3D-печать сталью - краткое руководство

3D-печать металлом с использованием чистой стали и сплавов позволяет получать прочные функциональные детали механических и промышленных изделий. 

Любая технология металлической 3D-печати позволяет печатать сталью. Это наиболее популярный материал. Но какие марки стали и какая технология лучше всего подходит для решения ваших задач? Действительно ли печатные стальные детали будут такими же прочными и долговечными, как детали, изготовленные традиционным способом?

Давайте посмотрим, как напечатанная на 3D-принтере стальная деталь совершает революцию в производстве и открывает двери для новых применений в аэрокосмической промышленности, медицинском оборудовании, автомобилестроении, производстве инструментов, тяжелой промышленности, архитектуре и многих других направлениях. К тому же, более доступные настольные принтеры расширяют возможности и сферу применения 3D-печатных деталей из настоящей стали.

3D-ПЕЧАТЬ СТАЛЬЮ

Отлитая из стали деталь (слева) в сравнении с печатной версией (в центре) демонстрирует допуски, возможные при использовании технологии . Шарнир, справа, напечатанный целиком, не требует сборки (Источник: Desktop Metal)

Самый распространенный вопрос, когда речь заходит о напечатанной на 3D-принтере модели из металла: "Будет ли она такой же прочной, как кованая или литая деталь?". Короткий ответ - да... и нет.

3D-печатные детали из стали могут быть такими же прочными, а иногда и более прочными, чем изготовленные традиционным способом. Это зависит от множества факторов, таких как: конечная цель использования, тип стали, выбор метода 3D-печати, последующая обработка и форма детали. Также сравнение зависит от того, на какой из прочностных характеристик вы сосредоточитесь: прочность на разрыв, прочность при статической нагрузке, усталостная прочность и т.д.

Детали напечатанные из стали используется в аэрокосмической отрасли, для нужд военных, а также, к примеру, для изготовления пешеходного моста, изображенного ниже. Поэтому  прочность печатных изделий не вызывает сомнений, но давайте посмотрим подробнее.

Королева Нидерландов Максима официально открывает металлический мост, изготовленный с помощью 3D-печати. Фото Adriaande Groot (Источник: MX3D)

Стальная деталь, напечатанная на 3D-принтере по одной из технологий, в частности методом лазерного порошкового спекания (LPBF), имеет более мелкозернистую структуру, чем литые металлические изделия. Это обеспечивает лучшие прочностные характеристики на разрыв, но по остальным показателям литые детали в настоящее время все еще прочнее. Чаще всего 3D-печать по технологии LPBF используется для замены литых компонентов, но в отдельных случаях 3D-печатные компоненты могут заменить собой кованые детали.

Одно из исследований показало, что при определенных условиях детали из нержавеющей стали, изготовленные на 3D-принтерах по технологии LPBF, были в три раза прочнее, чем детали из той же стали, изготовленные традиционным способом.

В экспериментах по сравнению 3D-печатных стальных деталей с традиционно изготовленными исследователи создают идентичные изделия с помощью двух методов и сравнивают их характеристики. Однако сравнение деталей по принципу "лоб в лоб" - это только часть общей картины.

Основным преимуществом печати из стали является не только ее прочность, но и уникальная способность создавать в деталях внутренние каналы и решетчатые заполнения, что невозможно при использовании традиционных методов изготовления. 3D-печать металлом позволяет изготавливать детали быстрее, чем традиционное производство, поскольку этот метод не требует использования специальной оснастки и инструментов, позволяет создавать узлы как единое целое, исключая необходимость последующей сборки и сварки. Разработка печатной детали обычно означает, что для ее изготовления потребуется меньше металла и поэтому уменьшится ее масса, при той же прочности.

Архитектурная опора, напечатанная из стали с помощью проволочно-дугового аддитивного производства (WAAM) от MX3D (Источник: MX3D)

3D-печать сталью является также более стабильной и экономически эффективной практикой, поскольку уменьшает количество отходов. При использовании субтрактивных методов производства, таких как механическая обработка на станках ЧПУ, вы изготавливаете деталь, вырезая ее из большой, получая при этом гору отходов. При аддитивном производстве вы используете только тот материал, который необходим для получения готового изделия.

3D-печать сталью не предназначена для замены традиционных методов во всех областях, но она может быть более удачным выбором для широкого круга применений. Особенно в тех случаях, когда требуемые детали являются уникальными и разрабатываются с учетом специфики применения, например, для двигателей ракет, гоночных автомобилей или в нефтегазовой промышленности. 3D-печать является самой быстрой и гибкой технологией для производства серийных изделий и прототипов.  Для военных и промышленных применений 3D-печать сталью - это более быстрый и эффективный способ создания отдельных деталей для транспортных средств и машин. 3D-печать из нержавеющей стали стремительно находит применение в медицине для создания уникальных хирургических инструментов и имплантатов.

Если вы знаете, какими характеристиками должно обладать ваше конечное изделие (прочность на разрыв, предел прочности на сжатие, твердость, плотность и т.д.), то все эти параметры можно заложить в изделии на этапе производства. 

СТАЛЬ ДЛЯ 3D-ПЕЧАТИ

Металлический порошок - самый используемый металлический материал для 3D-печати (Источник: GKN Additive)

Существуют тысячи видов различных марок сталей и сплавов с различными механическими свойствами, используемые в традиционном производстве, но в 3D-печати их всего несколько десятков, и некоторые из них являются уникальными, созданными специально для этой технологии. Среди вариантов сталей можно выделить следующие:

• Нержавеющая сталь (316L, 304L , 17-4 PH, 15-5PH, 420, 254, PH1, GP1, 630, 410)

• Инструментальная сталь (D2, M2, H13, H11, MS1, 1.2709)

• Низколегированные сталь (4140)

• Конструкционная легированная (20MnCr5) 

В последнее время появились уникальные сплавы специально разработанные для 3D-печати, призванные решить проблемы, которые проявляются при использовании классических методов производства.

Например, производитель 3D-принтеров Desktop Metal выпустил в 2022 году запатентованную нержавеющую сталь, которая, по словам компании, сочетает в себе такие качества, как:  прочность на разрыв, пластичность и коррозионную стойкость нержавеющей стали 13-8 PH  в сочетании с твердостью низколегированной стали, подобной 4140. Компания утверждает, что клиенты могут выходить на рынок с деталями из этого материала и пропускать этап гальванизации для защиты изделий от коррозии.

ExOne предлагает две специальные смеси из стали и бронзы, которые, по словам компании, позволяют 3D-печатным стальным деталям получить повышенную коррозионную стойкость и при этом легко обрабатываются и полируются.

Хотя большинство металлических порошков, используемых в 3D-печати, аналогичны тем, что используются для других методов производства, их количество растет по мере того, как все больше компаний переходят на эту технологию. Некоторые производители металлических порошков, такие как GKN, также изготавливают на заказ порошки для специфических задач 3D-печати.

КАК ПЕЧАТАТЬ СТАЛЬЮ

Прочность, свойства и применение 3D-печатных стальных изделий во многом зависит от того, какую технологию 3D-печати вы используете. Некоторые методы позволяют получить более прочные детали, другие методы обеспечивают лучшую твердость или стойкость к истиранию, а некоторые технологии просто очень быстрые.

Ниже представлены основные методы 3D-печати металлами, их свойства и несколько наиболее распространенных примеров применения.

Принтер Epsilon компании BCN3D выдавливает металлическую нить из нержавеющей стали (Источник: BCN3D)

Технология формирования деталей методом послойного наплавления (FDM) - это новая технология для металлической 3D-печати, но она быстро развивается, поскольку все больше производителей принтеров сертифицируют металлические нити для использования на своих принтерах, например, Ultimaker, BCN3D, Makerbot, Raise3D. Этот метод, по-прежнему, гораздо более популярен для печати пластиками, но с помощью новых пластиковых нитей, наполненных порошком из нержавеющей стали, можно получать прочные металлические детали.

Материалы для FDM-печати когда-то были ограничены термопластиками. Теперь такие компании, как BASF Forward AM и The Virtual Foundry, предлагают металлические филаменты, которые можно использовать практически на любом FDM-принтере, если он оснащен соплом из закаленной стали для работы с абразивным материалом.

Эти материалы состоят примерно на 80% из металла и на 20% из пластика. После печати в процессе последующей обработки пластик удаляется, в результате чего получаются 100% металлические детали.

Из-за удаления связующего пластика, металлические детали изготовленные по технологии FDM, в процессе последующей обработки дают усадку. Величина усадки постоянна и может быть учтена в CAD системах, что позволяет получать относительно точные готовые детали.

Нить Ultrafuse 316L из нержавеющей стали компании Forward AM позволяет получать готовые детали со свойствами материала, сравнимыми, по утверждению компании, с металлическими деталями, изготовленными методом литья под давлением.

(Источник: BCN3D)

Несмотря на то, что 3D-печать металлическими материалами может не подойти для сфер применения с жесткими требованиями к прочности (например, для аэрокосмической), экономические факторы производства простых металлических компонентов без критических нагрузок на доступном FDM-принтере могут перевесить невозможность применения их в некоторых сферах. 

Идеальными вариантами использования этой технологии являются металлические прототипы деталей и готовые детали, которые не будут подвергаться экстремальным нагрузкам.

Bound Metal Deposition (BMD) - "размещение связанного металла"

На 3D-принтере Studio System компании Desktop Metal использовались соединенные между собой металлические прутки, которые экструдировались слой за слоем для формирования металлической детали (Источник: Desktop Metal)

Подобно FDM, метод нанесения металлической сетки (BMD) или экструзия связанного порошка (BPE) - это процесс 3D-печати, основанный на экструзии. В этом методе используются связанные металлические стержни или связанные порошковые металлические нити, состоящие из гораздо большего процента металлического порошка, чем нити, используемые в FDM. Как и в FDM, требуется последующая обработка для удаления связующего вещества и термическая обработка в печи для окончательного спекания.

Существует всего лишь несколько 3D-принтеров, использующих этот метод, например, Desktop Metal, Markforged и с недавнего времени, 3DGence, но на этот рынок выходят все больше компаний, так что следите за новостями. Эти принтеры ценятся как удобные решения для офисной 3D-печати металлом, они дороже большинства FDM-принтеров, но дешевле технологий 3D-печати металлом на основе порошка, описанных ниже.

Эти принтеры используют свой, запатентованный филамент. Desktop Metal и Markforged предлагают четыре вида стали.

Идеальными нишами использования этой технологии являются металлические прототипы деталей, где необходимо протестировать функциональность детали до запуска в массовое производство традиционными методами. Популярные области применения это прессформы, вырубные штампы, сопла, крыльчатки, крепежные детали и теплообменники.

Например, компания Shukla Medical использует принтер Metal X от Markforged для печати стальных прототипов своих инструментов для удаления ортопедических имплантатов.

При технологии лазерного спекания порошка используется один или несколько лазеров для послойного расплавления порошкообразного металла до нужной формы (Источник: GE Additive)

Лазерное спекание порошкового материала (LPBF), также известное как селективное лазерное спекание (SLM), является наиболее распространенным видом 3D-печати металлами и составляет 80% всех металлических 3D-принтеров на рынке.

В данном методе используются мощные лазеры для селективного спекания металлического порошка слой за слоем. 

LPBF 3D-принтеры представлены в широком диапазоне размеров, цен и мощностей лазера. Эти и другие характеристики влияют на свойства готовой детали, скорость печати и другие параметры готовых изделий.

Сталь и стальные сплавы являются наиболее популярным материалом для оборудования LPBF и, в отличие от FDM и BMD, металлические порошки доступны в свободной продаже, поскольку они чаще всего используются в традиционных методах производства.

LPBF - это технология, которая позволяет добиться максимального качества 3D-печатной детали. Области применения включают в себя - аэрокосмические компоненты, такие как монолитные камеры тяги, элементы ракетных двигателей и теплообменники, пресс-формы, инструменты и другие задачи, а также детали с высокой степенью износа и хирургические инструменты.

Технология 3D-печати с использованием связующего вещества использует порошкообразный металл и связующее вещество для формирования металлических деталей (Sorrce: ExOne)

Каплеструйное нанесение связующего вещества - это еще один метод порошковой печати, при котором слои металлических порошков соединяются с помощью жидкого связующего вещества, а не при помощи лазера. В процессе последующей обработки связующее вещество удаляется.

Нанесение связующего вещества выделяется своей высокой скоростью печати, по сравнению с другими методами 3D-печати или традиционным производством, а металлические детали, изготовленные по этой технологии, имеют свойства материала, эквивалентные деталям, изготовленным методом литья металла под давлением.

Количество производителей, выпускающих струйные 3D-принтеры на металлическом связующем, гораздо меньше, чем производителей машин LPBF. К числу ведущих производителей относятся ExOne, Desktop Metal, Digital Metal, GE Additive и HP.

Идеальными областями применения струйной обработки металла с использованием связующего являются средне- и крупносерийные производства металлических инструментов и запасных частей.

Фактически, компания HP утверждает, что ее 3D-принтер Metal Jet был разработан специально для массового производства изделий из нержавеющий стали 316L. HP сотрудничает с компанией Parmatech для производства металлических деталей для медицинской промышленности. Компания ExOne из Пенсильвании использует эту технологию для производства режущих инструментов из твердых металлов и инструментальных сталей.

(Источник: GE Additive)

Электронно-лучевое плавление (EBM) - это еще одна технология порошковой наплавки материала. Она работает аналогично селективному лазерному плавлению (SLM), но в качестве источника энергии используется не лазер, а гораздо более мощный луч заряженных частиц.

Устройство повторного нанесения слоя перемещает порошок на печатную пластину, а электронный луч избирательно расплавляет каждый слой порошка. После того, как каждый слой напечатан, пластина опускается, и поверх предыдущего слоя наносится еще один.

EBM может быть намного быстрее, чем SLM, но SLM производит более гладкие и точные изделия. Электронный луч шире, чем лазерный, поэтому EBM не может производить такие же точные детали, как SLM. Еще одно отличие заключается в том, что процесс изготовления происходит в вакуумной камере, что уменьшает количество примесей в материале, которые могут привести к дефектам. Именно поэтому EBM часто выбирают для печати комплектующих для аэрокосмической, автомобильной, оборонной, нефтехимической промышленности и медицинских имплантатов.

Титан является наиболее популярным металлом для большинства применений EBM, однако можно использовать сталь.

(Источник: Impact Innovations)

Технология 3D-печати холодным распылением осуществляется путем впрыска металлических порошков через сопло реактивного устройства в сверхзвуковой поток газов под давлением, таких как воздух, азот или гелий. Процесс называется "холодным", потому что металлические частицы не плавятся, а ударяются о металлическую подложку и прилипают к ее поверхности в ходе так называемой пластической деформации.

Изделия напечатанные холодным распылением, не склонны к пористости, образованию термических трещин и другим дефектам, характерным для технологий, основанных на плавлении. Этот метод обладает рядом преимуществ, по сравнению с другими методами производства. Он не требует постобработки и как правило, оставляет небольшой углеродный след благодаря сочетанию эффективной аддитивной технологии и возможности использования в необходимом месте. По этим причинам эта технология используется в военной и аэрокосмической отрасли во всем мире.

Например, армия США использует холодное напыление для ремонта креплений изношенной стальной 25-мм турельной пушки Bradley.

В автомобильной промышленности холодное напыление стали используется для ремонта после ДТП, поскольку высокопрочные стальные подложки в автомобилях могут быть восприимчивы к термическим методам ремонта, таким как сварка.

При прямом энергетическом осаждении (DED) используется порошок или проволока для сварки, которая поступает через сопло и подается в источник питания для расплавления металла. Создается область расплава, которая наносится на подложку. DED - это новый процесс, напоминающий старую строительную технологию, известную как "облицовка", при которой на основу наносится покрытие, часто для теплоизоляции или устойчивости к атмосферным воздействиям. DED полезен для изготовления крупных объектов целиком, а также для сложных геометрических форм, требующих обширной механической обработки - DED может получить такие детали гораздо более близкими к состоянию готовности, чем традиционная механическая обработка с ЧПУ.

Поскольку DED использует процесс нанесения покрытия, его можно применять для придания сложной геометрии существующим стальным деталям, сочетая таким образом сложность со снижением стоимости. Например, французская компания AddUp рекламирует ракетное сопло, в котором используется предварительно отпрессованный большой конус бункера из нержавеющей стали 304, на котором напечатана изогридная структура, обычно изготавливаемая из более крупной детали традиционными методами.

Технология, связанная с DED, - это проволочно-дуговое аддитивное производство (WAAM). Вместо порошка в WAAM используется металлическая проволока, расплавляемая электрической дугой. Процесс контролируется роботизированными манипуляторами. WAAM также способна производить крупногабаритные металлические детали, что наглядно продемонстрировала голландская компания MX3D и ее 41-футовый мост из нержавеющей стали весом девять тысяч фунтов в Амстердаме, а также деталь для ремонта нефтегазового оборудования, доказывая, что детали могут быть изготовлены в полевых условиях.

Аддитивное производство в микромасштабе, или микро 3D-печать, позволяет изготавливать изделия с разрешением в несколько микрон (или меньше). Существует три метода микро 3D-печати, позволяющие изготавливать металлические детали.

LMM (производство металлов на основе литографии) - это технология, основанная на использовании света, которая позволяет создавать крошечные детали из сырья, включая нержавеющую сталь, для таких областей как хирургические инструменты и микромеханические детали.

Электрохимическое осаждение - это новейший процесс 3D-печати микрометаллов, разработанный швейцарской компанией Exaddon. В этом процессе печатающее сопло наносит жидкость с ионами металлов, создавая детали на атомарном уровне.

Третьим методом 3D-печати микрометаллами является микроселективное лазерное спекание, при котором слой чернил из наночастиц металла наносится на подложку, затем высушивается для получения равномерного слоя наночастиц.

Исследователи из Германии успешно протестировали микро SLS-печать полых микроигл с использованием нержавеющей стали 316L.

Детали из металла от 3D Systems, Desktop Metal, MX3D и Materalise.