Будущее в порошке

Благодаря аддитивным технологиям с использованием порошка с добавками шведская компания VBN Components производит изделия из стали — в основном такие инструменты, как сверла и фрезы. Технология 3D-печати устраняет необходимость в ковке и механической обработке, снижает потребление сырья, а конечные пользователи получают более широкий выбор высококачественных материалов.

Предложение компонентов VBN включает, например. Вибенит 290которая, по данным шведской компании, является самой твердой сталью в мире (72 HRC). Процесс создания Vibenite 290 заключается в постепенном повышении твердости материалов до. После того, как из этого сырья напечатаны нужные детали, никакой дополнительной обработки, кроме шлифовки или электроэрозионной обработки, не требуется. Не требуется резка, фрезерование или сверление. Таким образом, компания создает детали с размерами до 200 х 200 х 380 мм, геометрию которых невозможно изготовить с помощью других производственных технологий.

Сталь нужна не всегда. Исследовательская группа из HRL Laboratories разработала решение для 3D-печати. алюминиевые сплавы с высокой прочностью. Это называется нанофункциональный метод. Проще говоря, новая методика заключается в нанесении на 3D-принтер специальных нанофункциональных порошков, которые затем с помощью лазера «спекают» тонкие слои, что приводит к наращиванию трехмерного объекта. Во время плавления и затвердевания полученные структуры не разрушаются и сохраняют свою полную прочность благодаря наночастицам, выступающим в качестве центров зародышеобразования для предполагаемой микроструктуры сплава.

Высокопрочные сплавы, такие как алюминий, широко используются в тяжелой промышленности, авиационной (например, фюзеляжной) технике и автомобильных деталях. Новая технология нанофункционализации придает им не только высокую прочность, но и разнообразие форм и размеров.

Сложение вместо вычитания

В традиционных методах металлообработки ненужный материал удаляется механической обработкой. Аддитивный процесс работает наоборот — он состоит из нанесения и добавления последовательных слоев, состоящих из небольшого количества материала, создавая трехмерные детали практически любой формы на основе цифровой модели.

Хотя эта методика уже широко применяется как для создания прототипов, так и для отливки моделей, ее использование непосредственно в производстве товаров или устройств, предназначенных для рынка, было затруднено из-за низкой эффективности и неудовлетворительных свойств материалов. Однако эта ситуация постепенно меняется благодаря работе исследователей во многих центрах по всему миру.

Путем кропотливых экспериментов были усовершенствованы две основные технологии XNUMXD-печати: лазерное напыление металла (ЛМД) и селективное лазерное плавление (УЛМ). Лазерные технологии дают возможность точно создавать мелкие детали и получать хорошее качество поверхности, что невозможно при электронно-лучевой 50D-печати (EBM). В SLM острие лазерного луча направляется на порошок материала, локально сваривая его по заданному шаблону с точностью от 250 до 3 мкм. В свою очередь, LMD использует лазер для обработки порошка для создания самоподдерживающихся трехмерных структур.

Эти методы оказались очень многообещающими для создания деталей самолетов. и, в частности, нанесение лазерного напыления металла расширяет возможности проектирования аэрокосмических компонентов. Они могут быть изготовлены из материалов со сложной внутренней структурой и градиентами, невозможными в прошлом. Кроме того, обе лазерные технологии позволяют создавать изделия сложной геометрии и получать расширенные функциональные возможности изделий из широкого спектра сплавов.

В сентябре прошлого года Airbus объявил, что оснастил свой серийный A350 XWB аддитивной печатью. титановый брекет, производства Arconic. Это не конец, ведь контракт Arconic с Airbus предусматривает 3D-печать из титано-никелевого порошка. части корпуса i двигательная система. Однако следует отметить, что Arconic использует не лазерные технологии, а собственную усовершенствованную версию электронной дуги EBM.

Одной из вех в развитии аддитивных технологий в металлообработке, вероятно, станет первый в истории прототип, представленный в штаб-квартире голландской Damen Shipyards Group осенью 2017 года. корабельный винт металлический сплав, названный в честь ВААМпеллер. После соответствующих испытаний, большинство из которых уже состоялось, у модели есть шанс быть допущенной к использованию на борту кораблей.

Поскольку будущее технологии обработки металлов связано с порошками из нержавеющей стали или компонентами из сплавов, стоит познакомиться с основными игроками на этом рынке. Согласно «Отчету о рынке металлических порошков для аддитивного производства», опубликованному в ноябре 2017 года, наиболее важными производителями металлических порошков для 3D-печати являются: 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.

Пропеллерный принт WAAMpeller

Жидкая фаза

Наиболее известные аддитивные технологии с использованием металлов в настоящее время основаны на использовании порошков (так создается вышеупомянутый вибенит), «спекаемых» и сплавляемых с использованием лазера при высоких температурах, необходимых для исходного материала. Однако появляются новые концепции. Исследователи из лаборатории криобиомедицинской инженерии Китайской академии наук в Пекине разработали метод 3D-печать «чернилами», состоящий из металлического сплава с температурой плавления немного выше комнатной температуры. В исследовании, опубликованном журналом Science China Technological Sciences, исследователи Лю Цзин и Ван Лэй демонстрируют технику жидкофазной печати из сплавов на основе галлия, висмута или индия с добавлением наночастиц.

По сравнению с традиционными методами прототипирования металлов жидкофазная 3D-печать имеет несколько важных преимуществ. Во-первых, может быть достигнута относительно высокая скорость изготовления трехмерных структур. Кроме того, здесь можно более гибко регулировать температуру и расход теплоносителя. Кроме того, жидкий проводящий металл можно использовать в сочетании с неметаллическими материалами (например, пластмассами), что расширяет возможности проектирования сложных компонентов.

Ученые из Американского университета Северо-Западного также разработали новую технику 3D-печати из металлов, более дешевую и менее сложную, чем известные до сих пор. Вместо металлического порошка, лазеров или электронных лучей он использует обычная печь i жидкий материал. Кроме того, метод хорошо работает для самых разных металлов, сплавов, соединений и оксидов. Это похоже на печать сопла, как мы знаем, с пластмассами. «Чернила» состоят из металлического порошка, растворенного в специальном веществе с добавлением эластомера. На момент нанесения имеет комнатную температуру. После этого слой материала, нанесенный из сопла, спекается с предыдущими слоями при повышенной температуре, создаваемой в печи. Методика описана в специализированном журнале Advanced Functional Materials.

Китайский метод фазовой печати из жидких металлов

В 2016 году исследователи из Гарварда представили еще один метод, с помощью которого можно создавать трехмерные металлические конструкции. напечатано «в воздухе». Гарвардский университет создал 3D-принтер, который, в отличие от других, не создает объекты слой за слоем, а создает сложные конструкции «в воздухе» — из мгновенно замерзающего металла. Устройство, разработанное в Школе инженерии и прикладных наук Джона А. Полсона, печатает объекты с использованием наночастиц серебра. Сфокусированный лазер нагревает материал и объединяет его, создавая различные структуры, такие как спираль.

Рыночный спрос на высокоточные 3D-печатные потребительские товары, такие как медицинские имплантаты и детали авиационных двигателей, быстро растет. А поскольку данными о продуктах можно делиться с другими, компании по всему миру, если у них есть доступ к металлическому порошку и подходящему 3D-принтеру, могут работать над сокращением затрат на логистику и запасы. Как известно, описанные технологии значительно облегчают изготовление металлических деталей сложной геометрии, опережая традиционные технологии производства. Разработка специализированных приложений, вероятно, приведет к снижению цен и открытости использования 3D-печати также и в обычных приложениях.

Самая твердая шведская сталь — для 3D-печати:

Самая твердая сталь в мире — сделано в Уппсале, Швеция

Алюминиевая пленка для печати: 

Прорыв в металлургии: 3D-печать высокопрочного алюминия