Объемная печать начала развиваться в середине XX века. В 1948 году американец Чарльз Халл (Charles Hull) изобрел технологию, которая получила название SLA (Stereolithography) , или стереолитография. Процесс основан на свойстве жидкого фотополимера отвердевать под лазерным излучением. Выращивание модели ведется аддитивным методом, рабочая площадка опускается на 0,05-0,15 мм и покрывается новым слоем фотополимеризующейся композиции, а лазерный луч засвечивает участки, соответствующие стенкам виртуальной детали, заставляя их отвердевать.
Чарльз Халл оформил патент на изобретение в 1986 году и основал компанию 3D Systems (крупнейший производитель отрасли до настоящего времени). Тогда еще не было понятия 3D печать, и машину назвали аппаратом для стереолитографии. Но это первое устройство, создавшее реальный объект по виртуальному образцу методом послойного выращивания. С того времени направление бурно развивается, делаются открытия, основываются компании. Появились лазерные и струйные принтеры для объемной печати, использующие в качестве сырья пластики, полимеры, биоматериалы, продукты питания, и, конечно, металлы.
Подавляющее большинство 3D принтеров по металлу – огромные модели весом более тонны. Они используются в промышленных целях и служат для выращивания деталей сложной геометрии, которые затруднительно изготовить литьем или механической обработкой. Цена такого 3d-принтера может достигать нескольких сотен тысяч долларов.
На 3D устройствах изготавливаются:
- прототипы для тестирования и испытания деталей серийного производства;
- индивидуальные медицинские имплантаты;
- зубные коронки и мосты в стоматологии;
- ювелирные изделия.
Существует несколько технологий 3D печати металлами и их сплавами. Одни из них успешно применяются для работы с разными материалами, а другие предназначены исключительно для выращивания металлических изделий.
Послойное наплавление и ламинирование
Самый популярный способ выращивания объемных моделей – технология FDM (Fused Deposition Modeling) , называемая также FFF (Fused Filament Fabrication) . Печать ведется методом послойного наложения расплавленного материала, поставляемого в виде нити . Использование здесь тугоплавких металлов невозможно, слишком высока температура, которую должен выдерживать экструдер принтера, но в филамент можно добавить какое-то количество металлического порошка. Один из таких материалов – BronzeFill – состоит из термопластика и бронзы. В процессе изготовления детали металл, естественно, не плавится, только основная составляющая нити. Благодаря содержанию бронзового порошка готовый предмет поддается полировке и выглядит как металлическое изделие, хотя прочность, и другие свойства модели, ограничиваются характеристиками пластика.
Технология LOM (Laminated Object Manufacturing) , или ламинирование, заключается в последовательном наложении друг на друга тонких листов, в частности, может быть использована металлическая фольга. В каждом слое лазером вырезается контур, соответствующий сечению прототипа на соответствующем уровне. Соединяются же листы между собой связующим веществом на клеевой основе. Визуально полученные изделия напоминают металлические, но их целостность зависит от возможностей клея.
Струйная 3D печать
Принтеры, работающие по этой технологии, используют любые материалы, которые могут быть превращены в порошок , в том числе металлы и их сплавы. Из струйной печатающей головки на тонкий слой композита поступает жидкое связующее вещество, которое скрепляет основной материал. Затем в рабочую зону подается новый слой порошка и выращивание продолжается. Распечатанное 3D принтером изделие по-прежнему нельзя назвать металлическим, ведь его прочность зависит от свойств полимера. Но такую деталь можно подвергнуть термической обработке, в процессе которой металлический порошок начинает спекаться, а связующее вещество выгорает. На этом этапе изготовления, хотя в составе модели исключительно металл, она крайне хрупка из-за своей пористости. Для повышения прочности проводят пропитку изделия бронзой. Несмотря на сложность и продолжительность работ цельнометаллическая модель, полученная таким способом, не обладает свойствами, позволяющими использовать ее в каких-то механизмах. Однако технология широко применяется для производства предметов очень сложной формы, к которым такие требования не предъявляются:
- ювелирных изделий,
- сувениров,
- предметов интерьера.
Лазерное спекание порошковых материалов
Два метода 3D печати, разработанные разными компаниями, отличаются друг от друга техническими решениями, но приводят к одному результату: лазер принтера разогревает порошок до температуры, близкой к точке плавления, и спекает гранулы вместе для получения твердой структуры. По технологии SLS (Selective Laser sintering) , или выборочное (селективное) лазерное спекание, используется углекислотный лазер. Иногда для увеличения скорости работ конструкцией может быть предусмотрено два лазера. В качестве сырья используются порошки из полимеров, керамики, стекла, металлов. Часто гранула представляет собой ядро из металлического порошка, покрытое оболочкой из легкоплавкого материала. Чем ниже температура спекания – тем менее мощным может быть лазерный излучатель. Владелец патента – компания 3D Systems – в качестве сырья для своих принтеров серии sPro, работающих этому методу, заявляет прочные инженерные пластики.
Технология DMLS (Direct Metal Laser Sintering) , или прямое лазерное спекание металла, изобретена компанией EOS из Германии и позиционируется как способ спекания именно металлических порошков:
- инструментальных и нержавеющих сталей,
- титановых и никелевых сплавов,
- легких металлов,
- кобальт хрома.
Используются оптоволоконные лазеры 200 или 400 Вт, их мощность и количество зависит от комплектации конкретной модели принтера. Построение модели происходит в закрытой камере, наполненной инертным газом для предотвращения окисления металла. Кроме того, порошок подогревается до температуры, близкой к точке плавления. Линейка 3D принтеров компании EOS, использующих технологию DMLS, предназначена для промышленного производства, так же как и устройства серии ProX компании 3D Systems.
Лазерная и электронно-лучевая плавка
Металлы подвергаются не спеканию, а полной плавке до образования гомогенной массы по технологии SLM (Selective Laser Melting) , или селективное лазерное плавление. Компания Phenix Systems выпускает линейку принтеров Phenix PL, использующих этот метод. Устройства оснащены мощными иттербиевыми волоконными лазерами, позволяющими значительно повысить температуру луча. Самое существенное отличие от технологии SLS, что при лазерном плавлении структура полученной детали по своим свойствам практически не отличается от литых изделий.
По технологии EBM (Electron beam melting) , или электронно-лучевая плавка, место лазера занимают электронные излучатели, выращивание модели идет в глубоком вакууме при температурах до 1000°C. На этом методе основана работа 3D устройств компании Arcam, Швеция. Принтеры предназначены для промышленного производства ортопедических имплантатов, деталей аэрокосмической продукции, изделий из титановых сплавов и других материалов, требующих повышенной температуры для обработки.
Видео (Промышленный 3D принтер по металлу)
Промышленный 3D принтер по металлу SLM 280HL - это мощное производственное решение для предприятий, где требуется быстрая и качественная 3D-печать готовых изделий из разных типов металла. Установка SLM 280HL активно используется в самых разных сферах промышленности для производства мастер-моделей, вставок для пресс-форм, прототипов деталей, готовых изделий из нержавеющей стали, инструментальной стали, кобальта-хрома, алюминия, титана, сплавов на основе никеля.
3D-принтер для печати металлом SLM 280HL работает по технологии селективного лазерного плавления металлического порошка (или 3D-печать по металлу). Сегодня эта технология получает все более широкое распространение в самых разных отраслях производства. Производитель 280HL - немецкая компания SLM Solutions , основоположник технологии SLM (selective laser melting) и один из мировых лидеров в производстве 3D-принтеров по металлу.
.
|
Преимущества лазерного 3D принтера по металлу SLM 280HL
SLM 280HL - это наиболее популярная модель в линейке металлических 3D-принтеров
компании SLM Solutions . Она обладает целым рядом неоспоримых достоинств.
- Уникальная двулучевая технология.
Использование двух разных лазеров (400 и 1000 Вт) позволяет SLM 280HL печатать изделия еще быстрее и качественнее. Там, где требуется максимальная точность, установка использует более тонкий лазер, а для увеличения скорости на простых участках - более мощный и «толстый».
- Большая камера построения.
Установка лазерного плавления SLM 280HL позволит вам создавать объекты размером до 280х280х350 мм. Вы сможете печатать большие изделия не по частям, а за один раз. Или разместить в камере построения сразу несколько мелких изделий и вырастить их за одну сессию.
- Высокая скорость и точность печати.
3D принтер по металлу SLM 280HL способен производить до 35 см 3 готовых металлических изделий в час. Это в 1,5-2 раза больше, чем другие установки этого класса. При этом минимальная толщина стенки составляет всего 180 микрон.
- Широкий выбор материалов.
Нержавеющая сталь, инструментальная сталь, кобальт-хром, сплав на основе никеля, алюминий, титан. В вашем распоряжении - самые надежные, проверенные и универсальные материалы.
- Специальное программное обеспечение.
Установка для лазерного плавления SLM 280HL поставляется в комплекте со специальным программным обеспечением - SLM AutoFabMC. Оно не только упрощает процесс 3D-печати, но и позволяет максимально оптимизировать производственные процессы, сократить время построения и экономить расходные материалы.
Металлические порошки - самый прочный материал для 3D-печати. Изделия, созданные на металлических 3D-принтерах, по многим параметрам превосходят аналоги, произведенные с помощью традиционных технологий (литье, прокатка и др.).
Основные характеристики изделий из металлического порошка
- Повышенная прочность
- Любая геометрия
- Большой выбор металлов и их сплавов
- Шероховатые поверхности
- Отсутствие напряженности металла
- Любая пост-обработка
- Материал поддержки используется для повторной печати
Технологии 3D-печати металлом
Selective Laser Melting (SLM) - селективное сплавление порошкового материала с помощью лазера, самая популярная технология 3D-печати металлами. Используется в 3D-принтерах по металлу компаний SLM Solutions и Realizer . Подробнее о технологии SLM читайте .
Direct Metal Printing (DMP) - аналог технологии SLM, использующийся в 3D-машинах серии ProX компании 3D Systems .
Electron Beam Melting (EBM) - спекание металлических порошков под воздействием электронно-лучевой пушки. Применяется в 3D-принтерах компании Arcam .
Виды металлических порошков для 3D-печати
Титан. Высокопрочный биосовместимый материал, применяемый в медицине, авиастроении, машиностроении, промышленности. .
Инструментальная и нержавеющая сталь. Различные сплавы стали - самые распространенные материалы для 3D-печати. Они служат для решения широкого круга задач в различных сферах, устойчивы к корозии, обладают повышенной прочностью и износоустойчивостью. .
Алюминий и его сплавы. Легкий сплав, обладающий более низкой плотностью, чем другие металлы для 3D-печати. Обладает хорошими легирующими свойствами и электропроводностью. Используется в автомобилестроении, аэрокосмической отрасли, промышленности. .
Никелевые сплавы. Материал с прекрасной механической прочностью и свариваемостью. Устойчив до 7000°С. Используется в авиации, энергетике, производстве инструментов и других отраслях. .
Другие сплавы и металлы. 3D-принтеры могут использовать для печати широкий набор материалов. По вашему техническому заданий машина может быть настроена для работы практически с любыми другими типами металлов: вольфрамом, никеле-кадмиевыми сплавами, железом, медью и т.д.
Заказ тестовой 3D-печати из металла
Вы можете заказать тестовую печать вашего изделия из интересующего материала в компании Globatek.3D. Так вы сможете оценить физические свойства, точность и стабильность работы нужного 3D-принтера. Для заказа просто позвоните по телефону +7 495 646-15-33 или пришлите 3D-файл на почту .
3D-принтеры, печатающие металлом
SLM Solutions
Конструкция, которая позволяет методом послойного нанесения слоев металла создавать всевозможные детали, называется 3D принтер по металлу.
Для начала, необходим будет компьютер, на который устанавливается специальная программа, помогающие создать виртуальное изображение предмета в трех проекциях, поделенное на цифровые слои.
В 3D принтер по металлу загружают порошок либо металл, которые в процессе работы разогреваются и выдавливаются из головки устройства, нанося слои.
Затем наносится следующий, пока изделие не будет готовым.
3D принтер по металлу позволяет создавать все, что угодно. При этом, получаемые изделия вполне выдерживают конкуренцию с создаваемыми обычными методами.
Отличием 3D технологии считается многофункциональность. Использоваться 3D принтер, печатающий металлом, может любителями, а также профессионалами.
Спектр применения очень разнообразен:
изготовление металлических предметов сложнейших форм;
имитация ковки с использованием дополнительных устройств и др.
Промышленные образцы 3D принтера для печати металлом справятся легко даже с созданием ракетных двигателей, которые от оригинала практически невозможно отличить. Это подтверждает, что пригодна данная технология для изготовления на принтере всевозможных форм и габаритов металлических предметов.
Разнообразие технологий
Распространение в наше время получили два вида технологий – струйная и лазерная. Объединяет их то, что «выращивание» предмета осуществляется путем последовательного создания слоев. Происходит это до тех пор, пока не получится на выходе принтера необходимый объект (технология аддитивная).
Но, разработчики принтеров на этом не остановились и работают над разработкой новых способов печати.
Струйная
Это наиболее старая технология. Важно знать, что ее применение подходит для композитных материалов, т.е. смеси полимеров и металлов. С ее помощью можно формировать на принтере самой различной формы трехмерные объекты.
Порошок, смешивающийся с полимерами, выступает в роли связующего, позволяя во время процесса сырью связываться. Получаемые этим методом детали не относятся к полностью металлическим.
В некоторых случаях предмет, созданный принтером из композита, переплавляется в металлический, но из-за пористости прочность такого изделия невысокая. Чтобы ее увеличить изделия пропитывают металлом (в частности бронзой). Из-за низких прочностных показателей, используется метод в основном в сувенирной промышленности.
Метод ламинирования
Этот способ состоит в поочередном нанесении на платформу металлических листов малой толщины. Формирование изделия заключается в склеивании фольгированных листов.
Объекты, получаемые рассматриваемым способом, нельзя на 100% считать металлическими, поскольку для создания целостности их используют клей.
К достоинствам способа относят:
идентичность получаемого 3D предмета и макета;
экономичность.
Применяют способ в макетировании.
Послойное наплавление
Исходным сырьем при создании предметов данным методом являются металлы с низкой температурой плавления. Металлы и их сплавы с высокой температурой плавления не применяют.
До полировки и после
Поэтому разработчики используют, как и при печати струйной, композитные материалы — BronzeFill, к примеру, состоящий из бронзового порошка и термической пластмассы. Предметы, изготовленные из него, отличаются близкой схожестью с оригинальной деталью и хорошей способностью к шлифованию.
Создаваемые по этой технологии объекты, тоже не относятся к цельнометаллическим.
Способ широко используется в промышленных масштабах для получения экранирующих материалов и необходимых для изготовления печатных плат проводников, позволяющих развивать эту область.
Плавка электронно-лучевая и лазерная
Детали, создаваемые методом плавки с помощью лазера, получаются хорошего качества, но, несмотря на это, используют их не широко из-за ухудшающей прочность пористости. Не могут применяться они там, где необходимо противостоять высокой нагрузке.
Изменить ситуацию можно, применив лазерное спекание, отличающееся от лазерной плавки большей температурой обработки. Оно дает возможность получения на принтере однородных изделий, слабо отличимых от аналогичных, полученных литьем.
Другим похожим способом является электронно-лучевое плавление. Принтеры для него производит фирма Arcam (Швеция).
Технология мало отличается от предшествующей, но имеет такие особенности:
высокая скорость манипулирования электронным пучком;
отсутствие зеркальных электромеханических комплексов.
Видео: печать деталей способом селективного лазерного спекания
Использование расходников, представленных металлами и их сплавами, позволяет получать металлические 3D предметы, печатаемые небольшими партиями и имеющие с оригиналами близкое сходство. Метод не нуждается в развитой инфраструктуре, благодаря чему является ресурсно- и финансово экономичным.
Применяют его достаточно активно в ортопедии для изготовления протезов, а также форсунок к реактивным двигателям и турбин.
Аддитивное лазерное построение (CLAD)
Используют эту технологию чаще для 3D ремонта, чем для печати трехмерной. Предназначена она только для промышленного использования.
Суть ее состоит в нанесении порошка на дефектные места, который затем подвергается обработке лазером.
Перемещаться головка способна в пяти направлениях, а также вращаться в вертикальной плоскости и изменять угол наклона, что открывает большие возможности.
Использовать CLAD возможно для восстановления крупных объектов, в которых обнаружен брак. Его успешно применяют во Франции для ремонта авиамоторов.
Электронно-лучевая плавка произвольная (EBF3)
Она популярна у сотрудников НАСА, поскольку с порошками в невесомости работать невозможна. Их заменили металлическими нитями. Для наплавления слоев потребуется электронно-лучевая пушка.
Испытания в невесомости
Детали для ремонта создаются прямо на орбите, поэтому отпадает необходимость доставлять их с Земли.
Средняя цена
Рынок сегодня заполнен большим ассортиментом принтеров 3D для дома и производства. Среди них немало 3D принтеров по металлу. Цена наиболее качественных конструкций для использования промышленного равна нескольким десяткам тысячам американских долларов, поэтому позволить себе их могут только крупные компании.
Понятно, что 3D принтер для дома имеют меньшую цену – порядка 10-15 тысяч рублей .
Можно, безусловно, найти и менее дорогие 3D принтеры, печатающие металлами, но соответственно с более низким качеством получаемых изделий.
Понимая это, разработчики работают над совершенствованием 3D принтеров по металлу, купить которые можно будет в ближайшее время.
Видео струйной 3D печати технологии по металлу:
Где купить 3Д принтеры и по каким ценам
Первая модель для построения изделий использует расплавленную нить полимерную из пластика ABS +, которая гарантирует невероятную точность и прочность готовой продукции. Чтобы получить красочное изделие, выбирают из девяти расцветок термопластика.
У конструкции 2 режима, которые отличаются толщиной образуемого слоя.
Это компактное устройство открытой конструкции, которое подойдет для индивидуального использования – дома, в офисе, школе и т.д. С его помощью создавать можно игрушки, аксессуары для домашнего пользования, макеты и пр. Модель относится к самой дешевой, но обеспечивает завидное качество и детализацию.
Малый вес – еще одно преимущество принтера. Составляет он 3,6 кг.
Еще один доступный по цене настольный девайс для использования в офисах, используемый для разнообразных целей. Для печати, как и первая модель, он использует ABS нить. Получаемые объекты характеризуются достаточно высокой механической устойчивостью и точностью, отличной визуализацией.
Подойдет новичкам и опытным специалистам.
Бюджетная миниатюрная модель для дома и школы, поставляется почти в собранном виде, поэтому к работе приступать можно сразу после распаковки.
Привлекательная и надежная модель, отличающаяся простой эксплуатацией, небольшими размерами. Объекты создаются из той же нити, что и первые — ABS. Способна формировать любой конфигурации фигуры с внутренними полостями и геометрией. Используется успешно не только в офисах, но и в промышленных производствах.
Заключение
Специалисты уверены, что за печатью 3D будущее и она может вытеснить существующие методы создания прототипов. Ученые усердно занимаются разработкой принтеров для металлургической, строительной, пищевой промышленностей, которые смогут улучшить качество нашей жизни, позволив каждому заняться производством металлических конструкций на дому.
Крайне редко в индустрии 3D-печати появляется 3D-принтер, принцип действия которого строится на абсолютно новом подходе. Сегодня мы можем печатать изделия из сотен различных материалов, но если речь заходит о металлах, цены на 3D-принтеры становятся просто заоблачными. «Металлические» 3D-принтеры могут себе позволить только очень крупные компании, потому что их стоимость начинается от 250000 долларов. Но прогресс не стоит на месте, и когда-нибудь любой желающий сможет приобрести такое чудо техники и печатать металлические изделия, не выходя из дома.
Первые шаги уже сделаны. Взять, например, проект аргентинского инженера Гастона Аккарди. Аккарди увлекается 3D-печатью уже более 12 лет и одним из первых привнес эту технологию в Южную Америку. Как-то у него появилась идея сделать абсолютно новый 3D-принтер, но в связи с напряженным графиком он откладывал работу над проектом в течение пяти лет. И вот пару недель назад ему, наконец, удалось выкроить время.
Под «дешевым» Аккарди подразумевает «очень дешевый». Дело в том, что он собрал рабочий прототип принтера всего за… 2 доллара (нет-нет, это не опечатка). Так как же работает этот уникальный 3D-принтер?«Это устройство представляет собой гальванический 3D-принтер для работы с металлом, – рассказывает Аккарди. – Послойное наплавление металла в нужных местах происходит за счет электрохимической реакции. Можно использовать самые разные металлы, а также сплавы, проводящие материалы и полупроводники. Но что самое главное – это очень дешевый метод».
Итак, гальванизация – это процесс покрытия одного металла другим путем электролиза. В 3D-принтере Аккарди нет и намека на технологию лазерного спекания, стереолитографии или наплавления филамента. Вместо этого здесь используется самая обычная металлизация электрическим способом.
Фактически гальванизация становится возможной при наличии источника питания и двух полюсов. Одно поле подключается к детали, которую вы хотите покрыть металлом, другое – к металлу, который будет электроосаждаться. Также вам потребуется электропроводящий раствор, обычно для этих целей используют серную кислоту или лимонный сок. Если гальванизация производится медью, то для достижения наилучших результатов ее нужно просто добавить в раствор.
Принцип действия 3D-принтера Аккарди строится именно на методе гальванизации, однако он еще усовершенствовал его. Он взял маркер, вытащил из него стержень и залил в него раствор кислой меди. Потом он завел одно поле (медную электродную проволоку) внутрь маркера. Под воздействием электрического тока ионы меди выходят из кислоты в маркере, проходят через его кончик и оседают на поверхности платформы для печати, которая покрыта проводящим серебром и подсоединена к другому полю. В результате получается слой металла.«Через несколько минут после того как вы начали пропускать ток через раствор, медь начинает покрывать изделие, – объясняет Аккарди. – Оба электрода, которые вы используете, обязательно должно быть электропроводящими».
Маркер можно наполнить практически любым проводящим и полупроводящим металлом, будь то титан, золото, железо, платина, никель, хром или сплавы вроде бронзы. Аккарди сказал, что он купил 4-осевой станок с ЧПУ и планирует установить на него свою гальваническую систему. В результате у него должно получиться что-то вроде обычного FFF 3D-принтера, только вместо расплавленного пластика здесь будет использоваться металл.«Фактически вы можете писать медью, – рассказывает Аккарди. – И если вы продолжаете писать одни и те же буквы, снова и снова, они постепенно вырастают в высоту и становятся объемными».
Хотя прототип обошелся Аккарди всего в 2 доллара, он ищет инвесторов, которые помогут ему создать более современное устройство, достойное внимания покупателей.
Аккарди считает, что ему хватит 100000 долларов для реализации своей идеи и последующего запуска принтера в производство и продажу. Если у него все получится, то стоимость 3D-принтера будет колебаться в районе 1000-2000 долларов.«Я изобретатель, работающий в самых разных направлениях, – говорит он. – Жизнь похожа на пазл. Вы должны найти столько кусочков головоломки, сколько сможете, а потом начать складывать их».
В планах у Аккарди собрать устройство с несколькими маркерами, которое сможет одновременно печатать разными металлами. Также ему хочется попробовать наполнить один из маркеров проводящей серебряной краской, чтобы принтер мог наносить металлы и на непроводящие поверхности. Расшифровываем: берется пластиковый предмет и помещается внутрь принтера; на него наносится проводящая серебряная краска; на серебряную краску наносятся разные металлы за счет процесса гальванизации.
Аккарди считает, что его принтер поможет людям создавать уникальные электронные устройства, например, «умные протезы», которые будут определять температуру и давление. Хотя в этом принтере заложен гигантский потенциал, у него есть один существенный недостаток: он очень медленно работает. Сейчас прототип Аккарди наращивает 0,2 мм по оси Z за час. При этом энергопотребление довольно высокое – около 17 В.
О гальванизации известно давно, однако идея ее использования для изготовления металлических изделий может произвести настоящую революцию в мире 3D-печати. Это абсолютно безопасная технология, которую можно применять в домашних условиях. Такой принтер смогут позволить себе небольшие компании, которые давно мечтают перейти к производству металлических изделий, а также простые пользователи, которым не терпится поэкспериментировать с металлами.
