Principis de les impressores 3D de metall

Les impressores 3D de metall funcionen sinteritzant, fonent o soldant materials metàl·lics (com ara pols o filferro) capa per capa per convertir un model digital tridimensional en una peça metàl·lica sòlida. El procés bàsic es pot dividir en quatre etapes: preparació de dades, subministrament de material, fabricació-per-capa i post-processament. Aquesta tecnologia supera completament les limitacions de complexitat geomètrica de la fabricació subtractiva tradicional i s'ha convertit en un mètode de fabricació important en camps-de gamma alta com ara l'aeroespacial, l'enginyeria biomèdica i els equips energètics. Les seccions següents expliquen els principis i els detalls tècnics de cada etapa clau.

Processament de models 3D: els usuaris dissenyen el model mitjançant programari CAD (com SolidWorks, UG o CATIA) o l'obtenen mitjançant escaneig 3D o reconstrucció TC. El programari converteix el model en un format llegible per la impressora-(normalment STL, però també 3MF o OBJ) i repara els errors geomètrics (com ara forats, vores no-colectives, cares superposades o normals incorrectes). Aquest pas és crític perquè qualsevol defecte del model pot provocar directament errors d'impressió o rebuig de peces. El pre-processament avançat també inclou l'optimització de la topologia i el disseny generatiu per reduir significativament el pes i complir els requisits de resistència.

Layer Slicing: el programari d'impressora especialitzat (com Materialize Magics, EOSPRINT o SLM Build Processor) talla el model 3D al llarg de l'eix vertical (Z) en centenars o milers de capes primes. El gruix de la capa sol ser de 20 a 100 micròmetres (20 a 40 μm per a peces de precisió; 60 a 100 μm per a components estructurals grans). El procés de tall genera un fitxer que conté informació de contorn, camins d'ompliment, estratègies d'escaneig i estructures de suport per a cada capa, guiant amb precisió la impressora. Les estratègies d'escaneig (banda, tauler d'escacs, espiral, etc.) i els paràmetres de densitat d'energia influeixen molt en la tensió residual, la densitat i la qualitat de la superfície, i s'han d'optimitzar segons la geometria del material i de la peça.

Les tecnologies d'impressió 3D de metall difereixen segons la forma del material i la font d'energia. Les categories principals són les següents:

Powder Bed Fusion (PBF) Aquesta és actualment la tecnologia convencional més madura i de més{0}}precisió.

Funció làser selectiva (SLM): un làser de fibra{0}}de gran potència (normalment de 200 a 1.000 W; els sistemes làser multi- poden assolir diversos quilowatts) de manera selectiva i fon el llit de pols metàl·lic segons el camí tallat. La regió fosa es solidifica en refredar-se per formar una sola capa, mentre que la pols no fosa serveix tant de suport com de protecció. Tot el procés té lloc sota gas inert (argó o nitrogen) per evitar l'oxidació. Apte per a aliatges de titani, aliatges d'alumini, acers inoxidables, superaliatges-de níquel, etc., amb densitats superiors al 99%.

Fusió de feix d'electrons (EBM): utilitza un feix d'electrons d'alta -energia com a font de calor per preescalfar i fondre pols metàl·lic en un entorn de buit elevat-. El preescalfament redueix significativament l'estrès residual i permet velocitats de construcció més ràpides, el que el fa especialment adequat per a implants ortopèdics de titani. El cost de l'equip és elevat i la rugositat de la superfície és relativament més gran.

Sinterització làser de metall directe (DMLS): similar en principi a SLM. Històricament es referia a processos en què la pols només es fonia parcialment (sinteritzat), però avui en dia els termes DMLS i SLM s'utilitzen sovint de manera intercanviable a la indústria. Adequat per a aplicacions de diversos-materials o casos amb requisits de fusió completa-lleugerament inferiors.

Dipòsit d'energia dirigit (DED)

Deposició làser de metall (LMD): alimenta simultàniament pols o filferro metàl·lic mentre un làser crea una piscina de fusió al substrat o a la capa anterior i diposita el material. Permet la reparació-de peces grans, els materials classificats funcionalment i la fabricació additiva-subtractiva híbrida. Les taxes de deposició són molt superiors a les de PBF.

Fabricació additiva d'arc de filferro (WAAM): utilitza un arc elèctric com a font de calor per fondre filferro metàl·lic i dipositar-lo capa per capa. Baix cost d'equip, gran utilització de material i adequat per a estructures aeroespacials ultra-grans, però una precisió i una qualitat superficial inferiors solen requerir mecanitzats posteriors.

Injecció de l'enquadernador Un capçal d'impressió llança selectivament un aglutinant sobre el llit de pols metàl·lic, unint la pols per formar una única capa "verda", mentre que la pols no lligada actua com a suport. Després de la impressió, la peça es sotmet a un desenllaç (eliminació de l'aglutinant) i una sinterització a alta-temperatura per aconseguir la densitat final. El procés no té estrès tèrmic durant la impressió, ofereix alta velocitat i és adequat per a la producció de volum mitjà-, tot i que la contracció de sinterització s'ha de compensar amb precisió.

Estensió de pols/alimentació de material: en les tecnologies de-llet de pols, una fulla o corró de recobriment d'alta-precisió estesa una capa uniforme de pols metàl·lica a la plataforma de construcció, que coincideix amb el gruix de la llesca. La fluïdesa de la pols i la distribució de la mida de les partícules afecten directament la qualitat de la capa. En la deposició d'energia dirigida, un alimentador de filferro o un broquet de pols coaxial/lateral lliura el material amb precisió a la piscina de fusió.

Entrada i fusió d'energia: el làser, el feix d'electrons o l'arc escaneja el material al llarg del camí programat a gran velocitat, fonent-lo o sinteritzant-lo localment per formar una capa fina que coincideix exactament amb el contorn del tall. La temperatura, la mida i la velocitat de refredament de la piscina de fusió-estan controlades amb precisió per la potència, la velocitat d'escaneig i el diàmetre del punt, que determinen la microestructura i els nivells de defectes.

Enllaç inter-capes: després de completar cada capa, la plataforma de construcció baixa un gruix de capa (o el llit de pols augmenta), s'estén una nova capa de pols i es repeteix el procés de fusió. Les capes s'uneixen mitjançant enllaços metal·lúrgics per formar un sòlid tridimensional continu. Els sistemes moderns sovint incorporen monitorització de la piscina-en temps real- mitjançant càmeres d'alta-velocitat, pirometria infraroja o tomografia òptica.

Estructures de suport: per a voladissos, forats i grans característiques inclinades, s'han de dissenyar estructures de suport extraïbles per evitar la deformació o l'enfonsament per gravetat durant la fusió. El disseny i l'eliminació del suport afecten significativament el cost final i la qualitat de la superfície.

El post-processament és una etapa indispensable de la impressió 3D de metall i sovint representa entre el 30 i el 50% del cost total.

Eliminació i neteja del suport: els suports s'eliminen mitjançant tall mecànic, electroerosió per filferro, dissolució química o mètodes manuals. La pols no fosa (procés-de pols) o l'excés d'esquitxades (DED) es neteja a fons. Els sistemes de recuperació de pols permeten el reciclatge de la majoria de pols no utilitzada.

Tractament tèrmic: el recuit d'alleujament-d'estrès, el tractament amb solució, l'envelliment o el premsat isostàtic en calent (HIP) elimina les tensions residuals, tanca els porus i homogeneïtza la microestructura, millorant significativament la duresa, la resistència, la tenacitat i el rendiment a la fatiga. HIP s'ha convertit en un procés estàndard per a peces aeroespacials crítiques.

Tractament de superfícies: el sorra, el granallat, el polit, el polit electroquímic, el xapat o el recobriment milloren la qualitat de la superfície, redueixen la rugositat i compleixen els requisits de muntatge i aspecte.

Mecanitzat: les dimensions d'acoblament crítiques, els forats roscats i les superfícies de segellat s'acaben mitjançant mecanitzat CNC per garantir que les toleràncies finals compleixin les especificacions de disseny. Moltes aplicacions-de gamma alta adopten un enfocament de fabricació híbrid "additiu + subtractiu".

Avantatges: fabricació de-forma lliure d'estructures complexes sense motlles, ideal per a la personalització i la producció de mescles de baix--volum mitjà i alt-. Elevada utilització del material (els processos de llit de pols-poden superar el 90%, molt superior a les altes proporcions de compra-a-de la mecanització tradicional de titani), reduint el malbaratament de metalls cars. Permet un disseny lleuger (estructures de gelosia, optimització de la topologia) que compleix les exigències duals de reducció de pes i alt rendiment en camps aeroespacials i similars. Permet una gran consolidació de peces, reduint els passos de muntatge i millorant la fiabilitat.

Limitacions: l'elevat cost de capital dels equips industrials (entre centenars de milers i diversos milions de RMB) i les velocitats de construcció relativament lentes actualment fan que la tecnologia sigui menys adequada per a la producció a gran-escala de peces simples. A mesura que-la rugositat de la superfície construïda i la precisió dimensional són generalment inferiors a les del mecanitzat CNC tradicional i depenen del post-processament. Les pols metàl·liques presenten riscos d'explosió, oxidació i per a la salut, i requereixen una protecció estricta amb-gasos inerts i un control de pols. Les bases de dades de varietat de materials i de paràmetres-de processos encara s'estan ampliant, i els cicles de certificació són relativament llargs.

Mitjançant la fabricació digital--capa per capa, les impressores 3D metàl·liques han trencat les barreres de complexitat del mecanitzat tradicional i han proporcionat solucions revolucionàries per a la indústria aeroespacial (components del motor, estructures de satèl·lit), mèdiques (implants-específics per a pacients, guies quirúrgiques), eines (canals de refrigeració conformes), energia i indústria de l'automoció. Amb el ràpid desenvolupament de sistemes multi-làser, la supervisió intel·ligent in{-situ, l'optimització de processos impulsada per IA-i les tecnologies de fabricació híbrides, l'eficiència, el cost i la fiabilitat continuen millorant. La tecnologia està accelerant la seva transició de la creació de prototips ràpids a la fabricació digital directa i la producció en sèrie, i es convertirà en un pilar indispensable de la fabricació d'equips-de gamma alta.