Металлическая 3D-печать давно перестала быть экзотикой из выставочных залов. Напечатанные детали летают в двигателях самолётов, стоят в ракетах, работают имплантами в теле человека. Разбираем, какими способами печатают металл, чем они отличаются и когда это вообще имеет смысл.
Лазерное сплавление порошка: SLM и DMLS
Самая распространённая технология — сплавление в порошковом слое. Под этим названием скрываются SLM (selective laser melting), DMLS (direct metal laser sintering) и близкие процессы разных производителей. Принцип похож на SLS для пластика: рабочую камеру заполняют инертным газом, ракель наносит слой металлического порошка толщиной 20–60 мкм, а лазер мощностью в сотни ватт полностью расплавляет частицы по контуру сечения. Слой застывает, платформа опускается, и цикл повторяется тысячи раз.
В отличие от пластикового SLS, металлу нужны поддержки. Они не столько держат деталь, сколько отводят тепло и не дают ей покоробиться от внутренних напряжений. После печати деталь вместе с платформой отжигают в печи, срезают с платформы электроэрозией или пилой, убирают поддержки и при необходимости обрабатывают посадочные поверхности на станке.
Печатают нержавеющую сталь, инструментальные стали, титановый сплав Ti-6Al-4V, алюминий AlSi10Mg, жаропрочные никелевые сплавы вроде Inconel, кобальт-хром, медь. Плотность готовых деталей превышает 99,5% — по механике они сравнимы с литыми, а после термообработки часто и лучше.
Электронный луч: EBM
В EBM вместо лазера работает электронный луч в вакууме. Порошковый слой предварительно прогревается почти до температуры спекания, поэтому остаточных напряжений меньше, а поддержек нужно меньше. Технология особенно популярна для титановых имплантов и деталей авиадвигателей. Поверхность получается грубее, чем после лазера.
Binder jetting: склеить, потом спечь
В binder jetting металл не плавят во время печати. Струйная головка наносит на порошок связующее, слой за слоем получая хрупкую «зелёную» деталь. Затем её спекают в печи: связующее выгорает, частицы металла срастаются, а деталь равномерно усаживается примерно на 15–20%.
Печать идёт быстро и без лазера, поэтому binder jetting выгоден для серий небольших деталей — от тысяч штук. Сложность в том, чтобы заранее рассчитать усадку и не дать детали провиснуть в печи.
Наплавка: DED и WAAM
Для больших деталей используют направленный подвод энергии (DED): порошок или проволока подаются прямо в зону плавления лазера, электронного луча или электрической дуги. Последний вариант — WAAM — по сути роботизированная сварка слоями. Точность ниже, зато можно вырастить заготовку длиной в несколько метров или наплавить изношенную кромку лопатки турбины. Почти всегда после DED деталь доводят на станке.
Когда печать металлом оправдана
- Сложная внутренняя геометрия. Каналы охлаждения, повторяющие форму пресс-формы, решётчатые структуры, полости, которые невозможно обработать фрезой.
- Объединение узла в одну деталь. Классический пример — топливная форсунка двигателя LEAP: раньше её собирали больше чем из 20 деталей, а напечатанная получилась цельной, на четверть легче и в пять раз долговечнее.
- Облегчение. Топологическая оптимизация убирает металл там, где он не работает, — для авиации и автоспорта каждый грамм на счету.
- Единичные изделия и запчасти. Импланты под конкретного пациента, детали снятых с производства машин, оснастка.
Если деталь простая и нужна сотнями, фрезеровка или литьё почти всегда дешевле. Металлическая печать окупается там, где её геометрию иначе не получить.
Металл без металлического принтера
Для небольших металлических изделий есть обходные пути. Ювелиры печатают мастер-модель из выжигаемой смолы и отливают по ней серебро или золото. Для литья в землю печатают выплавляемые модели или песчаные формы. А FDM-филаменты с металлическим наполнителем позволяют получить деталь, которую затем отжигают и спекают в печи. Это дешевле и подходит для мелкой серии.
Нужна деталь под литьё?Напечатаем мастер-модель из смолы или пластика по вашему файлу.
Рассчитать печатьИсточники
- Selective laser melting — Wikipedia
- Binder jetting — Wikipedia
- GE Reports: история напечатанной форсунки LEAP
Иллюстрации
- Обложка — René Volfík, CC BY-SA 4.0
- Прототипы корпусов турбокомпрессоров, напечатанные лазерным сплавлением, — ещё на поддержках — Matti Blume, CC BY-SA 4.0
- Установка binder jetting ExOne: лампа прогревает слой порошка со связующим — Oak Ridge National Laboratory, CC BY 2.0
.jpg){kind=link}
.jpg){kind=link}