Een inleiding tot direct metaallaser sinteren

"Vergeleken met een traditioneel gegoten onderdeel, heeft een bedrukt [onderdeel] superieure sterkte, ductiliteit en breukweerstand, met een lagere variabiliteit in materiaaleigenschappen."

Elon Musk

Hoewel materialen op basis van plastic zijn gebruikt voor de meeste projecten voor additieve fabricage sinds het begin van de technologie, betekenen recente ontwikkelingen in metalen printmaterialen dat het produceren van functionele metalen onderdelen nu niet alleen haalbaar is, maar serieus overwogen moet worden voor een reeks industrieën. De mogelijkheid om additieve fabricagetechnieken te gebruiken om onderdelen te leveren met dezelfde mechanische eigenschappen als hun machinaal bewerkte tegenhangers, heeft de deur geopend voor het gebruik van deze technologie voor productie, evenals voor prototyping, iets dat vooruitstrevende bedrijven al zijn begonnen te verkennen.

In deze zelfstudie bieden we een overzicht van de belangrijkste zaken waarmee rekening moet worden gehouden bij elk project waarbij sprake is van het directe metaallaser-sinterproces en de mogelijke toepassingen ervan in de additieve productie-industrie.

Wat is directe metaallaser-sintering?

Directe metaallaser-sintering is een methode van additieve fabricage waarbij een bed van metaalpoeder wordt gestraald met een fijne laser, waarbij het poeder één laag tegelijk wordt samengesmolten om het voltooide onderdeel of prototype te maken, dat vervolgens kan worden bewerkt en afgewerkt in dezelfde manier als een geproduceerd door CNC. Sinds de introductie in het begin van de jaren negentig is het proces gebruikt om een ​​breed scala aan prototypen en functionele onderdelen te produceren in de automobiel-, lucht- en ruimtevaart- en medische/tandheelkundige industrie.

Waarom DMLS?

DMLS biedt een betrouwbare manier om hoogwaardige metalen componenten te leveren in korte productieruns. Het proces is ongelooflijk consistent, met minimale krimp tijdens koeling na het printen, en resulterende mechanische waarden die vaak de machinale equivalenten kunnen overschrijden. Vergeleken met CNC-methoden vermindert DMLS de typische materiaalverspilling met maar liefst 90%.

DMLS biedt ook veel flexibiliteit, omdat onderdelen na het printen verder kunnen worden verfijnd met behulp van meer traditionele CNC-methoden en zelfs kunnen worden gelast zoals gewone metalen. Dit omvat het graveren of embosseren van details, wat een aantal sieradenontwerpers ertoe heeft gebracht de mogelijkheden van DMLS te verkennen.

Het proces om op deze manier metaal te 3D-printen is echter nog relatief jong in vergelijking met andere methoden en is als zodanig niet zonder nadelen. Het proces is momenteel nog beperkt tot industriële toepassingen vanwege de relatieve complexiteit, waarbij de materiaalkeuze op het moment van schrijven nog relatief beperkt is. Bovendien is het proces nog steeds niet geschikt voor bijzonder grote projecten, vanwege de beperkte bouwruimte van de beschikbare printers.

Welke materialen kunnen op deze manier worden bedrukt?

Het assortiment metalen dat beschikbaar is in bedrukbare vorm groeit gestaag. Op het moment van schrijven zijn de volgende allemaal beschikbaar in poedervorm voor DMLS-projecten:

• Roestvrij staal
• Nikkelstaal
• Sterlingzilver
• Goud
• Titanium
• Brons
• Koper
• Messing
• Aluminium
• Kobaltchroom
• Inconel

Er zijn ook een aantal plastic materialen beschikbaar waaraan metalen elementen zijn toegevoegd, waardoor ze enkele van de kwaliteiten van metalen onderdelen krijgen. Deze kunnen bij lagere temperaturen worden bedrukt met behoud van een metaalachtig gevoel. Bij het overwegen van het meest geschikte materiaal voor een project, moet u in detail kijken naar het specificatieblad van elke optie, dat gemakkelijk online beschikbaar moet zijn. Denk in het bijzonder aan het volgende:

• Treksterkte (MPa)
• Flexurale modulus (GPa)
• Verlenging bij breuk (%)
• Hardheid (meestal uitgedrukt op de Rockwell B-schaal, hoewel er een aantal alternatieve schalen in gebruik zijn)
• Minimale wanddikte
• Haalbare nauwkeurigheid (µm)

Welke nabewerking is vereist?

Allereerst moeten bij elke DMLS-afdruk alle ondersteunende elementen worden verwijderd, wat vaak een behoorlijk tijdrovend proces is, dus houd hier rekening mee in de tijdlijnen van uw project. Hiervoor kunnen typische bewerkingstechnieken worden gebruikt.

De afwerkingen die worden geproduceerd door direct metaallaser-sinteren zijn inherent ruw en korrelig, wat betekent dat polijsten nodig is om een ​​gladde, aantrekkelijke afwerking te krijgen, vooral als het onderdeel later moet worden gebruikt voor gieten. Elektrolytisch polijsten is in dit opzicht een effectieve optie, waarbij de algehele kwaliteit van de afwerking van een onderdeel aanzienlijk wordt verbeterd door de ruwheid te minimaliseren, zodat er minder vuil aan hecht. Omdat er geen machinale bewerking nodig is, is dit een bijzonder aantrekkelijke optie voor onderdelen met kwetsbare elementen die door bewerkingstechnieken kunnen worden beschadigd.

Van bepaalde metaalpoeders die voor additive manufacturing worden gebruikt, kunnen hun mechanische eigenschappen aanzienlijk worden verbeterd door een warmtebehandeling na het bedrukken. De specificatiebladen voor deze materialen moeten hun voor- en nabehandelingseigenschappen vermelden.

Effectieve volumeverpakking en onderdeeloriëntatie

Zoals bij elk additief fabricageproject, moet u zo snel mogelijk rekening houden met uw vereisten voor volumeverpakking. Voor de meeste DMLS-projecten zal het printen van meerdere eenheden tegelijk de kosten verlagen, maar wanneer u bepaalt hoeveel eenheden gelijktijdig met uw beschikbare machines kunnen worden afgedrukt, moet u rekening houden met de oriëntatie van het onderdeel, aangezien dit meestal de grootste uitdaging is bij het afdrukken van metalen onderdelen. Metalen onderdelen vereisen een veel specifiekere oriëntatie dan plastic onderdelen vanwege de ondersteunende structuren die nodig zijn tijdens het printen, dus de volumeverpakking moet rond deze overweging worden gepland. Door dit te doen, wordt een verstandige balans bereikt tussen materiaalkosten, kwaliteit en algehele bouwtijd.