3D принтиране на метал: Kак работи? Какви ползи има ?

Тези високопрецизни принтери претопяват метални прахове във функционални прототипи и готови за употреба части.

3D принтиране на метал: как работи?

3D принтирането улесни бързото създаване на предмети от ежедневието от пластмаса, на къщи от бетон и дори на храни от ядливи нишки. Но в рамките на адитивното производство има надпревара за разработване на високопроизводителни принтери, които работят с друг вид материал: метал.

Какво е 3D печат с метал?
Металното 3D принтиране е процес на адитивно производство, при който се принтират материали на метална основа (като алуминий, неръждаема стомана, титан, мед и никел) за създаване на триизмерни структури.

Стартиращи технологични компании, изследователи и производители се обръщат към металния 3D печат, за да отпечатват напълно функционални прототипи и персонализирани части за крайно потребление с пълна свобода на проектиране и висока прецизност при бързи срокове на изпълнение. В зависимост от проекта металното 3D принтиране може да служи дори като икономически ефективна алтернатива на традиционните методи.


Какво е 3D печат на метали?
Металното 3D принтиране е процес на адитивно производство, при който се създават физически обекти от цифров модел с помощта на материали на метална основа. Както и при всеки друг материал, металните отпечатъци се изграждат слой по слой с помощта на различни техники, които се различават по начина, по който сливат металните суровини, често под формата на прах.

"Металното адитивно производство изисква по-мощни енергийни източници ... и е много по-индустриално по природа от другите форми", казва Патрик Бойд, маркетинг директор в EOS Северна Америка, пред Built In.

Като такъв, металният 3D печат е лек, издръжлив и по-гъвкав от традиционно произвежданите метали (здравината и качеството могат да съперничат на конвенционално произведените части).

Металните 3D принтери дават възможност за вътрешно производство на части по заявка, като намаляват риска по веригата на доставки и осигуряват бърза подмяна за приложения с висока степен на износване.

"Хората са оформяли, шлифовали, пробивали и леели предмети по един и същи начин в продължение на хиляди години", казва Бойд. И макар че традиционните производствени методи няма да бъдат заменени от 3D принтирането на метали, техниката "премахна много от ограниченията на традиционното производство", добави той. А с неограничената свобода на проектиране "сега са възможни обекти, които преди е било невъзможно да се изработят от метал, независимо дали става въпрос за една част или за много съединени помежду си".


Как работи 3D принтирането на метал?
Металното 3D принтиране започва с модел на компютърно проектиране. Тези цифрови макети се нарязват на секции, като на принтера се дават инструкции как да изгради всеки слой.

Оттам започва действителният процес на изграждане. Обикновено той започва с разстилане на тънък слой метален прах върху платформата за изграждане. След това източник на висока енергия - лазер, електронен лъч или ултразвук - разтопява селективно праха в съответствие с проекта в CAD файла, като слива металните частици.

Тези температури често надвишават 1000 градуса по Целзий и изискват силно контролирана среда, казва Насим Анджум, машинен инженер и докторант, изучаващ композитни материали в университета в Бингхамтън, щата Ню Йорк. Във вакуумна камера, например, се използват газове като азот или аргон, за да се предотврати окисляването на материала.

След като всеки нов слой се слее с предишния, тавата за изграждане се спуска и се нанася нов слой прах. Този процес се повтаря, докато се оформи целият детайл. След като бъде завършен, носещите структури се отстраняват от детайла, който обикновено преминава през допълнителни следпроизводствени етапи, като топлинна обработка или механична обработка, за да се оптимизират желаните свойства, естетика и завършеност.

"При изграждането на частите слой по слой се използва само необходимото количество материал", допълва Анджум, който провежда изследванията си в Лабораторията по наномеханика в Бингамтън под ръководството на професор Чангхонг Ке. Ако има излишен материал, той често се събира и се използва отново в следващия проект. Това не само свежда до минимум отпадъците и намалява разходите за материали, но и "насърчава по-устойчиви производствени практики".


Как се използва 3D принтирането на метали?
Като сравнително нова технология, металното 3D принтиране бавно навлиза в редица индустрии. Всяка година разнообразието от метали се разширява и се разработват или изобретяват нови подходи, "позволяващи на дизайнерите да произвеждат сложни геометрии и части с висока якост, които традиционните методи за полимерен 3D печат не могат да постигнат", казва Патрик Фокнър, старши инженер в Accu.

Начинът, по който металното 3D принтиране може да се справи с високите точки на топене с прецизност, промени начина, по който дизайнерите гледат на производството на прототипи и къси серии от части, които иначе не биха могли да бъдат създадени с традиционните, субтрактивни процеси, добавя Фолкнър. "Този процес води до [отпечатъци с] превъзходни механични свойства."

Освен че ускорява цялостния цикъл на разработване на продукта и намалява времето за пускане на пазара, 3D печатът на метали позволява на компаниите да създават инструменти и да възпроизвеждат компоненти на място, като същевременно значително намаляват отпадъците.

Създаване на прототипи и разработване на продукти
Инженерите и дизайнерите използват металния 3D печат за създаване както на концептуални модели, така и на функционални прототипи с висока степен на достоверност. Бързото итериране позволява формата, прилягането и функцията на продукта да бъдат тествани с ускорени темпове, което съкращава времето до масовото производство. Това дава възможност за бързо създаване на прототипи, по-кратък жизнен цикъл на продуктите и по-бързо достигане до пазара.

Изработка
Металното 3D принтиране най-често се използва за изработване на високоточни прототипи и леки персонализирани части за малки производствени серии. Той може да се използва и за създаване на матрици за процеси като шприцване и леене, както и за производство на приспособления, приспособления, инструменти и резервни части по поръчка в предприятието. В някои случаи 3D принтирането на метали превъзхожда традиционните производствени методи със способността си да произвежда с едно зареждане полупразни части с подобно съотношение между здравина и тегло, както и сложни, заплетени форми, "които преди това е било невъзможно да бъдат произведени", казва Фокнър.

Аерокосмическа индустрия
Производството на леки, поръчкови компоненти, които могат да издържат на екстремни условия, е това, което въвежда металния 3D печат в аерокосмическата индустрия. Понастоящем части от двигатели, рами на самолети, турбинни лопатки, полеви дюзи, както и цели ракети за изстрелване на спътници, се принтират 3D от иновативни стартиращи компании, които изобретяват технологията в движение.

Разработването на метални 3D принтери, които могат да се използват в космоса, "където традиционните процеси за производство на метални части са по-трудни", също е в процес на разработване, казва Анжум, като посочва неотдавнашното използване на полимерни принтери на Airbus на Международната космическа станция.

Автомобилна индустрия
Докато традиционните производствени методи остават стандарт, металното 3D принтиране навлиза в автомобилната индустрия за създаване на прототипи и производство на отделни части. Изминат е дълъг път от козметични елементи за автомобили, като скоростни лостчета и декоративни лога, до отпечатването на цялото шаси, окачването и компонентите на изпускателната система на 21c на Czinger Vehicles, както и на изцяло 3D отпечатания електрически мотоциклет NERA на BigRep.

Медицински и стоматологични услуги
В областта на медицината металното 3D принтиране се използва за създаване на биосъвместими импланти, протези и зъбни коронки, мостове и имплантни решетки с прецизно прилягане към пациента - дори ако този пациент е горила като Гладис, която получи първата в света 3D принтирана титаниева отливка.

И макар че металът е чужд за организма материал, изследователите изобретяват начини за намаляване на вероятността от отхвърляне и инфекция, включително антимикробен 3D принтиран метал за използване като хирургично скеле в регенеративната медицина.

Военноморските сили
Металното 3D принтиране е намерило своето място в морските приложения, предимно с използване на титан и неръждаема стомана за производство на лодкови витла, хидравлични системи, кормила и фолио, както и на поставки за фалове, валове за лодки, монтажни фланци и нестандартни компоненти на корпуса. През 2024 г. Кралските военноморски сили на Обединеното кралство закупуват два 3D метални принтера за извършване на ремонти и отпечатване на критични компоненти, които вече не се произвеждат.