3D-печать считается самым сложным технологическим достижением и важным направлением аддитивного производства. Благодаря трехмерным принтерам открываются новые возможности во всех отраслях экономики. Существует мнение, что в будущем они могут даже вытеснить традиционные способы производства (ковка, литье и т.д.). В этой статье мы рассмотрим, что такое 3D-печать металлами и основные ее технологии.

Что являет собой 3D-принтер по металлу

Это специальные машины, которые позволяют производить металлические предметы или наносить покрытие на готовые изделия. Такой принтер «выращивает» физический объект послойно. То есть сначала на компьютере в системе проектирования создается виртуальная модель в трех измерениях, поделенная на цифровые слои. После пуска объекта в печать головка 3D-принтера начинает выдавливать или высыпать порошок на печатающую платформу, образовывая первый слой. Затем машина наносит вторую порцию металла и так далее.

3D-принтер по металлу позволяет создавать большой ассортимент изделий и, благодаря современным технологиям, может оказать конкуренцию классическим методам металлопроизводства.

Что можно напечатать 3D-принтером?

Этот принтер является универсальным изобретением, которым могут пользоваться как профессионалы, так и простые энтузиасты. Металлопринтеры можно применять для изготовления нестандартных объектов, механических деталей, ювелирных изделий. Они также позволяют создавать изделия из металла, имитирующие ручную ковку. И для этого не нужны дополнительные устройства и механизмы.

Промышленный 3D-принтер по металлу может напечатать даже ракетный двигатель. При этом он практически не будет отличаться от изделия, изготовленного традиционным методом. Таким образом, металлопринтер дает возможность современному человеку создавать любые предметы.

по металлу

На сегодняшний день изготовление изделий из металла осуществляется двумя технологиями: лазерной и струйной печатью. Они подразумевают постепенное и аккуратное наслаивание металла, в результате чего должна получиться задуманная фигура. В то же время инженеры разработали несколько способов выращивания.

Струйная трехмерная печать

Изготовление изделий из металла струйной печатью является одним из старейших способов аддитивного производства. Он позволяет наилучшим способом использовать металлы в качестве расходных материалов. Но эта технология применима только лишь в случае создания композитной модели. Дело в том, что струйный 3D-принтер позволяет печатать объекты из любого материала, который может быть переработан в порошок. Во время печати измельченное сырье связывается полимерами. Из-за этой технологической особенности готовые изделия нельзя считать полностью металлическими.

Кроме того, существует возможность преобразовать полученные композитные модели в цельнометаллические. Для этого применяют термическую выплавку или выжигание полимеров и спекание порошкообразного металла. Такие изделия из металла не являются прочными, поскольку имеют пористую структуру. Добавить прочности можно за счет пропитки другим металлом. Например, стальной предмет станет более прочным, если его пропитать бронзой.

Этот метод создания изделий в основном применяется в сувенирной и ювелирной промышленности.

Метод ламинирования

3D-печать способом ламинирования подразумевает нанесение на платформу , сформированных лазерной или механической резкой, и их склеивание для получения объемной модели. Этот метод позволяет использовать в качестве расходного материала даже металлическую фольгу. Ламинированные объекты не обладают металлической прочностью, поскольку их целостность основана на склеивании связуемых листов.

Преимуществом этой технологии считается относительная дешевизна и возможность создавать разнообразные предметы, идентичные с цельнометаллическими изделиями. Наиболее часто печать ламинированием используется для создания макетов.

Послойное наплавление

Этот метод 3D-печати основан на использовании легкосплавных материалов. Имеющиеся в принтере экструдеры не способны выдерживать высокие температуры. Поэтому создавать объекты из чистого металла и сплавов практически невозможно. Таким образом, разработчики расходных материалов начали выпускать специальное композитное сырье. Примером такого решения служит материал, состоящий из термопластика и

Принтер по металлу такого типа печатает предметы, которые по внешнему виду невозможно отличить от цельнометаллического изделия. Но физические свойства таких объектов существенно хуже. Поэтому послойное наплавление применяется исключительно для создания макетов, сувениров, предметов интерьера. Сейчас инженеры ищут сферы промышленности, где допустимо применять эту технологию производства. Так, термопластик с металлическим наполнителем можно использовать для печати электронных плат.

Выборочное лазерное и прямое спекание

Выборочное лазерное спекание металлов позволяет работать не только с прочным материалом, но и с термопластиком. Здесь создание трехмерных объектов происходит с помощью лазерных установок путем спекания металлического порошка. Довольно часто для снижения мощности лазерных излучателей на металлический материал наносят более легкоплавкое покрытие. В таких случаях для повышения прочности готовых изделий требуется дополнительное их спекание и пропитка металлами.

Разновидностью описанного метода является прямое лазерное спекание металлов. Эта технология ориентирована на работу с чистым металлом порошкообразного вида. Для реализации этой цели в 3D-принтере имеются специальные герметичные камеры, наполненные инертным газом. Также печатная машина применяет подогрев расходного материала до температуры, при которой он плавится, но еще не кипит. Это позволяет сократить время печати и экономить на мощности лазерных установок.

Печать методом лазерного спекания происходит слоями. На рабочую платформу машина наносит тонкий слой подогретого порошка, частицы которого спекаются между собой и с предыдущим слоем. Лазерный луч постоянно меняет свое направление с помощью системы зеркал.

Лазерное спекание дает возможность создавать сложные конструкции без дополнительных опор. Таким образом, эта технология используется для создания высокоточных деталей, не требующих последующей механической обработки, а также для производства цельных моделей такого уровня сложности, который невозможно осуществить обычным литьем.

Лазерное спекание позволяет работать со сталью, никелевыми сплавами, титаном, драгоценными металлами и т. д.

Выборочная лазерная и электронно-лучевая плавка металлов

Хотя модели, полученные лазерным спеканием металла, обладают высоким качеством, они имеют ограниченное применение. Пористая структура готовых объектов снижает их прочность. Такие изделия малопригодны для промышленного применения, а больше используются для создания макетов и прототипов. Для производства прочных и устойчивых к нагрузкам моделей инженеры преобразовали технологию прямого лазерного спекания в метод лазерной плавки. В его основе лежит сильная термическая обработка металлического порошка для получения гомогенного предмета. Объекты, напечатанные этим способом, фактически не отличаются по механическим и физическим свойствам от аналогов, изготовленных традиционными методами.

Параллельно с этой применяется технология электронно-лучевой плавки. Она дает возможность создавать объекты с той же точностью и разрешением, но имеет определенные преимущества. Так, 3D-принтер по металлу такого типа вместо электромеханических зеркальных систем оснащен электронными пушками. Это позволяет машине работать на сравнительно больших скоростях, что повышает производительность без существенных осложнений процесса. Такая технология является отличной альтернативой традиционному промышленному производству, где используется (печи и литые формы).

Принтеры для лазерной и электронно-лучевой плавки в основном применяются для производства деталей реактивных двигателей и ортопедических протезов.

Прямое лазерное аддитивное построение

3D-принтер по металлу прямого лазерного построения используется для ремонта готовых изделий. В основе технологии такой машины лежит принцип напыления частиц металлического порошка на поврежденные части объекта и их плавку лазером. Этот метод характеризуется узкой специализацией и применяется исключительно в промышленных целях.

Печатная головка принтера такого типа перемещается в трех плоскостях и вращается вокруг вертикальной оси. Таким образом, она работает под любым углом.

Подобные машины используются для ремонта сложных механизмов и крупногабаритных изделий. Например, для починки авиационных двигателей.

Стоимость 3D-принтера по металлу

Сегодня на рынке представлен большой ассортимент машин, позволяющих создавать трехмерные металлические объекты. Их стоимость зависит от бренда и технологии печати. Так, промышленный 3D-принтер по работе с металлом, на котором можно распечатать двигатель, стоит десятки тысяч долларов США. Более доступные машины можно купить значительно дешевле, но качество изделий будет хуже. Чтобы решить эту проблему, инженеры разрабатывают 3D-принтер по металлу, цена на который будет намного ниже при полной готовности к эксплуатации.

3D-печать металлами можно считать одним из наиболее заманчивых и технологически сложных направлений аддитивного производства. Попытки печати металлами предпринимались с ранних дней развития технологий 3D-печати, но в большинстве случаев упирались в технологическую несовместимость. В этом разделе мы рассмотрим технологии, опробованные для печати как композитными материалами, содержащими металлы, так и чистыми металлами и сплавами.

Струйная трехмерная печать (3DP)

Схема работы трехмерных струйных принтеров (3DP)

Струйная 3D-печать является не только одним из старейших методов аддитивного производства, но и одним из наиболее успешных в плане использования металлов в качестве расходных материалом. Однако необходимо сразу же пояснить, что это технология позволяет создавать лишь композитные модели ввиду технологических особенностей процесса. Фактически, этот метод позволяет создавать трехмерные модели из любых материалов, которые могут быть переработаны в порошок. Связывание же порошка осуществляется с помощью полимеров. Таким образом, готовые модели нельзя назвать полноценно «металлическими».

В то же время, существует возможность преобразования композитных моделей в цельнометаллические за счет термической обработки с целью выплавки или выжигания связующего материала и спекания металлических частиц. Получаемые таким образом модели не обладают высокой прочностью ввиду пористости. Увеличение прочности возможно за счет пропитки полученной цельнометаллической модели. Например, возможна пропитка стальной модели бронзой с получением более прочной конструкции.

Получаемые подобным образом модели, даже с металлической пропиткой, не используются в качестве механических компонентов ввиду относительно низкой прочности, но активно используются в ювелирной и сувенирной промышленности.

Печать методом ламинирования (LOM)

Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию ламинирования (LOM)

3D-печать методом ламинирования подразумевает последовательное нанесение тонких листов материала с формированием за счет механической или лазерной резки и склеиванием для получения трехмерной модели.

В качестве расходного материала может использоваться и металлическая фольга.

Получаемые модели не являются полностью металлическими, так как их целостность основана на применении клея, связующего листы расходного материала.

Плюсом же данной технологии является относительная дешевизна производства и высокое визуальное сходство получаемых моделей с цельнометаллическими изделиями. Как правило, этот метод используется для макетирования.

Послойное наплавление (FDM/FFF)

Модель, изготовленная из BronzeFill до и после полировки

Наиболее популярный метод 3D-печати также не обошел стороной попытки использования металлов в качестве расходных материалов. К сожалению, попытки печати чистыми металлами и сплавами на данный момент не привели к значительным успехам. Использование тугоплавких металлов натыкается на вполне предсказуемые проблемы с выбором материалов для конструкции экструдеров, которые, по определению, должны выдерживать еще более высокие температуры.

Печать же легкоплавкими сплавами (например, оловом), возможна, но не дает достаточно качественной отдачи для практического применения.

Таким образом, в последнее время внимание разработчиков расходных материалов переключилось на композитные материалы по аналогии со струйной печатью. Типичным примером служит BronzeFill – композитный материал, состоящий из термопластика (детали не разглашаются, но, по всей видимости, используется PLA-пластик) и бронзового порошка. Получаемые модели имеют высокую визуальную схожесть с натуральной бронзой и даже поддаются шлифовке до глянца. К сожалению, физические и химические свойства готовых изделий ограничены параметрами связующего термопластика, что не позволяет классифицировать такие модели, как цельнометаллические.

Тем не менее, подобные материалы могут получить практическое применение не только в создании макетов, сувениров и предметов искусства, но и в промышленности. Так, эксперименты энтузиастов показали возможность создания проводников и экранирующих материалов с использованием термопластиков с металлическим наполнителем. Развитие этого направления может сделать возможной печать электронных плат.

Выборочное лазерное спекание (SLS) и прямое спекание металлов (DMLS)

Наиболее распространенный метод создания цельнометаллических трехмерных моделей подразумевает использование лазерных установок для спекания частиц металлического порошка. Данная технология именуется «выборочным лазерным спеканием » или SLS. Стоит отметить, что SLS используется не только для работы с металлами, но и с термопластиками в порошковом виде. Кроме того, металлические материалы зачастую покрываются более легкоплавкими материалами для снижения необходимой мощности лазерных излучателей. В таких случаях готовые металлические модели требуют дополнительного спекания в печах и пропитки для повышения прочности.

Разновидностью технологии SLS является метод прямого лазерного спекания металлов (DMLS) , ориентированный, как понятно из названия, на работу с чистыми металлическими порошками. Данные установки зачастую оснащаются герметичными рабочими камерами, наполняемыми инертным газом для работы с металлами, подверженными оксидации – например, с титаном. Кроме того, DMLS-принтеры в обязательном порядке применяют подогрев расходного материала до точки чуть ниже температуры плавления, что позволяет экономить на мощности лазерных установок и ускорять процесс печати.

Схема работы SLS, DLMS и SLM установок

Процесс лазерного спекания начинается с нанесения тонкого слоя подогретого порошка на рабочую платформу. Толщина наносимых слоев соответствует толщине одного слоя цифровой модели. Затем производится спекание частиц между собой и с предыдущим слоем. Изменение траектории движения лазерного луча производится с помощью электромеханической системы зеркал.

По завершении вычерчивания слоя лишний материал не удаляется, а служит опорой для последующих слоев, что позволяет создавать модели сложной формы, включая навесные элементы, без необходимости построения дополнительных опорных структур. Такой подход вкупе с высокой точностью и разрешением позволяет получать детали, практически не требующие механической обработки, а также цельные детали уровня геометрической сложности, недосягаемого традиционными производственными методами, включая литье.

Лазерное спекание позволяет работать с широким ассортиментом металлов, включая сталь, титан, никелевые сплавы, драгоценные материалы и др. Единственным недостатком технологии можно считать пористость получаемых моделей, что ограничивает механические свойства и не позволяет добиться прочности на уровне литых аналогов.

Выборочная лазерная (SLM) и электронно-лучевая плавка (EBM)

Несмотря на высокое качество моделей, получаемых лазерным спеканием, их практическое применение ограничивается сравнительно низкой прочностью ввиду пористости. Подобные изделия могут быть использованы для быстрого прототипирования, макетирования, производства ювелирных изделий и многих других задач, но малопригодны для производства деталей, способных выдерживать высокие нагрузки. Одним решением это проблемы стало преобразование технологии прямого лазерного спекания металлов (DMLS) в технологию аддитивного производства методом лазерной плавки (SLM) . Фактически, единственным принципиальным различием этих методов является степень термической обработки металлического порошка: технология SLM основана на полной плавке для получения гомогенных моделей, практически неотличимых по физическим и механическим свойствам от литых аналогов.

Пример титанового имплантата, полученного с помощью технологии электронно-лучевой плавки (EBM)

Параллельным методом, достигшим прекрасных результатов, стала электронно-лучевая плавка (EBM) . На данный момент существует лишь один производитель, создающий EBM-принтеры – шведская компания Arcam.

EBM позволяет достигать точности и разрешения, сравнимых с лазерной плавкой, но обладает определенными преимуществами. Так, использование электронных пушек позволяет избавиться от деликатных электромеханических зеркальных систем, используемых в лазерных установках. Кроме того, манипулирование электронными пучками с помощью электромагнитных полей возможно на скоростях, несравнимых более высоких по сравнению с электромеханическими системами, что вкупе с увеличением мощности позволяет добиться повышенной производительности без существенного усложнения конструкции. В остальном же, конструкция SLM и EBM-принтеров схожа с установками для лазерного спекания металлов.

Возможность работы с широким диапазонам металлов и сплавов позволяет создавать мелкие партии специализированных металлических деталей, практически не уступающих образцам, получаемым с помощью традиционных методов производства. При этом отсутствует необходимость создания дополнительных инструментов и инфраструктуры – таких как, литейные формы и печи. Соответственно, возможна значительная экономия при прототипировании или мелкосерийном производстве.

Установки для лазерной и электронно-лучевой плавки успешно используются для производства таких предметов, как ортопедические титановые протезы, лопатки газовых турбин и форсунки реактивных двигателей среди прочих.

Прямое лазерное аддитивное построение (CLAD)

Схема работы установок, использующих технологию CLAD

Не столько технология 3D-печати, сколько технология «3D-ремонта». Технология применяется исключительно на промышленном уровне ввиду сложности и относительно узкой специализации.

В основе CLAD лежит напыление металлического порошка на поврежденные детали с немедленной наплавкой с помощью лазера. Позиционирование «печатной головки» осуществляется по пяти осям: вдобавок к перемещению в трех плоскостях, головка обладает способностью изменять угол наклона и поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет работать под любым углом.

Подобные устройства зачастую используются для ремонта крупногабаритных изделий, включая производственный брак. Например, установки французской компании BeAM используются для ремонта авиационных двигателей и других сложных механизмов.

Полноценные установки CLAD предусматривают использование герметичной рабочей камеры с инертной атмосферой для работы с титаном и другими металлами и сплавами, поддающимися оксидации.

Произвольная электронно-лучевая плавка (EBFȝ)

Схема работы EBFȝ принтеров

Технология, разрабатываемая специалистами НАСА для применения в условиях невесомости. Так как отсутствие гравитации делает работу с металлическими порошками практически невозможной, технология EBFȝ подразумевает использование металлических нитей.

Процесс построения схож с 3D-печатью методом послойного наплавления (FDM), но с использованием электронно-лучевой пушки для плавки расходного материала.

Данная технология позволит создание металлических запасных частей на орбите, что позволит существенно сократить затраты на доставку частей и обеспечит возможность быстрого реагирования на внештатные ситуации.

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

Новейшие технологии и приборы уже ни у кого не вызывают особого восторга, каждый год на рынке появляется что-то новое и оригинальное. Также произошло и с 3D принтером. Есть много его разновидностей, каждая из них работает с различными материалами. Но предпринимателей, и людей, которые собираются организовать свое производство, заинтересовал 3Д принтер, работающий по металлу.

Этот новый удобный прибор может стать прекрасным выбором для организации своего бизнеса. Купив небольшую домашнюю модель, можно начать производство единичных заказов, а потом развернуться и выйти на более масштабное производство. Но давайте обо всем по порядку.

Разновидности принтеров

Ультрасовременные принтеры с трехмерной печатью, способны творить с материалами разной фактуры. Но в последнее время большая часть приборов основывается на работе, в которой расходным сырьем является металл в виде порошка. 3D принтер печатающий только металлом делиться на три основные типа:

1. Струйный. Он создает прототипы из металлов, таких как свинец или олово.
2. Трехмерный, который работает на основе металлического порошка, с эффектом склеивания. Подобные устройства печатают прототип, его же дальше нужно подвергнуть обжигу, но создаваемая ним продукция не отличается хорошими свойствами качества.
3. Лазерный 3D принтер производящий печать металлом. Данные детали чаще всего используют на предприятиях большого масштаба, и цена у них немаленькая.

Каждая из описанных моделей имеет свои плюсы и минусы, но самым лучшим все-таки считается лазерный . В настоящее время можно приобрести модель, которая выдает прототипы отличного качества и в небольших количествах. В таблице ниже приведены несколько принтеров, выпускающих продукцию хорошего качества.

С любого из описанных выше вариантов можно начать свое дело. Те модели, что подешевле не отличаются качеством выпускаемой продукции от дорогих. Каждая модель производит печать металлом, а его применяют в нескольких технологиях.

Виды технологий для 3D печати

Каждая из существующих технологий по-своему хороша. Какую же выбрать для начала свое дела, чтобы начать резкий старт и за короткое время заработать на хороший 3D принтер? В таблице ниже описаны все процессы, где используют металл в виде порошка.

Название технологии	Принцип работы
SLS	В переводе означает селективное спекание при помощи лазера, во время этого процесса можно создавать минимальное количество продукции.
SLM	Эта технология означает селективное направление частиц металла посредством лазера, они подвергаются плавке и сварке, после этого получается очень жесткое основание. Этот процесс ведется в вакуумной камере, заполненной внутри газом.
EBM	А эта технология обозначает электронно-лучевую плавку металлического порошка, под воздействием электронных лучей он расплавляется. При помощи данной технологии выпускаются модели, которые применяют в медицине, аэрокосмической промышленности и при строении автомобилей.

Теперь стоит внимательно рассмотреть каждую технологию подробнее, чтобы точно определиться, каким должен быть домашний 3D принтер, печатающий по металлу. Каждая технология имеет свои плюсы, но и минусы также есть. Только разобравшись в каждой из них, можно сделать рациональный выбор, который позволит с малым бюджетом, приобрести хорошую и удобную в работе модель.

SLS. Выборочное лазерное спекание создается на основе лазерных излучателей высокой мощности. Во время работы все частицы металла спекаются, и в результате получается 3D прототип. Но также спекание может проводиться и без использования компонентов, помогающих связке. Прототип изготавливается слоями: сначала он погружается в фотополимерную смолу, после наносится порошок, а на компьютере указывается, какие места должны обрабатываться лазерным лучом.

Во время печати порошком остаются отсевы, их можно использовать и в дальнейшем, как поддерживающая поверхность для создания других моделей. Подобный подход позволит удешевить печать. Но есть у данной технологии и минус – структура выпускаемой продукции пористая, поэтому требует дальнейшей обработки, во время которой будет повышена плотность.

Дешевый 3D принтер, печатающий по металлу sPro 140 или sPro 230 – это отличный выбор для начала бизнеса. Эти две модели создают печать по технологии SLS и способны сделать даже миниатюрные детали, к тому же они будут отлично детализированы. Также во время печати на них, все материалы расходуются экономно.

SLM. Эта технология подразумевает плавку при помощи металлического порошка, под воздействием лазерного луча. Платформа, на которую наносится материал, медленно опускается, формируя, таким образом, слои 3D детали. Если выбирать принтер из этой модели, то лучшим выбором станет Pro. X100 – это мини модель. С ее помощью можно создать химически чистые прототипы из металла и керамики.

Принтер, печатающий по этой технологии, стоит недешево, но при этом способен создать очень хорошие и качественные модели, он станет прекрасным выбором в случае расширения бизнеса, а вот для начала своего дела стоит дороговато.

Сохраните статью в 2 клика:

Начиная свой бизнес с печати 3D моделей, стоит в первую очередь выбрать хороший и удобный принтер, который будет работать на нужной вам технологии и производить качественные модели. Не стоит обращать внимание сразу на дорогостоящие варианты, они не всегда могут помочь сделать первые шаги и найти рынок сбыта. Начинать лучше с компактного принтера, который будет создавать востребованные 3D прототипы.

Вконтакте

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)