Лазерная печать 3D: Процесс аддитивного производства и применяемые материалы

Некоторые полимеры, металлы и керамика больше подходят для процессов аддитивного производства (АМ), чем другие материалы. Существуют также определенные различия между различными методами АМ.

По мере того как механические свойства аддитивно изготовленных деталей продолжают улучшаться, АМ постепенно завоевывает признание во многих областях применения. Поэтому различные материалы, подходящие для АМ, привлекают все больше внимания со стороны промышленности, а материалы неотделимы от процессов АМ.

То же самое относится и к традиционным методам производства - как известно, не каждый материал можно сварить или отлить, потому что он должен быть совместим с соответствующим процессом, и наоборот, это также относится и к AM.

Процесс производства и сырье должны рассматриваться вместе. Читатели, интересующиеся материалами для AM, могут обратиться к недавно опубликованной обзорной статье на эту тему в ссылке 1.

В 2016 году объем продаж материалов для аддитивного производства составил $900 млн, увеличившись на 17% по сравнению с предыдущим годом. С 2010 года продажи материалов для аддитивного производства росли линейно, и ожидается, что к 2025 году продажи материалов для аддитивного производства достигнут $5-8 миллиардов.

В настоящее время Additive Manufacturing Alliance разделил процессы AM на семь категорий (см. таблицу). Три процесса, которые требуют использования лазеров, это: Powder Bed Fusion (PBF), Directed Energy Deposition (DED) и Vat Photopolymerization.

При использовании технологии Powder Bed Fusion (PBF) на подложку сначала наносится тонкий слой порошка, а управляемый компьютером лазерный луч сканирует его поверхность. Затем добавляется еще один слой порошка, сканируется, и процесс повторяется. В процессах направленного энергетического осаждения (DED) порошок или проволока попадают в источник энергии (лазерный или электронный луч) сбоку.

Для нагрева и плавления материалов в порошковом слое и направленного осаждения энергии обычно используются лазеры мощностью 50-500 Вт. Фотополимеризация в чанах использует милливаттные лазеры с определенными длинами волн для достижения фотоиндуцированной сшивки в жидких термореактивных полимерных материалах.

Полимерные материалы для аддитивного производства

Согласно отчету Wohlers, исследовательского института в области аддитивного производства, в 2016 году 46% всех потребленных AM-полимеров пришлось на смолы для фотополимеризации и термореактивные смолы для осаждения материалов.

Среди материалов, используемых в процессах экструзии, на долю аморфных полимеров приходится 24%, а среди материалов, используемых в процессах порошкового плавления, на долю полукристаллических термопластичных пластиков приходится 30%.

Полимеры, используемые в процессах порошкового синтеза, обычно представляют собой полукристаллические термопластичные пластики, такие как полиамид, ПЭЭК и ТПУ. Аморфные термопластичные пластики обычно не могут работать хорошо, поскольку их температура плавления имеет большой диапазон вязкости, что сводит к минимуму диапазон температур процесса и часто приводит к образованию высоковязких растворов, которые нежелательны в процессах порошкового плавления.

Более широкий диапазон температур плавления также может привести к чрезмерному спеканию деталей. На рис. 1 показан пример использования аморфного порошка PLA для процессов лазерного спекания, который не дал идеальных результатов.

Важной характеристикой полукристаллических полимеров, используемых в процессах порошковой плавки, является разница между их высокой температурой плавления при нагревании и низкой температурой кристаллизации при охлаждении.

Этот температурный интервал должен быть достаточно большим, чтобы камера формирования порошкового слоя нагревалась до температуры чуть ниже температуры плавления полимера, а температура формирования была достаточно низкой, чтобы предотвратить агломерацию порошкового слоя.

Эта температура должна находиться в диапазоне температур выше влажности кристаллизации и ниже температуры плавления.

Когда лазер сканирует и плавит порошок, он остывает до температуры камеры сборки, но сохраняет свою расплавленную структуру, поскольку не достиг температуры кристаллизации. Поэтому расплавленная деталь остается расплавленной.

Обычно после укладки нескольких слоев порошка они медленно кристаллизуются, что дает значительные преимущества в снижении остаточное напряжение и минимизации деформации деталей. Однако для металлов такое явление обычно невозможно, и для предотвращения деформации деталей в процессе изготовления требуется большое количество опорных конструкций.

Хопкинсон предложил новый метод производства металлов, при котором сырьевые материалы разделяются на два компонента с высокой температурой плавления. Когда лазер (или электронный луч) сканирует и расплавляет материал, образуется металл с более низкой температурой плавления (например, эвтектика), который поддерживается в расплавленном состоянии. Этот метод имитирует полимерный метод и устраняет необходимость в опорах.

Для процессов, основанных на экструзии, лучше всего подходят высоковязкие пастообразные полимеры, которые можно контролировать при экструзии и укладке материала.

Обычно для этого процесса подходят аморфные полимерные материалы (такие как PLA, ABS и полиамид). Попытки использовать полукристаллические материалы при экструзии обычно приводят к созданию структур более низкого качества, как при создании многослойных деталей из шоколада или PEEK.

Полимеры, используемые для фотополимеризации и струйной обработки материалов, обычно представляют собой термореактивные полимеры, содержащие фотоинициаторы, которые могут достигать сшивки при определенных длинах волн света. Первые коммерческие материалы были основаны на эфирах акриловой кислоты, но затем были введены эпоксидные смолы, поскольку эти материалы имели большую усадку и вредное воздействие кислорода.

Металлические материалы, используемые для аддитивного производства

Общее правило для металлических материалов, используемых в аддитивном производстве, заключается в том, что если металл подходит для сварки или литья, то он, скорее всего, подойдет и для аддитивного производства.  

За исключением процессов ламинирования тонких листов (таких как ультразвуковое аддитивное производство, в котором используется ультразвуковой генератор для формирования твердотельного сварного шва между металлическими фольгами перед обработкой) и процессов струйного нанесения клея на металл (в которых клей распыляется на слой металлического порошка), процесс аддитивного производства металлов в основном основан на плавлении.

Распространенные материалы сплавов для аддитивного производства металлов.

Сплавы, обычно используемые для аддитивного производства, также подходят для сварки/литья, включая Ti-6Al-4V, AlSi10Mg, 316L нержавеющая сталь, и CoNiCr. Когда в аддитивном производстве используются металлы с ограниченной свариваемостью/плавкостью, получаемые детали обычно имеют большое количество дефектов.

Пример использования материала из алюминиевого сплава 6061 для аддитивного производства в Национальном стандарте GB/T 5237.5-2019 иллюстрирует этот момент: используемый материал предварительно легирован Al6061сплав AlMgSi с большим диапазоном температур затвердевания и большим коэффициентом теплового расширения, что может привести к вертикальным (в z-направлении) разрушениям границ зерен во время затвердевания.

Подмешивание частиц Mg2Si в сырье из чистого алюминиевого порошка позволяет предотвратить растрескивание деталей, изготовленных методом аддитивного производства. В этом случае характеристики затвердевания/плавления сырья доминируют над характеристиками чистого алюминия, поскольку Mg2Si не плавится во время лазерного сканирования.

Как показано на рис. 2b, трещины не наблюдались, когда свариваемые чистые алюминиевый материал был использован.

Кроме того, то, какой металлический сплав может подойти для процесса аддитивного производства, зависит от условий и используемого оборудования.

Например, сообщалось, что машины для аддитивного производства компании Renishaw могут успешно работать с материалами Al6061, в то время как машины EOS DMLS не могут обрабатывать этот материал без трещин.

Керамические материалы для аддитивного производства

При использовании методов сплавления для аддитивного производства керамики возникает ряд проблем.

В большинстве случаев керамические материалы имеют очень высокую температуру плавления и крайне низкую прочность, что может привести к растрескиванию при охлаждении. Некоторые группы сообщают об успешных случаях использования оксидной керамики.

Более распространенный метод для лазерная обработка Керамика - это косвенный подход, когда полимерное связующее смешивается с керамическим порошком. Такое смешанное сырье может быть обработано с помощью процесса плавления полимерного порошка или струйного нанесения клея, но полученные детали должны пройти этап последующей обработки для сжигания/преобразования связующего и спекания компонента.

Это называется косвенным аддитивным производством керамического сырья.

Как и в случае с литьем керамики под давлением, разница между ними заключается в том, что в аддитивном производстве используется меньшая доля связующих веществ, поскольку при аддитивном производстве смесь не должна течь.

Таблица 1: Классификация процессов аддитивного производства

Механические свойства керамики зависят от свойств материала, а также от размера и распределения дефектов. Для описания прочности керамики обычно используется статистика Вейбулла.

Наиболее распространенным термином является модуль Вейбулла, который описывает диапазон напряжений, при которых может произойти хрупкое разрушение.

Более низкий модуль Вейбулла указывает на широкий диапазон напряжений разрушения, что затрудняет прогнозирование напряжений разрушения конкретного компонента: более высокий модуль Вейбулла является более идеальным, поскольку он подразумевает меньший диапазон напряжений разрушения и, следовательно, облегчает прогнозирование напряжений разрушения для конкретных компонентов.

Во многих случаях керамические компоненты, изготовленные методом аддитивного производства, имеют более низкий модуль Вейбулла по сравнению с традиционными прессованными и спеченными керамическими деталями. Однако по мере устранения крупных дефектов модуль Вейбулла также увеличивается.

Механические свойства аддитивно изготовленных материалов

Детали, изготовленные с помощью аддитивного производства, обычно не уступают по твердости и прочности традиционным методам обработки, а то и превосходят их. Это часто связано с тонкой микроструктурой, создаваемой аддитивным производством.

Модуль упругости деталей, изготовленных аддитивным способом, обычно равен или немного ниже справочных значений. Это в значительной степени объясняется остаточной пористостью, которая снижает модуль упругости.

Пластичность (предел усталостной прочности и вязкость разрушения) деталей, изготовленных аддитивным способом, обычно ниже, что, по-видимому, связано со степенью дефектности структуры. Удаление дефектов из аддитивно изготовленных деталей (например, с помощью горячего изостатического прессования металлов) обычно позволяет восстановить эти механические свойства до справочных значений.

Исключением является пластичность полимеров, сплавленных в порошковом слое. В процессе аддитивного производства длинноцепочечные полимеры не смешиваются на границах частиц сырья, в то время как при литье под давлением длинноцепочечные полимеры тщательно перемешиваются за счет сдвига.

Например, аддитивно изготовленные полиамиды (нейлоны) имеют деформацию до разрыва около 50%, в то время как полиамиды, полученные литьем под давлением, имеют деформацию до разрыва 200-400%.