые впоследствии можно полностью расплавить или сжечь. Поэтому наилучшими вариантами здесь являются технологии струйной печати смолами или другими материалами.

Теперь давайте посмотрим, какие модели принтеров наиболее подходят для изготовления ювелирных изделий.

Лучшие 3D-принтеры для ювелирных изделий 2022

Flashforge WaxJet 400

Рабочая камера 289х218х150 мм Технология печати MJP
Толщина слоя от 16 мкм Точность печати XHD: 200х1200х1600 точек на дюйм; ± 0,04 мм / 20 мм

Flashforge WaxJet 400 — это профессиональный 3D-принтер, основанный на технологии MJP (MultiJet Printing). Он печатает восковые модели для литья по выплавляемым моделям и работает с фирменными материалами для печати деталей и опорных конструкций.

Устройство может печатать слои высотой 16 микрон с разрешением печати 1200 × 1200 × 1600 dpi и точностью ±0,04 мм / 20 мм, что обеспечивает точные высокодетализированные модели с гладкой поверхностью. Большая рабочая область печати 289 × 218 × 150 мм позволяет печатать несколько моделей за один раз, а значительная скорость создания детали обеспечивает высокую производительность WaxJet 400.

Плюсы:

Высокое качество печати.
Невероятная производительность.
Высокоавтоматизированный процесс печати.
Большая область печати.

Минусы:

Возможность печати только фирменными материалами.

Phrozen Sonic XL 4K 2022

Рабочая камера 200х125х200 мм Толщина слоя от 10 мкм
Скорость печати 90 мм / час

Phrozen Sonic XL 4K 2022 — это большой фотополимерный 3D-принтер, предназначенный для стоматологической промышленности, и он полностью отвечает требованиям ювелирного производства. Он оснащен монохромной LCD-матрицей с разрешением 3840 × 2160 и большой областью печати 120 × 190 × 200 мм.

Оптическая система устройства была улучшена по сравнению с предыдущими моделями. Phrozen Sonic XL 4K оснащен мощным модулем ParaLED® 3.0, который обеспечивает равномерное световое воздействие и, соответственно, равномерную толщину слоя по всей площади печати. Минимальная высота слоя в 10 микрон обеспечивает исключительное качество печати. Phrozen предлагает выбор литьевых смол, которые можно использовать с Sonic XL 4K для печати моделей для литья.

Фото: @billonbass / Instagram

Большая область печати.

Высокая точность и однородность отпечатков.

Высокая скорость печати.

Широкий выбор материалов, включая литьевые смолы.

Отсутствие гарантии на платформу для построения модели и ЖК-экрана.

Phrozen Sonic MEGA 8K

Технология LCD Область печати 330x185x400 мм
Точность позиционирования XY: 43 микрон; Z: 10 микрон

Phrozen Sonic MEGA 8K — это компактный фотополимерный 3D-принтер промышленного класса с чрезвычайно высоким разрешением благодаря 15-дюймовой монохромной LCD-матрице 8K. Устройство может печатать слои высотой 10 микрон и имеет огромную область печати 330 × 185 × 400 мм.

Предварительно откалиброванный печатный стол позволяет пользователю начать печать без особой подготовки. Устройство управляется с помощью 5-дюймового сенсорного экрана и совместимо с программным обеспечением — слайсером ChiTuBox. Разнообразие материалов, предлагаемых компанией Phrozen, включает различные виды литьевых смол с полным выгоранием и нулевой зольностью.

Фото: @benjaminstudioperu / Instagram

Исключительное качество печати.

Огромная область печати.

Предварительно откалиброванный печатный стол.

Отличное соотношение цены и качества.

Довольно низкая скорость печати.

Anycubic Photon Mono X

Рабочая камера 192х120х245 мм Технология печати LCD ЖК-масочная стереолитография
Толщина слоя от 10 мкм Скорость печати Макс. 60 мм / ч

Anycubic Photon Mono X — это широкоформатный фотополимерный 3D-принтер, основанный на LCD-технологии. Равномерное освещение всей области печати обеспечивается 8,9-дюймовой 4K LCD-матрицей и новым параллельным источником света.

Область печати 192 × 120 × 245 мм и отличная скорость создания модели обеспечивают высокую производительность, а минимальная высота слоя в 10 микрон позволяет печатать высококачественные модели для литья, используемые в ювелирном производстве. Для повышения производительности и удобства постобработки Photon Mono X можно дополнить устройством Anycubic Wash & Cure Machine 2.0.

Насколько реален самодельный 3D-принтер по металлу?

Я очень люблю делать разнообразные самодельные устройства, причём началось это далеко не вчера, меня всегда восхищали люди, которые могут соединить воедино разнообразные технологии, подходы, элементы устройств и создать нечто новое.

Не так давно я понял, что меня очень сильно тормозит в разработках — отсутствие доступного 3D-принтера по металлу, и я стал разбираться, насколько же сложно создать такой принтер самому?

Тут следует сделать оговорку и сказать, что я имею в виду, что 3D-принтеры по металлу конечно доступны, однако доступность их для исследователя и самодельщика весьма условна: так как любая более-менее серьёзная самоделка требует ряда итераций при «доведении до ума», то изготовление промежуточных распечаток может вылиться в серьёзную сумму. А каждый раз отдавать за каждую распечатку по 100-200$ и более — это несерьёзно.

Сразу отвечая на поставленный в заголовке статьи вопрос: более чем реален. Но требует приложения некоторых усилий :)

Те, кто более-менее интересовался вопросом 3D-печати металлом, знают, что серьёзные аппараты стоят весьма серьёзных денег, и их стоимость измеряется миллионами рублей.

▍ Почему же сложилась такая ситуация?

Примерно до середины 2010-х годов, технология лазерного плавления металлических порошков была защищена патентом, который истёк совсем недавно (по историческим меркам). Соответственно, ряд компаний только начали свободно вести свои разработки в этом направлении.
Вопрос плавления металлических порошков является весьма комплексным, что приводит в конечном итоге, к потребности в достаточно сложном устройстве, содержащем ряд подсистем, что естественно сказывается на конечной стоимости аппарата.
Подобные аппараты, как правило, содержат в своём составе довольно недешёвый компонент: мощный источник лазерного излучения (типовая мощность лазеров, используемых для 3D-печати в установках от мировых производителей, колеблется от 200 до 500 Вт выходного лазерного излучения).

SLS — технология выборочного лазерного плавления металлического порошка, при котором происходит его полное расплавление.

DMLS — при которой происходит воздействие на порошок, состоящий из нескольких металлов, с разной температурой плавления. То есть, металлы с более низкой температурой плавления расплавляются и обволакивают частицы более тугоплавкого металла. Теоретически это позволяет достичь меньших энергозатрат.

Хотя в ряде источников высказываются соображения, что это было разработано в период патентных войн, для обхода патента.

Итак, становится понятно, что в первую очередь, требуется решить один из основных вопросов: каким образом понизить стоимость лазерного источника излучения?

Для начала необходимо разобраться, а какой же источник лазерного излучения используется в промышленных заводских установках 3D-печати?

Насколько удалось понять по открытым источникам, в них в подавляющем большинстве вариантов используется волоконный лазер. Дело в том, что его длина волны, хорошо подходит для поглощения металлами:

Источник

Для быстрого перемещения лазерного луча по печатной поверхности, используется устройство, называемое «гальванометром». К гальванопластике это не имеет никакого отношения, здесь под этим названием понимается система из двух быстродействующих зеркал, которая может с большой скоростью отклонять лазерный луч в 2 измерениях:

Однако мало перемещать луч с большой скоростью, нужно ещё, чтобы он постоянно был хорошо сфокусирован. Именно для этого и были придуманы F-Theta объективы:

Они позволяют перемещать лазерный луч, сфокусированный в маленькую точку, в рамках своего фокусного расстояния.

Подобный принцип широко используется, в так называемых, «лазерных маркерах»:

Узнав всё это, я загорелся построить своё устройство на базе подобного маркера, однако реальность оказалась достаточно неприятной: мощность лазерного излучения подобного маркера оставляет желать лучшего. Например, маркеры с выходной мощностью в 20 Вт обойдутся порядка 100 000 руб и более. Если же мы будем рассматривать максимально мощный известный мне на рынке маркер в качестве донора всей системы (50W), то его стоимость легко зашкалит за 250 000 руб.

Конечно, можно было бы рассудить, что "ну, может быть, как-нибудь, потихоньку пускай хотя бы печатает как-то. "

Я тоже так сначала думал, однако, ознакомившись с опытами одного из самодельщиков, стало понятно следующее: луч должен быть достаточно мощным (100W и более), двигаться достаточно быстро, и только это позволит создать ровную, единую линию расплавления порошка, без разбрызгивания его в стороны и собирания в отдельные капли. Принтскрины из видео, собранные в виде картинки ниже, хорошо иллюстрируют взаимосвязь между мощностью, скоростью движения лазерного луча, а также получаемого в результате качества:

Кроме того, подобный принцип действия позволяет избавиться от ненужного перегрева порошка вокруг линии.

Таким образом, получается, что, несмотря на достаточно красивую концепцию использования лазерного маркера в качестве донора для будущего 3D-принтера, эта идея не самая хорошая (кроме того, там ещё есть один подводный камень, о котором мы поговорим позднее — потребность в предварительном нагреве порошка, для устранения напряжений).

Кстати, результаты тестов скорости были взяты из этого проекта:

Но там всё достаточно серьёзно, используется мощный волоконный источник лазерного излучения. Забавным для меня явилось то, что построение ведётся на базе направляющих, аналогичных использованным в широко известном FDM 3D-принтере Anycubic Kossel Linear Plus:

А что же насчёт CO2 лазерных резаков? Неужели их нельзя использовать в этой роли? Такой же вопрос задал себе я и начал искать информацию по этой теме.

Несмотря на то что длина волны CO2 лазера не совсем подходит для работы по металлу, некоторые пытаются использовать его в этих целях.

Например, на видео ниже показан тест работы по порошку нержавейки. Скорость, к сожалению, не указана, известна только мощность, которая составляла 60 Вт. Несмотря на плавление металла в обычной воздушной среде, результат получился достаточно впечатляющим (с одной стороны) и заслуживающим внимания:

Проблемой здесь является то, что во время движения головки — металлический порошок раздувается во все стороны защитным газом, который дует из сопла лазерной головки (если кто не знает, подобная продувка используется для защиты линзовой системы, установленной внутри головки, так как иначе испарения материала, обрабатываемого лазером, повредят её).

Кроме того, здесь имеется ещё и другая проблема: дело в том, что все порошки металлов обладают достаточно большим коэффициентом отражения, что приводит к сильным бликам лазерного луча, в процессе работы. Подобные блики обладают достаточно сильной энергией и способны даже повредить линзовую систему головки. Для защиты от подобного, на мощных лазерных режущих системах используется установка поляризаторов после выходной линзы. Теоретически это может быть решением и здесь.

Кстати говоря, мне удалось найти один интересный стартап, который как раз и использует CO2 лазер (по всем симптомам) в качестве источника излучения для своего принтера (хотя там парни «тумана и загадочности» напустили в презентации по самое небалуйся).

В принципе, печатает довольно-таки неплохо, только несколько «рассыпчато». Хотя, с другой стороны, может быть у них технология DMLS, а не SLS (об этом ничего не было сказано):

Ещё одной проблемой является то, что этот принтер всё равно нельзя отнести к категории дешёвых, к тому же из-за потребности в обдуве головки, принтер требует наличия инертного газа, что тоже довольно недешёво.

Как мы видим, у всех лазерных принтеров существуют те или иные проблемы, которые лежат в корне всей конструкции и фактически неустранимы.

▍ А существует ли какой-либо вид 3D-принтеров, который лишён всех этих недостатков?

Как ни странно, он есть: использование электронного луча! Достаточно давно существует вид 3D-принтеров, где плавление металлического порошка осуществляется с использованием электронно-лучевых трубок.

На этих словах неискушённый читатель наверняка сразу «повесит нос» и скажет: "ууу, ну это совсем уж сложно!"

Как ни странно, нет! Как можно видеть на видео ниже, электронно-лучевые трубки любители собирают даже из пустых бутылок от лимонада:

Вкратце устройство электронно-лучевой трубки в усреднённом виде можно посмотреть на схеме ниже:

Она может отличаться в частностях, но общий смысл действия следующий: существует 2 электрода: катод и анод. Катод подогревается, следствием чего является возникновение явления термоэлектронной эмиссии и испускание нагретым катодом электронов. Вылетевшие электроны устремляются к аноду. Чем больше разность потенциалов между катодом и анодом, тем сильнее разгоняются электроны. В процессе разгона на их пути встречаются, скажем так «промежуточные аноды» (предназначенные для дополнительного разгона),- на которых, по идее, разогнавшийся электрон и должен осесть, однако, как только электрон подлетает к этому промежуточному аноду, напряжение на нём отключается и он летит дальше, ещё больше разгоняясь. Кроме того, на его пути встречаются фокусирующие и отклоняющие электроды. Чем-то процесс разгона электрона похож на пушку Гаусса, только здесь мы стреляем не снарядом или пулей, а электроном.

Величины разности потенциалов между катодом и анодом.
Силы тока.
Температуры и площади нагревательной спирали (т.к. безвоздушное пространство — её делают из тугоплавкого материала, например, вольфрама).
Фокусировки пучка.

Те из вас, которому посчастливилось застать электронно-лучевые телевизоры и мониторы — вживую имели счастье взаимодействовать с источником рентгеновского излучения, наверное, даже не подозревая об этом :)

Однако не надо пугаться: для защиты от этого излучения, передняя часть мониторов и телевизоров делалась из стекла повышенной толщины, в которое, кроме того, был добавлен оксид свинца, в массовой доле порядка 22%, в стекло электронно-лучевой трубки — порядка 34%. Всё это было сделано исключительно для защиты потребителей от губительного излучения.

Так что, если мы будем строить подобное устройство, необходимо учитывать необходимость защиты от излучения.

Доступность широкого диапазона мощностей за скромную цену (излучатель весьма прост и незатейлив).
Огромные скорости сканирования электронным лучом обрабатываемой поверхности, что даёт нам возможность реализовать одну очень интересную функцию, которая заключается в предварительном подогреве порошка для устранения внутренних напряжений.

Этот процесс очень хорошо иллюстрирует следующее видео, где весьма наглядно видно стадии преднагрева, перемежающиеся со стадиями плавления порошка (там же, кстати, хорошо видно, что плавление происходит в шахматном порядке, участков, далёких друг от друга, чтобы дополнительно уменьшить возможность возникновения напряжений):

Так как работа электронно-лучевой пушки требует наличия безвоздушного пространства, то у нас естественным образом устраняется проблема, которая заключается в потребности инертной среды для устранения окисления металлов. То есть, мы не тратим деньги на дорогие газы вроде аргона, вместо этого нам достаточно купить недорогой вакуумный насос (5 000-10 000 руб) и откачать воздух из пространства печати.
Нам необязательно что-то изобретать, мы вполне можем воспользоваться теоретической базой, наработанной в рамках дисциплины «электронно-лучевая сварка». То есть, наша задача по созданию ЭЛТ-пушки для принтера существенно облегчается — теории на эту тему вагон и маленькая тележка; кроме того, обладая навыками программирования, мы вполне можем легко управлять всеми процессами, даже используя банальную Arduino.

Таким образом, на мой взгляд, самым перспективным направлением приложения усилий является разработка электронно-лучевого 3D-принтера, так как, на мой взгляд, только он позволяет создать по-настоящему недорогое устройство, недорогое как при производстве, так и в процессе эксплуатации; несмотря на всё это, подобный принтер обладает широким функционалом.

Кроме того, подобный аппарат позволит проводить не только работы в области 3D-печати, но и в области электронно-лучевой сварки (в том числе, тугоплавких материалов). Приварить вольфрам к керамике? Легко.

По затратам энергии такая сварка раз в 10-15 меньше, чем при классической дуговой сварке, а энергетика пучка электронов может запросто превосходить энергетику лазерного источника (по крайней мере, доступного рядовому самодельщику).

ВНИМАНИЕ! Любые опыты с электронно-лучевыми трубками и электронно-лучевыми источниками излучения, — могут явиться причиной серьезного облучения и болезни, нанести вред окружающим людям или даже привести к вашей смерти! Автор этой статьёй не призывает к чему-либо, не гарантирует результатов, а также не гарантирует точности и корректности всей изложенной в статье информации. Весь контент статьи даётся только в познавательных целях!

К слову — весьма широкая номенклатура порошковых металлов для экспериментов есть на известном китайском сайте.

▍ А делает ли кто-нибудь в мире что-нибудь подобное?

Мне удалось найти только один проект, но зато какой! Человек пилит Open Source ЭЛТ 3D-принтер и после завершения разработок собирается выложить все исходники в открытый доступ, чтобы каждый мог собрать подобное себе!

Зовут этого человека Августин Круз, и он говорит о себе, что похоже он единственный человек, кто разрабатывает нечто подобное.

В данный момент его принтер даёт луч диаметром 0,5 мм. В данный момент он ведёт работы над тем, чтобы уменьшить его как минимум до 0,1 мм. Установка потребляет порядка 1,5 кВт, мощность электронного луча составляет примерно 100 Вт:

Он сам говорит, что его электронно-лучевая пушка очень сильно похожа на те, что использовались в старых телевизорах.

▍ Небольшая ремарка напоследок

Я постарался остановиться в этой статье на подходах, которые, на мой взгляд, дают реальный шанс создать действительно качественный 3D-принтер, качество отпечатков которого позволит конкурировать с лучшими образцами мировой 3D-печатной промышленности. Подходы, рассмотренные в статье (SLS, DMLS, EBM) все имеют право на жизнь, только отличаться будет величина затрат на создание/эксплуатацию такого оборудования. Ну и качество конечно.

Радость от нового аппарата и «вау-эффект» проходят быстро, а печаль от низкого качества и невозможности сделать то, что ты хочешь – остаются с тобой надолго (это я уже как владелец FDM 3D-принтера говорю). Нет, я не жалуюсь, мой печатает для FDM хорошо. Но — пластмаски, а хочется «hard metall!» :)

Именно поэтому я умышленно обошёл вниманием способы печати, подобные печати металлосодержащим прутком и последующий отжиг; пролив клеем песка и последующую отливку в него металла и т.д. и т.п. Потому что, как я считаю — если уж потратить своё время и усилия, то один раз — и на что-то действительно стоящее.

Хотя, как обещают некоторые из разработчиков подобных технологий, они могут дать высокую производительность. Например, технология дуговой сварки с автоматической подачей прутка (практически сварочный аппарат-полуавтомат) с защитой зоны сварки инертным газом.

Технология применяется предприятием из Роттердама RAMLAB, для печати гребных винтов:

Нечто подобное делал и Даня Крастер в своё время:

Правда, качество получающейся поверхности при таком способе оставляет желать лучшего и требует дополнительной пост-обработки (не говоря уже о том, что придётся взять ипотеку для оплаты счетов за электричество).

Как работают 3D принтеры по металлу. Обзор SLM и DMLS технологий. Аддитивное производство. 3D печать металлом.

3D печать металлами. Аддитивные технологии.

SLM или DMLS: в чем разница?

Всем привет, Друзья! С Вами 3DTool!

Селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металла (DMLS) - это два процесса аддитивного производства, которые принадлежат к семейству 3D-печати, с использованием метода порошкового наслоения. Две этих технологии имеют много общего: обе используют лазер для выборочного плавления (или расплавления) частиц металлического порошка, связывая их вместе и создавая модель слой за слоем. Кроме того, материалы, используемые в обоих процессах, являются металлами в гранулированной форме.

Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса связывания частиц: SLM использует металлические порошки с одной температурой плавления и полностью плавит частицы, тогда как в DMLS порошок состоит из материалов с переменными точками плавления.

В частности:
SLM производит детали из одного металла, в то время как DMLS производит детали из металлических сплавов.
И SLM, и DMLS технологии используются в промышленности для создания конечных инженерных продуктов. В этой статье мы будем использовать термин «металлическая 3D печать» для обобщения 2-х технологий. Так же опишем основные механизмы процесса изготовления, которые необходимы инженерам для понимания преимуществ и недостатков этих технологий.
Существуют и другие технологические процессы для производства плотных металлических деталей, такие как электронно-лучевое плавление (EBM) и ультразвуковое аддитивное производство (UAM). Их доступность и распространение довольно ограничены, поэтому они не будут представлены в данной статье.

Как происходит 3D печать металлом SLM или DMLS.

Как работает 3D печать металлом? Основной процесс изготовления для SLM и DMLS очень похожи.

1. Камера, в которой происходит печать, сначала заполняется инертным газом (например, аргоном), чтобы минимизировать окисление металлического порошка. Затем она нагревается до оптимальной рабочей температуры.
2. Слой порошка распределяется по платформе, мощный лазер делает проходы по заданной траектории в программе, сплавляя металлические частицы вместе и создавая следующий слой.
3. Когда процесс спекания завершен, платформа перемещается вниз на 1 слой. Далее наносится еще один тонкий слой металлического порошка. Процесс повторяется до тех пор, пока печать всей модели не будет завершена.

Когда процесс печати завершен, металлический порошок уже имеет прочные связи в структуре. В отличие от процесса SLS, детали прикрепляются к платформе через опорные конструкции. Опора в 3D-печати металлом, создаётся из того же материала, что базовая деталь. Это условие необходимо для уменьшения деформаций, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки.
Когда камера 3D принтера охлаждается до комнатной температуры, излишки порошка удаляются вручную, например щеткой. Затем детали как правило подвергаются термообработке, пока они еще прикреплены к платформе. Делается это для снятия любых остаточных напряжений. Далее с ними можно проводить дальнейшую обработку. Снятие детали с платформы происходит по средством спиливания.

Схема работы 3D принтера по металлу.

В SLM и DMLS почти все параметры процесса устанавливаются производителем. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлами, варьируется от 20 до 50 микрон и зависит от свойств металлического порошка (текучести, гранулометрического состава, формы и т. д.).
Базовый размер области печати на металлических 3D принтерах составляет 200 x 150 x 150 мм, но бывают и более большие размеры рабочего поля. Точность печати составляет от 50 - 100 микрон. По состоянию на 2020 год, стоимость 3D принтеров по металлу начинается от 150 000 долларов США. Например наша компания предлагает 3D принтеры по металлу от BLT.
3D принтеры по металлу, могут использоваться для мелкосерийного производства, но возможности таких систем в 3D-печати, больше напоминают возможности серийного производства на машинах FDM или SLA.
Металлический порошок в SLM и DMLS пригоден для вторичной переработки: обычно расходуется менее 5%. После каждого отпечатка неиспользованный порошок собирают и просеивают, а затем доливают свежим материалом до уровня, необходимого для следующего изготовления.
Отходы в металлической печати, представляют из себя поддержки (опорные конструкции, без которых не удастся добиться успешного результата). При слишком большом обилии поддержек на изготавливаемых деталях, соответственно будет расти и стоимость всего производства.

Адгезия между слоями.

3D печать металлом на 3D принтерах BLT

Металлические детали SLM и DMLS обладают практически изотропными механическими и термическими свойствами. Они твердые и имеют очень небольшую внутреннюю пористость (менее 0,2 % в состоянии после 3D печати и практически отсутствуют после обработки).
Металлические печатные детали имеют более высокую прочность и твердость и часто являются более гибкими, чем детали, изготовленные традиционным способом. Тем не менее, такой металл быстрее становится «уставшим».

Структура поддержки 3D модели и ориентация детали на рабочей платформе.

Опорные конструкции всегда требуются при печати металлом, из-за очень высокой температуры обработки. Они обычно строятся с использованием решетчатого узора.

Поддержки в металлической 3D печати выполняют 3 функции:

• Они делают основание для создания первого слоя детали.
• Они закрепляют деталь на платформе и предотвращают её деформацию.
• Они действуют как теплоотвод, отводя тепло от модели.

Детали часто ориентированы под углом. Однако это увеличит и объем необходимых поддержек, время печати, и в конечном итоге общие затраты.
Деформация также может быть сведена к минимуму с помощью шаблонов лазерного спекания. Эта стратегия предотвращает накопление остаточных напряжений в любом конкретном направлении и добавляет характерную текстуру поверхности детали.

Поскольку стоимость металлической печати очень большая, для прогнозирования поведения детали во время обработки часто используются программные симуляторы. Это алгоритмы оптимизации топологии в прочем используются не только для увеличения механических характеристик и создания облегченных частей, но и для того, чтобы свести к минимуму потребности в поддержках и вероятности искривления детали.

Полые секции и легкие конструкции.

В отличие от процессов плавления с полимерным порошком, таких как SLS, большие полые секции обычно не используются в металлической печати, так как поддержки будет очень сложно удалить, если вообще возможно.
Для внутренних каналов больше, чем Ø 8 мм, рекомендуется использовать алмазные или каплевидные поперечные сечения вместо круглых, так как они не требуют построения поддержек. Более подробные рекомендации по проектированию SLM и DMLS можно найти в других статьях посвященных данной тематике.

В качестве альтернативы полым секциям, детали могут быть выполнены с оболочкой и сердечниками, которые в свою очередь обрабатываются с использованием различной мощности лазера и скорости его проходов, что приводит к различным свойствам материала. Использование оболочки и сердечников очень полезно при изготовлении деталей с большим сплошным сечением, поскольку это значительно сокращает время печати и уменьшает вероятность деформации.

Использование решетчатой структуры является распространенной стратегией в 3D-печати металлом, для уменьшения веса детали. Алгоритмы оптимизации топологии также могут помочь в разработке органичных легких форм.

Расходные материалы для 3D печати металлом.

Технологии SLM и DMLS могут производить детали из широкого спектра металлов и металлических сплавов, включая алюминий, нержавеющую сталь, титан, кобальт, хром и инконель. Эти материалы обеспечивают потребности большинства промышленных применений, от аэрокосмической отрасли до медицинской. Драгоценные металлы, такие как золото, платина, палладий и серебро, также могут быть обработаны, но их применение носит незначительный характер и в основном ограничивается изготовлением ювелирных изделий.

Стоимость металлического порошка очень высока. Например, килограмм порошка из нержавеющей стали 316 стоит примерно 350-450 долларов. По этой причине минимизация объема детали и необходимость поддержек является ключом к поддержанию оптимальной стоимости производства.
Основным преимуществом металлической 3D-печати является ее совместимость с высокопрочными материалами, такими как никелевые или кобальт-хромовые супер сплавы, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами. За счет использования металлической 3D-печати для создания детали практически чистой формы — можно достичь значительной экономии средств и времени. В последствии такая деталь может быть подвергнута обработке до очень высокого качества поверхности.

Постобработка металла.

Различные методы пост. обработки используются для улучшения механических свойств, точности и внешнего вида металлических печатных изделий.
Обязательные этапы последующей обработки включают удаление рассыпного порошка и опорных конструкций, в то время как термическая обработка (термический отжиг) обычно используется для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств детали.

Обработка на станках ЧПУ может быть использована для критически важных элементов (таких как отверстия или резьбы). Пескоструйная обработка, металлизация, полировка и микрообработка могут улучшить качество поверхности и усталостную прочность металлической печатной детали.

Преимущества и недостатки металлической 3D печати.

Плюсы:

1. 3D печать с использованием металла, может быть использована для изготовления сложных деталей на заказ, с геометрией, которую традиционные методы производства не смогут обеспечить.
2. Металлические 3D печатные детали могут быть оптимизированы, чтобы увеличить их производительность при минимальном весе.
3. Металлические 3D-печатные детали имеют отличные физические свойства, 3D принтеры по металлу могут печатать большим перечнем металлов и сплавов. Включают в себя трудно обрабатываемые материалы и металлические суперсплавы.

Минусы:

1. Затраты на изготовление, связанные с металлической 3D-печатью, высоки. Стоимость расходного материала от 500$ за 1 кг.
2. Размер рабочей области в 3D принтерах по металлу ограничен.

Выводы.

• 3D печать металлом наиболее подходит для сложных, штучных деталей, которые сложно или очень дорого изготовить традиционными методами, например на станке ЧПУ.
• Уменьшение потребностей в построении поддержек, значительно снизит стоимость печати при помощи металла.
• Металлические 3D-печатные детали имеют отличные механические свойства и могут быть изготовлены из широкого спектра инженерных материалов, включая суперсплавы.

А на этом у нас Все! Надеемся, статья была для Вас полезна.

Приобрести 3d-принтеры по металлу, а так же любые другие 3d-принтеры и ЧПУ станки, вы можете у нас, связавшись с нами:

Читайте также: