Metaal 3D-printen: Uitdagingen Overwinnen en Opkomende Oplossingen Benutten

Metaal 3D-printen kent praktische uitdagingen en kansen. Krijg dieper inzicht in waar knelpunten zitten en hoe u ze aanpakt. Leer ook over opkomende technologie die de markt kan veranderen.

De toekomst is aangebroken in metaal 3D-printen – en de instapkost kan tegenhouder zijn. De grote spelers in de productie zijn diep betrokken – en ze kunnen hulp nodig hebben van gespecialiseerde kleinere werkplaatsen. Wat vereist de adoptie van 3D en metaal samen? Het omarmen van nieuwe ingenieursbenaderingen en wennen aan nieuwe materialen zoals metaalpoeders, voor starters.

SpaceX bouwt sleutelonderdelen ermee. NASA, Boeing, Lockheed Martin en GE Aviation ook. Deze en andere fabricanten 3D-printen metalen onderdelen voor vliegtuigen die ons van stad naar stad brengen, ruimtevaartuigen die astronauten naar de nabije aardbaan brengen en raketten die rode Tesla Roadsters naar de asteroïdengordel lanceren. Medische bedrijven stappen ook in het additieve productiespel met 3D-geprinte implantaten voor heupprothesen en schedelreparatieplaten voor slachtoffers van ongevallen. Automotive en consumentenproducten volgen.

Als u een onderaannemer bent voor een van deze grote luchtvaartbedrijven, begrijpt u al de uitdagingen die deze complexe technologie met zich meebrengt. Hoewel het traditionele of veel CNC-bewerkings- en fabricageprocessen in ons leven niet zal vervangen, verandert het wel het landschap van beschikbare productieopties.

Kijk naar de cijfers: Marktonderzoeker IDTechEx voorspelt dat 3D metaalprinten zal groeien tot een industrie van 12 miljard dollar in 2028 – op van ongeveer 2,5 miljard dollar in 2018. Een EY-studie uit 2016 vond dat 52 procent van de befragde bedrijven metaal kiest in 3D-printen boven alle andere materialen. Het volgende dichtstbijzijnde materiaal, polymere, scoorde 31 procent van de vraag – met 6 procent die hopen keramiek te printen.

"Bedrijven kiezen ervoor [metaal] omdat het toestaat producten te printen uit edele metalen, titanium, gereedstaal, roestvrij staal en aluminiumlegeringen," aldus EY in het rapport. "Onder bedrijven die al metaal 3D-printen gebruiken, domineren bedrijven uit twee sectoren: luchtvaart en automotive. 65 procent van deze bedrijven gebruikt metaal 3D-printen; dit hoge percentage is te wijten aan het grote aantal metalen componenten in producten uit deze sectoren."

Bereid u voor op wachten en nareinigen van 3D-geprinte metalen onderdelen

Voordat u in het 3D-printbedrijf stapt, bereid uzelf voor. Het klinkt misschien duidelijk, maar onderdelen op deze manier bouwen is niets als een blok aluminium uithollen of een kobalt-chroom-as draaien. Het gereedschap is een laser, het materiaal een hoop metaalpoeder en de vastzetting een plat metalen plaat. Laad het programma, druk op cyclusstart – en uren of dagen later is uw onderdeel klaar. Bijna.

Hier zit de knel: niet alleen zijn de bouwsnelheden bij metaal 3D-printen glacieel langzaam vergeleken met bewerken, de onderdelen zijn ook niet per se af wanneer ze uit de machine komen, noch volledig accuraat. Of u het noemt direct metal laser sintering, electron beam melting of selective laser melting, typische toleranties bij poederbedsmelting liggen rond +/- 0,005 inch met een oppervlaktevergelijkbaar met gietwerk (rond 125 Ra in het beste geval). Dit betekent dat bewerken meestal nodig is om kritische oppervlakken te reinigen, gaten te boren, draad te snijden en meer.

Bovendien vereist poederbedsmelting steunstructuren als stellingen om het werkstuk tijdens de verwerking te ondersteunen. Dat betekent dat slippen, korrelstraken en additioneel bewerken nodig kunnen zijn om deze steunen te verwijderen.

Wilt u een meer fundamentele achtergrond over waarom en hoe 3D een impact heeft gemaakt? Lees "The Case for 3D Printing in Manufacturing."

Wat is uw mening? Discuteer met uw collega's in het communityforum.

Het is heet: 3D-printspanning op metalen

Er is ook thermische spanning te overwegen. Lasers en elektronenbundels verwarmen deeltjes van titanium, aluminium, roestvrij staal, kobalt-chroom, gereedstaal en tientallen andere legeringen tot hun smeltpunten, die 2.700 graden kunnen overschrijden. Zodra elke laag compleet is, wordt vers poeder toegevoegd en begint het proces opnieuw. Zoals u zich kunt voorstellen, creëert deze herhaalde opwarming en afkozing enorme spanning die tijdens het bouwproces gecontroleerd moet worden, en daarna geanneald via warmtebehandeling.

Dat is veel om over na te denken en te managen. Daarnaast moeten diegenen die een 3D-printstrategie nastreven kijken naar schaalbaarheid, modellering, lagenbouw en simulatie.

Schaalbaarheid

Tot voor kort was de grootste 3D-metalprinter nauwelijks groot genoeg om een broodrooster te printen. Vandaag de dag kunnen commercieel beschikbare machines onderdelen van de grootte van een kano bouwen en 20 pond metaal per uur neerleggen. Welke grootte machine hebt u nodig, welke technologie is het beste en hoe groot is uw budget? Reken op 1 miljoen dollar of meer, de leercurve niet meegerekend.

Modellering

Een van de grootste obstakels voor additieve fabrikanten is ontwerp van onderdelen. Ingenieurs moeten leren anders te denken om succesvol te zijn met deze technologie – en dat betekent complexe geometrieën en "organische vormen" omarmen die voorheen niet geproduceerd konden worden. Natuurlijk is het aan de machinisten en productie-ingenieurs om uit te zoeken hoe ze de vreemd gevormde onderdelen die op hen afkomen, vastzetten.

Lagenbouw

Zodra het ontwerp goedgekeurd is, moet de 3D-printerprogrammeur of -operator de steunstructuren ontwerpen en de beste manier bepalen om het onderdeel te positioneren en te bouwen. Het goede nieuws is dat er veel softwareprogramma's zijn ontworpen voor dit doel – en deze taak is längst niet meer zo moeilijk als vroeger.

Simulatie

Het bed is gevuld met poeder, de bouwplaat is schoon en het metaal is klaar om te smelten. Voordat op de knop gedrukt wordt, is het belangrijk om het bouwproces te evalueren met behulp van softwaresimulatie. Dit helpt identificeren waar thermische spanning kan optreden, detecteren waar steunstructuren nodig zijn (of onnodig) en bevestigen of het bestaande ontwerp geschikt is voor 3D-printen.

3D-geprint metaal, ontmoet uw nieuwe vriend, polymere

In de wereld van metaal 3D-printen heerst poederbedsmelting – tenminste voor nu. Verscheidene nieuwe technologien dringen in het poederbedterrein, waaronder thermische spuit- en extrusiebenaderingen die lagere kosten beloven (in de 120.000 dollar range tegenover 500.000 dollar en hoger), grotere nauwkeurigheid en veel snellere bouwsnelheden. Een van deze werkt als een inktjetprinter, maar dan met "inkt" van metaalpoeder gemengd met een polymere binder.

Het onderdeel wordt opgebouwd in een "groene" staat voordat het in een oven wordt geplaatst voor sinteren, wat iets anders is dan het decennialange metaal-injectiegietproces. Aangezien het hetzelfde metaalpoeder gebruikt, ondergaat het geen waarnaaronder metallurgische scrutering als andere additieve poeders. En als alle metaal 3D-printtechnologieën produceert het volledig dichte onderdelen.

Vergelijkbaar met de "binder-jet"-technologie die in sommige nieuwere polymere printers gebruikt wordt, zijn de bouwsnelheden naar verluidt 10 tot 100 keer sneller dan de concurrentie. Machinekosten zijn een fractie van die van poederbed- of hybride werktuigmachines. Er is weinig behoefte aan steunstructuren, en degenen die gebruikt worden kunnen na sinteren gemakkelijk worden afgebroken. En aangezien er geen laserlicht is – alleen UV om de binder te verharden – en het metaal in printervriendelijke cartridges wordt geleverd die elke kantoormedewerker kent, zijn er veel minder gezondheids- en veiligheidszorgens.

"Het adopteren van metaal 3D-printen voor het maken van eindgebruiksonderdelen is een stap die sommige bewerkingsbedrijven hebben gezet, maar het was niet iets dat overal kon," merkt Peter Zelinski, hoofdredacteur van Modern Machine Shop, op in het artikel "The Arrival of Low-Cost Metal AM?" "Nu kan lagere kosten metaal 3D-printen betekenen dat werkplaatsen routinematig zowel additieve als subtractieve methoden voor metalen onderdelen zullen hanteren. En het kan ook betekenen dat het bereik van metalen onderdelen die geschikt zijn voor additieve productie, zich gaat uitbreiden."

Heeft u ervaring met metaal 3D-printen of andere additieve productieprocessen? Hoe was dat voor u en uw werkplaats?