Przegląd
Drukarka 3D ze złożem proszkowym to technologia produkcji addytywnej dobrze nadająca się do przetwarzania wysokowydajnych tworzyw termoplastycznych i metali, których nie można łatwo wydrukować metodami opartymi na wytłaczaniu. Wiązka laserowa lub elektronowa selektywnie łączy obszary złoża proszku warstwa po warstwie w oparciu o dane CAD w celu skonstruowania złożonych obiektów 3D.
Główne podkategorie to:
Polimerowa fuzja w złożu proszkowym (PBF) z wykorzystaniem lasera CO2 lub IR, oraz Metal Powder Bed Fusion (MPBF) wykorzystujące lasery światłowodowe lub wiązki elektronów. Oba oferują konkurencyjną funkcjonalność części, niemożliwą do osiągnięcia przy użyciu tradycyjnych technik produkcyjnych, w zakresie lekkiej konstrukcji, konsolidacji montażu, masowej personalizacji i poprawy wydajności.
Niniejszy przewodnik zawiera przegląd techniczny różnych technologii i materiałów do druku 3D ze złożem proszkowym wraz z zastosowaniami, rozważaniami systemowymi i przyszłymi trendami.
Rodzaje Drukarki 3D ze złożem proszkowym
Istnieje kilka typów urządzeń do produkcji addytywnej, które wykorzystują metodę syntezy w złożu proszkowym:
| Kategoria | Opis |
|---|---|
| Selektywne spiekanie laserowe (SLS) | Spiekanie proszku polimerowego za pomocą lasera CO2 |
| Multi Jet Fusion (MJF) | Wiąże proszek z tworzywa sztucznego z atramentowymi środkami utrwalającymi i detalizującymi |
| Selektywne topienie laserowe (SLM) | Pełne spawanie proszku metalicznego za pomocą lasera światłowodowego |
| Bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS) | Stapianie proszku metalu za pomocą lasera |
| Topienie wiązką elektronów (EBM) | Wykorzystuje wiązkę elektronów w próżni do topienia proszków metali |
Drukarki termotransferowe z polimerowym łożem proszkowym
Selektywne spiekanie laserowe (SLS) Systemy rozprowadzają cienką warstwę drobnego proszku polimerowego w komorze roboczej i stosują energię cieplną z wiązki lasera CO2 zgodnie z każdym przekrojem z modelu 3D CAD. Proszek topi się lub spieka razem po podgrzaniu i zestala się podczas chłodzenia, tworząc obiekt.
Popularne materiały dla SLS obejmują:
- Nylon (PA12, PA11, PA6)
- Elastomery termoplastyczne (TPE)
- TPU i inne zaawansowane elastyczne żywice
Wiodące firmy produkujące drukarki SLS to EOS, 3D Systems, Farsoon i Ricoh.
Multi Jet Fusion (MJF) również wykorzystuje złoża proszku polimerowego, ale środek utrwalający i środek detalizujący są selektywnie osadzane przez głowice drukujące atramentowe na warstwach wraz z ogrzewaniem podczerwienią w celu uzyskania wydruków o wysokiej rozdzielczości. Umożliwia to tworzenie obiektów wielomateriałowych i wielokolorowych. Popularne żywice MJF:
- HP 3D High Reusability PA12
- HP 3D High Reusability PA11
- HP 3D High Reusability TPA
HP jest obecnie głównym dostawcą technologii MJF poprzez swoją serię Jet Fusion. Desktop Metal również wypuścił system Fiber AM oparty na MJF.
Drukarki fuzyjne z metalowym łożem proszkowym
Selektywne topienie laserowe (SLM) Urządzenie skupia niezwykle precyzyjną energię lasera światłowodowego w środowisku gazu obojętnego na cienkich warstwach proszku metalicznego, aby w pełni stopić i stopić cząstki w gęste struktury warstwa po warstwie bezpośrednio na podstawie geometrii CAD.
Topienie wiązką elektronów (EBM) Drukarki wykorzystują potężną wiązkę elektronów jako źródło ciepła do pełnego stopienia cząstek proszku metalowego w każdej warstwie w atmosferze próżni. Szybkie przetwarzanie prowadzi do uzyskania komponentów o właściwościach zbliżonych do materiałów odlewanych.
Do popularnych stopów MPBF należą:
- Stal nierdzewna (316L, 17-4PH, 15-5)
- Stal narzędziowa (H13, S7)
- Stopy tytanu (Ti-6Al-4V)
- Stopy aluminium (AlSi10Mg)
- Nadstopy niklu (Inconel 718)
- Chrom kobaltowy (CoCr)
Wszyscy wiodący dostawcy sprzętu do obróbki plastycznej metali, tacy jak EOS, Renishaw, 3D Systems, GE i SLM Solutions, oferują maszyny do fuzji w łożu proszkowym.
Proces drukowania dla Drukarka 3D ze złożem proszkowym
Ogólne etapy procesu wytwarzania przyrostowego wspólne dla wszystkich wariantów syntezy w złożu proszkowym:
- Import modelu CAD i optymalna orientacja części
- Wirtualne wycinanie i generowanie ścieżek skanowania laserowego
- Rozprowadź odmierzoną ilość proszku równomiernie na obszarze roboczym.
- Selektywne stapianie materiału zgodnie z zarysem przekroju za pomocą lasera lub wiązki ebeam
- Opuścić płytę roboczą i ponownie pokryć nową warstwą proszku
- Powtarzaj cykl nakładania warstw aż do zbudowania pełnego obiektu i podpór.
- Usunąć obiekt z ciasta proszkowego i odzyskać nieroztopione obszary.
- Przetwarzanie części - czyszczenie, obróbka cieplna, obróbka itp.
Wszystkie procesy oparte na złożu proszkowym wymagają rozległej obróbki końcowej, takiej jak usuwanie podpór, obróbka powierzchni i obróbka przed użyciem funkcjonalnym.
Materiały do drukarek 3D ze złożem proszkowym
Właściwości proszków polimerowych
| Materiał | Gęstość | Wytrzymałość na rozciąganie | Wydłużenie % | Zastosowania |
|---|---|---|---|---|
| PA12 | 0,9-1,1 g/cm3 | 45-65 MPa | 15-50% | Polimer do prototypowania SLS ogólnego przeznaczenia |
| TPU 92A | 1,1-1,3 g/cm3 | > 6 MPa | 220-240% | Elastyczne, gumopodobne części dzięki SLS |
| PEEK | 1,3-1,4 g/cm3 | 100 MPa | 30-60% | Części z tworzyw sztucznych o wysokiej wytrzymałości |
Rodzaje proszków metali
| Stop | Gęstość | Temperatura topnienia | Zastosowania |
|---|---|---|---|
| Aluminium AlSi10Mg | 2,7 g/cm3 | 600°C | Lekkie komponenty aerodynamiczne i samochodowe |
| Tytan Ti-6Al-4V | 4,4 g/cm3 | 1655°C | Implanty i struktury o wysokiej wytrzymałości |
| Stal narzędziowa H13 | 7,7 g/cm3 | 1320°C | Trwałe narzędzia do formowania i wytłaczania |
| Stal nierdzewna 316L | 8,0 g/cm3 | 1375°C | Odporne na korozję zbiorniki, zawory, osprzęt |
| Inconel 718 | 8,2 g/cm3 | 1260-1336°C | Części silników lotniczych odporne na ciepło i pełzanie w wysokich temperaturach |
Zastosowania drukarki 3D ze złożem proszkowym
Części polimerowe
- Funkcjonalne prototypy o właściwościach przypominających rzeczywiste tworzywa sztuczne
- Spersonalizowane towary konsumpcyjne, takie jak etui na telefony komórkowe lub obuwie
- Wnętrza samochodów i komponenty oświetleniowe
- Formy indukcyjne oraz przyrządy i osprzęt
- Formy wysokotemperaturowe i przewody do chemikaliów
Elementy metalowe
- Łopatki turbin i prototypy wtryskiwaczy paliwa dla przemysłu lotniczego
- Biokompatybilne implanty tytanowe do kolan, bioder, chirurgii czaszki i kręgosłupa
- Lekkie podwozia, hamulce i części układu napędowego do samochodów wyścigowych i samolotów
- Konforemne kanały chłodzące zintegrowane z formami wtryskowymi
- Niestandardowe podbudowy i mosty dentystyczne
- Odporne na wysoką temperaturę kolektory wydechowe i wkładki narzędziowe
Przewodnik dla kupujących Drukarki 3D ze złożem proszkowym
Wybór idealnego systemu stapiania w złożu proszkowym zależy od:
| Kryteria | Kluczowe kwestie |
|---|---|
| Build Envelope | Maksymalne możliwe wymiary części. Od 5 cali do 500 mm+ |
| Materiały | Dostępne żywice, od polimerów po metale reaktywne, spełniające potrzeby aplikacji |
| Precyzja | Rozdzielczość X-Y od ~100 mikronów do 5 mikronów dla drobnych szczegółów |
| Wykończenie powierzchni | Jakość ścianek bocznych od 15 mikronów do 150+. Może wymagać obróbki końcowej. |
| Automatyzacja | Ręczna lub zautomatyzowana obsługa proszków. Preferowane przetwarzanie w obiegu zamkniętym. |
| Oprogramowanie | Integracja projektowania generatywnego w celu optymalizacji topologii. Szybkie cięcie. |
| Zakres cen | Koszty początkowe systemu od $100K do ponad $1M. Należy również wziąć pod uwagę koszty operacyjne. |
| Lead Times | Harmonogramy instalacji i dostaw. Czas trwania szkolenia operatorów. |
Niektóre wiodące modele obejmują:
Starter - System EOS Formiga P110 SLS, $100K
Profesjonalny - 3D Systems DMP Factory 500, $400K
Przemysłowy - GE Additive X Line 2000R, >$1M
Perspektywy na przyszłość
Systemy fuzji w złożu proszkowym będą nadal ewoluować:
- Większe koperty konstrukcyjne o długości ponad 500 mm
- Dodatkowe materiały polimerowe, takie jak PEKK i PPSF
- Stopy o wyższych parametrach mechanicznych
- Ulepszony recykling proszku i przetwarzanie w obiegu zamkniętym
- Przełomowe wykończenie powierzchni bez obróbki skrawaniem
- Zintegrowane monitorowanie i regulacja puli roztopionego materiału w czasie rzeczywistym
- Dodatkowe systemy hybrydowe z wbudowanym zapewnieniem jakości
- Znacznie zwiększona produktywność dzięki wyższej mocy lasera i większej prędkości skanowania
W miarę pokonywania barier technicznych i optymalizacji kosztów produkcji, AM przekształci produkcję w różnych sektorach, od lotnictwa, urządzeń medycznych i motoryzacji po produkty konsumenckie, umożliwiając rozproszoną, zdecentralizowaną produkcję komponentów końcowych w ilościach komercyjnych.
Najczęściej zadawane pytania
P: Jak drogie są maszyny do druku 3D z metalowym złożem proszkowym w porównaniu do systemów drukujących z tworzyw sztucznych?
O: Przemysłowe drukarki proszkowe do metalu kosztują od $300,000 do ponad $1 miliona, podczas gdy urządzenia na bazie polimerów zaczynają się od $100,000. Koszty operacyjne są również 5-10 razy wyższe w przypadku materiałów metalowych i przetwarzania obojętnego.
P: Jakiego rozmiaru części mogą być drukowane w 3D przy użyciu technologii syntezy termicznej w złożu proszkowym?
O: Maszyny do metalu mogą zazwyczaj produkować koperty o wymiarach do 500 x 500 x 500 mm, podczas gdy maszyny do polimerów mogą produkować koperty o wymiarach do 800 x 500 x 375 mm. Dostępne są również większe koperty o długości ponad metra.
P: Jakie materiały można przetwarzać za pomocą druku 3D ze złożem proszkowym?
O: Wszystkie wysokowydajne i inżynieryjne tworzywa termoplastyczne, takie jak PEEK, ULTEM, PPSF mogą być drukowane, co jest trudne w przypadku wytłaczania FDM. Do metali kwalifikują się stale nierdzewne, stopy tytanu i niklu, stale narzędziowe, chrom kobaltowy i inne.
P: Jak dobra jest dokładność i wykończenie powierzchni wychodzących z drukarki proszkowej przed jakąkolwiek obróbką końcową?
Dokładność wymiarowa po obróbce końcowej wynosi około ±0,1-0,3%, podczas gdy możliwe są tolerancje poniżej 50 mikronów. Chropowatość powierzchni po wydrukowaniu waha się znacznie między 15-150 mikronów przed jakimkolwiek wykończeniem.
P: Który proces syntezy termicznej w złożu proszkowym oferuje najszybsze prędkości tworzenia - SLS, DMLS czy EBM?
O: Stapianie wiązką elektronów (EBM) oferuje niezwykle wysokie szybkości wytwarzania do 40 cm3/h, co pozwala na bardzo wysoką produktywność. DMLS oferuje umiarkowane prędkości, podczas gdy SLS jest stosunkowo powolny.
P: Jak zrównoważony jest proces AM w łożu proszkowym w porównaniu do obróbki metali i tworzyw sztucznych?
O: Wszystkie technologie łoża proszkowego ponownie wykorzystują ponad 90% niestopionego proszku po zbudowaniu w celu recyklingu. Lekkie, zoptymalizowane geometrie również oszczędzają materiały. Zużycie energii pozostaje w centrum uwagi.
P: Jakie czynniki wpływają na ceny usług druku termotransferowego w złożu proszkowym?
O: Koszty materiałów, czas budowy, robocizna, wykończenie, model drukarki 3D, wielkość produkcji i sektor zastosowań nabywcy w dużej mierze kontrolują obecnie poziomy cen przemysłowych części AM.
P: Które branże są obecnie głównymi użytkownikami technologii wytwarzania przyrostowego metodą fuzji w złożu proszkowym?
O: Firmy zajmujące się projektowaniem maszyn dla przemysłu lotniczego, medycznego i motoryzacyjnego, koncentrujące się na przyrządach, osprzęcie i oprzyrządowaniu, tworzą ponad 60% klientów komercyjnych badających zastosowania produkcyjne AM z polimerami i metalami.
P: Jakie specjalistyczne oprogramowanie jest wymagane do optymalnego przygotowania i drukowania modeli 3D CAD?
Oprogramowanie do cięcia, takie jak Materialise Magics i SLM Build Processor, automatycznie orientuje części w celu uzyskania najlepszej geometrii i właściwości oraz dostosowuje parametry skanowania. Niektórzy producenci drukarek dołączają własne narzędzia programowe.
