3д принтер производство деталей из металла. Основные характеристики изделий из металлического порошка

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.

Промышленное прототипирование объектов с помощью технологии 3D-печати, пока еще только набирает свои обороты завоевывая сердца все больших и больших промышленных предприятий. Разумеется, такая тяжеловесная область человеческой деятельности не может перейти на новую технику за один день. Однако те, кто уже попробовал быстрое прототипирование, немедленно понимают все преимущества такого подхода и делают все, чтобы изготовление прототипов их объектов происходило только в такой способ.

А преимуществ здесь (во всяком случае, основных) ровно три: скорость, точность и стоимость. Несмотря на мнимую медлительность промышленных 3D принтеров, общее временные затраты на изготовление одного прототипа разительно отличаются от традиционных методов. Что же до точности: можно сказать лишь то, что в современных реалиях нам вообще не приходится говорить о какой-либо технологии, которая хотя бы близка к аддитивному производству по точности в изготовлении деталей. Стоимость же каждой детали, при наличии должного оборудования, ограничивается лишь стоимостью расходных материалов и разработки 3D модели.

Top 3D Shop: лучшие макеты для промышленности

Выбор программ для создания 3D-моделей, уже на сегодняшний день заставляет глаза разбегаться в разные стороны. Причем на выбор существуют программы разной сложности, начиная от самых простых и заканчивая ПО предназначенным исключительно для профессионалов. Один единственный клиент выделить просто невозможно. Однако среди прочих, можно выделить производителя Autodesk, являющегося крупнейшим в мире поставщиков программ для инженеров, архитекторов, строителей и т.д.

Почти каждый, кто хоть раз подобного рода задачами знает, что золотым правилом создания прототипа является небольшой промежуток времени, потраченный на его изготовление. А раз ничего быстрее, чем аддитивное производство для этой цели нет, разве выбор не очевиден?

Металл в истории человечества - с незапамятных времен. Конечно же, первобытные способы его обработки несравнимы с современными. Раньше для того, чтобы сделать железный или оловянный наконечник для стрелы, требовались дни, а то и недели тяжелого ручного труда. Теперь же все намного проще - довольно сложный в технологическом плане процесс почти полностью автоматизирован.

Правда, металлические изделия нестандартной формы делать иногда приходится все-таки вручную. Сначала отливают форму, потом с ее помощью получают заготовку, которую шлифуют, наносят резьбу, гравируют… Это, опять же, долго и к тому же затратно.

По крайней мере, так было до тех пор, пока не придумали 3d печать из металла. Ее преимущества:

− облегчение довольно трудоемкого процесса;

− возможность создавать конструкции и предметы высокой степени сложности;

− сокращение времени, необходимого на выполнение заказа;

− безвредный и гораздо менее затратный способ производства.

3d печать металлом: волшебство рождения

Интересно наблюдать за гончаром, который из куска серой глины ваяет совершенной формы сосуды. Кажется, он просто высвобождает из бесформенной массы уже существующий образ, убирая все лишнее.

Не менее удивительна и 3d печать металлом, которая появилась сравнительно недавно и сразу же была высоко оценена производственниками. Она позволяет быстро и качественно делать детали и предметы, процесс создания которых при использовании традиционных технологий (ковки или литья) занимает слишком много времени. Например, для того, чтобы сделать эксклюзивную дверную ручку, украшенную витиеватым узором, ранее нужно было сначала изготовить форму, потом отлить и отшлифовать заготовку. Не каждый мастер мог взяться за такой заказ.

Металлическая 3d печать открыла неизведанные производственные возможности, которые позволяют экономить не только время (значительно сократился технологический процесс), но и сырье. Конечно же, только специальный 3d принтер печать металлом может выполнять. Своим внешним видом он напоминает духовой шкаф, а производственный процесс похож на увлекательный иллюзион. Еще бы - в емкости, заполненной металлическим порошком, вдруг начинают проступать контуры заготовки. Сначала - нечетко, а потом - все более отчетливо и уверенно…

Одна из технологий нетрадиционной обработки сырья - SLS. Она предполагает использование лазера: его луч нагревает и спекает металлический порошок по контуру будущей детали, который задается компьютером, соединенным с принтером. Частицы плавятся, превращаясь в фигурный монолит - именно так делают детали сложной конфигурации. Когда процесс завершается, заготовку достают из контейнера с порошком, тщательно очищают и шлифуют. Таким образом, 3д печать металл, измельченный в порошок, облекает в форму - нередко самую удивительную. При этом цена полностью автоматизированного высокоточного производства - значительно ниже ручного труда.

3d печать на заказ из металла позволяет создавать опытные образцы новых механизмов, детали разной степени сложности одним нажатием кнопки «пуск», дающей команду запуска принтеру. При вполне доступной цене высококачественная 3д печать из металла на заказ - это большие возможности для выполнения сложных производственных задач с минимальными затратами.

Фото Desktop Metal

Компания Desktop Metal создала новую технологию и первый компактный принтер для 3D-печати металлом. Первые поставки систем начнутся уже осенью этого года. Один принтер будет компактным, благодаря чему его можно будет разместить даже на столе.

В 2015 году четыре профессора из MIT основали компанию Desktop Metal. Среди них был и знаменитый Эмануил Сакс – тот самый изобретатель, который и придумал в 1989 году первый 3D-принтер. В прошлом году они в первые представили устройства для печати металлом. Всего их на данный момент будет два. Компактный комплект DM Studio по цене 120 000$ и DM Production (420 000$), предназначенный для использования промышленными компаниями. Production способна печатать 8200 кубических сантиметров изделия за час, что в 100 раз быстрее нынешних способов изготовления.

Технология

Суть заключается в использовании аддитивной технологии 3D-печати, позволяющей выращивать заготовку из металлического порошка с использованием связующего вещества. Один слой печати по толщине равен человеческому волосу. После нанесения слоя принтер его подсушивает и наносит следующий слой за слоем.

После того, как заготовка готова, она для спекания помещается в миниатюрную плавильную печь, использующую дополнительно микроволны, благодаря которым ускоряется процесс и сама деталь существенно усиливается. Сама заготовка не плавится, так как нагрев происходит при температуре ниже точки плавления металла, во время которой из детали удаляется связующее вещество.

Видео как работает такой принтер:

Оба устройства способны использовать на данный момент чуть более 200 сплавов.

Почему технология 3D-печати от DM является подрывной? Минусом всех подобных других устройств является то, что скорость печати металлом очень низкая и сам процесс настолько неудобный, что их использование в промышленных целях было нецелесообразным. Причем детали, получаемые из них, чаще всего, либо просто не подходят для использования в каких-то серьезных целях, либо еще и требуют существенной дополнительной обработки.

Пример работы 3D-принтера ExOne:

ExOne до появления принтеров от DM считался одним из самых передовых и инновационных.

Также существуют и другие технологии печати, путем выращивания детали из расплава, а также наплавки, но точность их очень низкая и, как говорилось выше, требует последующей обработки.

Благодаря своим инновациям, подтвержденным 138 патентами, компании Desktop Metal удалось в октябре 2015 года привлечь инвестиций размером в 97 000 000$ от Google, BMW Group, GE, Lowe’s, NEA, Kleiner Perkins Caufield & Byers, Lux Capital, Saudi Aramco и лидера в сфере 3D-печати Stratasys.

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)

Сегодня в 3D-печати нет более актуального тренда, чем металл. Мы расскажем про металлическую печать в домашних условиях, как это делается в промышленным масштабах, о технологиях, приложениях, принтерах, процессах, ценах и материалах.

Последние несколько лет 3D-печать металлом активно набирала популярность. И это вполне естественно: каждый материал предлагает уникальное сочетание практических и эстетических качеств, может подходить для широкого круга изделий, прототипов, миниатюр, украшений, функциональных деталей и даже кухонной утвари.

Причина, по которой 3D-печать металлом стала столь популярной, заключается в том, что напечатанные объекты можно выпускать серийно. На самом деле, некоторые из напечатанных деталей так же хороши (если не лучше), как и те, которые изготавливаются традиционными способами.

При традиционном производстве работа с пластиком и металлом может оказаться довольно расточительной — появляется масса отходов, используется немало лишнего материала. Когда авиапроизводитель делает детали из металла, до 90% материала просто обрезается. 3D-напечатанные металлические детали требуют меньше энергии, а количество отходов сокращается до минимума. Немаловажно и то, что конечный напечатанный 3D-продукт оказывается до 60% легче традиционной детали. На одной только авиационной промышленности — главным образом за счет снижения веса и экономии топлива — можно сэкономить миллиарды долларов.

Итак, что же нам надо знать про 3D-печать металлами?

3D-печать металлом в домашних условиях

Если вы хотите изготавливать дома объекты, которые будут выглядеть, как металлические, лучше всего обратить внимание на металлизированные PLA-филаменты (Фото: colorFabb)

С чего начать, если хочется печатать металлические объекты в домашних условиях? Учитывая экстремально высокую температуру, которая требуется для настоящей 3D-печати металлом, обычным FDM 3D-принтером сделать это не получится.

Едва ли в это десятилетие появится возможность печатать жидким металлом в домашних условиях. До 2020 года у вас, вероятно, не появится дома специализированного для этих целей принтера. Но через несколько лет, по мере развития нанотехнологий, мы можем стать свидетелями существенного развития новых приложений. Это может быть 3D-печать проводящим серебром, которое будет испускаться примерно так же, как это происходит в двумерных домашних принтерах. Станет возможным даже смешивать в одном объекте различные материалы вроде пластика и металла.

Материалы для металлической 3D-печати в домашних условиях

Даже несмотря на то, что вы не можете печатать в домашних условиях собственно металлические объекты, можно обратиться к пластиковому филаменту, в который добавлены металлические порошки. Bestfilament , ColorFabb , ProtoPasta и TreeD Filaments предлагают интересные композитные металло-PLA филаменты. Эти филаменты, содержащие значительный процент металлических порошков, остаются достаточно пластичными для того, чтобы ими можно было печатать при низкой температуре (от 200 до 300 по Цельсию) на практически любом 3D-принтере. В то же самое время они содержат достаточно металла, чтобы конечный объект выглядел, создавал тактильное ощущение и даже весил, как металлический. Филаменты на основе железа в определенных условиях даже ржавеют.

Но можно пойти и дальше. Обычно в филамент для 3D-печати добавляется до 50 процентов металлического порошка. В голландской компании Formfutura заявляют, что им удалось добиться 85-процентного содержания металлического порошка при 15 процентах PLA. Эти филаменты называются MetalFil Ancient Bronze и Metalfil Classic Copper . Ими можно печатать даже при «умеренных» температурах от 190 до 200 градусов Цельсия.

Катушки филамента для металлической 3D-печати, в данном случае от SteelFill и CopperFill colorFabb (Сталь и бронза), Ancient Bronze (Старинная бронза) от Formfutura

Вот ключевые моменты о металлической печати в домашних условиях

• Получается уникальная металлическая поверхность и вид
• Идеальный вариант для украшений, статуэток, бытовой утвари, реплик
• Долговечность
• Объекты не гибкие (зависит от структуры)
• Объекты не растворяются
• Не считаются безопасными для продуктов питания
• Обычная температура печати: 195 — 220 °C
• Крайне малая усадка при охлаждении
• Подогрева стола не требуется
• Сложность печати высокая, требуется тонкая настройка температуры сопла, скорости подачи, постобработки

Подготовка домашнего принтера к металлической 3D-печати

Поскольку получение металлических 3D-распечаток — дело более сложное, чем обычно, вам может понадобиться сделать апгрейд сопла 3D-принтера, особенно, если речь идет о принтере начального уровня. Металлический филамент быстро его изнашивает. Существуют износостойкие хот-энды (например, E3D V6), которые сами сделаны из металла. Они могут противостоять высоким температурам и подходят к большинству принтеров. Будьте готовы к тому, что сопла придется заменять часто, потому что металлический филамент очень абразивен.

Также вам нужно будет позаботиться о конечной доводке поверхности (чистке, зачистке, смазке, покрытии воском или грунтом), чтобы напечатанный металлический объект блестел как положено.

Почём металлический филамент для 3D-печати?

И почем же металлический филамент для 3D-печати? — спросите вы. Вот несколько примеров:

• 500-граммовая катушка BFSteel и BFBronse от Bestfilament стоит 1600-1800 ₽
• 750-граммовая катушка Bronzefill от ColorFabb стоит $56,36
• 750-граммовая катушка Copperfill от ColorFabb стоит $56,36
• PLA-композит Polishable Stainless Steel от Protopasta стоит $56 за 56 граммов
• PLA-композит Rustable Magnetic Iron от Protopasta стоит $34.99 за 500 граммов

Металлическая 3D-печать в промышленности

Но что если вам требуется более качественный результат или даже полностью металлическая 3D-печать? Следует ли для бизнес-нужд приобретать реально «металлический» 3D-принтер? Мы бы не советовали — если только вы не собираетесь заниматься этим каждый день. Стоит профессиональный 3D-принтер металлом дорого: аппараты фирм EOS или Stratasys обойдутся вам в 100-500 тысяч долларов. Кроме того, расходы окажутся еще больше, поскольку вам придется нанять оператора, работника для обслуживания аппарата, а также для конечной доводки распечаток (полировки, например). Просто отметьте для себя: в 2016 году приемлемого по цене металлического 3D-принтера не существовало.

Снижаем затраты на металлическую 3D-печать

В случае если вы не собираетесь открывать дело по 3D-печати металлом, но вам всё же требуется профессионально выполненная на 3D-принтере металлическая деталь, лучше обратиться в соответствующую фирму, которая оказывает такие услуги. Сервисы 3D-печати, подобные Shapeways, Sculpteo и iMaterialise, предлагают прямую печать металлом.

В настоящее время при 3D-печати они работают со следующими металлическими материалами:

• алюминий
• сталь
• латунь
• бронза
• стерлинговое серебро
• золото
• платина
• титан

Если вы ювелир, вы можете также заказать восковые модели для отливки из благородных металлов.

Если говорить о восковых моделях, то в большинстве случаев именно они (с последующим расплавлением) используются при печати металлами (включая золото и серебро). Не все заказы выполняются непосредственно этими фирмами. Обычно, чтобы выполнить заказ, они обращаются к другим компаниям, специализирующимся на металлической 3D-печати. Впрочем, число подобно рода сервисов во всем мире быстро растет. Кроме того, техника для 3D-печати металлом получает все большее распространение в фирмах, которые предлагают такие услуги.

Причина, по которой крупные компании так полюбили 3D-печать, заключается в том, что на ее основе можно построить полностью автоматизированные линии, выпускающие «топологически оптимизированные» детали. Это означает, что появляется возможность точно выделять исходные материалы и делать компоненты толще лишь в том случае, если они должны выдерживать большие нагрузки. В целом масса деталей существенным образом уменьшается, а их структурная целостность при этом сохраняется. И это не единственное преимущество данной технологии. В некоторых случаях продукт получается существенно дешевле и доступным по цене практически всем.

Имейте, пожалуйста, в виду, что 3D-печать металлом требует для моделирования специальных CAD-программ. Стоит обратить внимание на рекомендации Shapeways — 3D printing metal guidelines . Чтобы еще больше углубиться в тему, посмотрите Statasys’ information по соответствующим 3D-принтерам и нюансам металлической 3D-печати.

Вот несколько примеров цены тестовой модели Benchy при металлической 3D-печати:

• Металлический пластик: $22,44 (бывший алюмид, PLA с алюминием)
• Нержавеющая сталь: $83,75 (плакированная, полированная)
• Бронза: $299,91 (сплошная, полированная)
• Серебро: $713,47 (сплошная, зеркальной полировки)
• Золото: $87,75 (плакированная золотом, полированная)
• Золото: $12 540 (сплошная, золото 18 карат)
• Платина: $27 314 (сплошная, полированная)

Как и следовало ожидать, что цены на сплошную металлическую 3D-печать довольно высоки.

Металлическая 3D-печать. Применения

Детали авиадвигателя GE LEAP, напечатанные на 3D-принтере на фабрике Avio Aero (Фото: GE)

Есть несколько отраслей, в которых уже применяются 3D-принтеры для изготовления объектов повседневного пользования — вы можете даже не знать, что эти объекты напечатаны.

• Наиболее распространенный случай — хирургические и зубные импланты, которые в таком исполнении сегодня считаются лучшим вариантом для пациентов. Причина: они могут быть приспособлены под индивидуальные особенности.
• Другая отрасль — ювелирное дело. Тут большинство производителей отказались от 3D-печати смолой и восковой отливки, переключившись непосредственно на металлическую 3D-печать.
• Кроме того, аэрокосмическая отрасль становится все более и более зависимой от напечатанных металлических 3D-объектов. Итальянская компания Ge-AvioAero была первой, которая занялась цельнометаллической 3D-печатью. Она производит компоненты для авиадвигателей LEAP .
• Еще одна отрасль, нацеливающаяся на металлическую 3D-печать — это автомобилестроение. BMW, Audi, FCA серьезно рассматривают эту технологию, причем не только для прототипирования (для этого 3D-печать применяется уже довольно давно), но и для изготовления реальных деталей.

Однако прежде, чем металлическая 3D-печать по-настоящему пойдет на взлет, придется преодолеть некоторые препятствия. И в первую очередь это — высокая цена, которую не получается сделать ниже, чем при формовке. Также проблемой является низкая скорость изготовления.

3D-печать металлом. Технологии

Большинство процессов 3D-печати металлом начинается с «атомизированного» порошка

Можно много говорить про «металлические» 3D-принтеры, но главными их проблемами остаются те же, что и у любых других 3D-принтеров: программные и аппаратные ограничения, оптимизация материалов и мультиматериальность. Мы не будет особо говорить о программном обеспечении, скажем только, что большинство крупных профильных софтверных компаний, таких как Autodesk, SolidWorks и solidThinking, стараются максимально упирать на то обстоятельство, что в результате процесса 3D-печати металлом можно получить какую угодно форму.

В целом, металлические напечатанные детали могут быть такими же прочными, как и детали, изготовленные по традиционным процессам. Детали, выполненные по технологии DMLS, имеют механические свойства, эквивалентные литью. Помимо этого, пористость объектов, выполненных на хорошем «металлическом» 3D-принтере, может достигать 99,5%. Вообще-то, производитель Stratasys утверждает, что 3D-напечатанные металлические детали при проверке на плотность показывают результаты выше промышленных стандартов.

3D-напечатанный металл может иметь разное разрешение. При самом высоком разрешении толщина слоя составляет 0,0008 — 0,0012", а разрешение по X/Y — 0,012 - 0,016". Минимальный диаметр отверстия — 0,035 — 0,045".

Давайте, впрочем, рассмотрим, какие бывают технологии металлической 3D-печати.

Процесс металлической 3D-печати №1:

Процесс металлической 3D-печати, который сегодня применяется большинством соответствующих крупных компаний, называется Powder Bed Fusion. Это название указывает на то, что некий источник энергии (лазер или другой энергетический пучок) расплавляет «атомизированный» порошок (т.е. такой металлический порошок, который тщательно измельчен на сферические частицы), в результате чего получаются слои печатаемого объекта.

В мире существует восемь крупных производителей металлических 3D-принтеров, в которых уже применяется данная технология; пока мы тут рассуждаем, таких компаний становится больше и больше. Большинство из них находится в Германии. Их технологии называются SLM (Selective Laser Melting — селективное лазерное сплавление) или DMLS (Direct Metal Laser Sintering — прямое лазерное спекание металлов).

Процесс металлической 3D-печати №2:

При 3DP-технологии ExOne металлические объекты печатаются за счет связывания порошка перед его обжигом в горне (фото: ExOne)

Другой профессиональный подход, при котором также применяется порошковая основа, называется Binder Jetting. В этом случае слои формируются за счет склеивания металлических частиц и дальнейшего их спекания (или сплавления) в высокотемпературном горне — точно так же, как это делается с керамикой.

Еще один вариант, который тоже похож на работу с керамикой, это замешивание металлического порошка в металлическую пасту. 3D-принтер с пневматическим экструдированием (похожий на шприцевый биопринтер или недорогой пищевой принтер) формирует 3D-объекты. Когда требуемая форма достигнута, объект отправляется в печь, т.е. в горн.

Этот подход применяется в Mini Metal Maker , видимо, единственном недорогом «металлическом» 3D-принтере.

Процесс металлической 3D-печати №3:

Может показаться, что единственный процесс 3D-печати, который остается в стороне от работы с металлами, это послойное наплавление. Это не совсем так. Разумеется, на каком-то настольном устройстве просто наплавлять металлические нити на основу не получится. Однако очень крупные металлургические компании это могут. И делают. Есть два варианта работы при «наплавлении металла».

Один называется DED (Directed Energy Deposition — осаждение материала при помощи направленного энергетического воздействия) или Laser Cladding (лазерное плакирование, наплавка). Здесь для расплавления металлического порошка, который медленно выпускается и застывает в виде слоя, применяется лазерный луч, а порошок подается при помощи роботизированной руки.

Обычно весь процесс идет в закрытой камере, но в проекте MX3D при строительстве полноразмерного моста использованы приемы привычной 3D-печати. Другой вариант наплавления металла называется EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing — аддитивная технология электронного пучка), который по сути является пайкой, при которой для расплавления 3-миллиметровой титановой проволоки применяется очень мощный электронный пучок, а расплавленный металл образует очень крупные готовые структуры. Что касается этой технологии, то ее подробности известны пока только военным.

Металлическая 3D-печать. Металлы

Чистый титан (Ti64 или TiAl4V) — один из наиболее часто применяемых для 3D-печати металлов, он определенно один из самых универсальных, он прочен и легок. Титан задействуется как при процессе расплавления в заранее сформированном слое, так и при процессе разбрызгивания связующего вещества и применяется главным образом в медицинской промышленности (для изготовления персональных протезов), а также в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении и в станкостроении (для изготовления деталей и прототипов). Но есть одна проблема. Титан очень химически активен и в порошкообразном виде легко взрывается. Поэтому необходимо, чтобы титановая 3D-печать проходила в вакууме или в аргоновой среде.

Нержавеющая сталь — один из наиболее дешевых металлов для 3D-печати. В то же время она очень прочна и может применяться в широком спектре производственных и даже художественно-дизайнерских приложений. Используемый тип стального сплава содержит также кобальт и никель, его очень трудно сломать, при этом он обладает очень высокой эластичностью. Нержавеющая сталь используется почти исключительно в промышленности.

Инконель — это суперсплав, выпускаемый компанией Special Metals Corporation, ее зарегистрированная торговая марка. Сплав состоит в основном из никеля и хрома и очень термостоек. Поэтому его применяют в нефтяной, химической и аэрокосмической (для черных ящиков) отраслях.

Из-за легкости и многофункциональности алюминий очень популярен в 3D-печати. Обычно используются сплавы на основе алюминия.

Этот сплав обладает очень высокой удельной прочностью (т.е. прочностью, деленной на плотность, что в целом показывает силу, которую требуется приложить на единицу площади для разрыва). Он чаще всего используется в производстве турбин, зубных и ортопедических имплантов, везде, где 3D-печать стала доминирующей технологией.

За некоторыми исключениями медь и бронза применяются в процессах воскового выплавления, в процессе расплавления в слое — редко. Дело заключается в том, что эти металлы не очень подходят для промышленности, они чаще применяются при изготовлении произведений искусства и поделок. На colorFabb предлагаются оба металла — в качестве основы специального металлического филамента.

Железо, в т.ч. магнитное, тоже в основном используется как добавка к филаментам на базе PLA, которые производятся, например, ProtoPasta и TreeD.

Большинство компаний, занимающихся процессом расплавления в заранее сформированном слое, могут задействовать при 3D-печати такие благородные металлы, как золото, серебро и платину. Здесь наряду с сохранением эстетических свойств материалов важно добиться оптимизации работы с дорогим исходным порошком. 3D-печать благородными металлами требуется для ювелирного дела, медицинских приложений и электроники.

Металлическая 3D-печать. Принтеры

Даже не сомневайтесь — приобретение металлического 3D-принтера не пройдет бесследно для вашего бюджета. Обойдется он как минимум в 100-250 тысяч долларов. Приводим список разнообразных «металлических» принтеров, некоторые из которых можно встретить в фирмах, предоставляющих услуги 3D-печати.

Металлический 3D-принтер №1:

Sciaky EBAM 300 — печать металлическим филаментом

Если вам требуется печатать по-настоящему крупные металлические конструкции, лучше всего остановить свой выбор на Sciaky’s EBAM technology . По заказу может быть выстроен аппарат практически любых размеров. Такая техника используется главным образом в аэрокосмической отрасли и военными.

Самый крупный из серийных принтеров Sciaky — это EBAM 300. Он печатает объекты в объеме 5791 × 1219 × 1219 мм.

В компании утверждают, что EBAM 300 является также одним из самых быстрых имеющихся в продаже промышленных 3D-принтеров. Трехметрового размера титановая деталь для самолета печатается на нем за 48 часов, при этом расход материала составляет около 7 кг в час. Вообще, кованные детали, на которые обычно уходит 6-12 месяцев, на этом 3D-принтере могут быть сделаны за 2 дня.

Применяемая в Sciaky уникальная технология использует высокоэнергетический электронный пучок, который плавит 3-миллиметровый титановый прут, стандартная скорость наплавления составляет от 3 до 9 кг в час.

Металлический 3D-принтер №2:

Fabrisonic UAM — ультразвуковая 3D-печать

Другой способ печати крупных металлических деталей — UAM (Ultrasound Additive Manufacturing Technology — ультразвуковая аддитивная технология) от Fabrisonic. Аппараты этой фирмы представляют собой трехосные фрезы с ЧПУ, к которым добавлены сварочные головки для аддитивности процесса.

Металлические слои сначала разрезаются, а потом свариваются ультразвуком. Самый большой принтер Fabrisonic 7200 работает в объеме 2 × 2 × 1,5 м.

Металлический 3D-принтер №3:

Самый крупный на рынке 3D-принтер, работающий с металлическим порошком, — это Concept Laser XLine 1000 . Он имеет объем моделирования — 630 × 400 × 500 мм, а сам размером с дом.

Выпускающая его немецкая компания, один из главных поставщиков 3D-принтеров для аэрокосмических гигантов вроде Airbus, недавно представила новый аппарат — Xline 2000.

В этом оборудовании задействовано два лазера, а рабочий объем составляет 800 × 400 × 500 мм. Используется лазерная технология LaserCUSING (вариант селективного лазерного сплавления) от Concept Laser, которая позволяет печатать сплавами стали, алюминия, никеля, титана, благородных металлов и даже некоторыми чистыми веществами (титан и высокосортная сталь).

Металлическая 3D-печать. Сервисы

В мире существует более 100 компаний, предлагающих услуги металлической 3D-печати. Перечислим наиболее популярные сервисы для потребительских нужд.

Сервис металлической 3D-печати №1: Shapeways

Самый популярный в мире сервис 3D-печати Shapeways предлагает два вида услуг. Как потребитель вы можете сделать свой выбор среди большого ассортимента профессионально спроектированных объектов, кастомизировать их, после чего заказывать их печать по вашим спецификациям. Как и другие сервисы 3D-печати, Shapeways предлагает площадку для дизайнеров, чтобы они могли продавать и печатать свои работы. Shapeways также хорошее место для быстрого прототипирования: клиенты выигрывают за счет принтеров промышленного уровня (EOS, 3D Systems) и персональной технической поддержки.

Металлы для 3D-печати: алюминий, латунь, бронза, золото, платина, плакировка благородными металлами, серебро, сталь. Предлагаются также восковые формы для ювелирных целей.

Сервис металлической 3D-печати №2: Sculpteo

Подобно Shapeways и i.materialise, Sculpteo — онлайн-сервис 3D-печати, который позволяет каждому желающему закачивать 3D-модели и направлять их на изготовление из широкого спектра материалов. Как и конкуренты, Sculpteo предоставляет свою площадку для любителей и профессионалов, которые могут демонстрировать и продавать свои дизайнерские решения. В конюшне принтеров Sculpteo — высокопрофессиональные машины от 3D Systems, EOS, Stratasys и ZCorp. Обширная техническая документация поможет выявить недочеты в дизайне и подобрать для проекта правильный материал.

Металлы для 3D-печати: алюмид (пластик с частицами алюминия), латунь, серебро.

Сервис металлической 3D-печати №3: iMaterialise

Materialise — это компания, которая работает с промышленными клиентами, занимаясь прототипированием 3D-печатной продукции. Для простых пользователей и дизайнеров Materialise предлагает онлайн-сервис 3D-печати под названием i.materialise. Как и в случае Shapeways, этот сервис позволяет всем закачивать свои 3D-проекты и распечатывать их. Как только объект загружен и успешно напечатан, дизайнер может выставить его на продажу либо в галерее онлайн-магазина i.materalise, либо встроив определенный код в свой сайт.

Металлы для 3D-печати: алюмид (пластик с алюминиевым порошком), латунь, бронза, медь, золото, серебро, сталь, титан.

Сервис металлической 3D-печати №4: 3D Hubs

Через 3D Hubs вы можете искать частных лиц и фирмы, которые в вашем регионе предлагают услуги 3D-печати, закачивать STL-файлы (которые немедленно оцениваются на предмет недочетов) и непосредственно связываться с поставщиками услуг для выполнения работы. Онлайн-услуга 3D-печати позволяет также сортировать предложения по материалам, клиентскому рейтингу, удаленности и множеству других параметров. Какой бы объект вы ни пожелали напечатать, скорее всего, найдется кто-то неподалеку, кто сможет это сделать. Значительное количество материалов может быть напечатано в промышленном качестве, у таких материалов в поле поиска имеется пометка HD.

Металлы для 3D-печати: алюминий, бронза, кобальт-хром, нержавеющая сталь, титан.