Apakah pencetak 3D logam? : Panduan Komprehensif untuk Perbezaan dan Ciri Setiap Kaedah
Berbanding dengan kaedah kerja logam konvensional, pencetak 3D logam boleh mengarang bentuk yang kompleks dan mempunyai pelbagai kelebihan lain seperti mengurangkan kehilangan bahan dan tempoh pembinaan yang lebih pendek, dan aplikasi praktikalnya semakin berkembang. Dalam lajur ini, kami akan menerangkan secara terperinci mekanisme asas pencetak 3D logam dan kaedah pembuatan utamanya.
Apakah pencetak 3D logam (mesin pembuatan aditif)?
Pencetak 3D logam ialah peranti untuk membentuk bentuk 3D dengan mencairkan serbuk logam atau wayar logam sebagai bahan dengan pancaran laser atau elektron, dan melapiskannya satu lapisan pada satu masa, menurut data CAD 3D. Kaedah kerja logam termasuk pemotongan, tuangan, penempaan, kerja logam kepingan, menekan, metalurgi serbuk, dan ikatan. Pencetak 3D logam boleh dipanggil alat mesin baharu.
Sejarah pencetak 3D Logam
Pembangunan pencetak 3D logam bermula pada tahun 1980-an. Pada tahun 1987, Chuck Hull di Amerika Syarikat membangunkan pencetak 3D komersial pertama "SLA-1" dengan menggunakan stereolitografi. Kaedah ini menggunakan resin sebagai bahan. Kemudian, teknik untuk mencairkan serbuk logam dengan laser telah dibangunkan, dan pada tahun 1990-an, pencetak 3D logam komersial muncul. Selepas State of the Union Address - dibuat oleh Presiden Obama pada 2013, pencetak 3D logam mula menarik perhatian di seluruh dunia. Projek pembangunan telah dilancarkan di Amerika Syarikat, Eropah, China dan negara lain. Juga di Jepun, Persatuan Penyelidikan Teknologi untuk Pengilangan Aditif Masa Depan; TRAFAM telah ditubuhkan pada tahun 2014 dan pelbagai projek pada pencetak 3D telah dilaksanakan termasuk pencetak 3D logam.
Perbandingan kaedah kerja logam konvensional dan pencetak 3D logam
Proses membina lapisan demi lapisan untuk mencipta objek pemodelan 3D dipanggil "Pengilangan Tambahan"(AM). AM mempunyai ciri-ciri berikut berbanding kaedah kerja logam konvensional.
- Bentuk kompleks boleh dibuat seperti mesh, struktur kekisi dan struktur berongga.
- Mengoptimumkan struktur membolehkan pengurangan berat bahagian sambil mengekalkan kekuatan.
- Dengan menyepadukan berbilang bahagian, bilangan bahagian boleh dikurangkan, dan kimpalan, pateri, dan pengikat boleh dihapuskan. Ia juga membawa kepada pengurangan kerja pemasangan dan tempoh pembinaan yang lebih singkat.
- Acuan dan jig tidak diperlukan, dan tidak perlu menyimpan acuan.
- Berbanding dengan pemesinan, terdapat lebih sedikit pembaziran bahan.
- Pengeluaran dengan masa pendahuluan yang singkat adalah mungkin, kerana pengeluaran boleh dimulakan sebaik sahaja data 3D dan bahan logam tersedia. Memandangkan pengeluaran atas permintaan adalah mungkin, tidak perlu menyimpan inventori, dan volum pengeluaran boleh diselaraskan mengikut permintaan.
- Pengilangan langsung daripada data CAD menjadikannya sesuai untuk pembuatan prototaip, pembangunan dan pembuatan tersuai yang melibatkan perubahan reka bentuk.
- Pengeluaran yang tidak bergantung pada ketukangan adalah mungkin hasil pendigitalan. Pencetak 3D logam adalah salah satu alat untuk merealisasikan DX.
Memandangkan setiap kaedah kerja logam konvensional mempunyai kelebihan dan kekurangan, pencetak 3D logam mempunyai isu di bawah:
- Terdapat had pada saiz, bentuk, dan bahan logam untuk pembuatan. (Ini bergantung pada jenis pencetak 3D logam dan model pengeluar).
- Tidak semua bentuk boleh dibentuk dengan ketepatan yang tinggi. Terdapat bentuk dan susunan tertentu yang sesuai untuk pembuatan.
- Pemesinan dan pemprosesan lain adalah unggul dari segi ketepatan dimensi dan kekasaran permukaan.
- Kemungkinan besar untuk tidak memperoleh kelebihan kos jika pengeluaran besar-besaran produk yang boleh dikeluarkan dengan kaedah konvensional dilaksanakan. Kos peralatan dan bahan seperti serbuk logam cenderung lebih tinggi daripada kaedah konvensional.
- Biasanya, pasca pemprosesan diperlukan. Mengalih keluar bahan sokongan (bahagian penyokong bahagian berongga), rawatan pemanasan, pemprosesan letupan dan penggilap permukaan mungkin diperlukan, bergantung pada jenis pencetak 3D logam dan model pengeluar.
Jenis pencetak 3D Logam (kaedah pembuatan)
Pencetak 3D logam boleh dikelaskan kepada beberapa jenis mengikut kaedah pembuatannya. Mula-mula, mari kita lihat jenis kaedah yang ada dan ciri-cirinya.
1.PBF (Penyatuan Katil Serbuk)
Powder Bed Fusion ialah kaedah paling arus perdana di kalangan pencetak 3D logam dan digunakan secara meluas di seluruh dunia. Lapisan serbuk dengan serbuk logam tersebar secara sekata diimbas secara terpilih dengan sinar laser atau elektron sumber haba. Dengan mengulangi pencairan dan pemejalan, bentuk yang dikehendaki dibentuk dengan menambah lapisan pada satu masa. Setelah pembuatan selesai, serbuk di sekeliling dikeluarkan, dan binaan yang telah siap dikeluarkan. Serbuk yang dikeluarkan dikumpul dan digunakan semula untuk pembuatan lain selepas diayak.
Memandangkan Powder Bed Fusion membolehkan pembuatan dengan ketepatan dan kebolehulangan yang lebih tinggi daripada kaedah lain dan boleh menghasilkan bahagian dengan ketumpatan dan kekuatan tinggi, ia mempunyai rekod cemerlang dalam bidang aeroangkasa serta perubatan.
Gabungan katil serbuk mempunyai dua jenis sumber pemanasan, sinar laser dan elektron. Masing-masing mempunyai ciri tersendiri, yang dijelaskan secara terperinci dalam bahagian seterusnya.
【Pengilang Utama】
・Laser: EOS, sistem 3D, Nikon SLM Solutions, Colibrium Additive (bekas Konsep Laser), Matsuura Machinery Corporation, Sodick Co., Ltd.
・Rasuk Elektron: Colibrium Additive(fomer Aram), Mitsubishi Electric Corporation, JEOL Ltd.
Perbandingan sinar laser dan elektron dalam Powder Bed Fusion
Powder Bed Fusion yang diterangkan sebelum ini menggunakan serbuk logam untuk pembuatan dengan mencairkan serbuk. Laser dan pancaran elektron digunakan sebagai sumber pemanasan. Perbezaan utama adalah seperti berikut:
| Gabungan Katil Serbuk Laser | Gabungan Bed Serbuk Rasuk Elektron | |
|---|---|---|
| Keluaran maksima | Laser gentian biasa berkisar antara 400 W hingga 1 kW. Terdapat banyak instrumen dengan lebih daripada satu sumber laser. | 3kW hingga 6kW |
| Pesongan rasuk | Mekanikal (pemacu cermin Galvanometer) | Pesongan elektromagnet |
| Kelajuan imbasan rasuk | Kelajuan rendah (pesanan msec) | Kelajuan tinggi (perintah μsec) |
| Kecekapan input haba | Sebahagian besarnya bergantung pada bahan logam dan jenis laser. Secara amnya, 5-40% untuk laser gentian biasa (65% untuk titanium). | 80% atau lebih baik untuk hampir semua bahan logam |
| Suasana pembuatan | Gas tidak aktif | Vakum |
| Fungsi prapemanasan | Tiada atau sehingga kira-kira 200°C | Tersedia (sehingga kira-kira 1100°C) |
| Lain | Arus perdana dalam pencetak 3D logam. Pelbagai model peralatan. Peralatan yang agak padat. | Ruang vakum diperlukan. |
Di atas adalah perbandingan umum. Spesifikasi sistem laser berbeza-beza bergantung pada kuasa keluaran dan bilangan laser yang dipasang, serta model pengeluar peralatan.
Sekarang mari kita lihat secara khusus kelebihan dan kekurangan kaedah pancaran laser dan elektron.
Kelebihan gabungan katil serbuk laser
Pertama, kita akan membincangkan kelebihan kaedah laser.
Keupayaan mengumpul cahaya pancaran laser yang tinggi membolehkan pembuatan ketepatan tinggi bagi bentuk dan bahagian halus dengan struktur dalaman yang kompleks. Permukaan selepas pembuatan agak licin, mengurangkan keperluan untuk pemprosesan pasca, yang merupakan ciri positif kaedah ini. Instrumen boleh agak padat dan menjimatkan ruang berbanding pencetak 3D logam pancaran elektron, yang merupakan satu kelebihan. Selain itu, kerana ini digunakan secara meluas di seluruh dunia, terdapat banyak bahan dengan rekod pembuatan dan contoh aplikasi praktikal, yang merupakan ciri positif kaedah ini.
Kelemahan gabungan katil serbuk laser
Satu kelemahan ialah sukar untuk memanaskan secara seragam, jadi tegasan sisa cenderung terkumpul. Bergantung pada bahan dan bentuk logam, ubah bentuk atau keretakan mungkin berlaku. Oleh itu, pemprosesan pemanasan sering dilakukan selepas pembuatan untuk mengurangkan tekanan dalaman.
Selain itu, oleh kerana kuasa keluaran lebih rendah sedikit daripada sumber pancaran elektron dan kecekapan input haba lebih rendah, kelajuan pembuatan adalah agak perlahan. Ia tidak dapat tidak mengambil masa yang lebih lama untuk menghasilkan bahagian yang besar atau kuantiti yang banyak. Jenis berbilang laser dengan berbilang laser boleh menghasilkan bahagian yang besar, tetapi ia mengambil masa beberapa hari untuk menyelesaikan proses tersebut.
Kelebihan peleburan katil serbuk berkas elektron
Seterusnya, mari kita lihat pada pencetak logam 3D rasuk elektron.
Pencetak 3D rasuk elektron boleh mengimbas seluruh permukaan katil serbuk pada kelajuan tinggi dengan rasuk elektron sebelum cair, dan memanaskannya kepada beberapa ratus hingga seribu darjah Celsius dalam masa yang singkat. Oleh kerana proses panas (pra-pemanasan rasuk elektron) boleh menekan tekanan sisa, herotan dan keretakan binaan dapat dikurangkan. Kelebihan lain ialah ia memerlukan lebih sedikit bahan sokongan daripada kaedah laser. Rasuk elektron mempunyai kuasa keluaran yang lebih tinggi dan kecekapan penukaran tenaga haba daripada laser, menghasilkan kelajuan pembuatan yang lebih pantas, yang merupakan kelebihan apabila mengeluarkan bahagian besar atau menghasilkan kumpulan besar secara besar-besaran pada satu masa. Di samping itu, dengan kaedah pancaran elektron, pembuatan dilakukan dalam vakum, dan kesan oksigen dan lembapan boleh ditindas, oleh itu ia sesuai untuk pembuatan logam aktif seperti aloi titanium. Ia juga sesuai untuk bahan dengan kadar penyerapan rendah untuk laser gentian. termasuk logam takat lebur tinggi seperti tungsten dan molibdenum, dan kuprum tulen.
Kelemahan peleburan dasar serbuk berkas elektron
Sebaliknya, pencetak logam rasuk elektron juga mempunyai cabaran mereka.
Pertama sekali, kaedah pancaran elektron memerlukan letupan untuk mengeluarkan serbuk tersinter sementara selepas pembuatan kerana serbuk di sekeliling binaan digabungkan secara ringan semasa pemanasan awal. Jika objek pembuatan mempunyai saluran dalaman atau dalaman yang kompleks, sukar untuk mengeluarkan serbuk tersinter sementara dengan letupan. Jadi, kaedah ini tidak pandai membuat acuan dengan paip air yang rumit.
Oleh kerana diameter serbuk logam yang digunakan adalah lebih besar daripada kaedah laser, ketepatan dan kekasaran permukaan bentuk halus adalah lebih tinggi sedikit dengan kaedah laser.
Di samping itu, berbanding dengan sistem laser, tidak banyak pengeluar peralatan, dan bilangan bahan yang telah dibentuk masih terhad. Perluasan masa depan bahan yang boleh digunakan dijangka.
2.DED (Directed Energy Deposition)
DED (Directed Energy Deposition) ialah kaedah pembuatan untuk mencairkan serbuk logam dan wayar logam yang dibekalkan secara berterusan, dengan sinaran laser atau elektron atau tenaga nyahcas arka, dan mendepositkannya.
Kelajuan pembuatan lebih cepat daripada kaedah lain dan bahagian yang lebih besar boleh dibentuk, yang merupakan ciri positif.
Sebaliknya, gabungan katil serbuk secara amnya lebih unggul dari segi ketepatan dimensi dan kekasaran permukaan. Oleh kerana bentuk yang akan dibentuk adalah terhad, kaedah ini tidak pandai menghasilkan bahagian halus dan bahagian bentuk yang rumit.
Oleh kerana kaedah ini adalah untuk mendepositkan bahan daripada muncung seperti tindanan, ia boleh menambah bentuk pada pelbagai jenis logam atau bahagian. Ia digunakan secara meluas untuk membaiki bahagian. Bergantung pada instrumen, ia juga mungkin untuk membentuk pelbagai jenis logam semasa pembuatan dengan menukar logam yang akan dibekalkan.
【Pengilang Utama】
・Laser(Serbuk):DMG MORI CO., Ltd. , NIDEC MACHINETOOL CORPORATION, Nikon Corporation, Shibaura Machine Co., Ltd.
・Laser (Wayar): Mitsubishi Electric Corporation, Meltio
・Arc(Wire): WAAM3D Ltd.
・Rasuk Elektron (Wayar): Sciaky Inc., pro-rasuk
3.FDM (Pemodelan Pemendapan Bersatu)
Prinsip ini adalah sama seperti pencetak 3D resin umum. Pengilangan adalah untuk menyemperit bahan, jadi ia juga dipanggil kaedah penyemperitan bahan (MEX). Filamen serbuk logam yang dicampur dengan bahan resin termoplastik sebagai pengikat (agen pengikat) dicairkan oleh haba dan tersemperit melalui muncung untuk membentuk lapisan. Selepas terbentuk, filamen menjalani proses penyahgris untuk mengeluarkan pengikat dan kemudiannya disinter dalam relau. Memandangkan volum mengecut kira-kira 20% semasa pensinteran, pembuatan mesti dilakukan dalam saiz yang membolehkan pengecutan ini. Kehilangan bahan adalah rendah dan serbuk logam mudah dikendalikan. Berbanding dengan kaedah lain, ia adalah murah dan mudah dikendalikan, menjadikannya sesuai untuk prototaip dan pengeluaran lot kecil, tetapi ia mempunyai beberapa masalah dengan ketumpatan.
【Pengilang Utama】
Stratasys, Nano Dimension Ltd. (bekas Desktop Metal Inc. )
4.Jetting Pengikat
Serbuk logam taburan dipadatkan lapisan demi lapisan manakala pengikat cecair disembur secara selektif melalui muncung. Sama seperti FDM, pengikat dikeluarkan semasa proses penyahgris dan binaan disinter dalam relau. Semasa pensinteran, isipadu mengecut kira-kira 20%. Kaedah ini tidak memerlukan sumber haba suhu tinggi semasa pembuatan atau bahan sokongan. Sama seperti gabungan katil serbuk, serbuk logam yang tidak digunakan boleh digunakan semula. Dengan daya pengeluarannya yang tinggi, ia berkemungkinan sesuai untuk pengeluaran besar-besaran. Walau bagaimanapun, ketumpatan dan kekuatannya lebih rendah daripada gabungan katil serbuk. Ini adalah cabaran apabila memohon bahagian praktikal. Kaedah ini terutamanya baik dalam pembuatan bahagian kecil dengan bentuk halus.
【Pengilang Utama】
Dimensi Nano (bekas Desktop Metal Inc.), Markforged (bekas Logam Digital), Hewlett Packard
Selain daripada ini, terdapat kaedah seperti kaedah pemendapan supersonik (serbuk logam disembur pada kelajuan tinggi melalui muncung untuk mengikat zarah logam) dan kaedah pemendapan logam cecair (versi logam kaedah pancutan dakwat. Suspensi zarah logam adalah disembur dan diikat pada suhu tinggi untuk pemendapan).
Bahagian pencetak 3D logam
Terdapat beberapa jenis logam yang boleh diproses dengan pencetak 3D logam. Bergantung pada medan -- seperti aeroangkasa, tenaga, elektronik atau peranti perubatan -- bahan dipilih berdasarkan sifat khusus yang diperlukan untuk setiap aplikasi. Dalam bahagian ini, kami memperkenalkan ciri utama dan contoh aplikasi bagi bahan cetakan 3D logam yang mewakili.
Percetakan 3D tembaga
Pencetakan Tembaga 3D: Cabaran dan Penyelesaian Teknikal
Dengan menggunakan pencetak 3D untuk pembuatan aditif tembaga, kini boleh menghasilkan bentuk kompleks yang tidak boleh dicapai dengan kaedah pemprosesan tradisional, yang baru-baru ini menarik perhatian yang ketara.
Lajur ini menyediakan penerangan yang mudah difahami tentang pembuatan tembaga menggunakan pencetak 3D.
Percetakan 3D aloi titanium
Ciri dan Spesifikasi JEOL JAM-5200EBM
Akhir sekali, kami akan memperkenalkan JAM-5200EBM JEOL, pencetak 3D logam gabungan serbuk pancaran elektron.
JAM-5200EBM dilengkapi dengan sumber pancaran elektron berkuasa tinggi 6kW untuk merealisasikan kecekapan pengeluaran yang tinggi. Menggunakan katod hayat yang panjang, fungsi pembetulan automatik pancaran elektron, dan sistem pencegahan penyebaran serbuk, JAM-5200EBM memastikan pengeluaran boleh dihasilkan semula dengan penyinaran pancaran elektron yang stabil dalam jangka masa yang panjang.
Bagi mereka yang merancang untuk memperkenalkan pencetak 3D logam atau ingin mencari pendekatan pelaksanaan yang paling sesuai untuk keperluan mereka, kami menjemput anda untuk menghubungi kami untuk perundingan.
Lebih Banyak Produk
JAM-5200EBM Electron Beam Metal 3D Printer
Kami telah membangunkan "JAM-5200EBM", pencetak 3D logam gabungan serbuk rasuk elektron (EB-PBF), dengan menggunakan teknologi rasuk elektron yang telah kami tanam dalam mikroskop elektron dan sistem litografi rasuk elektron untuk pengeluaran semikonduktor.
Kaedah gabungan katil serbuk boleh menghasilkan acuan dengan ketumpatan dan kekuatan yang lebih tinggi berbanding kaedah pencetak 3D logam lain, dan boleh membentuk bentuk kompleks dengan ketepatan tinggi. JAM-5200EBM tidak memerlukan pengenalan gas lengai semasa pengacuan, dilengkapi dengan katod jangka hayat yang panjang, dan menggunakan teknologi pembetulan rasuk automatik definisi tinggi untuk memastikan pengeluaran yang boleh dihasilkan semula. JAM-5200EBM mampu membentuk logam takat lebur tinggi dan tembaga tulen, yang sukar dibentuk dengan pencetak laser.
Rahsia pembangunan
Trajektori Pembangunan JAM-5200EBM - Masa depan pencetak 3D logam pancaran elektron
Laporan ini memperkenalkan latar belakang pembangunan, kesukaran, dan harapan serta prospek masa depan produk dengan menemu bual ahli pasukan pembangunan termasuk ketua projek Hironobu Manabe.
JEOL Ltd.
Sejak penubuhannya pada tahun 1949, JEOL telah komited dalam pembangunan instrumen sains dan metrologi termaju, peralatan industri dan perubatan.
Hari ini, banyak produk kami digunakan di seluruh dunia dan kami dipandang tinggi sebagai syarikat yang benar-benar global.
Bertujuan untuk menjadi 'syarikat niche terkemuka yang menyokong sains dan teknologi di seluruh dunia', kami akan terus bertindak balas dengan tepat kepada keperluan pelanggan kami yang semakin canggih dan pelbagai.