Майбутнє у порошку

Завдяки адитивним технологіям з використанням порошку з добавками шведська компанія VBN Components виробляє вироби зі сталі — переважно такі інструменти, як свердла та фрези. Технологія 3D-друку усуває необхідність у ковці та механічній обробці, знижує споживання сировини, а кінцеві користувачі отримують ширший вибір високоякісних матеріалів.

Пропозиція компонентів VBN включає, наприклад. Вібеніт 290яка, за даними шведської компанії, є найтвердішою сталлю у світі (72 HRC). Процес створення Vibenite 290 полягає в поступовому підвищенні твердості матеріалів. Після того, як з цієї сировини надруковані потрібні деталі, жодної додаткової обробки, крім шліфування або електроерозійної обробки, не потрібно. Не потрібне різання, фрезерування або свердління. Таким чином, компанія створює деталі з розмірами до 200х200х380 мм, геометрію яких неможливо виготовити за допомогою інших виробничих технологій.

Сталь не завжди потрібна. Дослідницька група HRL Laboratories розробила рішення для 3D-друку. алюмінієві сплави із високою міцністю. Це називається нанофункціональний метод. Простіше кажучи, нова методика полягає в нанесенні на 3D-принтер спеціальних нанофункціональних порошків, які потім за допомогою лазера спікають тонкі шари, що призводить до нарощування тривимірного об'єкта. Під час плавлення та затвердіння отримані структури не руйнуються і зберігають свою повну міцність завдяки наночастинкам, що виступають як центри зародки для передбачуваної мікроструктури сплаву.

Високоміцні сплави, такі як алюміній, широко використовуються у важкій промисловості, авіаційній (наприклад, фюзеляжній) техніці та автомобільних деталях. Нова технологія нанофункціоналізації надає їм не лише високу міцність, а й різноманітність форм та розмірів.

Додавання замість віднімання

У традиційних методах металообробки непотрібний матеріал видаляється механічною обробкою. Адитивний процес працює навпаки - він складається з нанесення та додавання послідовних шарів, що складаються з невеликої кількості матеріалу, створюючи тривимірні деталі практично будь-якої форми на основі цифрової моделі.

Хоча ця методика вже широко застосовується як для створення прототипів, так і для виливки моделей, її використання безпосередньо у виробництві товарів або пристроїв, призначених для ринку, було утруднено через низьку ефективність та незадовільні властивості матеріалів. Однак ця ситуація поступово змінюється завдяки роботі дослідників у багатьох центрах у всьому світі.

Шляхом копітких експериментів було вдосконалено дві основні технології XNUMXD-друку: лазерне напилення металу (LMD) i селективне лазерне плавлення (УЛМ). Лазерні технології дають можливість точно створювати дрібні деталі та отримувати хорошу якість поверхні, що неможливо при електронно-променевому 50D-друкі (EBM). У SLM вістря лазерного променя прямує на порошок матеріалу, локально зварюючи його за заданим шаблоном з точністю від 250 до 3 мкм. У свою чергу, LMD використовує лазер для обробки порошку для створення тривимірних структур, що самопідтримуються.

Ці методи виявилися дуже перспективними для створення деталей літаків. та, зокрема, нанесення лазерного напилення металу розширює можливості проектування аерокосмічних компонентів. Вони можуть бути виготовлені з матеріалів зі складною внутрішньою структурою та градієнтами, неможливими у минулому. Крім того, обидві лазерні технології дозволяють створювати вироби складної геометрії та отримувати розширені функціональні можливості виробів із широкого спектру сплавів.

У вересні минулого року Airbus оголосив, що оснастив свій серійний A350 XWB адитивним друком. титановий брекет, виробництва arconic. Це не кінець, адже контракт Arconic з Airbus передбачає 3D-друк із титано-нікелевого порошку. частини корпусу i рухова система. Але слід зазначити, що Arconic використовує не лазерні технології, а власну вдосконалену версію електронної дуги EBM.

Однією з віх у розвитку адитивних технологій у металообробці, ймовірно, стане перший в історії прототип, представлений у штаб-квартирі голландської Damen Shipyards Group восени 2017 року. корабельний гвинт металевий сплав, названий на честь VAAMpeller. Після відповідних випробувань, більшість з яких вже відбулося, модель має шанс бути допущеною до використання на борту кораблів.

Оскільки майбутнє технології обробки металів пов'язане з порошками з нержавіючої сталі або компонентами зі сплавів, варто познайомитись із основними гравцями на цьому ринку. Відповідно до «Звіту про ринок металевих порошків для адитивного виробництва», опублікованому в листопаді 2017 року, найважливішими виробниками металевих порошків для 3D-друку є: GKN, Hitachi Chemical, Rio Tinto, ATI Powder Metals, Praxair, Arconic, Sandvik AB, Renishaw, Höganäs AB, Metaldyne Performance Group, Böhler Edelstahl, Carpenter Technology Corporation, Aubert & Duval.

Пропелерний принт WAAMpeller

Рідка фаза

Найбільш відомі адитивні технології з використанням металів в даний час засновані на використанні порошків (так створюється вищезгаданий вібеніт), «спікаються» та сплавлюються з використанням лазера за високих температур, необхідних для вихідного матеріалу. Однак, з'являються нові концепції. Дослідники з лабораторії кріобіомедичної інженерії Китайської академії наук у Пекіні розробили метод 3D-друк «чорнилом», Що складається з металевого сплаву з температурою плавлення трохи вище за кімнатну температуру. У дослідженні, опублікованому журналом Science China Technological Sciences, дослідники Лю Цзін і Ван Лей демонструють техніку рідкофазного друку зі сплавів на основі галію, вісмуту або Індії з додаванням наночастинок.

Порівняно з традиційними методами прототипування металів рідкофазний 3D-друк має кілька важливих переваг. По-перше, можна досягти відносно висока швидкість виготовлення тривимірних структур. Крім того, тут можна гнучкіше регулювати температуру та витрату теплоносія. Крім того, рідкий провідний метал можна використовувати у поєднанні з неметалевими матеріалами (наприклад, пластмасами), що розширює можливості проектування складних компонентів.

Вчені з Американського університету Північно-Західного також розробили нову техніку 3D-друку з металів, дешевшу та менш складну, ніж відомі досі. Замість металевого порошку, лазерів чи електронних променів він використовує звичайна піч i рідкий матеріал. Крім того, метод добре працює для різних металів, сплавів, з'єднань і оксидів. Це схоже на друк сопла, як ми знаємо, із пластмасами. "Чорнила" складаються з металевого порошку, розчиненого в спеціальній речовині з додаванням еластомеру. На момент нанесення має кімнатну температуру. Після цього шар матеріалу, нанесений із сопла, спікається з попередніми шарами за підвищеної температури, створюваної в печі. Методика описана у спеціалізованому журналі Advanced Functional Materials.

Китайський метод фазового друку з рідких металів

У 2016 році дослідники із Гарварду представили ще один метод, за допомогою якого можна створювати тривимірні металеві конструкції. надруковано «у повітрі». Гарвардський університет створив 3D-принтер, який, на відміну від інших, не створює об'єкти шар за шаром, а створює складні конструкції «в повітрі» — з металу, що миттєво замерзає. Пристрій, розроблений у Школі інженерії та прикладних наук Джона А. Полсона, друкує об'єкти з використанням наночастинок срібла. Сфокусований лазер нагріває матеріал та поєднує його, створюючи різні структури, такі як спіраль.

Ринковий попит на високоточні 3D-друкарські споживчі товари, такі як медичні імплантати та деталі авіаційних двигунів, швидко зростає. А оскільки даними про продукти можна ділитися з іншими, компанії по всьому світу, якщо вони мають доступ до металевого порошку і відповідного 3D-принтера, можуть працювати над скороченням витрат на логістику та запаси. Як відомо, описані технології значно полегшують виготовлення металевих деталей складної геометрії, випереджаючи традиційні технології виробництва. Розробка спеціалізованих додатків, ймовірно, призведе до зниження цін та відкритості використання 3D-друку також у звичайних додатках.

Найтвердіша шведська сталь – для 3D-друку:

Найтвердіша сталь у світі – зроблено в Упсалі, Швеція

Алюмінієва плівка для друку: 

Прорив у металургії: 3D-друк високоміцного алюмінію