В аддитивное производство пейзаж, выбирая между струйное нанесение металлических связующих в сравнении с прямым лазерным спеканием металлов это эффективный способ определить успех проекта. Лучшее, что в нем есть, - это экономичность и эффективность производства. Со временем прецизионная металлическая 3D-печать постепенно развивается, и понимание этих двух важнейших технологий становится решающим для инженеров, дизайнеров и производителей, которые ищут оптимальные решения для аддитивного производства металлов.

Хотя обе технологии являются важными разработками в области промышленной 3D-печати, они имеют совершенно разное применение в индустрии металлического AM. Чтобы помочь вам сделать сложный выбор между струйной 3D-печатью и лазерным порошковым напылением (LPBF), в этом подробном анализе сравниваются эти технологии быстрого прототипирования в серийном производстве.

Это подробное руководство охватывает все аспекты прямого лазерного спекания металлов (DMLS) и струйной обработки металлических связующих, предоставляя вам знания, необходимые для выбора производства, которое отвечает вашим уникальным потребностям и финансовым ограничениям.

Понимание технологии струйной обработки металлических связующих: Усовершенствованная технология обработки порошкового слоя

Что такое струйная обработка металлических связующих в аддитивном производстве?

Передовая технология аддитивного производства под названием Metal Binder Jetting (MBJ) предусматривает избирательное нанесение жидких связующих веществ на металлический порошок. Процесс 3D-печати Binder-Jet, также известный как Metal Jet 3D printing, является усовершенствованием более чем десятилетней процедуры, известной как DMLS (Direct Metal Laser Sintering). Одна из семи разновидностей аддитивного производства, эта промышленная технология 3D-печати имеет особые преимущества для масштабного производства. В процессе струйной печати используются два материала: связующее вещество и порошок. Как правило, порошковый материал находится в порошкообразном состоянии, а связующее вещество - в жидком. Этот новый метод использует химическое соединение вместо термического сплавления, за которым следуют ответственные процедуры спекания и дебридинга, что позволяет получать "зеленые детали" в отличие от технологий, основанных на сплавлении.

Процесс струйной обработки металлического связующего

1. Нанесение порошка: Платформа для сборки равномерно покрыта мелкими металлическими порошками.
2. Избирательное связывание: Жидкое связующее вещество точно наносится на заданные участки с помощью промышленных струйных головок.
3. Построение слоев: Повторяя процедуру слой за слоем, можно получить замысловатые трехмерные структуры.
4. Зеленая деталь: Аккуратное извлечение связанных компонентов из порошкового слоя
5. Дебиндинг: Связующее вещество удаляется термическим или химическим способом.
6. Спекание: Процесс сплавления металлических частиц в плотные, полезные детали в высокотемпературной печи.

Основные преимущества струйной обработки металлических связующих

Высокая скорость производства для крупносерийного производства: Струйная обработка связующим является рекомендуемым вариантом для объемной 3D-печати металлов, поскольку она позволяет получать материалы в 10-100 раз быстрее, чем DMLS. Массовая кастомизация и короткосерийное производство становятся возможными благодаря этой возможности быстрого изготовления, что невозможно при традиционном лазерном аддитивном производстве.

Аддитивное производство без поддержки: Нет необходимости в дополнительных опорных конструкциях и меньше отходов материала, поскольку, в отличие от процессов лазерного сплавления в порошковом слое (LPBF), окружающий порошковый слой естественным образом поддерживает нависающие элементы и сложные геометрические формы. Благодаря этому преимуществу производство изделий сложной геометрии возможно без конструктивных ограничений, характерных для процессов термического сплавления.

Экономически эффективное серийное производство: Струйная обработка связующим - лучший вариант для недорогой 3D-печати металлов, поскольку она отличается точностью, быстротой и меньшей стоимостью по сравнению с такими методами наплавки порошкового слоя, как DMLS. Этот экономичный метод аддитивного производства обеспечивает существенные преимущества для среднесерийного производства благодаря эффективному использованию порошка и меньшим затратам на постобработку.

Гибкость конструкции: Без ограничений традиционного производства теперь возможны сложные геометрические формы, решетчатые структуры и сложные внутренние каналы.

Универсальность материала: Подходит для различных металлических порошков, таких как медные сплавы, инструментальные стали, нержавеющая сталь и специальные материалы для особых целей.

Плотность и производительность струйной обработки металлических связующих

Благодаря оптимизации процесса, струйное нанесение металлического связующего позволило добиться значительного повышения плотности. По сравнению со стандартным распределением порошка бимодальное распределение по размерам продемонстрировало статистически значимое увеличение плотности на 20% и предельной прочности на изгиб на 170%. Было продемонстрировано, что десять материалов могут достичь относительной плотности более 90% при правильной процедуре спекания и оптимизации параметров.

Согласно исследованиям, нержавеющая сталь 316L прошла испытания на спекание при 1300°C и 1370°C, в результате чего относительная плотность составила 85,0% и 96,4%, соответственно. Эти результаты могут быть улучшены с помощью сложных методов обработки, при этом HIP напечатанных и спеченных деталей, изготовленных с использованием бимодальных порошков, дает максимальную плотность 97,32%.

Понимание прямого лазерного спекания металлов (DMLS): Усовершенствованное лазерное сплавление в порошковом слое

Что такое DMLS в аддитивном производстве металлов?

Использование мощных волоконных лазеров, Прямое лазерное спекание металла (DMLS) выборочно сплавляет частицы металлического порошка при температурах, близких к их точкам плавления. Сплавление порошкового слоя (PBF), стандартный термин ASTM, - это другое название прямого лазерного спекания металлов (DMLS). Одной из самых популярных технологий 3D-печати металлов для высокопроизводительных и точных производственных приложений является лазерное сплавление порошкового слоя (LPBF). ЛСП - это аддитивное производство, 3D-печать или быстрое прототипирование Метод, в котором используется лазер высокой плотности для расплавления и сплавления металлических порошков.

Рабочий процесс DMLS:

1. Подготовка CAD: Цифровые модели вырезаются и используются для создания конструкций.
2. Применение порошка: Тонкодисперсные слои металлического порошка
3. Лазерное сканирование: Используя геометрию поперечного сечения, волоконные лазеры выборочно спекают порошок.
4. Опускание платформы: Постройте платформу, которая опускается, чтобы освободить место для последующих слоев.
5. Повторение слоев: Процедура продолжается до тех пор, пока деталь не будет полностью сформирована.
6. Снятие и охлаждение: Контролируемое охлаждение позволяет избежать деформации и термического напряжения.
7. После обработки: Обработка поверхности, удаление опоры и возможная термообработка

Ключевые преимущества прямого лазерного спекания металлов

Превосходные механические свойства для критически важных применений: Детали, изготовленные методом DMLS, обычно имеют высокую плотность (около 95%) и превосходные механические свойства, что делает этот метод 3D-печати высокопрочных металлов идеальным для точного машиностроения, производства медицинского оборудования и аэрокосмической промышленности. При плотности твердого металла до 99,5% DMLS создает детали с механическими свойствами, аналогичными свойствам деформируемых материалов.

Отличная точность размеров и качество поверхности: Превосходные качества поверхности и допуски на размеры делают детали, изготовленные методом лазерного спекания, идеальными для прецизионного производства, не требующего особой последующей обработки.

Передовые характеристики материалов: DMLS обрабатывает высокопроизводительные сплавы, используя частицы порошка, частично расплавленные лазерным лучом. Алюминиевые (AlSi10Mg) и титановые (Ti6Al4V) сплавы продемонстрировали замечательные перспективы DMLS для использования в биомедицинских приложениях и других важных производственных ситуациях, требующих материалов высочайшего качества.

Структурная целостность и свойства материалов: Детали, изготовленные методом прямого лазерного спекания металлов, прочнее, плотнее и точнее, чем литые металлические детали. Превосходная адгезия слоев и микроструктурный контроль достигаются с помощью этой технологии плавления в порошковом слое, обеспечивая изотропные свойства материала, необходимые для применения в несущих конструкциях.

Точное производство: Идеально подходит для сложных инженерных задач, обеспечивает тонкое разрешение деталей и жесткие допуски.

Эксплуатационные характеристики DMLS

Хотя исследования показывают, что SLM/DMLS позволяет создавать металлические компоненты полной плотности из сложных материалов, он часто страдает от значительных остаточных напряжений, возникающих в процессе обработки. Для создания 3D-форм, которые могут использоваться в RP-приложениях в будущем, операция DMLS может быть выбрана вместо использования методов постобработки, связующего и механической силы.

Струйная обработка металлических связующих против прямого лазерного спекания металлов: Подробное сравнение

Сравнение скорости производства и производительности

Преимущества скорости струйной подачи металлического связующего для крупномасштабного производства:

• Скорость сборки в десять раз выше, чем при использовании лазерных методов
• Серийное производство и изготовление деталей возможно благодаря использованию нескольких струйных головок.
• Время охлаждения, характерное для процессов термоплавки, исключается благодаря работе без нагрева.
• Сокращение времени наладки благодаря возможностям производства, не требующим поддержки
• Непрерывное диспергирование порошка без ожидания тепла
• Крупносерийное производство с превосходной оптимизацией пропускной способности

Факторы скорости DMLS для точного изготовления:

• При лазерном наплавлении порошкового слоя последовательное сканирование лазером ограничивает общую скорость сборки.
• При термической обработке необходимо время охлаждения между слоями.
• Создание опорных конструкций удлиняет время обработки и использует больше материалов.
• Более длительное время сканирования необходимо для обеспечения качества при повышенных требованиях к точности.
• Оптимизация производительности в критически важных приложениях ограничена требованиями к плотности энергии.

Анализ плотности и механических свойств деталей

Всестороннее сравнение производительности процессов металлической AM-печати:

¹ На основе исследований, показавших плотность от 85,0% и 96,4% до 97,32% при улучшенной обработке. ² По данным исследований, плотность составляет около 95% при отличных механических свойствах

Система экономического анализа окупаемости инвестиций в 3D-печать металлов

Преимущества струйной обработки металлических связующих для производственного процесса:

• Приобретение оборудования обходится дешевле, чем приобретение лазерных систем
• Снижение энергопотребления при печати
• Сокращение отходов материалов при минимальных требованиях к вспомогательным материалам
• Эффективные показатели использования порошка (>95%) при серийном производстве
• Оптимизированные процедуры последующей обработки для экономичного производства
• Преимущества экономии на масштабе при средне- и крупносерийном производстве

Расходы на DMLS для прецизионных применений:

• Лазерные системы требуют больших первоначальных инвестиций в оборудование.
• Повышенное энергопотребление в результате работы мощных лазеров
• Структура поддержки операций по удалению и материальных затрат
• особые потребности в инертной атмосфере (аргон/азот)
• Расширенные технологии постобработки, такие как термообработка
• Затраты на контроль качества для важных приложений и сертификационные спецификации

Совместимость материалов и передовая обработка сплавов

Портфель материалов для струйного нанесения связующего для промышленного использования: Среди множества материалов, успешно прошедших исследовательскую обработку в порошковой металлургии, есть десять материалов, относительная плотность которых превышает 90%.

Области применения, требующие коррозионной стойкости с использованием нержавеющих сталей (316L, 17-4PH и 420)

• Инструментальные стали (H13, D2 и M2) для изготовления штампов и оснастки
• Применение меди и медных сплавов в электрическом и тепловом контроле
• Композиции из латуни и бронзы для декоративных и практичных элементов
• Специфические магнитные материалы для использования в электромагнитных полях

Расширенные возможности DMLS в области материалов для высокопроизводительных применений: Печать DMLS может обрабатывать широкий спектр металлов и металлических сплавов, что позволяет использовать ее в биомедицине и аэрокосмической промышленности.

• Ti-6Al-4V и Титановые сплавы Ti-6Al-7Nb для легких конструктивных элементов
• Алюминиевые сплавы для использования в автомобилях и самолетах (AlSi10Mg, AlSi7Mg)
• Суперсплавы на основе никель (Inconel 718, 625) для использования при высоких температурах
• Кобальтохромовые сплавы для износостойких деталей и биомедицинских имплантатов
• Упрочненные осаждением материалы и мартенситно-стареющие стали для применение инструмента

Стратегический выбор приложения: Когда следует выбирать каждый процесс 3D-печати металлов

Когда следует выбирать струйную обработку металлических связующих для производства

Оптимальное применение для экономически эффективного аддитивного производства:

• Детали двигателя, корпуса трансмиссии и системы управления нагревом являются примерами автомобильных компонентов.
• Промышленная оснастка: Умеренно прочные приспособления, оснастка и производственные приспособления на заказ
• Потребительские товары: Функциональные прототипы, декоративные элементы и компоненты оборудования
• Объемное производство: Эффективное серийное производство средних объемов (100-10 000 единиц)
• Чувствительные к стоимости проекты: Приложения, в которых доступность стоит выше оптимальной производительности

Особенно эффективна эта технология в аэрокосмической отрасли, где производители выбирают струйное нанесение связующего из-за его скоростных возможностей и свободы проектирования для некритичных компонентов и быстрого создания прототипов.

Когда следует выбирать прямое лазерное спекание металлов для критически важных применений

Идеальные примеры использования высокопроизводительного аддитивного производства металлов:

• Аэрокосмические приложения: Конструктивные элементы, детали турбин и важнейшие летные компоненты, требующие аэрокосмической сертификации
• Медицинские изделия К ним относятся устройства, ориентированные на конкретного пациента, хирургические инструменты и биосовместимые имплантаты.
• Точное проектирование: Высокоточные детали, требующие превосходного качества поверхности и точности размеров

Приложения, требующие высочайших механических свойств и стандартов надежности, являются примерами компонентов, критичных к производительности.

Разработка прототипа: Проверка дизайна путем функционального тестирования свойств материалов конечного использования

Для критически важных применений, где прослеживаемые свойства материала требуются в соответствии с требованиями сертификации материалов, а отказ детали недопустим, DMLS подходит как нельзя лучше.

Интеграция в Индустрию 4.0 и возможности цифрового производства

Интеграция интеллектуального производства для современного производства

Процедуры DMLS и струйной обработки металлических связующих легко вписываются в проекты Industry 4.0, предоставляя возможности цифрового производства, которые революционизируют традиционные производственные процессы:

Технология Digital Twin: Благодаря интеграции датчиков и алгоритмам машинного обучения обе процедуры позволяют оптимизировать качество и контролировать процессы, поддерживая мониторинг и предиктивную аналитику в режиме реального времени.

Оптимизация цепей поставок: Массовая кастомизация и стратегии распределенного производства, обеспечиваемые возможностями производства по требованию, могут сократить потребности в запасах и открыть доступ к новым наборам продуктов и услуг для глобальных цепочек поставок. 

Прослеживаемость и обеспечение качества: Прослеживаемость производимых деталей может быть полностью идентифицирована от партии порошка до конечного контроля с помощью расширенного мониторинга процесса, который помогает в сертификации медицинских устройств и аэрокосмической сертификации. 

Соображения, связанные с качеством, и операции последующей обработки

Стратегии оптимизации качества струйной обработки металлических связующих

Расширенная оптимизация спекания: Спекание компонентов при температуре 1485 C от 5 до 30 минут (давление 1,83 МПа) позволило достичь плотности, близкой к теоретической, от 14,1 до 14,2 г/см 3. Правильные температурные режимы, атмосфера и скорость охлаждения оказывают большое влияние на свойства готовой детали и стабильность ее размеров. 

Оптимизация плотности распределения частиц по размерам: Мультимодальные (бимодальные или тримодальные) смеси упаковываются плотнее, чем компоненты смеси, а оптимальные фракции смешивания показывают наилучшую плотность упаковки смеси для улучшения механических свойств. 

Методы вторичной обработки: В случае некоторых технических требований, требующих более высоких характеристик, инфильтрационные операции с использованием бронзы или полимерных веществ повышают плотность и прочностные характеристики. 

Процесс обработки поверхности: Покрытия, химические и механические процессы отделки улучшают эксплуатационные свойства детали и коррозионную стойкость поверхности. 

Протоколы расширенного контроля качества DMLS

Управление технологическими процессами в режиме реального времени: В аддитивном производстве L-PBF с помощью машинного обучения объединение датчиков может обеспечить обнаружение дефектов в реальном времени в процессе производства, что значительно улучшает контроль качества процесса и сокращает количество инструментов неразрушающего контроля, таких как рентгеновская компьютерная томография (XCT), которые необходимо использовать для достижения того же качества. 

Оптимизация термической обработки: Термические процессы, применяемые после термообработки, способствуют достижению стабильности размеров и получению однородных свойств материала за счет оптимизации микроструктуры и устранения формообразующих напряжений, вызванных высокоскоростным охлаждением. 

Аддитивная обработка критических поверхностей и высокоточная обработка с традиционным ЧПУ даже при критической отделке возможны, при этом сохраняются преимущества аддитивного производства; это достигается путем сочетания DMLS с традиционной обработкой с ЧПУ. Это называется интеграцией гибридное производство. 

Эволюция технологий и перспективы развития

Новый химический состав связующего: Новые связующие вещества повышают совместимость материалов, сокращают время разволокнения и делают более прочными зеленые детали. 

Возможность работы с несколькими материалами: Обработка более чем одного металлического порошка одновременно создает возможности для функциональной интеграции деталей и градиентных материалов. 

Автоматизация процессов: Автоматизированная обработка деталей, устранение сложности постобработки, автоматизация удаления деталей и интегрированная обработка порошка сокращают трудозатраты и позволяют достичь высокого уровня согласованности. Достижения в технологии DMLS. Лазерная система: Усовершенствование лазерной системы за счет использования многолазерных систем, высокой плотности мощности и более высокого качества луча позволяет увеличить пропускную способность без ущерба для точности. 

Разработка порошка: Надежность обработки и возможности применения повышаются благодаря улучшению характеристик частиц и разработке новых комбинаций сплавов. 

Мониторинг процессов: Современные сенсорные технологии позволяют осуществлять контроль качества и прогнозирование процесса в режиме реального времени. 

Сделать правильный выбор: Система принятия решений

Оценка технических требований

Сильные стороны и приоритеты деятельности:

• Чтобы максимально эффективно использовать механические аспекты и структурную целостность, выбирайте DMLS. 
• Если требования к прочности умеренны, а экономия желательна, используйте струйное нанесение связующего.

Оценка геометрической сложности: 

• Струйное нанесение вяжущего также необычно в областях со сложной внутренней геометрией и не имеет ограничений со стороны опорных конструкций. 
• DMLS - это выдающееся преимущество с точки зрения основных требований к размерам. 

Факторы объема и времени: 

Струйная обработка связующим веществом более эффективна при больших объемах производства. Технология DMLS позволяет использовать малосерийные высокоточные изделия. 

Методология экономического анализа: Расчет совокупной стоимости владения

Инвестиции в оборудование: Первоначальные затраты на оборудование/требования к помещению 

Стоимость материала: Стоимость порошка, используемое связующее вещество и отходы 

Время обработки: Нормы труда и производительность. 

Расходы на техническое обслуживание покрывают затраты на сервисные контракты и замену расходных деталей. 

Отраслевые приложения и тематические исследования

Внедрение в аэрокосмической промышленности

В одной из областей, а именно в аэрокосмической промышленности, где оба процесса используются в потенциально важных областях, в настоящее время большинство исследователей и компаний рассматривают SLM (Selective Laser Melting) и DMLS (Direct Metal Laser Sintering) как почти синонимичные технологии.

Масштабируемость в производстве

Как показано в исследовании, DMLS продолжает развиваться в области прецизионного применения, и в настоящее время изучается, как плотность, текстура, характеристики поверхности и микроструктура сплавов, используемых в струйном нанесении связующего, зависят от качества порошка и связующего, переменных обработки и методов спекания. 

Профессиональные руководства и передовой опыт Стратегии оптимизации для двух технологий

Дизайн для аддитивного производства (DfAM): Используйте уникальные свойства обеих технологий при проектировании компонентов. Грамотно оптимизируйте геометрию, чтобы свести к минимуму обе последующие обработки. Учитывайте влияние ориентации и свойств используемого материала. 

Руководства по обеспечению качества: Разработайте режимы углубленного тестирования основных приложений. Документируйте процессы и отслеживайте материалы. Установите требования к приемке в соответствии с конкретными требованиями конечного использования. 

Заключение: Стратегические производственные решения

Сравнивая струйное нанесение металлических связующих с прямым лазерным спеканием металлов, следует обратить особое внимание на сферу применения: критичность применения, объемы производства, ограничения по стоимости и требования к производительности. Судя по результатам исследований, струйное нанесение металлических связующих имеет явные преимущества в экономичном производстве с относительной плотностью более 90 процентов при оптимальных условиях обработки, в то время как DMLS обладает высокой плотностью (около 95 процентов) и превосходными механическими свойствами для удовлетворения сложных требований. Знание этих технологий аддитивного производства применительно к металлической 3D-печати и порошковому наплавлению позволяет производителям реализовать услуги массовой персонализации, серийного производства и быстрого прототипирования, что является отличительной чертой большинства современных промышленных 3D-печатных решений. 

Благодаря этому мы обладаем глубокими знаниями в области технологий струйной 3D-печати и лазерного порошкового наплавления, что, в свою очередь, помогает нашим клиентам найти идеальное производственное решение. Наша профессионально подготовленная команда инженеров оценивает специфические требования каждого проекта и предлагает наиболее перспективный подход к аддитивному производству для достижения ваших производственных целей и требований к качеству. Выбор технологии может оказать большое влияние на успех вашего проекта, будь то промышленная деталь, где компания стремится достичь конечного результата с наименьшими затратами, или аэрокосмический компонент, который должен быть максимально эффективным с точки зрения его возможностей. Знание основных различий, сильных и слабых сторон каждого из процессов может привести к принятию более обоснованных решений для достижения максимальных технических характеристик и экономической целесообразности. 

Готовы ли вы изучить аддитивное производство металлов в рамках своего следующего предприятия?

Свяжитесь с Elite Mold Tech сегодня, чтобы узнать, как прямое лазерное спекание металла или струйное нанесение металлических связующих может изменить ваше производство и зажечь инновации в вашей отрасли.

Ссылки

1. Мирзабабаеи, С. и др. (2019). "Влияние распределения частиц по размерам при струйной обработке металлических связующих - влияние на свойства зеленых и спеченных деталей". ResearchGate.
2. Бай, Й., Уильямс, К.Б. (2019). "Струйное аддитивное производство металлов с использованием связующего: A Literature Review." Цифровая коллекция ASME.
3. Mostafaei, A., et al. (2019). "Обзор последних достижений в области аддитивного производства металлов с использованием струи связующего: материалы и характеристики процесса". Прогресс в материаловедении.
4. Ду, В. и др. (2022). "Повышение плотности и механических характеристик при струйной обработке связующего за счет бимодального распределения частиц по размерам". Материаловедение в аддитивном производстве.
5. Чен, Х. и др. (2025). "Струйное аддитивное производство металлических связующих: Обзор процесса, материалов и методов армирования". Журнал "Сплавы и соединения.
6. Ziaee, M., Crane, N.B. (2021). "Струйное аддитивное производство связующего: Влияние распределения частиц по размерам на плотность". Журнал "Наука и техника производства.
7. Гокулдосс, П.К. и др. (2020). "Струйное аддитивное производство металлических связующих: A Literature Review." Журнал "Наука и техника производства.
8. Spierings, A.B., et al. (2021). "Анизотропия спекания нержавеющей стали 316L со связующим: часть I - анизотропия спекания". Порошковая металлургия.
9. Халил, Й., и др. (2021). "Проблемы изготовления 3D-компонентов с помощью технологии DMLS: Обзор". Оптика и лазерные технологии.
10. Рашид, Р., и др. (2021). "Современное прямое лазерное спекание металлов из сплавов Ti6Al4V и AlSi10Mg: Шероховатость поверхности, прочность на разрыв, усталостная прочность и микроструктура". Оптика и лазерные технологии.

Elite Mold Tech специализируется на передовых производственных решениях, предлагая опыт в обработке с ЧПУ, быстром прототипировании и технологиях аддитивного производства металлов. Наше стремление к точному проектированию и успеху клиентов обеспечивает оптимальные результаты для проектов в аэрокосмической, автомобильной, медицинской и промышленной отраслях.