Bei Velo3D sind wir ständig bestrebt, die additive Metallfertigung (AM) für Ingenieure und Hersteller aus allen Branchen zugänglich zu machen. Wenn Experten auf dem Gebiet über AM sprechen, verzetteln sie sich oft in bestimmten Anwendungsfällen, die für Neueinsteiger oder Lernende schwer verständlich sein können über Industrial Metal AM Für die erste Zeit.
In diesem Einführungsleitfaden betrachten wir Metall-AM von einem hohen Niveau aus, insbesondere Laser-Pulverbett-Schmelzdruck, und wir werden untersuchen, wie Designs erstellt und für die Fertigung übersetzt werden, verschiedene Iterationen und Anwendungen des AM-Prozesses und anderes Nachbearbeitungen, die erforderlich sind, um ein endgültiges, verwendbares, produktionsreifes Teil zu erstellen, genau wie bei jedem anderen Herstellungsprozess.
Was ist Metal AM und wofür wird es verwendet?
Für die Zwecke dieses Artikels verwenden wir generative Fertigungs und 3D Druck um auf den gleichen allgemeinen Prozess zu verweisen. 3D-Druck ist jedoch tendenziell ein weiter gefasster Begriff und kann 3D-Drucker für den Heimgebrauch umfassen, die von Bastlern verwendet werden, während die additive Fertigung eher zur Beschreibung industrieller, technologischer oder professioneller Anwendungen verwendet wird.
Die Kerntechnologien, die AM zugrunde liegen, gehen auf die frühen und mittleren 1980er Jahre zurück, als die ersten Patente erteilt wurden. Jahrzehntelang wurde der 3D-Druck hauptsächlich für Prototyping-Zwecke eingesetzt. Rapid Prototyping (RP) durch 3D-Druck könnte ein Designkonzept viel schneller zum Leben erwecken als andere Präzisionsbearbeitungsverfahren, die die Form und Passform des Designs, wenn auch nicht immer die Funktion, erfüllen.
Als die Technologie immer ausgefeilter wurde, bewegte sie sich über den Bereich der Desktop-Bastler hinaus und wird nun als Produktionsherstellungsprozess für mehrere innovative Branchen eingesetzt, von Energie- und Verteidigungssektoren bis hin zu Luft- und Raumfahrt, Raumfahrt, Bergbau und vielen mehr. Metal AM kann jetzt verwendet werden, um hochwertige Industriequalität herzustellen Präzisionsteile, und es wird für seine Fähigkeit geschätzt, die Leistung zu steigern, das Gewicht der Komponenten zu senken, viele unterschiedliche Teile in einzelne Strukturen zu konsolidieren und die Markteinführungszeit zu verkürzen. Es ist keine Überraschung, dass einige der zukunftsorientiertesten Unternehmen, wie z Chromlegierung, LAM Research und Honeywell, um nur einige zu nennen, investieren stark in Metall-AM, um ihre Innovation voranzutreiben.
Ein genauerer Blick auf den Metall-AM-Prozess
Der Prozess der additiven Metallherstellung besteht aus mehreren Prozessen, die zu einem fertigen Teil führen. Als Referenz verwendet die End-to-End-AM-Lösung von Velo3D Laser Powder-Bed Fusion (LPBF), die wir später ausführlicher erläutern werden. Lassen Sie uns zunächst untersuchen, wie der Gesamtprozess funktioniert.
Zunächst übersetzt ein Hochleistungscomputer das ursprüngliche dreidimensionale Design in zweidimensionale Druckanweisungen. Als nächstes a Metalldrucker führt diese Anweisungen aus und lasert das Teil Schicht für Schicht auf einzelne Schichten aus pulverisiertem Metall. Nachdem die letzte Schicht gedruckt ist, kann der dreidimensionale Aufbau aus dem Drucker genommen, entpulvert und nachbearbeitet werden. Die Nachbearbeitung kann je nach Absicht des Designers und der Umgebung, in der das Design verwendet wird, verschiedene Wärmebehandlungen, maschinelle Bearbeitung oder Oberflächenpolitur umfassen. Um zu erklären, wie der Prozess funktioniert, lassen Sie uns jede dieser Phasen aufschlüsseln und sehen, wie sie sowohl für herkömmliche als auch für fortschrittliche Metall-AM-Prozesse funktionieren.
Alles beginnt mit Design
Es gibt mehrere Überlegungen, die Ingenieure anstellen müssen, wenn sie eine Konstruktion für die Fertigung vorbereiten. Oft ist es unmöglich, das perfekte Design mit hochoptimierter simulierter Leistung tatsächlich herzustellen. Ingenieure müssen sich oft von dem am besten optimierten Design entfernen, um ihr Konzept in die Realität umzusetzen – und die gleichen Opfer werden bei der Aktualisierung oder Neugestaltung eines vorhandenen, veralteten Teils gemacht. Design for Manufacturing (DfM) ist die Disziplin, die ein Teil bewertet und diese ursprüngliche Idee in ein Teil umwandelt, das mit bestehenden Fertigungstechnologien herstellbar ist. In der Regel verfügen Ingenieure über grobe Parameter für ein Teil, bevor sie wichtige Entscheidungen treffen, die sich auf die Fertigung auswirken können.
Diese Überlegungen umfassen:
- Welchen Umfang hat die Operation? Das heißt, wie viele der fertigen Teile müssen bearbeitet werden? Diese Überlegung kann dabei helfen, zu bestimmen, welche Teilfertigungsmethode am sinnvollsten ist.
- Was ist die Anwendung? Wenn ein Teil in einer Hochdruckumgebung oder in einer Branche mit hohen Standards und strengen Vorschriften verwendet werden soll, kann diese Überlegung helfen, zu bestimmen, welche Materialien im Herstellungsprozess verwendet werden müssen.
- Was sind Budget- und Zeitbeschränkungen? In ähnlicher Weise können die erforderliche Bearbeitungszeit für ein Teil – die mehrere Iterationen des Teils und die Beschaffung qualifizierter Arbeitskräfte zur Herstellung dieser Iterationen umfasst – und das für die Erstellung des Teils zugewiesene Budget die Produktionsmethode beeinflussen.
Der DfM-Prozess kann ein kompliziertes Kalkül sein, aber wenn alle Entscheidungen getroffen werden, endet dies in der Regel auf die gleiche Weise: Ingenieure erhalten grünes Licht, um ein endgültiges Design innerhalb der Grenzen dieser Schlüsselüberlegungen zu erstellen. Dieses Design, das normalerweise mit CAD-Dateien (Computer Aided Design) erstellt wird, ist normalerweise ein Kompromiss zwischen dem anfänglich idealisierten Designkonzept und den Einschränkungen des Produktionsprozesses und der Materialien.
Im Gegensatz dazu konzentriert sich Design for Additive Manufacturing (DfAM) eher auf die Herstellbarkeit von Teilen, die für den additiven Prozess spezifisch sind. Innerhalb des DfAM wird ein größerer Schwerpunkt auf die Teilekonsolidierung und die Schonung von Materialressourcen während des Druckprozesses gelegt. Bei der Konstruktion für Metall-AM untersucht ein Ingenieur jedes spezifische Merkmal eines Teils und zerlegt diese Merkmale in separate Herausforderungen, basierend auf der Ausrichtung des Teils und des Merkmals. Beispielsweise können Überlegungen zu niedrigen Winkeln (Überhängen), Kanälen und Öffnungen sowie dünnen Wänden und hohen Seitenverhältnissen zu Herausforderungen bei der Umsetzung von DfAM-Designs in endgültige gedruckte Teile führen.
Aufgrund dieser unzähligen Herausforderungen kann der DfAM-Prozess zu Teilen führen, die erheblich von der ursprünglichen Entwurfsabsicht des Ingenieurs abweichen. Durch die Konstruktion eines Teils ausschließlich für die konventionelle additive Fertigung können Teile kritische Funktionalität und/oder Leistung verlieren. Velo3D zeichnet sich unter anderem dadurch aus, dass wir die Design- und Druckprozesse zu einer vollständigen End-to-End-Lösung vereinheitlicht haben, die sowohl Hardware als auch Software integriert und kritische Designmerkmale intakt hält, während die ursprüngliche Designabsicht des Teils erhalten bleibt.
Durch die Integration von Konstruktionssoftware und Druckern in ein fortschrittliches Metall-AM-System können Ingenieure optimale Konstruktionsgeometrien mit größerer Komplexität ohne Kompromisse erreichen, notwendige Teile konsolidieren, ohne die Konstruktionsabsicht zu opfern, und die Gewissheit erhalten, dass das von ihnen entworfene Teil umgesetzt werden kann wenn gedruckt.
Wie der Metall-AM-Druckprozess funktioniert
Sobald die Designphase abgeschlossen ist, gibt es eine Reihe von Formen, die der Druckprozess der additiven Fertigung annehmen kann. Jedes Druckverfahren ist für unterschiedliche Anwendungen geeignet, einige der häufigsten Formen des AM-Drucks sind:
- Stereolithographiegerät (SLA)
- Selektives Lasersintern (SLS)
- Fused Deposition Modeling (FDM)
- Digitale Lichtverarbeitung (DLP)
- Laminierte Objektherstellung (LOM)
- Selektives Laserschmelzen (SLM)
- Laser-Pulverbettfusion (LPBF)
- Direktes Metalllasersintern (DMLS)
- Elektronenstrahlschmelzen (EBM)
- Binder Jetting (BJ)
- Material Jetting (MJ) Polyjet- und Wachsgusstechnologie
- Schnelle Plasmaabscheidung (RPD)
Bei Velo3D verwenden wir eine modifizierte Version von Laser Powder Bed Fusion (LPBF), die einige proprietäre, bahnbrechende Wendungen enthält. Aber durch die Linse von LPBF können wir untersuchen, wie Metall-AM-Druck auf praktischer Ebene funktioniert.
Beim LPBF enthält der Metalldrucker eine Baukammer, die vollständig inert gehalten wird und häufig mit Argongas gepumpt wird, um Spuren von Sauerstoff oder Feuchtigkeit aus der Atmosphäre der Kammer zu entfernen. Bereits die geringste Anwesenheit von Sauerstoff kann zu Verunreinigungen und Versprödungen im Endteil führen.
Sobald die Bedingungen in der Kammer eingestellt sind, werden Schichten aus Metallpulver im sogenannten Pulverbett abgelegt. Hyperspezialisierte Laser werden dann verwendet, um das Pulverbett zu erhitzen und den Metallstaub in eine Flüssigkeit in der gewünschten Form des Objekts zu schmelzen. Schicht für Schicht wird das Pulverbett mit einem Rakel über das Objekt gezogen; Der Laser schmilzt das Pulver in die gewünschte Form und verbindet es mit der darunter liegenden Schicht bis zum fertigen Objekt.
Bei vielen LPBF-Anwendungen umfasst der Druckprozess auch Stützen oder in den Aufbau integrierte Gerüste. Beim Drucken mit Metall schmilzt der Laser jede Schicht, die dann schnell abkühlt und sich verfestigt. Wenn das Metall weiter abkühlt, zieht es sich zusammen. Schicht für Schicht aus Schmelzen, Erstarren und Zusammenziehen bauen Spannungen im Metall auf. Wenn sie nicht richtig berücksichtigt wird, kann diese Spannung das Metall verformen oder sogar das Teil brechen lassen. Um diese Belastung auszugleichen, verwenden Ingenieure Stützen, um die Teile auf der Bauplatte zu halten.
Für herkömmliche Metall-3D-Drucker, denen die ausgefeilten Druckrezepte eines Velo3D fehlen Sapphire Drucker, Stützen sind sehr verbreitet. Bei dem, was manche als „The Million Dollar Staple Gun Approach“ bezeichnen würden, produzieren Ingenieure, die teure Industriedrucker verwenden, am Ende genauso viel Stützmaterial wie das eigentliche Teil. Bei diesem Material handelt es sich tendenziell um die gleichen teuren und schwierig zu bearbeitenden Superlegierungen, die für Hochleistungskonstruktionen erforderlich sind. Oftmals wird mehr als die Hälfte der gesamten bedruckten Masse als verschwendetes Trägermaterial verwertet, das in der Nachbearbeitung entfernt werden muss.
Im Gegensatz dazu hat Velo3D Pionierarbeit geleistet a SupportKostenlosTM Druckprozess Dadurch können Ingenieure komplexe Geometrien und niedrige Winkel erzielen, ohne dass Stützstrukturen erforderlich sind, um das Objekt an Ort und Stelle zu halten. Unsere standardisierte Bibliothek hochentwickelter Prozessrezepte ermöglicht es Ingenieuren, ihre Designs ohne die Abhängigkeit von Trägern zu drucken, und hat dazu beigetragen, weitere Innovationen für Anwendungen wie z Mikroturbinen, Wärmetauscher, Turbopumpen, und vieles mehr.
Nachbearbeitung für Metal AM
Am Ende des Druckprozesses haben die Teams im Wesentlichen einen groben Entwurf des Objekts. Dann werden die letzten Phasen des Metall-3D-Drucks in Gang gesetzt. Nach dem Drucken werden das Teil und die Bauplatte unter ungeschmolzenem Metallpulver begraben. Ein Bediener saugt so viel Pulver wie möglich auf, um es für zukünftige Teile wiederzuverwenden. Nach diesem Schritt kann ein Bediener die Bauplatte und das Metallteil (noch an die Platte geschweißt) entfernen. Weitere Pulverentfernungsschritte können erforderlich sein, um das Teil vollständig zu reinigen.
Abhängig von der Anwendung und dem verwendeten Metall muss ein Bediener das Teil möglicherweise wärmebehandeln, bevor es von der Bauplatte entfernt wird. Aufgrund der hohen Spannungen, die sich während eines Druckvorgangs aufbauen können, können sich Teile, die nicht ausreichend entspannt sind, verziehen oder sogar brechen, wenn sie von der Platte geschnitten werden. Andere Wärmebehandlungsschritte können die Materialeigenschaften beeinflussen. Prozesse wie HIP (Hot Isostatic Press) und Solution and Age können je nach Teilespezifikation erforderlich sein.
Bei vielen AM-Metallteilen kann eine zusätzliche Bearbeitung verwendet werden, um Stützstrukturen zu entfernen und Zieltoleranzen zu erreichen, die bei Teilen im Druckzustand schwer zu erreichen sind. Sobald die Stützen entfernt sind, kann das Teil innen und außen gefräst, gebohrt und poliert werden, um die erforderlichen Spezifikationen zu erreichen oder Eigenschaften wie Oberflächenqualität, geometrische Genauigkeit und andere mechanische Eigenschaften zu verbessern. Häufig werden Innenflächen mit Schleifmitteln behandelt flow Bearbeitung zur Verbesserung der Oberflächenbeschaffenheit und Entfernung von Verunreinigungen, die von der Konstruktion und verbleibenden Stützstrukturen übrig geblieben sind.
Wenn das Teil schließlich fertig ist, muss es gründlich bewertet und getestet werden, um sicherzustellen, dass es optimal funktioniert und die strengen behördlichen Anforderungen für bestimmte Branchen erfüllt. Velo3D arbeitet, um Qualität zu gewährleisten, indem Integration dieser Analysemaßnahmen innerhalb des Druckprozesses selbst mithilfe fortschrittlicher Sensoren und Software für Messtechnik und Teilevalidierung.
Es gibt viel über die additive Fertigung zu lernen. Egal, ob Sie nur an der Oberfläche des 3D-Drucks kratzen oder daran interessiert sind, Metall-AM als Lösung zur Teilefertigung für industrielle Anwendungen zu erkunden, auf Ihrer Reise erwartet Sie ein Universum voller Innovationen. Velo3D ist ein Pionier im Metall-AM-Bereich und ermöglicht es Innovatoren, selbst ihre komplexesten Designs ohne Kompromisse zum Leben zu erwecken.
Wenn Sie mehr über den Metall-AM-Prozess von Velo3D erfahren möchten, Wenden Sie sich noch heute an einen unserer erfahrenen Ingenieure.
