DMLS 3D打印/直接金屬激光燒結(jié)簡介
魔猴君 知識堂 3小時前
什么是直接金屬激光燒結(jié)?
圖1:3D金屬燒結(jié)是一種高精度3D打印方法,可用于打印常見的復(fù)雜金屬部件,例如3D Systems打印機(jī)生產(chǎn)的這些部件(來源:3D Systems)
使用高功率激光熔化金屬粉末的增材制造工藝有多種名稱。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)組織(ISO)的說法,它的正式名稱是金屬激光粉末床熔合(LPBF)。然而,專門從事這項(xiàng)技術(shù)的3D打印機(jī)制造商為同一工藝想出了獨(dú)特的品牌名稱。
最大的金屬3D打印機(jī)制造商之一EOS將該技術(shù)稱為“直接金屬激光燒結(jié)(DMLS)”,由于許多3D打印服務(wù)都使用EOS機(jī)器,因此您通常會將其DMLS作為服務(wù)產(chǎn)品而不是正式名稱,盡管這是完全相同的技術(shù)。LPBF 3D打印機(jī)之間存在細(xì)微差異,但總體方法是相同的。
這種金屬3D打印方法是一種高精度技術(shù),通常用于原型設(shè)計和生產(chǎn)航空航天、汽車、醫(yī)療和工業(yè)應(yīng)用的最終用途復(fù)雜金屬部件。它可以制造從工具和備件到火箭發(fā)動機(jī)和醫(yī)療植入物等各種產(chǎn)品。
圖2:使用Prima Additive的金屬燒結(jié)系統(tǒng)對銅進(jìn)行激光燒結(jié)(來源:Prima Additive)
DMLS的快速發(fā)展和普及背后有很多原因。首先,借助內(nèi)部金屬3D打印機(jī),公司可以自行生產(chǎn)金屬零件,例如注塑模具、替換零件和工具,這比從海外制造和運(yùn)輸要快得多,也便宜得多,尤其是在小批量的情況下。即使從金屬燒結(jié)服務(wù)訂購零件也比傳統(tǒng)制造更快。
其次,金屬燒結(jié)可以生產(chǎn)出具有復(fù)雜內(nèi)部通道、晶格填充壁和形狀的零件,而這些形狀是其他制造方法無法實(shí)現(xiàn)的(或成本高昂),從而可以生產(chǎn)出更好、更輕、更高效的零件。
與傳統(tǒng)制造相比,金屬燒結(jié)的另一個好處是可持續(xù)性。尤其是在使用鈦或銀等高成本材料進(jìn)行打印時。金屬燒結(jié)3D打印機(jī)僅使用制造零件所需的材料,其余材料可重復(fù)用于制造其他零件。
讓我們仔細(xì)看看這項(xiàng)技術(shù)、誰在使用它,以及它為何對當(dāng)今制造業(yè)產(chǎn)生如此巨大的影響。
金屬燒結(jié)的工作原理
圖3:密歇根理工大學(xué)3D Systems DMP Flex 350金屬LPBF 3D打印機(jī)內(nèi)部展示即將從支撐金屬粉末中取出的最終金屬部件(來源:Mighican Tech)
與所有3D打印技術(shù)一樣,金屬燒結(jié)是一個數(shù)字化過程,從零件的電子文件開始。這些文件是使用計算機(jī)輔助設(shè)計(CAD)軟件制作的,也可以從數(shù)字零件庫中獲取。然后,設(shè)計文件通過特殊的構(gòu)建準(zhǔn)備軟件進(jìn)行處理,該軟件將其分解為要進(jìn)行3D打印的切片或?qū)印T撥浖ǔJ?D打印類型甚至3D打印機(jī)品牌所獨(dú)有的,它會生成3D打印機(jī)要遵循的路徑和其他指令。
一旦零件文件被輸入到3D打印機(jī),它就開始準(zhǔn)備構(gòu)建。
金屬燒結(jié)涉及一層金屬粉末和高功率激光,用于在分子水平上逐層選擇性地將金屬粉末融合在一起,直到最終部件完成。
圖4:3D金屬燒結(jié)工藝始于數(shù)字文件,然后由于它是一個逐層工藝,因此可以創(chuàng)建其他金屬制造工藝無法實(shí)現(xiàn)的形狀和整體組件(來源:EOS)
首先,將所需的金屬粉末裝入打印機(jī)料斗中,然后加熱器將粉末加熱到接近材料燒結(jié)范圍的溫度。打印機(jī)將粉末推入打印床,然后由刮刀(如擋風(fēng)玻璃雨刷)或滾筒將粉末鋪展成薄層,覆蓋在打印板上。
激光將第一層粉末的形狀描繪到粉末上,從而使其凝固。然后,構(gòu)建平臺向下移動一小段距離,另一層粉末通過激光鋪開并融合到第一層粉末上,直到整個物體構(gòu)建完成。在打印過程中,構(gòu)建室是封閉的、密封的,在許多情況下,構(gòu)建室中充滿惰性氣體,例如氮?dú)饣驓鍤饣旌衔?,這有助于防止熔化過程中的碎屑影響部件。
打印床上的粉末在打印過程中支撐部件,但打印的支撐物也會被使用。未使用的金屬粉末可以在打印過程結(jié)束時收集起來,與新鮮粉末混合,并在下一次打印中重復(fù)使用。
打印完成后,讓部件冷卻,并從打印機(jī)中清除周圍松散的金屬粉末。打印完成后,將部件從粉末床上取出并清洗干凈。金屬燒結(jié)部件可以像傳統(tǒng)金屬加工生產(chǎn)的金屬部件一樣進(jìn)行進(jìn)一步加工,包括機(jī)械加工、熱處理或表面精加工。
為了避免混淆,DMLS就是LPBF,但同一項(xiàng)技術(shù)也有其他名稱。您可能聽說過一家名為Nikon SLM Solutions的公司推出的選擇性激光熔化(SLM);還有直接金屬激光熔化(DMLM)。
DMLS的突破性應(yīng)用
圖5:Sierra Turbines的3D打印微型渦輪燃燒器的橫截面展示了其復(fù)雜的內(nèi)部設(shè)計,取代了傳統(tǒng)制造所需的61個分立部件(來源:Velo3D)
受益于3D金屬燒結(jié)的領(lǐng)域包括醫(yī)療、牙科和航空航天工業(yè)。這些行業(yè)的零件經(jīng)常需要使用高性能或特殊材料。金屬燒結(jié)可以制造出傳統(tǒng)金屬加工技術(shù)無法制造的零件。
醫(yī)學(xué):定制假肢可以用鈦合金等材料建模和打印,以替代因事故或疾病而失去的部分骨骼。它們具有高強(qiáng)度,可抵抗身體的攻擊,并且多孔性有助于骨骼長入假肢結(jié)構(gòu)。最重要的是,每個假肢都可以輕松制作成針對每個患者的獨(dú)特假肢。
圖6:金屬激光燒結(jié)在牙科市場中越來越多地用于制造針對特定患者的植入物和假牙(來源:Prima Additive)
牙科:可以輕松為患者制作假牙、牙橋、牙冠和局部假牙,然后使用鈷鉻等高強(qiáng)度材料打印。通過金屬燒結(jié)打印工藝,可以快速獲得定制貼合度、強(qiáng)度和長期耐用性。
航空航天:金屬燒結(jié)是減少零件數(shù)量、制造復(fù)雜幾何形狀和減輕重量同時保持或提高零件強(qiáng)度和耐用性的關(guān)鍵部分。DMLS零件用于商用飛機(jī)和火箭,從簡單的支架到復(fù)雜的渦輪機(jī)零件和探頭。甚至可以生產(chǎn)完整的火箭排氣裝置。
金屬燒結(jié)的優(yōu)缺點(diǎn)
圖7:Heraeus使用特種金屬在EOS 3D打印機(jī)上進(jìn)行3D金屬燒結(jié)(來源:Heraeus)
與所有制造技術(shù)一樣,金屬燒結(jié)也有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。
優(yōu)勢:
廣泛的可用金屬
能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜的形狀或內(nèi)部結(jié)構(gòu),可能無需支撐
由于無需工具,因此縮短了總交付周期
與鑄造或模塑相比,單件或小批量零件的價格要低得多
實(shí)現(xiàn)部件合并,以便將之前的多組件部件打印成一個打印件
通過增材制造和粉末回收減少浪費(fèi)
由于快速按需生產(chǎn),能夠減少庫存
零件大規(guī)模定制的潛力
缺點(diǎn):
入門成本高——所有LPBF 3D打印機(jī)的價格都高達(dá)數(shù)萬美元
與機(jī)械加工等傳統(tǒng)制造方法相比,每個零件的成本可能更高
目前尺寸限制為1.5平方米
通常需要使用特種金屬粉末才能獲得最佳效果
激光需要大量能量
不是即插即用的技術(shù),需要培訓(xùn)和熟練的技術(shù)人員
并非所有的金屬燒結(jié)3D打印機(jī)都是一樣的
圖8:
金屬燒結(jié)3D打印機(jī)是一種工業(yè)解決方案,起價約為10萬美元,最高可達(dá)數(shù)百萬美元。如果您能夠快速交付關(guān)鍵備件、制造出比競爭對手更出色的產(chǎn)品并快速將其推向市場,或者將您的制造業(yè)務(wù)從海外轉(zhuǎn)移,那么這項(xiàng)技術(shù)就物有所值。如果您能夠消除庫存并按需打印零件,那么這項(xiàng)技術(shù)也具有經(jīng)濟(jì)意義。
金屬3D打印機(jī)的主要區(qū)別因素包括激光器的類型、強(qiáng)度和數(shù)量。例如,小型緊湊型打印機(jī)可能配備一臺30瓦激光器,而工業(yè)版打印機(jī)可能配備12臺1,000瓦激光器。
選擇金屬燒結(jié)3D打印機(jī)時,請考慮:
可擴(kuò)展性:如果入門級機(jī)器不再適合您,是否可以升級到其他級別?
建造速度:機(jī)器每小時可以生產(chǎn)多少立方厘米?
激光掃描速度:這不是零件構(gòu)建速度的唯一指標(biāo),但它有所貢獻(xiàn)。
激光光斑尺寸:您可以調(diào)整激光以獲得更多或更少的細(xì)節(jié)部分嗎?
層高和分辨率:最終部件能有多精細(xì)?
燃?xì)夂碗娏ο模?/span>有些機(jī)器比其他機(jī)器消耗更多。
材料消耗:具有良好粉末進(jìn)料和篩分技術(shù)的機(jī)器可以減少粉末浪費(fèi)。
開放或?qū)S胁牧希?/span>如果您必須使用打印機(jī)制造商的材料,則可能會影響您的制造靈活性和成本。
金屬燒結(jié)用金屬
圖9:金屬粉末是3D打印中最常用的金屬介質(zhì)(來源:GKN Additive)
幾乎任何金屬都可以燒結(jié)。金屬激光粉末床熔合的多功能性使其得到更廣泛的采用。例如,航空航天公司正在使用獨(dú)特的金屬合金進(jìn)行3D打印,非常適合惡劣條件。
盡管金屬材料供應(yīng)商可以配制幾乎任何3D打印合金,但大多數(shù)激光燒結(jié)都是在鋼或鋁合金中完成的。
此3D打印工藝的材料是細(xì)粉狀金屬。用于金屬燒結(jié)的金屬粉末與用于注塑成型的金屬粉末不同。用于3D打印的粉末以各種方式加工,并且在其確切的化學(xué)組成、顆粒的圓度、密度等方面各不相同。
我們在本指南中深入介紹金屬粉末:金屬3D打印用金屬粉末-購買指南
通常,金屬顆粒的制造尺寸為20至40微米。顆粒尺寸和形狀限制了最終部件的細(xì)節(jié)分辨率。金屬顆粒尺寸越小,變化越少,分辨率越高。工藝中使用的原料粉末的特性會顯著影響成品部件的材料特性。因此,根據(jù)應(yīng)用,有多種材料選擇。
有幾十種金屬(包括以下這些)適合金屬燒結(jié),但并非每臺金屬燒結(jié)3D打印機(jī)都能處理相同的材料。有些需要更強(qiáng)大的激光或特殊處理。
3D金屬燒結(jié)材料
鋁
鋁硅10Mg,鋁硅7Mg0.6
鋁F357
斯卡爾馬洛伊
不銹鋼
316L
15-5PH
17-4ph
1.2709
H13
因瓦合金36
1.4828
鎳
華欣
英科乃爾625、718、939
Amperprint 0233 Haynes 282
鈦合金
Ti6Al4V ELI(23級)
TA15
Ti(2級)
編譯整理:ALL3DP