Nguyên lý của máy in 3D kim loại

Máy in 3D kim loại hoạt động bằng cách thiêu kết, nấu chảy hoặc hàn các vật liệu kim loại (chẳng hạn như bột hoặc dây) từng lớp để chuyển đổi mô hình kỹ thuật số ba chiều thành một phần kim loại rắn. Quy trình cốt lõi có thể được chia thành bốn giai đoạn: chuẩn bị dữ liệu, cung cấp nguyên liệu, sản xuất từng lớp và xử lý hậu kỳ. Công nghệ này khắc phục hoàn toàn các hạn chế về độ phức tạp hình học của phương pháp sản xuất trừ truyền thống và đã trở thành một phương pháp sản xuất quan trọng trong-các lĩnh vực cao cấp như hàng không vũ trụ, kỹ thuật y sinh và thiết bị năng lượng. Các phần sau đây giải thích các nguyên tắc và chi tiết kỹ thuật của từng giai đoạn chính.

Xử lý mô hình 3D: Người dùng thiết kế mô hình bằng phần mềm CAD (chẳng hạn như SolidWorks, UG hoặc CATIA) hoặc lấy mô hình đó thông qua quét 3D hoặc tái tạo CT. Phần mềm chuyển đổi mô hình thành định dạng-có thể đọc được trên máy in (phổ biến nhất là STL, nhưng cũng có thể là 3MF hoặc OBJ) và sửa các lỗi hình học (chẳng hạn như các lỗ, các cạnh không-đa dạng, các mặt chồng lên nhau hoặc pháp tuyến không chính xác). Bước này rất quan trọng vì bất kỳ lỗi nào của mô hình đều có thể trực tiếp gây ra lỗi in hoặc lỗi bộ phận. Quá trình-xử lý nâng cao cũng bao gồm tối ưu hóa cấu trúc liên kết và thiết kế tổng quát để giảm đáng kể trọng lượng trong khi vẫn đáp ứng các yêu cầu về độ bền.

Cắt lớp: Phần mềm máy in chuyên dụng (chẳng hạn như Materialize Magics, EOSPRINT hoặc SLM Build Bộ xử lý) cắt mô hình 3D dọc theo trục dọc (Z) thành hàng trăm hoặc hàng nghìn lớp mỏng. Độ dày lớp thường là 20–100 micromet (20–40 μm đối với các bộ phận chính xác; 60–100 μm đối với các bộ phận kết cấu lớn). Quá trình cắt lát tạo ra một tệp chứa thông tin đường viền, đường dẫn điền, chiến lược quét và cấu trúc hỗ trợ cho từng lớp, hướng dẫn chính xác cho máy in. Chiến lược quét (sọc, bàn cờ, xoắn ốc, v.v.) và các thông số mật độ năng lượng ảnh hưởng mạnh mẽ đến ứng suất dư, mật độ và chất lượng bề mặt và phải được tối ưu hóa theo hình dạng vật liệu và bộ phận.

Công nghệ in 3D kim loại khác nhau tùy theo dạng vật liệu và nguồn năng lượng. Các loại chính như sau:

Powder Bed Fusion (PBF) Đây hiện là công nghệ chính thống hoàn thiện nhất và{0}}có độ chính xác cao nhất.

Làm nóng chảy bằng Laser chọn lọc (SLM): Laser sợi quang công suất-cao (thường là 200–1000 W; nhiều hệ thống laser-có thể đạt tới vài kilowatt) làm nóng chảy có chọn lọc và hoàn toàn lớp bột kim loại theo đường cắt. Vùng nóng chảy đông đặc lại khi nguội để tạo thành một lớp duy nhất, trong khi bột không tan chảy đóng vai trò vừa hỗ trợ vừa bảo vệ. Toàn bộ quá trình diễn ra dưới điều kiện khí trơ (argon hoặc nitơ) để ngăn chặn quá trình oxy hóa. Thích hợp cho hợp kim titan, hợp kim nhôm, thép không gỉ, siêu hợp kim gốc niken, v.v., với mật độ trên 99%.

Chùm tia điện tử (EBM): Sử dụng chùm tia điện tử năng lượng cao-làm nguồn nhiệt để làm nóng trước và nấu chảy bột kim loại trong môi trường chân không-cao. Việc làm nóng trước làm giảm đáng kể ứng suất dư và cho phép tốc độ tạo hình nhanh hơn, khiến nó đặc biệt phù hợp với cấy ghép chỉnh hình bằng titan. Chi phí thiết bị cao và độ nhám bề mặt tương đối lớn hơn.

Thiêu kết Laser kim loại trực tiếp (DMLS): Về nguyên tắc tương tự như SLM. Về mặt lịch sử, nó đề cập đến các quá trình trong đó bột chỉ tan chảy một phần (thiêu kết), nhưng ngày nay thuật ngữ DMLS và SLM thường được sử dụng thay thế cho nhau trong công nghiệp. Thích hợp cho các ứng dụng hoặc trường hợp nhiều{2}}vật liệu có yêu cầu nấu chảy hoàn toàn-thấp hơn một chút.

Lắng đọng năng lượng định hướng (DED)

Lắng đọng kim loại bằng Laser (LMD): Đồng thời cấp bột hoặc dây kim loại trong khi tia laser tạo ra một vũng nóng chảy trên nền hoặc lớp trước đó và lắng đọng vật liệu. Cho phép sửa chữa các bộ phận lớn, vật liệu được phân loại theo chức năng và sản xuất phụ trợ kết hợp{2}}trừ. Tỷ lệ lắng đọng cao hơn nhiều so với PBF.

Sản xuất phụ gia hồ quang dây (WAAM): Sử dụng hồ quang điện làm nguồn nhiệt để làm nóng chảy dây kim loại và lắng đọng từng lớp. Chi phí thiết bị thấp, mức sử dụng vật liệu cao và phù hợp với-cấu trúc hàng không vũ trụ cực lớn, nhưng độ chính xác và chất lượng bề mặt thấp hơn thường yêu cầu gia công tiếp theo.

Phun chất kết dính Đầu in phun chất kết dính có chọn lọc lên nền bột kim loại, liên kết bột để tạo thành một lớp "xanh" duy nhất trong khi bột không liên kết đóng vai trò hỗ trợ. Sau khi in, bộ phận này sẽ trải qua quá trình gỡ keo (loại bỏ chất kết dính) và nung kết ở nhiệt độ-cao để đạt được mật độ cuối cùng. Quy trình này không gây ra ứng suất nhiệt trong quá trình in, mang lại tốc độ cao và phù hợp cho sản xuất-khối lượng trung bình, mặc dù độ co ngót trong quá trình thiêu kết phải được bù chính xác.

Rải bột / Nạp nguyên liệu: Trong công nghệ lớp bột,-lưỡi hoặc con lăn sơn lại có độ chính xác cao sẽ trải một lớp bột kim loại đồng nhất lên bệ xây dựng, phù hợp với độ dày lát cắt. Khả năng chảy của bột và phân bố kích thước hạt ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng lớp. Trong quá trình lắng đọng năng lượng theo hướng, một bộ cấp dây hoặc vòi phun bột đồng trục/bên sẽ đưa vật liệu một cách chính xác vào bể tan chảy.

Đầu vào năng lượng và nấu chảy: Tia laser, chùm tia điện tử hoặc hồ quang quét vật liệu dọc theo đường dẫn được lập trình ở tốc độ cao, làm tan chảy cục bộ hoặc thiêu kết nó để tạo thành một lớp mỏng khớp chính xác với đường viền lát cắt. Nhiệt độ, kích thước và tốc độ làm mát của bể tan chảy- được kiểm soát chính xác bằng công suất, tốc độ quét và đường kính điểm, những yếu tố này xác định cấu trúc vi mô và mức độ khuyết tật.

Liên kết giữa các lớp: Sau khi mỗi lớp được hoàn thành, nền xây dựng sẽ giảm độ dày một lớp (hoặc lớp bột tăng lên), một lớp bột mới được trải ra và quá trình tan chảy được lặp lại. Các lớp được nối với nhau bằng liên kết luyện kim để tạo thành một khối rắn ba chiều liên tục. Các hệ thống hiện đại thường kết hợp tính năng giám sát bể tan chảy-theo thời gian thực-bằng cách sử dụng camera-tốc độ cao, phép đo nhiệt kế hồng ngoại hoặc chụp cắt lớp quang học.

Kết cấu đỡ: Đối với các phần nhô ra, lỗ và các chi tiết nghiêng lớn, các kết cấu đỡ có thể tháo rời phải được thiết kế để ngăn ngừa biến dạng hoặc sụp đổ dưới tác dụng của trọng lực trong quá trình nóng chảy. Thiết kế và loại bỏ hỗ trợ ảnh hưởng đáng kể đến chi phí cuối cùng và chất lượng bề mặt.

-Xử lý hậu kỳ là một giai đoạn không thể thiếu trong quá trình in 3D kim loại và thường chiếm 30–50% tổng chi phí.

Loại bỏ và làm sạch hỗ trợ: Các hỗ trợ được loại bỏ bằng cách cắt cơ học, EDM dây, hòa tan bằng hóa chất hoặc các phương pháp thủ công. Bột không tan chảy (quy trình-bột) hoặc vết bẩn dư thừa (DED) được làm sạch hoàn toàn. Hệ thống thu hồi bột cho phép tái chế hầu hết bột chưa sử dụng.

Xử lý nhiệt: Ủ giảm ứng suất, xử lý dung dịch, lão hóa hoặc ép đẳng nhiệt nóng (HIP) giúp loại bỏ ứng suất dư, đóng lỗ chân lông và đồng nhất hóa cấu trúc vi mô, cải thiện đáng kể độ cứng, độ bền, độ dẻo dai và hiệu suất mỏi. HIP đã trở thành một quy trình tiêu chuẩn cho các bộ phận quan trọng của ngành hàng không vũ trụ.

Xử lý bề mặt: Phun cát, phun bi, đánh bóng, đánh bóng điện hóa, mạ hoặc phủ giúp cải thiện chất lượng bề mặt, giảm độ nhám và đáp ứng các yêu cầu về lắp ráp và hình thức.

Gia công: Các kích thước tiếp xúc quan trọng, lỗ ren và bề mặt bịt kín được hoàn thiện bằng gia công CNC để đảm bảo dung sai cuối cùng đáp ứng các thông số kỹ thuật thiết kế. Nhiều-ứng dụng cao cấp áp dụng phương pháp sản xuất kết hợp "cộng + trừ".

Ưu điểm: Chế tạo-dạng tự do các cấu trúc phức tạp không cần khuôn, lý tưởng cho việc tùy chỉnh và sản xuất hỗn hợp cao-đến-trung bình,-cao. Tỷ lệ sử dụng vật liệu cao (quy trình xử lý bột-có thể vượt quá 90%, vượt trội hơn nhiều so với tỷ lệ mua-trên-cao của gia công titan truyền thống), giảm lãng phí kim loại đắt tiền. Cho phép thiết kế gọn nhẹ (cấu trúc mạng, tối ưu hóa cấu trúc liên kết) đáp ứng nhu cầu kép về giảm trọng lượng và hiệu suất cao trong ngành hàng không vũ trụ và các lĩnh vực tương tự. Cho phép hợp nhất các bộ phận ở mức độ cao, giảm các bước lắp ráp và cải thiện độ tin cậy.

Hạn chế: Chi phí vốn cao của thiết bị công nghiệp (hàng trăm nghìn đến vài triệu RMB) và tốc độ xây dựng tương đối chậm hiện khiến công nghệ này ít phù hợp hơn cho việc sản xuất các bộ phận đơn giản ở quy mô rất lớn. Vì-độ nhám bề mặt và độ chính xác kích thước được tạo ra thường thấp hơn so với gia công CNC truyền thống và phụ thuộc vào quá trình xử lý hậu kỳ. Bột kim loại gây ra các nguy cơ cháy nổ, oxy hóa và sức khỏe, đòi hỏi phải có biện pháp bảo vệ-khí trơ và kiểm soát bụi nghiêm ngặt. Cơ sở dữ liệu về sự đa dạng của vật liệu và thông số quy trình-vẫn đang được mở rộng và chu kỳ chứng nhận vẫn tương đối dài.

Thông qua quá trình sản xuất kỹ thuật số-theo- lớp, máy in 3D kim loại đã phá vỡ các rào cản phức tạp của gia công truyền thống và cung cấp các giải pháp mang tính cách mạng cho ngành hàng không vũ trụ (các bộ phận động cơ, cấu trúc vệ tinh), y tế (cấy ghép dành riêng cho bệnh nhân, hướng dẫn phẫu thuật), công cụ (kênh làm mát phù hợp), năng lượng và các ngành công nghiệp ô tô. Với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống nhiều{{5}laser,-giám sát thông minh tại chỗ, tối ưu hóa quy trình do AI- điều khiển và các công nghệ sản xuất kết hợp, hiệu suất, chi phí và độ tin cậy tiếp tục được cải thiện. Công nghệ này đang đẩy nhanh quá trình chuyển đổi từ tạo nguyên mẫu nhanh sang sản xuất kỹ thuật số trực tiếp và sản xuất hàng loạt, đồng thời được thiết lập để trở thành một trụ cột không thể thiếu trong-sản xuất thiết bị cao cấp.