Аддитивное производство (печать 3D) быстро развивается в последние годы и все чаще используется для мелкосерийного производства в промышленности. Благодаря широкому спектру областей применения ассортимент материалов различных технологий печати 3D неуклонно растет. Особенно выраженная гибкость материала лазерного процесса на основе порошкового слоя LBM (Laser Beam Melting) делает его наиболее распространенным процессом печати на металле 3D. Тонкие слои металлического порошка наносятся на подложку в этом процессе, локально плавятся под действием энергии лазера и связываются с предыдущим слоем. Таким образом, многие слои создают трехмерный объект. Этот аддитивный принцип приводит к новым степеням свободы в дизайне. Кроме того, могут быть получены сложные формы для материалов, которые обычно очень трудно обрабатывать, например, из-за их высокой твердости. Дополнительные преимущества LBM включают гибкость, возможность интегральной конструкции и функциональной интеграции, улучшенную логистику, сокращение времени разработки и отдельных продуктов. По сути, LBM предлагает сопоставимую плотность материала и превосходные свойства материала по сравнению с обычными процессами. Поэтому эта технология очень хорошо подходит для производства высоконапряженных, оптимизированных деталей для облегченной конструкции или для функциональных применений в военной технике.

Пока мало сплавов для широкого спектра применений.

Из-за того, что в настоящее время разрабатываются сложные параметры новых сплавов для 3D-печати на основе LBM, несколько выбранных сплавов используются для широкого спектра приложений. Алюминий и титановые сплавы служат рынку легких строительных материалов. Сплавы на основе никеля подходят для высокотемпературных применений, нержавеющая сталь для машиностроения и изготовления предметов искусства, кобальт-хромовые и титановые сплавы покрывают рынок медицинской техники, а высокопрочные стали используются для изготовления инструментов. Области применения, требующие альтернативных материалов, в настоящее время обслуживаются лишь в ограниченном объеме. В настоящее время нет коммерчески подходящих материалов, особенно для динамических приложений, например, при авариях транспортных средств и особенно во многих областях оборонной техники. Именно поэтому Fraunhofer EMI разрабатывает собственные производственные параметры для обработки специальных материалов. Одним из направлений здесь является область защиты и эффективности оборонных технологий.

Высококачественные тяжелые металлы от принтера 3D

Например, были разработаны параметры для производства высококачественного вольфрама. Элемент характеризуется высокой плотностью и самой высокой температурой плавления среди всех металлов. Обработка тугоплавких металлов, таких как вольфрам, показывает, что в процессе LBM можно обрабатывать даже традиционно трудно обрабатываемые металлы, хотя обычно считается, что они плохо поддаются сварке, а процесс LBM по основному принципу напоминает процесс лазерной сварки. Разработка параметров для вольфрама поставила перед учеными EMI особые задачи. Из-за высокого локального выхода энергии и высоких скоростей охлаждения при работе с лазерным лучом в микроструктуре происходят процессы растрескивания. Образование микротрещин было успешно сведено к минимуму в ходе работы. В результате получается хрупкий материал с плотностью около 19,2 грамм на кубический сантиметр, чистый вольфрам с низким содержанием микротрещин и оптимизированный по плотности чистый вольфрам от принтера 3D. Материал подходит, например, для применений с боеприпасами или специальных применений, таких как коллиматоры для рентгеновских детекторов. Другими областями применения являются электротехника, медицинские технологии и области применения с высокими тепловыми требованиями.

Эффективная разработка и оптимизация параметров благодаря собственной методологии

Для разработки наборов параметров используется эффективный внутренний метод. Это позволяет сравнительно быстро и без особых усилий разработать параметры процесса. Таким образом, особенно дорогие специальные материалы могут быть значительно дешевле. Методология основана на рассмотрении взаимодействия между лазерным лучом и металлическим порошком, а также на планах статистических испытаний. Полученные знания позже также будут использоваться для оптимизации параметров конкретного приложения и для настройки параметров для конкретных компонентов и их требований для производства. Для первой характеристики полученных материалов используются быстрые методы, такие как определение плотности. После того, как набор параметров полностью разработан, материал охарактеризован с использованием самого современного измерительного оборудования, такого как изображения обратного рассеяния электронов (EBSD) или микро-КТ, и параметры дополнительно уточняются.

Разработка собственной методологии разработки параметров для материалов LBM позволяет эффективно генерировать параметры производства и, таким образом, использовать оптимальные материалы для конкретных областей применения. Было показано, что таким способом можно производить качественные даже труднообрабатываемые материалы. В будущем также возможна разработка новых типов сплавов, которые нельзя реализовать традиционным способом. Например, высокая скорость охлаждения процесса может обеспечить более высокую растворимость легирующих элементов и, следовательно, новые свойства материала. Однако при выборе будущих сплавов следует принимать во внимание не только область применения, но и расширенные возможности вновь доступной свободы дизайна. Если требования, например, решаются традиционным способом с помощью геометрий на основе полуинструментов (например, на пластинах), они могут быть решены более эффективно при использовании аддитивных процессов с использованием альтернативных геометрий (например, с использованием элементов сетки). Исходя из новой геометрии, важно выбрать подходящий материал.

Источник: Fraunhofer EMI