Промышленные 3D-принтеры: технологии, материалы, выбор

Материал подготовлен техническими специалистами компании «Компаньон Консалт» — инжиниринг, подбор и поставка промышленного оборудования. Параметры конкретной установки уточняются по паспорту и техническому заданию.

Промышленный 3D-принтер — не «большой настольный», а технологическая установка, дающая деталь с воспроизводимыми физико-механическими свойствами. Аддитивное производство даёт то, что недоступно резанию и литью: внутренние полости и каналы, неразборные конструкции, снижение массы, сокращение цикла НИОКР — деталь получают без оснастки. Ниже — технологии, материалы, критерии подбора, постобработка.

Чем промышленный принтер отличается от настольного

Разница не в размере камеры, а в повторяемости результата от партии к партии. Настольный принтер решает задачу «увидеть форму», промышленный — «получить деталь с заданной плотностью и точностью».

Вывод для снабженца: сравнивать установки по камере и цене некорректно — сопоставлять нужно контроль процесса, обращение с порошком и требования к участку.

Технологии промышленной 3D-печати

Ниже — технологии, которые чаще других встречаются в машиностроении. Каждая закрывает свой класс задач, и заменить одну другой обычно нельзя.

SLM / DMLS — селективное лазерное плавление металла

Порошок наносится тонким слоем на платформу и расплавляется лазером по сечению детали, платформа опускается, наносится следующий слой; процесс идёт в среде инертного газа. Результат — плотная деталь, сопоставимая по свойствам с прокатом или литьём: SLM — основная технология для нагруженных изделий. На базе усовершенствованной технологии лазерного спекания и собственного металлокерамического порошка «Компаньон Консалт» предлагает печать металлических, керамических и металлокерамических изделий; заготовки при необходимости обрабатываются твердосплавным инструментом.

SLS — спекание полимерного порошка

Тот же послойный принцип по полимерному порошку. Непереработанный порошок сам служит поддержкой — доступна сложная геометрия без опор и следов их удаления: функциональные детали, корпуса, воздуховоды, оснастка.

SLA / DLP — фотополимерная печать

Жидкая смола отверждается лазером (SLA) или засветкой изображения слоя (DLP). Лучшее качество поверхности и детализация: мастер-модели и выжигаемые модели для литья, точные прототипы.

FDM — наплавление термопластичного прутка

Самая простая и дешёвая в эксплуатации. В промышленном исполнении (термокамера, инженерные пластики) — кондукторы, шаблоны, захваты, оправки.

Ещё три технологии, которые встречаются в промышленности

EBM — электронно-лучевое плавление. Порошок расплавляется электронным лучом в вакууме, при подогретой камере. Из-за высокой температуры процесса меньше остаточные напряжения, поэтому технологию применяют к титановым и жаропрочным сплавам.

Лазерная наплавка (DED, LMD). Порошок подаётся в зону расплава и наплавляется на уже существующую деталь. Это не выращивание с нуля, а ремонт, упрочнение поверхностей и нанесение многослойных покрытий — в том числе на крупные изделия.

Печать литейных форм и стержней. Связующее наносится на песок послойно, форма получается без модельной оснастки. Отливка при этом остаётся обычной — экономится время и стоимость подготовки производства при мелкой серии и сложной геометрии.

Материалы в машиностроении

Материал выбирают не «по прочности вообще», а по требованиям: рабочая температура, среда, коррозионная стойкость, масса, термообработка.

• Нержавеющая сталь — корпусные и коррозионно-нагруженные детали, отработанные режимы печати.
• Инструментальная сталь — вставки пресс-форм и штампов, твёрдость после термообработки.
• Кобальт-хромовые сплавы — износо- и жаростойкость при повышенных температурах.
• Титан и его сплавы — прочность при малой массе и коррозионная стойкость.
• Алюминиевые сплавы — лёгкие детали и теплоотводы; чувствительны к режиму печати.
• Металлокерамика (кермет) — твёрдость и теплостойкость керамики при большей вязкости.
• Полимеры — пластики для SLS и FDM: оснастка, корпуса, малонагруженные детали.

Статья расходов, о которой забывают при расчёте окупаемости, — регулярная поставка порошков и полимеров: часть уходит в отсев, часть теряет свойства после нескольких циклов.

Области применения

• Детали узлов и агрегатов — от запчастей снятых с производства машин до мелкосерийных элементов.
• Сложные конструкции, в том числе неразборные и меняющие геометрию в эксплуатации, — традиционным способом их не собрать.
• Формообразующие элементы пресс-форм для высокоточного литья и термопластов: можно заложить конформные каналы охлаждения по форме полости.
• Технические прототипы для отработки конструкции до запуска оснастки — ошибки видны на детали, а не на готовом штампе.

Критерии подбора установки

1. Размер камеры построения — по реальной номенклатуре и раскладке партии, а не по самой крупной детали: крупная камера — больший объём порошка в обороте.
2. Мощность и число лазеров — производительность: лазеры делят поле построения, плата за скорость — сшивка зон.
3. Толщина слоя — компромисс точности и времени: тонкий слой улучшает поверхность и кратно удлиняет цикл.
4. Атмосфера и контроль кислорода — для титана и алюминия требования жёстче, расход газа влияет на затраты.
5. Подготовка и просеивание порошка — просеиватель, сушка, распаковка, учёт циклов: это качество детали и безопасность.
6. Постобработка — отделение от платформы, снятие поддержек, термообработка, обработка резанием, финиш.
7. Инфраструктура участка — питание, вентиляция, взрывобезопасность, площадь под распаковку, сервис.

Почему нужна механическая обработка

Аддитивная установка не заменяет станочный парк, а встраивается в него — причины заложены в процессе:

• поверхность после послойного построения шероховата, на наклонных участках видна «ступенька»;
• деталь надо отделить от платформы и обработать базовые поверхности;
• посадочные места, резьбы, точные отверстия и уплотнения выполняются резанием;
• внутренние напряжения требуют термообработки, иначе деталь «поведёт» после снятия припуска;
• места удаления поддержек нужно зачищать.

Правило проектирования: припуск и доступ инструмента закладываются в модель заранее. Металлокерамические и высокотвёрдые заготовки обрабатываются твердосплавным инструментом.

Порядок внедрения и типовые ошибки

1. Номенклатура и ТЗ — что печатаем, сколько, из чего, с какими требованиями по точности и свойствам.
2. Выбор технологии — металл или полимер, нагруженная деталь или прототип.
3. Проверка технологичности детали — анализ модели: ориентация при печати, поддержки и их удаление, припуски под последующую механическую обработку.
4. Технико-экономическое обоснование — сравнение с текущей себестоимостью, окупаемость с учётом расходников.
5. Подготовка участка, поставка, пуск, обучение операторов и технологов.
6. Сопровождение — поставка порошков и полимеров, сервис, отработка режимов.

Частые ошибки:

• печатать то, что дешевле выточить: печать оправдана при сложной геометрии, малой серии, недоступной оснастке;
• считать окупаемость по цене машины — без порошка и потерь, газа, постобработки, обучения, сервиса;
• проектировать «как под фрезеровку»: модель переделывают под самоподдерживающиеся углы и ориентацию на платформе;
• игнорировать работу с порошком: смешивание партий, влага, лишние циклы дают поры и разброс свойств;
• не планировать участок: вентиляция, взрывобезопасность и площадь под распаковку нужны с первого дня.

Комплексное внедрение — от подбора решения до пуска и снабжения расходниками — входит в услуги и компетенции.

Частые вопросы

Чем промышленный 3D-принтер отличается от настольного? Повторяемостью свойств детали: контролируемая атмосфера, мониторинг процесса, аттестованный материал, замкнутый цикл порошка.

Какие технологии применяются? SLM/DMLS по металлическому порошку, SLS по полимерному, SLA/DLP по фотополимеру, FDM по прутку.

Какие материалы используются? Нержавеющая и инструментальная сталь, кобальт-хром, титан и его сплавы, алюминий, металлокерамика, полимеры.

Нужна ли механическая обработка? Почти всегда: отделение от платформы, снятие поддержек, термообработка, посадочные места и резьбы — резанием.

Что определяет выбор установки? Камера построения, число лазеров, толщина слоя, атмосфера, просеивание порошка, постобработка.

Оборудование по теме

• Аддитивное оборудование — 43 позиции, шесть технологических групп: лазерное сплавление металлического порошка (ProX и ProX DMP, SLM 125 / 280 2.0 / 500, Realizer SLM 50 / 125 / 300i, CES300 и CES600); электронно-лучевое плавление (Arcam A2X, Q10, Q20); лазерная наплавка для ремонта и упрочнения (DM3D DMD, InssTek MX); печать литейных форм и стержней (ExOne S-Print и S-Max, Exerial); полимерные установки (sPro 60 / 140 / 230, ProJet 6000 и 7000, Zias BPrint); центр лазерной обработки TruLaser Cell 7000. Характеристики — в карточках.
• Промышленные роботы — 4 позиции (SR50, M-710iC-Series, M-20iA/35MT, M-20iB/25): загрузка-выгрузка и передача на постобработку.
• Оборудование — общий раздел каталога, включая станки для обработки печатных заготовок.

Читайте также

• Промышленные роботы — типы, грузоподъёмность, задачи автоматизации участка.
• Машинное зрение на производстве — контроль геометрии и качества деталей после печати.
• Умные фабрики — встраивание участка в цифровое производство.
• База знаний — все материалы раздела.

Получить подбор и цену

Планируете внедрить аддитивные технологии или подобрать установку под номенклатуру? Инженеры Компаньон Консалт определят технологию и материал, оценят объём постобработки и организуют поставку, пуск и снабжение порошками. Цена — по запросу.

• Телефон: 8 800 350-03-75 (звонок по России бесплатный)
• E-mail: info@cmpnn.com
• Адрес: Москва, 1-я улица Ямского Поля, 15с2

Опишите задачу — материал, размер и свойства детали, объём выпуска: подберём технологию и установку.