Erilaisia metallien 3D-tulostustekniikoita

Kaikkien 3D-tulostuksen huippuosaamisalueiksi katsotaanMetallin 3D-tulostus, Kun puhutaan lujuudesta ja kestävyydestä, mikään ei vedä vertoja metallille. Ensimmäinen metallin 3D-tulostusta koskeva patentti oli DMLS (suora metallin laser-sintraus), jonka saksalainen EOS hankki 1990-luvulla. Siitä lähtien metallin 3D-tulostus on kehittynyt vähitellen monenlaisiksi tulostusmenetelmiksi, Nykyään jokainen metallinen 3D-tulostin käyttää yleensä yhtä seuraavista neljästä menetelmästä: jauhekerroksen sulatus, sideaineen ruiskutus, suora energian kerrostus ja materiaalin suulakepuristus.

Metallin 3D-tulostus

Metallijauhekerroksen sulatus (Metal Bed)

Yleisimmin käytettyjä menetelmiä ovat seuraavat: DMLS-menetelmä (suora metallin laser-sintraus), SLM-menetelmä (selektiivinen laser-sulatus) sekä EBM-menetelmä (elektronisuihkun sulatus).

PBF-sulatusmenetelmällä valmistetut metalliosat vähentävät jäännösjännityksiä ja sisäisiä vikoja, minkä vuoksi ne ovat ihanteellinen valinta ilmailu- ja avaruusteollisuuden sekä autoteollisuuden vaativiin sovelluksiin.

Suora metallin laser-sintraus, eli DMLS, soveltuu lähes minkä tahansa metalliseoksen esineiden valmistukseen. Menetelmässä tulostettavalle pinnalle levitetään erittäin ohut kerros metallijauhetta, jonka laser sintraa hitaasti ja tasaisesti pinnan läpi, Metallin sisäiset hiukkaset sulautuvat toisiinsa, vaikka niitä ei lämmennettäisikään täydelliseen sulatustilaan. Sen jälkeen levitetään ja sintrataan uusi jauhekerros, jolloin esineen yksi poikkileikkaus “tulostetaan” kerrallaan. Tulostuksen päätyttyä esine jäähtyy hitaasti, ja ylimääräinen jauhe voidaan kerätä talteen rakennuskammiosta ja kierrättää uudelleen. “Suoran metallilasersintrauksen” (DMLS) suurin etu on, että sillä valmistetuissa esineissä ei esiinny jäännösjännityksiä eikä sisäisiä vikoja, mikä on erittäin tärkeää suurille rasituksille alttiille metalliosille, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuuden tai autoteollisuuden osille. Sen suurin haittapuoli on kuitenkin erittäin korkeat kustannukset.

SLM (Selective Laser Melting): Tässä menetelmässä jokainen metallijauhekerros sulatetaan kokonaan suuritehoisen laserin avulla, eikä sitä pelkästään sintrata, minkä ansiosta tulostettu esine on erittäin tiheä ja luja. Tällä hetkellä tätä menetelmää voidaan soveltaa vain tiettyihin metalleihin, kuten ruostumattomaan teräkseen, työkaluteräkseen, titaaniin, koboltti-kromiseoksiin sekä alumiiniin. SLM-valmistusprosessissa syntyvät suuret lämpötilagradientit aiheuttavat lopputuotteen sisällä jännityksiä ja siirtymiä, jotka puolestaan heikentävät sen fysikaalisia ominaisuuksia.

Elektronisuihkusulatus, eli EBM, on hyvin samankaltainen kuin selektiivinen lasersulatus, ja sen avulla voidaan tuottaa tiheitä metallirakenteita. Nämä kaksi tekniikkaa eroavat toisistaan siinä, että EBM:ssä metallijauhetta sulatetaan elektronisuihkun avulla laserin sijaan. Tällä hetkellä elektronisuihkusulatus soveltuu vain rajoitettuun määrään metalleja. Vaikka menetelmässä voidaan käyttää myös koboltti-kromiseoksia, titaaniseokset ovat edelleen tämän prosessin pääasiallinen raaka-aine. Tätä tekniikkaa käytetään pääasiassa ilmailu- ja avaruusteollisuuden osien valmistuksessa.

Tekniset edut: Menetelmällä voidaan valmistaa lähes mitä tahansa geometrista muotoa erittäin tarkasti. Käytettävien metallien valikoima on erittäin laaja ja kattaa niin kevyimmät titaaniseokset kuin lujimmat nikkelipohjaiset korkealämpötilaseoksetkin, joita on perinteisillä valmistustekniikoilla vaikea työstää. Menetelmän avulla valmistettujen osien mekaaniset ominaisuudet ovat verrattavissa taottujen metalliosien ominaisuuksiin, ja niitä voidaan työstää, pinnoittaa ja käsitellä samalla tavalla kuin perinteisesti valmistettuja metalliosia.

Tekniikalla on seuraavia haittoja: materiaalikustannukset ovat korkeat, korkeat koneiden kustannukset sekä korkeat käyttökustannukset. Osat on kiinnitettävä tukirakenteiden avulla rakennuslevyyn vääntymisen estämiseksi, mikä aiheuttaa hävikkiä, joka on poistettava manuaalisella jälkikäsittelyllä. Rakennusmitat ovat rajoitettuja, ja metallijauheen käsittelyyn liittyy vaaroja, minkä vuoksi prosessia on valvottava tiukasti.

PBF-jauhekerrossulatus

Metalliliiman ruiskutus (Metal )

Yleisesti käytetyt menetelmät: MJF (monisuihkutusfuusio), NPJ (nanopartikkelisuihkutus)

Uudelleenkirjoitus: Tässä tekniikassa käytetään mustesuihkutusta, jolla tiettyä sideainetta tiputetaan valikoivasti tasaiselle jauhekerrokselle; pisaroiden osumat alueet kovettuvat, kun taas muu jauhe pysyy irtonaisena. Näitä vaiheita toistetaan kerros kerrokselta, kunnes koko esine on valmis. Menetelmällä voidaan käsitellä metallia, hiekkaa keraamisten ja muiden materiaalien käsittelyyn. Koska metallisideainetulostin toimii huoneenlämmössä, esineissä ei esiinny vääntymistä eikä tukirakenteita tarvita. Siksi sideainetulostin voi olla huomattavasti suurempi kuin jauhekerrosfuusiokone, ja esineitä voidaan pinota päällekkäin koko rakennustilan hyödyntämiseksi täysimääräisesti. Tämä tekee siitä suositun vaihtoehdon pienerien tuotantoon ja tilausvalmistukseen.

Tähän tekniikkaan liittyy seuraavia etuja: ensinnäkin se mahdollistaa suurten tilavuuksien tulostamisen, toiseksi osia ei tarvitse kiinnittää tulostusalustaan, kolmanneksi osat voidaan tämän ansiosta sijoittaa sisäkkäin, mikä mahdollistaa koko käytettävissä olevan tulostustilan hyödyntämisen, neljänneksi geometriset rajoitukset ovat suhteellisen vähäiset, viidenneksi tukirakenteita ei yleensä tarvita, kuudenneksi, vääntymistä ei esiinny, joten voidaan valmistaa suurempia osia, seitsemänneksi, tulostusnopeus on varsin suuri, ja kahdeksanneksi, kustannukset ovat alhaisemmat kuin jauhekerroksella sulatettavassa metallitulostuksessa.

Menetelmällä on teknisiä haittoja: osat joutuvat tulostuksen jälkeen käymään läpi melko aikaa vievän rasvanpoistoprosessin sekä uunissa tapahtuvan sintrausprosessin, ja sekä laitteiden että materiaalien kustannukset ovat korkeat. Huokoisuus on suurempi kuin jauhekerrosfuusiomenetelmässä, minkä vuoksi mekaaniset ominaisuudet eivät ole yhtä hyvät, ja käytettävissä olevien materiaalien valikoima on suppeampi.

Liimapohjainen 3D-tulostin

Suora energian talletus ( )

Yleisiä menetelmiä ovat DED eli suora metallin kerrostus, WAAM eli kaari-additiivinen valmistus sekä LMD eli laser-materiaalin kerrostus.

Tässä menetelmässä metalli puristetaan – olipa kyseessä sitten metallijauhe tai metallilanka – ja puristuksen jälkeen se altistuu välittömästi suurenergialle, joka sulattaa metallin plasmakärjen, laserin tai elektronisuihkun avulla. Energia sulattaa metallin, ja sulakammio laskeutuu välittömästi 3D-tilaan, asentoa säädetään robottikäsivarren avulla. Menetelmä muistuttaa hyvin paljon hitsausta, joten yksi sen pääasiallisista käyttökohteista on olemassa olevien metalliosien korjaaminen ja niiden toiminnallisuuden parantaminen.

Tekniset edut: Metallilanka on edullisin metallisten 3D-tulostusmateriaalien muoto. Joissakin laitteissa voidaan käyttää kahta erilaista metallijauhetta seosten ja materiaalikerrostumien valmistamiseen. Viisi- ja kuusisuuntaisen liikkeen ansiosta malleja voidaan tuottaa ilman tukimateriaalia. Menetelmällä voidaan korjata vaurioituneita metalliosia ja lisätä uusia komponentteja. Tulostuskapasiteetti on suuri, materiaalin käyttö on tehokasta ja osien tiheys on korkea. hyvät mekaaniset ominaisuudet sekä nopea tulostusnopeus.

Osien pinnanlaatu on heikko, joten ne vaativat yleensä koneistusta ja viimeistelyä; pienien yksityiskohtien toteuttaminen on vaikeaa tai mahdotonta, mikä on tekninen puute. Koneiden kustannukset ovat korkeat, samoin kuin käyttökustannukset.

Lasermetallipinnoitus (LMD)

Metallimateriaalien puristaminen (Metal)

Yleisesti käytetyt menetelmät: FDM (sulatuskerrostus) / FFF (sulakevalmistus)

Tämä tekniikka on kehitetty nimenomaan edullisen metallisen 3D-tulostuksen mahdollistamiseksi, ja sitä voidaan hyödyntää pienissä ja keskisuurissa yrityksissä, suunnittelutoimistoissa, konepajoissa sekä pienvalmistajien toiminnassa. Siinä käytetään metallimateriaalin suulakepuristinta iteratiiviseen suunnitteluun, kiinnittimien ja kiinnityslaitteiden luomiseen sekä pienerien tuotantoon. Alan uusin kehitysaskel on metallilanka, jota voidaan käyttää useimmissa pöytämallisissa FDM-3D-tulostimissa, mikä mahdollistaa metallisen 3D-tulostuksen lähes kaikille. Metallimateriaalin suulakepuristus toimii seuraavasti:

Polymeerisäikeet tai metallihiukkasilla kyllästetyt langat tulostetaan kerroksittain 3D-tulostuksella suunnitellun muodon mukaisesti.

3D-tulostettujen osien puhdistaminen ja liiman poistaminen.

Osat asetetaan sintrausuuniin, jossa metallihiukkaset sulavat kiinteäksi metalliksi.

Tekniset edut: edullinen, helppokäyttöinen ja turvallinen.

Teknologian haittapuolena on, että osat joutuvat käymään läpi saman rasvanpoistoprosessin kuin liimapuhallusmenetelmällä valmistetut osat, ja lisäksi ne joutuvat sintrausprosessin läpi. Geometriaan on asetettava enemmän rajoituksia vääntymisen estämiseksi, ja myös tukirakenteille on asetettava enemmän rajoituksia samasta syystä. Lisäksi osien huokoisuus on suuri, minkä vuoksi niillä ei voida saavuttaa samoja mekaanisia ominaisuuksia kuin taotulla metallilla. Osat eivät ole yhtä tiiviitä kuin PBF- tai DED-menetelmillä valmistetut, ja uunissa tapahtuva kutistuminen ei ole kovin tarkkaa.

Metal X -3D-tulostimen näyteosat