Металл является одним из наиболее востребованных материалов для аддитивного производства. Благодаря своим физическим свойствам, он имеет множество сфер применения и высоко востребован в разных отраслях. В данной статье мы предлагаем вам ознакомиться с обзором-сравнением двух ключевых технологий 3D печати из металла: селективного лазерного плавления (L-PBF) и прямого энергетического осаждения (DED).
PBF – это универсальная аддитивная технология порошковой печати, которая может использовать не только металлы, но также полимеры и керамику. В статье мы рассмотрим ее разновидность под названием SLS (селективное лазерное спекание), изобретенный в 1994 году компанией EOS. Что касается DED, то это более молодая технология, которая стала известной лишь в последнее десятилетие. В ходе этого процесса порошок или иной материал сплавляется в форме изделия под воздействием прямого подвода энергии.
Как работают технологии PBF и DED?
Начнем с технологии PBF: сначала камера нагревается до необходимой температуры при помощи инертного газа. Затем в лоток помещают тонкий слой порошка, нагревая его до температуры 300-400 С. Далее лазер выборочно расплавляет металлические частицы и затвердевает их. По мере готовности слоя лоток опускается, позволяя обработать новый слой порошка. Процесс продолжается до получения готовой детали, которая затем охлаждается. В финале необходимо удалить оставшийся порошок с поддержками, которые почти всегда используют в PBF-печати. Они особенно полезны для первого слоя, чтобы зафиксировать деталь в лотке и не допустить ее деформации.
Технология DED по своему принципу действия – это смесь PBF и экструзии. Она использует направленный поток энергии: печатающая головка поглощает порошок, а сопло наносит расплавленный металл на область печати слой за слоем. Промышленные DED-принтеры могут задействовать три источника энергии: лазерный, световой или плазменный луч. Для печати лазером требуется герметичная камера, большие объемы инертного газа и время на создание подходящей среды. Печать световым лучом проходит в вакууме, чтобы не допустить контакта электронов с молекулами воздуха. При печати плазмой материал также плавится в герметичном пространстве, заполненном инертным газом аргоном.
Преимущества и недостатки технологий PBF и DED
Главным преимуществом метода PBF является его способность создавать готовые изделия сложной геометрической формы. Также он позволяет выпускать легкие по весу детали с меньшим расходом материала, что делает его востребованным в автомобилестроении и аэрокосмонавтике. Технология DED оптимально подходит для обработки крупногабаритных изделий: ремонта или изготовления новых компонентов. Использующие ее 3D принтеры оснащены роботизированными манипуляторами, что помогает автоматизировать и ускорить процесс печати. Производительность DED достигает 5 кг материала в час, что примерно в 10 раз быстрее, чем у PBF.
Однако высокая скорость печати негативно влияет на ее качество из-за большей толщины слоя: у DED-принтеров он равен составляет 5-10 мм, что делает визуализацию деталей менее точной. PBF же обеспечивает небольшую минимальную толщину слоя (около 0.02 мм) и точечную работу лазера, что улучшает детализацию изделий, но увеличивает срок их производства. DED-печать предоставляет большую свободу в области габаритов объектов, а PBF-печать ограничена размерами лотка. PBF не подходит для массового производства, вместо этого она оптимальна для мелкосерийного выпуска небольших деталей. DED более затратна в плане расхода материала, а также не позволяет создавать изделия со сложной геометрией.
Какие металлы подходят для PBF и DED-печати?
Выбор материала имеет большое значение для каждой технологии, так как от него зависит себестоимость производства. Это особенно актуально для DED-печати – так как чем больше размеры детали, тем больше сырья необходимо для ее изготовления. В целом, лазерное плавление совместимо с обширной линейкой металлов, за исключением некоторых из них (например, высокоуглеродной стали). Пользователям доступна печать из нержавеющей стали, алюминия, титана, кобальт-хромовых сплавов, меди и инконеля. Также для PBF-печати можно использовать благородные металлы: золото, серебро и платину.
Что касается DED-печати, то она поддерживает не только металлы, но и керамику. Впрочем, последняя имеет ограниченное применение и совместима только с лазерными источниками энергии. Для DED тоже подходят разные металлы в виде порошка или филаментов. В отличие от PBF, эта технология поддерживает все свариваемые металлы: титан и титановые сплавы, инконель, вольфрам, тантал, ниобий, нержавеющую сталь и алюминий. Стоит учесть, что температура плавления здесь выше, чем в герметичной камере, поэтому процесс требует тщательной регулировки и контроля температуры.
Применение PBF и DED-печати
Обе технологии активно применяются во многих отраслях и секторах, включая автомобилестроение, аэрокосмонавтику, медицину и т.д. Одной из ключевых сфер применения технологии DED является ремонт крупногабаритных изделий. Например, в аэрокосмической отрасли это могут быть турбинные пропеллеры, вентили или разнообразные инструменты. Весьма полезной здесь считается возможность комбинировать металлы: к примеру, использовать сталь и алюминий при изготовлении батарей для электромоторов. Еще DED-печать подходит для выпуска ортопедических изделий, хирургических инструментов и протезов.
Преимущества PBF также позволяют задействовать ее в ряде отраслей промышленности, создавая готовые детали или компоненты со сложной геометрической формой. Высокое качество и точность печатаемых на PBF-принтерах деталей делают их весьма востребованными для автомобильной индустрии. Сейчас их часто можно встретить в качестве компонентов подвески, двигателя или топливной системы. А совместимость с драгметаллами помогает задействовать эту технологию в производстве ювелирных украшений и аксессуаров. Еще PBF оптимально подходит для изготовления качественных персонализированных имплантов (черепных, зубных и т.д.).
Этапы постобработки для PBF и DED-печати
Как для PBF, так и для DED-печати присуща довольно сложная и многоэтапная постобработка, что делает их производство более дорогостоящим. Например, обе технологии нуждаются в чистовой обработке деталей. PBF-принтеры печатают изделия с зернистой поверхностью, для которых подходит мягкая шлифовка. Технология DED требует более грубой шлифовки из-за неровной поверхности ее деталей, которая возникает из-за плавления материала под воздействием экструзии.
Еще одним важным этапом постобработки для обоих методов печати является резкий нагрев и охлаждение деталей. Он помогает улучшить их механические свойства: жесткость, вытягивание, усталостную стойкость и т.д. Также PBF-печать нуждается в удалении остатков порошка и поддержек, что может быть выполнено вручную или при помощи специального оборудования. Для DED-печати одним из ключевых этапов постобработки является фрезерование, которое требует значительных затрат времени и ресурсов из-за больших размеров деталей.
Одна из самых распространенных технологий постобработки металлических деталей – это горячее изостатическое прессование (HIP), укрепляющее структуру детали под механическим и температурным воздействием. Кроме того, чистовая обработка металлов часто включает сухую электрополировку, пескоструйную обработку и другие методы. Стоит учесть, что точный перечень этапов постобработки у обеих технологий зависит от используемого материала, типа, размера и предназначения деталей.