หลักการของเครื่องพิมพ์ 3D โลหะ

เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่เป็นโลหะทำงานโดยการเผา หลอม หรือเชื่อมวัสดุโลหะ (เช่น ผงหรือลวด) ทีละชั้นเพื่อแปลงโมเดลดิจิทัลสามมิติ-ให้เป็นชิ้นส่วนโลหะแข็ง กระบวนการหลักสามารถแบ่งออกเป็นสี่ขั้นตอน ได้แก่ การเตรียมข้อมูล การจัดหาวัสดุ การผลิตแบบชั้น-ต่อ- และหลังการประมวลผล- เทคโนโลยีนี้เอาชนะข้อจำกัดความซับซ้อนทางเรขาคณิตของการผลิตแบบหักลบแบบดั้งเดิมได้อย่างสมบูรณ์ และได้กลายเป็นวิธีการผลิตที่สำคัญในสาขาระดับสูง- เช่น การบินและอวกาศ วิศวกรรมชีวการแพทย์ และอุปกรณ์พลังงาน ส่วนต่อไปนี้จะอธิบายหลักการและรายละเอียดทางเทคนิคของแต่ละขั้นตอนสำคัญ

การประมวลผลโมเดล 3 มิติ: ผู้ใช้ออกแบบโมเดลโดยใช้ซอฟต์แวร์ CAD (เช่น SolidWorks, UG หรือ CATIA) หรือรับมันผ่านการสแกน 3 มิติหรือการสร้าง CT ใหม่ ซอฟต์แวร์แปลงแบบจำลองเป็นรูปแบบที่เครื่องพิมพ์-สามารถอ่านได้ (โดยทั่วไปคือ STL แต่ยังรวมถึง 3MF หรือ OBJ ด้วย) และซ่อมแซมข้อผิดพลาดทางเรขาคณิต (เช่น รู ขอบที่ไม่-หลากหลาย ใบหน้าที่ทับซ้อนกัน หรือบรรทัดฐานที่ไม่ถูกต้อง) ขั้นตอนนี้มีความสำคัญเนื่องจากข้อบกพร่องของรุ่นใดๆ อาจทำให้การพิมพ์ล้มเหลวหรือการปฏิเสธชิ้นส่วนได้โดยตรง การประมวลผลล่วงหน้าขั้นสูง-ยังรวมถึงการเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยีและการออกแบบเชิงสร้างสรรค์เพื่อลดน้ำหนักลงอย่างมากในขณะที่ตอบสนองความต้องการด้านความแข็งแกร่ง

การแบ่งส่วน: ซอฟต์แวร์เครื่องพิมพ์เฉพาะทาง (เช่น Materialize Magics, EOSPRINT หรือ SLM Build Processor) จะแบ่งโมเดล 3D ตามแกนแนวตั้ง (Z) ออกเป็นชั้นบาง ๆ หลายร้อยหรือหลายพันชั้น โดยทั่วไปความหนาของชั้นจะอยู่ที่ 20–100 ไมโครเมตร (20–40 μm สำหรับชิ้นส่วนที่มีความแม่นยำ; 60–100 μm สำหรับส่วนประกอบโครงสร้างขนาดใหญ่) กระบวนการแบ่งส่วนจะสร้างไฟล์ที่มีข้อมูลรูปร่าง เส้นทางการเติม กลยุทธ์การสแกน และโครงสร้างรองรับสำหรับแต่ละเลเยอร์ เพื่อนำทางเครื่องพิมพ์อย่างแม่นยำ กลยุทธ์การสแกน (แถบ ลายตารางหมากรุก เกลียว ฯลฯ) และพารามิเตอร์ความหนาแน่นของพลังงานมีอิทธิพลอย่างมากต่อความเค้นตกค้าง ความหนาแน่น และคุณภาพพื้นผิว และต้องได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสมตามรูปทรงของวัสดุและชิ้นส่วน

เทคโนโลยีการพิมพ์ 3 มิติด้วยโลหะแตกต่างกันไปตามรูปแบบของวัสดุและแหล่งพลังงาน หมวดหมู่หลักมีดังนี้:

Powder Bed Fusion (PBF) ปัจจุบันเป็นเทคโนโลยีกระแสหลักที่มีความแม่นยำสูงสุด-

การหลอมด้วยเลเซอร์แบบเลือกสรร (SLM): เลเซอร์ไฟเบอร์กำลังสูง- (โดยทั่วไปคือ 200–1000 W; ระบบเลเซอร์หลาย- สามารถเข้าถึงได้หลายกิโลวัตต์) โดยเลือกและละลายเบดผงโลหะทั้งหมดตามเส้นทางที่หั่น บริเวณที่หลอมละลายจะแข็งตัวเมื่อเย็นตัวจนกลายเป็นชั้นเดียว ในขณะที่ผงที่ไม่ละลายจะทำหน้าที่ทั้งรองรับและปกป้อง กระบวนการทั้งหมดเกิดขึ้นภายใต้ก๊าซเฉื่อย (อาร์กอนหรือไนโตรเจน) เพื่อป้องกันการเกิดออกซิเดชัน เหมาะสำหรับโลหะผสมไทเทเนียม อลูมิเนียมอัลลอยด์ สแตนเลส ซูเปอร์อัลลอยที่มีนิกเกิล- ฯลฯ ที่มีความหนาแน่นเกิน 99%

การหลอมลำแสงอิเล็กตรอน (EBM): ใช้ลำแสงอิเล็กตรอนพลังงานสูง-เป็นแหล่งความร้อนในการอุ่นและละลายผงโลหะในสภาพแวดล้อมสุญญากาศสูง- การอุ่นเครื่องล่วงหน้าจะช่วยลดความเครียดที่ตกค้างได้อย่างมากและช่วยให้อัตราการสร้างเร็วขึ้น ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปลูกถ่ายกระดูกเทียมที่เป็นไทเทเนียม ต้นทุนอุปกรณ์สูงและความขรุขระของพื้นผิวค่อนข้างสูงกว่า

การเผาผนึกด้วยเลเซอร์โลหะโดยตรง (DMLS): คล้ายกับหลักการของ SLM ในอดีตหมายถึงกระบวนการที่ผงละลายเพียงบางส่วน (เผาผนึก) แต่ในปัจจุบัน คำว่า DMLS และ SLM มักใช้สลับกันในอุตสาหกรรม เหมาะสำหรับการใช้งาน-วัสดุหลายประเภทหรือกรณีที่มีข้อกำหนดการหลอมแบบเต็ม-ต่ำกว่าเล็กน้อย

การสะสมพลังงานโดยตรง (DED)

การตกสะสมของโลหะด้วยเลเซอร์ (LMD): ป้อนผงโลหะหรือลวดไปพร้อมๆ กัน ในขณะที่เลเซอร์สร้างแหล่งหลอมละลายบนพื้นผิวหรือชั้นก่อนหน้า และสะสมวัสดุไว้ ช่วยให้สามารถซ่อมแซม-ชิ้นส่วนขนาดใหญ่ วัสดุตามการใช้งาน และการผลิตแบบหักล้างแบบผสม- อัตราการสะสมจะสูงกว่า PBF มาก

การผลิตสารเติมแต่งอาร์คลวด (WAAM): ใช้อาร์คไฟฟ้าเป็นแหล่งความร้อนในการหลอมลวดโลหะและสะสมไว้ทีละชั้น ต้นทุนอุปกรณ์ต่ำ การใช้วัสดุสูง และเหมาะสำหรับโครงสร้างการบินและอวกาศขนาดใหญ่พิเศษ- แต่ความแม่นยำและคุณภาพพื้นผิวที่ต่ำกว่ามักจะต้องมีการตัดเฉือนในภายหลัง

Binder Jetting หัวพิมพ์จะพ่นสารยึดเกาะลงบนฐานผงโลหะ โดยเชื่อมผงเข้าด้วยกันเพื่อสร้างเป็นชั้น "สีเขียว" ชั้นเดียว ในขณะที่ผงที่ไม่ถูกผูกไว้ทำหน้าที่เป็นตัวรองรับ หลังจากการพิมพ์ ชิ้นส่วนจะผ่านการ debinding (การเอาสารยึดเกาะออก) และการเผาผนึกที่อุณหภูมิสูง-เพื่อให้ได้ความหนาแน่นขั้นสุดท้าย กระบวนการนี้ไม่มีความเครียดจากความร้อนในระหว่างการพิมพ์ ให้ความเร็วสูง และเหมาะสำหรับการผลิตในปริมาณปานกลาง- แม้ว่าการหดตัวจากการเผาผนึกจะต้องได้รับการชดเชยอย่างถูกต้องก็ตาม

การทาผง/การป้อนวัสดุ: ในเทคโนโลยี-เบดแบบผง ใบมีดหรือลูกกลิ้งรีโค้ตที่มีความแม่นยำสูง-จะกระจายชั้นของผงโลหะที่สม่ำเสมอบนแท่นสร้าง ซึ่งตรงกับความหนาของชิ้น ความสามารถในการไหลของผงและการกระจายขนาดอนุภาคส่งผลโดยตรงต่อคุณภาพของชั้น ในการสะสมพลังงานโดยตรง เครื่องป้อนลวดหรือหัวฉีดผงโคแอกเซียล/ด้านข้างจะส่งวัสดุเข้าสู่บ่อหลอมอย่างแม่นยำ

การป้อนพลังงานและการหลอมละลาย: เลเซอร์ ลำแสงอิเล็กตรอน หรือส่วนโค้งจะสแกนวัสดุตามเส้นทางที่ตั้งโปรแกรมไว้ด้วยความเร็วสูง โดยจะละลายหรือเผาเฉพาะที่เพื่อสร้างชั้นบางๆ ที่ตรงกับรูปร่างของชิ้นทุกประการ อุณหภูมิหลอมเหลว ขนาด และอัตราการเย็นตัวของสระน้ำได้รับการควบคุมอย่างแม่นยำด้วยกำลัง ความเร็วในการสแกน และเส้นผ่านศูนย์กลางของจุด ซึ่งกำหนดโครงสร้างจุลภาคและระดับข้อบกพร่อง

การยึดติดระหว่าง-ชั้น: หลังจากแต่ละชั้นเสร็จสมบูรณ์ แท่นสร้างจะลดลงหนึ่งชั้นความหนา (หรือชั้นผงเพิ่มขึ้น) ชั้นผงใหม่จะถูกกระจาย และกระบวนการหลอมซ้ำจะเกิดขึ้นซ้ำ ชั้นต่างๆ ถูกเชื่อมเข้าด้วยกันด้วยพันธะทางโลหะวิทยาเพื่อสร้างเป็นของแข็งสามมิติ-ที่ต่อเนื่องกัน ระบบสมัยใหม่มักจะรวม-การตรวจสอบการละลาย-ของสระน้ำแบบเรียลไทม์โดยใช้กล้องความเร็วสูง- ไพโรเมทรีอินฟราเรด หรือการตรวจเอกซเรย์ด้วยแสง

โครงสร้างรองรับ: สำหรับส่วนที่ยื่นออกมา รู และลักษณะที่มีความลาดเอียงขนาดใหญ่ โครงสร้างรองรับที่ถอดออกได้จะต้องได้รับการออกแบบเพื่อป้องกันการเสียรูปหรือการยุบตัวภายใต้แรงโน้มถ่วงระหว่างการหลอมละลาย การออกแบบและการกำจัดส่วนรองรับมีผลกระทบอย่างมากต่อต้นทุนขั้นสุดท้ายและคุณภาพพื้นผิว

โพสต์-การประมวลผลเป็นขั้นตอนที่ขาดไม่ได้ของการพิมพ์โลหะ 3 มิติ และมักจะคิดเป็น 30–50% ของต้นทุนทั้งหมด

การถอดและทำความสะอาดส่วนรองรับ: การถอดส่วนรองรับออกโดยการตัดด้วยเครื่องจักร, EDM ลวด, การละลายทางเคมี หรือวิธีการด้วยตนเอง ผงที่ไม่ละลาย (ผง-กระบวนการเบด) หรือผงส่วนเกิน (DED) ได้รับการทำความสะอาดอย่างทั่วถึง ระบบการนำผงกลับมาใช้ใหม่ทำให้สามารถรีไซเคิลผงที่ไม่ได้ใช้ส่วนใหญ่ได้

การอบชุบด้วยความร้อน: การบรรเทาความเครียด- การบำบัดด้วยสารละลาย การแก่ชรา หรือการกดด้วยไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP) ขจัดความเค้นตกค้าง ปิดรูขุมขน และทำให้โครงสร้างจุลภาคเป็นเนื้อเดียวกัน ช่วยเพิ่มความแข็ง ความแข็งแรง ความเหนียว และความเหนื่อยล้าได้อย่างมาก HIP ได้กลายเป็นกระบวนการมาตรฐานสำหรับชิ้นส่วนการบินและอวกาศที่สำคัญ

การรักษาพื้นผิว: การพ่นทราย การขัดผิวแบบ shot peening การขัด การขัดด้วยเคมีไฟฟ้า การชุบ หรือการเคลือบ จะช่วยปรับปรุงคุณภาพพื้นผิว ลดความหยาบ และตรงตามข้อกำหนดในการประกอบและรูปลักษณ์

การตัดเฉือน: ขนาดการผสมพันธุ์ที่สำคัญ รูเกลียว และพื้นผิวการปิดผนึกเสร็จสิ้นด้วยเครื่องจักร CNC เพื่อให้มั่นใจว่าพิกัดความเผื่อขั้นสุดท้ายเป็นไปตามข้อกำหนดการออกแบบ การใช้งานระดับไฮเอนด์-จำนวนมากใช้แนวทางการผลิตแบบ "บวก + ลบ" แบบผสม

ข้อดี: การผลิตโครงสร้างที่ซับซ้อนในรูปแบบฟรี-โดยไม่ต้องใช้แม่พิมพ์ เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการปรับแต่งและการผลิตในปริมาณน้อย-ถึง-ปานกลาง และสูง-แบบผสม การใช้วัสดุในระดับสูง (กระบวนการแบบผง-สามารถเกิน 90% ได้ ซึ่งเหนือกว่าอัตราส่วนการซื้อ-ต่อ-การบินที่สูงของการตัดเฉือนไทเทเนียมแบบดั้งเดิม) ลดการสิ้นเปลืองโลหะราคาแพง ช่วยให้มีการออกแบบที่มีน้ำหนักเบา (โครงสร้างตาข่าย การเพิ่มประสิทธิภาพโทโพโลยี) ที่ตอบสนองความต้องการสองประการในการลดน้ำหนักและประสิทธิภาพสูงในการบินและอวกาศและสาขาที่คล้ายกัน ช่วยให้สามารถรวมชิ้นส่วนได้สูง ลดขั้นตอนการประกอบ และเพิ่มความน่าเชื่อถือ

ข้อจำกัด: ต้นทุนเงินทุนสูงสำหรับอุปกรณ์อุตสาหกรรม (หลายแสนถึงหลายล้านหยวน) และความเร็วในการสร้างที่ค่อนข้างช้า ทำให้เทคโนโลยีไม่เหมาะกับการผลิตชิ้นส่วนที่เรียบง่ายในปริมาณมาก{0}} เนื่องจาก-ความหยาบของพื้นผิวที่สร้างขึ้นและความแม่นยำของขนาดโดยทั่วไปมักจะต่ำกว่าการตัดเฉือน CNC แบบดั้งเดิม และอาศัยการประมวลผลหลัง- ผงโลหะก่อให้เกิดการระเบิด ออกซิเดชัน และความเสี่ยงต่อสุขภาพ โดยต้องมีการป้องกันก๊าซเฉื่อย-และการควบคุมฝุ่นอย่างเข้มงวด ฐานข้อมูลพารามิเตอร์ด้านความหลากหลายของวัสดุและกระบวนการ-ยังคงมีการขยาย และรอบการรับรองยังคงค่อนข้างยาว

ด้วยการผลิตแบบเลเยอร์-ต่อ-แบบดิจิทัล เครื่องพิมพ์ 3 มิติที่เป็นโลหะได้ทำลายอุปสรรคด้านความซับซ้อนของการตัดเฉือนแบบดั้งเดิม และมอบโซลูชั่นที่ปฏิวัติวงการสำหรับการบินและอวกาศ (ส่วนประกอบเครื่องยนต์ โครงสร้างดาวเทียม) ทางการแพทย์ (การปลูกถ่ายเฉพาะผู้ป่วย- คู่มือการผ่าตัด) เครื่องมือ (ช่องระบายความร้อนตามแบบ) พลังงาน และอุตสาหกรรมยานยนต์ ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของระบบเลเซอร์หลายตัว- การตรวจสอบแบบอัจฉริยะในแหล่งกำเนิด- การเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการที่ขับเคลื่อนด้วย AI- และเทคโนโลยีการผลิตแบบผสมผสาน ประสิทธิภาพ ต้นทุน และความน่าเชื่อถือได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีนี้กำลังเร่งการเปลี่ยนแปลงจากการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วไปสู่การผลิตแบบดิจิทัลโดยตรงและการผลิตแบบอนุกรม และถูกกำหนดให้กลายเป็นเสาหลักที่ขาดไม่ได้ของการผลิตอุปกรณ์ระดับไฮเอนด์-