Sinds de komst van 3D-printtechnologie is het geleidelijk toegepast op de vervaardiging van daadwerkelijke producten. Onder hen gaat de ontwikkeling van 3D-printtechnologie voor metalen materialen bijzonder snel. Op het gebied van nationale defensie hechten ontwikkelde landen in Europa en de Verenigde Staten veel belang aan de ontwikkeling van 3D-metaalprinten en investeren ze enorme sommen geld in onderzoek. 3D-printen van metalen onderdelen is altijd de focus geweest van onderzoek en toepassing. Het kan niet alleen mallen en fietsen printen, maar ook ongekend nieuwe wapens en zelfs grote apparatuur zoals auto's en vliegtuigen. Als een nieuw type intelligente productietechnologie heeft 3D-metaalprinten een zeer breed toepassingsperspectief getoond en heeft het een sterk ontwikkelingsmomentum laten zien op meer gebieden, zoals het ontwerp en de fabricage van apparatuur, ondersteuning van apparatuur en ruimtevaart.
Functies voor 3D-printen van metaal
1) Hoge precisie. Op dit moment kan de nauwkeurigheid van metalen 3D-printapparatuur in principe onder 0,05 mm worden geregeld.
2) De cyclus is kort. Metaal 3D-printen vereist geen productieproces van mallen, wat de productietijd van het model aanzienlijk verkort. Over het algemeen kan een model binnen enkele uren of zelfs tientallen minuten worden afgedrukt.
3) Het kan gepersonaliseerd worden. Metaal 3D-printen kent geen limiet aan het aantal geprinte modellen, het maakt niet uit of er een of meer kunnen worden geproduceerd tegen dezelfde kosten.
4) Diversiteit van materialen. Een metalen 3D-printsysteem kan vaak het printen van verschillende materialen realiseren, en de diversiteit van dit materiaal kan voldoen aan de behoeften van verschillende velden.
5) De kosten zijn relatief laag. Hoewel metalen 3D-printsystemen en metalen materialen voor 3D-printen nu relatief duur zijn, zijn de productiekosten relatief laag als ze worden gebruikt om gepersonaliseerde producten te maken.
3D-printtechnologie van metaal
Als de meest geavanceerde en meest potentiële technologie in het gehele 3D-printsysteem, is de 3D-printtechnologie van metalen onderdelen een belangrijke ontwikkelingsrichting van geavanceerde productietechnologie. Met de ontwikkeling van wetenschap en technologie en de behoefte aan popularisering en toepassing, is de directe fabricage van metalen functionele onderdelen door middel van rapid prototyping de belangrijkste ontwikkelingsrichting van rapid prototyping geworden. Op dit moment omvatten de rapid prototyping-methoden die kunnen worden gebruikt om functionele metalen onderdelen direct te vervaardigen voornamelijk: Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Selective Melting (EBSM), Laser Engineered Net Shaping (LENS).
Selectief lasersmelten (SLM)
SLM is een belangrijk onderdeel van het gebied van metaal 3D-printen. Het ontwikkelingsproces heeft stadia doorlopen, zoals het sinteren van niet-metalen poeder met een laag smeltpunt, het sinteren van gecoat poeder met een laag smeltpunt en een direct smelten van poeder met een hoog smeltpunt. De Universiteit van Texas in Austin vroeg in 1986 voor het eerst patent aan en ontwikkelde met succes de eerste SLM-apparatuur in 1988. Het gebruikt een fijn gefocusseerde plek om snel te smelten tot een vooraf ingesteld poedermateriaal van 30-51 μm, en kan vrijwel direct elke vorm krijgen. Evenals functionele onderdelen met volledige metallurgische binding. De dichtheid kan bijna 100 procent bereiken, de maatnauwkeurigheid kan 20-50 μm bereiken en de oppervlakteruwheid kan 20-30 μm bereiken. Het is een rapid prototyping-technologie met grote ontwikkelingsmogelijkheden.
SLM-vormmaterialen zijn meestal metaalpoeders met één component, waaronder austenitisch roestvrij staal, op nikkel gebaseerde legeringen, op titanium gebaseerde legeringen, kobalt-chroomlegeringen en edele metalen. De laserstraal smelt snel het metaalpoeder en verkrijgt een continu smeltkanaal, dat direct bijna dichte metalen onderdelen met bijna elke vorm, volledige metallurgische hechting en hoge precisie kan verkrijgen. Het is een 3D-printtechnologie voor metalen onderdelen met grote ontwikkelingsmogelijkheden. Het toepassingsgebied is uitgebreid naar ruimtevaart, micro-elektronica, medische behandeling, sieraden en andere industrieën.
Er zijn meer dan 50 beïnvloedende factoren in het SLM-proces en er zijn zes categorieën die een belangrijke invloed hebben op het vormeffect: materiaaleigenschappen, laser- en optische padsystemen, scankenmerken, vormatmosfeer, vormgeometrische kenmerken en apparatuurfactoren. Op dit moment doen onderzoekers in binnen- en buitenland vooral procesonderzoek en toepassingsonderzoek naar bovenstaande factoren, met als doel defecten in het gietproces op te lossen en de kwaliteit van vormdelen te verbeteren. In termen van procesonderzoek zijn de belangrijke procesparameters in het SLM-vormproces laservermogen, scansnelheid, poederlaagdikte, scanafstand en scanstrategie, enz. Door verschillende procesparameters te combineren, kan de vormkwaliteit worden geoptimaliseerd.
De belangrijkste defecten in het SLM-vormproces zijn sferoïdisatie en kromtrekkende vervorming. Sferoïdisatie is het onvoldoende smelten van de bovenste en onderste lagen tijdens het gietproces. Door het effect van oppervlaktespanning zullen de gesmolten druppeltjes snel in een bolvorm rollen, wat resulteert in sferoïdisatie. Om sferoïdisatie te voorkomen, moet de invoerenergie op passende wijze worden verhoogd. Warpage-vervorming wordt veroorzaakt doordat de thermische spanning in het SLM-vormingsproces de sterkte van het materiaal overschrijdt, wat resulteert in plastische vervorming. Vanwege de moeilijkheid om de restspanning te meten, wordt het huidige onderzoek naar kromtrekvervorming van het SLM-proces voornamelijk uitgevoerd met behulp van de eindige-elementenmethode, en vervolgens wordt de betrouwbaarheid van de simulatieresultaten geverifieerd door experimenten. Het basisprincipe van SLM-technologie is: gebruik eerst Pro/e, UG, CATIA en andere 3D-modelleringssoftware om het 3D-vaste model van het onderdeel op de computer te ontwerpen, en snijd en leg vervolgens het 3D-model door de snijsoftware om de contourgegevens van elke sectie, het vulscanpad wordt gegenereerd op basis van de contourgegevens en de apparatuur zal de laserstraal besturen om selectief de metaalpoedermaterialen van elke laag te smelten volgens deze vulscanlijnen, en ze geleidelijk stapelen in driedimensionale metalen onderdelen.