Возможности современной 3d-печати

Возможно, вам также будет интересно

Последние достижения в области робототехники и внедрение новых технологий позволяют значительно повысить точность изготовления деталей. Кроме того, использование роботов в аддитивном производстве открывает возможность создавать детали большего размера.

Функционирование современной автоматизированной системы управления (АСУ) зависит от согласованной работы ее частей. Высокое качество взаимодействия внутри программно-аппаратного комплекса обеспечивают высокопроизводительные вычислительные средства, поддерживающие открытые протоколы обмена данными, и унифицированные сигналы контроля и управления. А должный уровень связи между таким комплексом и …

Команда аналитиков компании «Восток Капитал» подготовила отчет о крупнейших инвестиционных проектах нефтегазовой отрасли России и СНГ. В отчете представлены все проекты России и СНГ по геологоразведке, добыче нефте- и газохимии, нефте- и газопереработке, перевалке и хранении нефти и нефтепродуктов.
Данный отчет подготовлен в преддверии онлайн-бизнес-форума, технических визитов и встреч один на один «НЕФТЕГАЗ Россия, СНГ online» (15–17 июля 2020 года), в рамках которого более 300 руководителей нефтегазовой отрасли обсудят возможности реализации проектов в актуальных условиях рынка.
Вот …

Особенности моделирования для 3D-печати методом SLM

Главное при создании цифровой 3D-модели — помнить, что при 3D печати методом SLM со стороны основания камеры 3D-принтера выращиваются структуры поддержки из стали, которые позволяют сохранить форму изделия в процессе печати.

Как правило, структуры поддержки автоматически выстраиваются программным обеспечением 3D-принтера, и заранее предугадать их количество невозможно. При этом удаление структур поддержки всегда является кропотливой и сложной работой, которая делается практически полностью вручную.

В качестве экспериментальной работы при необходимости с помощью программного обеспечения можно задавать конкретные места в изделиях, где структуры поддержки выращиваться не должны. Однако в этом случае возможен риск изменения геометрии элементов изделия, которые остались без поддержки.

Кроме того, иногда практикуется размещение 3D-модели в камере 3D-принтера под специально рассчитанным углом с тем, чтобы некоторые элементы изделия отпечатались без поддержек. Это позволяет достичь цели и избежать построения структур поддержек в заданных местах, но в то же время при таком подходе значительно увеличивается стоимость 3D-печати за счет построения длинных структур поддержки, ведущих к стороне изделия, размещенной под углом.

Характеристики SLM & DMLS

Параметры принтера

В SLM и DMLS почти все параметры процесса устанавливаются производителем принтера. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлами, колеблется обычно от 20 до 50 микрон и зависит от свойств материала.

Стандартная область 3D-печати металлами варьируется около 250 x 150 x 150 мм, доступны принтеры и с большей областью печати, около 500 x 280 x 360 мм. Точность размеров, которую может достичь 3D-принтер для печати металлами, составляет приблизительно ± 0,1 мм.

Металлический порошок в SLM и DMLS используются повторно: обычно менее 5% уходит в отходы. После каждой печати неиспользованный порошок собирают, просеивают и затем смешивают с новым материалом, до состава необходимого для следующей печати. В отходы идут, в основном, поддержки.

Небольшое серийное производство рамы велосипеда с использованием SLM. Предоставлено: Renishaw и Empire Cycles.

Методы производства

Простой метод построения

Это метод производства металлических изделий с нуля — когда имеется лишь 3D-модель и металлическая подложка, на которой планируется вырастить будущее изделие (рис. 2).

Рис. 2. Пример выращенного изделия сложной геометрической формы на 3D-принтере InssTek

Гибридный метод построения

Для сокращения времени 3D-печати и снижения расходов на материал, вне зависимости от размеров и сложности изделия, предусмотрена возможность совмещения традиционных методов механической обработки и 3D-печати по DMT-технологии (рис. 3). При изготовлении изделий сложной геометрической формы можно использовать заготовку, созданную, например, на фрезерном станке или методом литья, а основную формообразу­ющую часть изделия «вырастить» на 3D-принтере. При этом геометрия поверхности заготовки не обязательно должна быть плоской, может иметь произвольную форму.

Рис. 3. Последовательность изготовления при гибридном методе производства: а) 3D-модель требуемого изделия; б) подготовка изделия для гибридного метода производства с помощью технологии DMT; в) изделие в процессе 3D-печати; г) полученное изделие на 3D-принтере до механической постобработки; д) изделие после механической постобработки

Управляющая электроника

Работой всех компонентов 3D-принтера управляет контроллер, который распознаёт G-код. Программа для контроллера генерируется в специальном редакторе в виде STL-файла, описывающего модель. Программа G-код довольно проста для восприятия: в её строчках описан алгоритм перемещения печатающей головки и платформы, включения нагревательных элементов и вентиляторов, поэтому опытные специалисты могут без труда внести в готовый код любые правки.

Подавляющая часть контроллеров 3D-принтеров использует для работы платформу Arduino с открытой архитектурой и программным кодом. Язык программирования, основанный на С/С++, прост в изучении, а среда программирования подразумевает работу через порт USB, без каких-либо дополнительных программаторов.

В аппаратной части Arduino используются микроконтроллеры Atmel, а в последних разработках – 32-битный микропроцессор Cortex-M3 ARM SAM3U4E. В принтерах с технологией FDM-печати чаще всего встречается ATmega2560.

Микроконтроллер ATmega2560

Для управления двигателями, нагревателями и вентиляторами, а также для получения данных с датчиков крайних положений и термисторов используются дополнительные модули, такие как драйверы шаговых двигателей, которые обеспечивают необходимые выходные токи и работу в микрошаговом режиме.

Драйверы шаговых двигателей

Для удобного соединения таких модулей с платой микроконтроллера применяются промежуточные платы RAMPS, которые имеют с одной стороны штырьевые разъёмы для соединения с платой микроконтроллера, а с другой стороны – разъёмы для подключения модулей и внешнего оборудования. В результате формируется единый компактный блок, который после загрузки управляющей прошивки в микроконтроллер готов работать в составе FDM-3D-принтера.

Промежуточная плата RAMPS

Некоторые 3D-принтеры управляются через персональный компьютер, другие подключаются по сети Wi-Fi, третьи имеют собственную панель управления. Наиболее продвинутыми считаются 3D-принтеры с собственной панелью управления, с помощью которой можно контролировать температуру нагрева рабочей платформы, запускать и приостанавливать печать, производить калибровку, выгружать остатки пластиковой нити и загружать новые расходные материалы. В настоящее время можно встретить 3D-принтеры со встроенным картоводом для чтения SD-карт или портом для USB-накопителей, через которые можно загружать в принтер цифровые модели, не подключаясь при этом к ПК.

Контроллер соединяется с печатающей головкой толстым пучком проводов. Провода подсоединяются к двигателю, нагревателям и термисторам, вентилятору экструдера (если таковой имеется). Ещё один толстый пучок соединяет контроллер и рабочий стол принтера. Чтобы провода во время печати не попали в движущиеся части, не перетирались и не обламывались, их укладывают в специальные гибкие оболочки, которые обеспечивают свободное перемещение рабочего стола и головки, и в то же время страхуют провода от обрывов и замыканий.

Поскольку 3D-печать – это процесс очень длительный, который может продолжаться 10-15 часов и более, пользователю рекомендуется позаботиться об источнике бесперебойного питания для 3D-принтера и персонального компьютера, от которого он получает команды. Следует учесть, что суммарное потребление электроэнергии за эти 10-15 часов будет немалым, да и источники бесперебойного питания нынче недёшевы, но эта мера необходима для предотвращения сильных импульсных помех в электросети, к которой подключается принтер.

18 Июня 2014

Адгезия между слоями

Металлические детали, изготовленные методами SLM и DMLS, имеют почти изотропные механические и термические свойства. Они твердые, с очень небольшой внутренней пористостью (менее 0,2-0,5%).

Металлические 3D-печатные детали имеют более высокую прочность и твердость и часто более гибкие, чем детали, изготовленные традиционным способом. Однако они более склонны к усталости.

Например, посмотрите в таблице ниже на механические свойства 3D-печатного сплава AlSi10Mg EOS и литого сплава A360. Эти два материала имеют очень похожий химический состав, с высоким содержанием кремния и магния. 3D-печатные детали имеют превосходные механические свойства и более высокую твердость по сравнению с литым материалом.

Из-за гранулированной формы порошка, шероховатость поверхности (Ra) металлической 3D-печатной детали составляет примерно 6-10 мкм. Эта относительно высокая шероховатость поверхности может частично объяснить более низкую усталостную прочность сплава.

Сравнение механических свойств отдельных разновидностей 3D-печатных и литых деталей:

AlSi10Mg (3D-печатный сплав)

A360 (Литой сплав)

Предел текучести (деформация на 0,2%)

XY: 230 MPa Z : 230 MPa

Прочность на растяжение

XY: 345 MPa Z : 350 MPa

XY: 70 GPa Z : 60 GPa

Удлинение при разрыве

Как устроен 3D-принтер?

Классический трехмерный принтер — устройство для 3Д-печати, работающее по принципу FDM (моделирование послойным наплавлением). На трехмерном оборудовании можно создать объект практически любой формы, с изгибами, рельефной поверхностью. Изделие «увеличивается» одновременно в горизонтальном и вертикальном направлении.

Принтеры работают с различными материалами: пластиком, металлом и так далее. С их помощью можно создавать детали, выдерживающие существенную нагрузку.Чтобы принтер мог печатать объемные фигуры, его оснащают:

• экструдером — для разогрева и продавливания пластика через печатающие головки;
• моторами (чаще линейными) — приводят в движение механизмы;
• рабочими поверхностями — платформами, на которых все происходит;
• датчиками фиксации подвижных узлов;
• картезинскими роботами — устройствами, движущимися по трем осям.

Принтеры работают по-разному, но классическую последовательность действий можно описать единым алгоритмом. Сначала создается 3D-изображение. Для этого нужно специализированное ПО. После этого модель «разрезают» на горизонтальные слои. Для этого также предусмотрена специальная программа (генератор G-кодов). Компьютер преобразуют коды в информацию, которую может распознать принтер для 3D-печати. На следующем этапе воссоздается модель.

3D-принтер Smartprint HB-8

EBM

Electron Beam Melting  — запатентованный процесс от шведской компании Arcam. Эта технология очень напоминает прямое лазерное спекание металла (DMLS), так как заключается в формировании деталей из металлического порошка. Ключевое отличие — источник тепла, которым является электронный луч, а не лазер, соответственно вся работа происходит в условиях вакуума.

EBM может создавать плотные детали из различных металлических сплавов, даже медицинского уровня, в результате чего и стал успешен в медицинской промышленности, в частности для изготовления имплантов. Но не только медицина заинтересована в EBM, аэрокосмическая и автомобильная промышленность так же положили глаз на этот способ изготовления деталей.

Технические параметры модулей SDM

Стандартный SDM-модуль предназначен для формирования металлического слоя (наплавления) на поверхности металлической подложки/детали и используется как основная часть при 3D-печати металлическим порошковым материалом (рис. 8–9).

Рис. 8. Функциональная схема 3D-печати по технологии DMT

Оптическая система (mirror optics) стандартного SDM-модуля фокусирует мощность, сгенерированную лазерной системой, в пучок диаметром до 1800 мкм (микрон) в зависимости от типа модуля (табл. 3) и направляет его на поверхность металлической подложки/детали. В результате поверхность металла достигает температуры плавления и образуется локальная зона расплава на поверхности подложки/детали. В образованную зону расплава через сопла, расположенные на насадке SDM-модуля, подается металлический порошок, который плавится и быстро застывает. Модуль SDM перемещается по заданной программе (в зависимости от геометрии изделия), и процесс повторяется. Таким образом слой за слоем «выращивается» (или восстанавливается) деталь.

Модуль SDM крепится на несущей пластине внутри корпуса принтера с возможностью перемещения по осям X, Y, Z с точностью позиционирования до 50 мкм и подключается оптоволоконным кабелем со специализированным разъемом к лазерной системе. На пластине также закрепляются питатели объемом 0,6 или 1 л, в которые загружается рабочий материал (металлический порошок). Имеется возможность загрузки и работы с тремя порошками одновременно, что позволяет изготавливать части (наплавку) из нескольких материалов. Рабочий материал (coaxial powder) в инертной среде (shielding gas, обычно аргон) по каналам подачи подается к соплам (nozzle), расположенным на насадке модуля SDM. При достижении заданной программой координаты в соответствии с 3D-моделью порошок дозированно подается в зону расплава. В модуле используется система регулировки скорости подачи материала, а камеры (ССD-камера), расположенные на модуле SDM, позволяют организовать замкнутую систему контроля качества печати в реальном времени: камеры фиксируют количество наплавленного порошка (толщину слоя), таким образом обеспечивая заданную точность изготовления.

Рис. 9. Нанесение защитного покрытия на литейную оснастку по технологии DMT

Основные преимущества технологии DMT

Рассмотрим основные технологические возможности установок InssTek и преимущества технологий DMT перед другими методами производства металлических изделий.

Размер изделий

Технология DMT позволяет изготавливать металлические изделия неограниченных размеров. Инженеры компании InssTek разработали установку с максимальной рабочей зоной до 4000 мм, но есть возможность изготовить на заказ и более вместительную машину при возникновении у предприятий потребности в 3D-печати металлических деталей большего размера. Базовый принцип технологии DMT позволяет масштабировать рабочую зону в требуемых пределах.

Рис. 4. Металлографический анализ изделия, изготовленного традиционным методом и наплавленной по технологии DMT-частью. Видно отсутствие внутренних дефектов в структуре выращенного изделия

Механические свойства изделий

Металлические детали, напечатанные на 3D-принтерах InssTek, обладают практически 100%-ной плотностью, отсутствием внутренних дефектов и точек роста дислокаций и, как следствие, высокой механической прочностью на уровне кованых изделий (рис. 4). При этом, в отличие от технологий на базе выборочного плавления (SLM/DMLS/DMP), в рамках постпроцессинга для отжига дефектов не требуется проводить термообработку изделий.

В таблице 1 приведен сравнительный анализ механических свойств изделий, изготовленных методами DMT и ковки.

DMT (длина, ширина) — образец для испытаний, выращенный по технологии DMT в различных направлениях из сталей марок H13 и P21;
UTS (Ultimate Tensile Strength) — предел прочности на разрыв;
YS (Yeld Strength) — предел прочности на растяжение;
HRC (Rockwell Hardness) — твердость по Роквеллу, шкала C.

Изготовление изделий из композитных металлических сплавов

При использовании одновременно нескольких материалов 3D-принтер InssTek позволяет изготавливать детали, состоящие из слоев двух и более различных металлических сплавов, получая композитные изделия с заданными свойствами и требуемой геометрией (рис. 5). При этом соединение слоев осуществляется на молекулярном уровне.

Рис. 5. Образец, изготовленный по технологии DMT из нескольких металлов: пример наплавления на медную подложку (AMPCQ940), полученную традиционными методами, стали (SUS420), медного сплава (Al-bronze) и никелевого сплава (Inconel 718)

Нанесение защитных покрытий

Защитные покрытия наносятся на металлические изделия методом наплавки (рис. 6) и предохраняют детали от механического износа и воздействия агрессивной внешней среды в процессе эксплуатации. Нанесение защитных покрытий значительно увеличивает срок службы деталей.

Рис. 6. Литьевая форма для головки блока цилиндров двигателя. Основа изготовлена из стали H13, антикоррозионное покрытие выполнено из сплава Hastelloy C22 методом DMT

Восстановление и ремонт металлических изделий

Технология InssTek Auto tracking предназначена для восстановления металлических деталей, подверженных износу в процессе эксплуатации. Ремонтируемое изделие устанавливается в рабочую зону 3D-принтера, цифровая 3D-модель базовой детали загружается в машину, и система в автоматическом режиме производит наплавку требуемым материалом до восстановления изначальной геометрии износившегося изделия. Контроль 3D-печати осуществляет встроенная оптическая система сканирования. Области применения: ремонт турбинных лопаток, узлов авиационных двигателей, восстановление пресс-форм термопластавтоматов и других металлических изделий, подверженных механическому износу в процессе эксплуатации.

Рис. 7. Линейка 3D-принтеров компании InssTek: а) MX-MINI; б) МХ-400; в) МХ-600; г) МХ-1000; д) DMT специального назначения; е) МХ-Grande (два последних произведены по требованиям заказчика)

Технологии объемной печати

Существует монохромная и цветная 3D-печать — технологий более десятка (плюс их модификации). В числе наиболее распространенных:

• SLA — стереолитографическая лазерная печать. Технология обеспечивает создание моделей с высокой детализацией. Ее суть — послойное нанесение фотополимерного материала. Он отвердевает под воздействие лазера. Затем рабочая платформа опускается. В качестве фотополимера используют полупрозрачный состав: его легко обрабатывать, окрашивать, склеивать.
• SLS — технология подходит для работы с пластиками и металлами. Реагент спекается под лазерным лучом. Изделия получаются очень прочными.
• HPM — принтеры работают с термопластиком, вспомогательными растворимыми материалами. Последние используют при создании сложных многоуровневых моделей с полостями, функциональными отверстиями. Готовые изделия могут иметь разную форму. Они прочны, устойчивы к нагрузкам, механическому и химическому воздействию.
• DLP — относительно новая технология 3D-моделирования. Поддерживающие ее принтеры печатают фотополимерной смолой. Материал застывает под воздействием света.

Оборудование для 3D-печати выпускают компании из США, стран Европы, Азии. В числе известных — Photocentric, 3D systems, Makerbot, Azuma Engineering Machinery Inc. и другие.

3Д-модель корабля поражает реалистичностью

Процесс DMT

Рис. 1. 3D-печать по технологии Direct Metal Tooling

DMT относится к новейшим процессам производства металлических изделий. В этой аддитивной технологии применяется направленная энергия, поэтому осаждение материала происходит в конкретной точке построения (рис. 1). Иными словами, в отличие от селективного лазерного спекания или сплавления при использовании DMT-технологии не формируется слой строительного материала на поверхности, а материал подается в точку построения, куда подводится энергия и где идет процесс создания детали.

CAD-модель изделия загружается в 3D-принтер. Специализированным программным обеспечением данная модель разбивается на слои, затем слой за слоем «выращивается» деталь.

Лазерный луч высокой мощности формирует на поверхности металла зону расплава, куда дозированно подается металлический порошок. Он полностью расплавляется лазерным лучом и быстро отверждается в этой зоне. Благодаря подвижной лазерной системе, в которую также интегрированы каналы для подачи порошков и защитного газа, и 3- или 5-осевому поворотному столу, где формируется деталь, лазерный луч перемещается в соответствии с программой, заданной геометрией изделия, и таким образом происходит послойное построение детали.

Одним из ключевых условий для достижения высокой точности 3D-печати является настройка определенной толщины наплавляемого слоя металла. DMT-принтеры компании InssTek, о которых пойдет речь в этой статье, оснащены системой контроля с обратной связью. С помощью встроенных CCD-камер она измеряет толщину слоя и регулирует параметры в процессе печати.

В принтерах компании InssTek также существует возможность выбора трех стандартных модулей для системы подачи порошка — 150, 250 и 400 мкм. В соответствии с требованиями толщина слоя может варьироваться в пределах 100–1000 мкм.