W tym artykule dowiesz się:
- Co to jest Powder Bed Fusion?
- Jak działa technologia Powder Bed Fusion?
- Jakie są różne rodzaje fuzji w łóżku proszkowym?
- Jak działa laserowa fuzja proszkowa?
- Jakie są zalety technologii Powder Bed Fusion?
Produkcja addytywna metali (technologie druku) stała się kamieniem węgielnym nowoczesnych procesów przemysłowych, oferując innowacyjne rozwiązania do produkcji złożonych komponentów. Fuzja w złożu proszku (PBF) jest godną uwagi metodą w tej dziedzinie, znaną ze swojej precyzji, różnorodności materiałów i swobody projektowania. Niniejszy artykuł zagłębia się w zasady fuzji w złożu proszkowym, jej różne podtypy i wpływ na branże na całym świecie, wykorzystując cenne źródła, aby zapewnić kompleksowe zrozumienie tej przełomowej technologii.
Zrozumienie fuzji w złożu proszkowym
PBF reprezentuje grupę procesów wytwarzania przyrostowego, które wykorzystują źródła wysokiej energii, takie jak lasery lub wiązki elektronów, do selektywnego łączenia materiałów proszkowych, budując solidne, trójwymiarowe struktury w sposób warstwa po warstwie. Procedura rozpoczyna się od wygenerowania modelu 3D za pomocą oprogramowania do projektowania wspomaganego komputerowo (CAD), który jest następnie przekształcany w sekwencję dwuwymiarowych warstw przekroju – plasterków. Warstwy te są drukowane jedna po drugiej, aż do osiągnięcia najwyższej warstwy objętości wydruku. Dla każdej warstwy, rozprowadzony proszek musi pokryć komorę proszkową. Na płycie roboczej można umieścić wiele różnych elementów, każdy o innej geometrii. Po zakończeniu procesu materiał jest usuwany z komory roboczej wypełnionej materiałem proszkowym. Nieutopiony materiał proszkowy można poddać recyklingowi i wykorzystać ponownie, dlatego straty materiału są znacznie niższe w porównaniu z konwencjonalnymi technologiami produkcyjnymi.
Podtypy PBF
PBF reprezentuje rodzinę technik wytwarzania przyrostowego, które obsługują zróżnicowany zestaw materiałów, od metali po polimery. Każdy podtyp Powder Bed Fusion posiada unikalne cechy i atrybuty, dostosowując swoją przydatność do konkretnych zastosowań i branż. Gdy odkryjemy potencjał tych technik, zrozumiemy, w jaki sposób każda z nich wnosi wyjątkowy wkład w świat produkcji addytywnej.
W tej sekcji zagłębimy się w różne rodzaje technik PBF. Naszym celem jest przedstawienie sposobu działania tych metod i ich różnych źródeł ciepła wraz z ich charakterystycznymi zaletami. Ponadto zbadamy branże, na które mają one znaczący wpływ.
Laserowa fuzja w złożu proszkowym
LPBF to proces, który polega na wykorzystaniu wiązki laserowej o wysokiej intensywności do dokładnego stopienia i połączenia cząstek proszku metalowego. LPBF jest znany z tworzenia komponentów o wyjątkowych właściwościach mechanicznych, niezwykłej gęstości i skomplikowanych kształtach. Technika ta doskonale nadaje się do wytwarzania części z materiałów takich jak tytan, stal nierdzewna, aluminium i różne wysokowydajne stopy. Proces topienia metalu jest złożonym procesem, który jest intensywnie badany przez inżynierów procesów i materiałów.
(źródło: GE Additive)
Topienie wiązką elektronów
EBM wykorzystuje wysokoenergetyczną wiązkę elektronów do generowania ciepła i stapiania cząstek proszku metalicznego. Proces odbywa się w komorze próżniowej. Eliminuje to ryzyko utleniania i umożliwia stosowanie materiałów reaktywnych, takich jak tytan i niob. Części produkowane metodą EBM wykazują doskonałe właściwości materiałowe, w tym wysoką wytrzymałość i odporność na zmęczenie, co czyni je szczególnie odpowiednimi do zastosowań lotniczych i medycznych. Wynika to z faktu, że EBM jest procesem stapiania na gorąco. Całe złoże proszku jest wcześniej podgrzewane za pomocą wiązki elektronów, przy niższej mocy wiązki. W połączeniu z LPBF, EBM jest w pełni wykorzystywana jako przemysłowa technologia stapiania w złożu proszkowym.
(źródło: GE Additive)
Binder Jetting
Rozpylanie spoiwa to kolejna wpływowa technika wytwarzania przyrostowego, która działa na podobnych zasadach i jest szeroko stosowana w przypadku proszków metali. Bardzo podobną techniką jest Metal Fusion Jetting (MFJ). Drukarki MJF wykorzystują dwa środki, utrwalający i detalizujący, do łączenia krawędzi materiału w proszku. Polega ona na selektywnym osadzaniu ciekłego spoiwa na złożu cząstek proszku, wiążąc je ze sobą w celu utworzenia stałej części. Po wydrukowaniu każdej warstwy, platforma robocza jest opuszczana, a nowa warstwa materiału proszkowego jest rozprowadzana na górze, gotowa do następnego przejścia głowicy drukującej.
Co ważne, technologia Binder Jetting nie wymaga przetwarzania w wysokiej temperaturze na etapie drukowania, co zmniejsza naprężenia i odkształcenia wywołane temperaturą. Ta cecha sprawia, że jest to idealne rozwiązanie do tworzenia złożonych geometrii i dużych części. Po wydrukowaniu zielona część poddawana jest procesowi usuwania spoiwa. Następnie spiekany jest proszek metalowy lub przeprowadzany jest proces infiltracji w celu zagęszczenia części. Rezultatem są komponenty o właściwościach porównywalnych do tych wykonanych tradycyjnymi metodami produkcyjnymi. W przeciwieństwie do wcześniej wspomnianych technik, w których cząstki proszku metalowego są topione – wtryskiwanie spoiwa nie wymaga konstrukcji wsporczych, co upraszcza etapy projektowania i obróbki końcowej.
Dzięki ciągłym postępom i lepszemu zrozumieniu tych technik, PBF nadal przesuwa granice produkcji addytywnej. Obejmuje ona zastosowania polimerów i metali, obiecując przyszłość zwiększonych możliwości projektowych, wydajności i personalizacji w różnych sektorach przemysłu.
(źródło: GE Additive)
Selektywne spiekanie laserowe
Oprócz zastosowań opartych na metalach, techniki PBF znajdują również szerokie zastosowanie w dziedzinie produkcji dodatków polimerowych. Godną uwagi ilustracją jest SLS. Metoda ta wykorzystuje laser do spiekania sproszkowanych cząstek polimeru, konsolidując je w celu utworzenia sztywnej struktury. Tym, co wyróżnia SLS, jest jego zdolność do generowania skomplikowanych geometrii bez konieczności stosowania konstrukcji wsporczych, co czyni go niezwykle odpowiednim do szerokiego zakresu zastosowań. Zastosowania te obejmują zarówno szybkie prototypowanie, jak i wytwarzanie części do ostatecznego użytku. Możliwość dostosowania do różnych materiałów, takich jak nylon, polistyren i polipropylen, dodatkowo rozszerza jej zastosowanie w sektorach takich jak motoryzacja, lotnictwo i towary konsumpcyjne.
Zalety fuzji w złożu proszkowym
PBF oferuje kilka znaczących korzyści, które sprawiają, że jest to wyróżniająca się metoda w metalowym AM. Zapewnia swobodę projektowania, umożliwiając produkcję skomplikowanych, złożonych struktur, które byłyby trudne lub niemożliwe do stworzenia przy użyciu tradycyjnych metod produkcji. PBF przyczynia się również do zwiększenia wydajności materiałowej, drastycznie zmniejszając ilość odpadów, ponieważ podczas procesu stapiany jest tylko wymagany materiał, a niewykorzystany proszek można poddać recyklingowi i ponownie wykorzystać w kolejnych kompilacjach. Kolejną zaletą jest szybkie prototypowanie. PBF pozwala na szybką produkcję prototypów i małych partii komponentów, skracając czas wprowadzania produktów na rynek i umożliwiając szybsze iteracje podczas cyklu rozwoju produktu. Co więcej, podejście PBF warstwa po warstwie ułatwia produkcję spersonalizowanych lub dostosowanych do potrzeb komponentów. Sprawia to, że jest to idealne rozwiązanie dla branż takich jak implanty medyczne i wysokowydajne części samochodowe, ponieważ może spełniać określone wymagania klientów.
Wyzwania i przyszły rozwój
Pomimo licznych zalet, PBF napotyka wyzwania, takie jak wysokie początkowe koszty sprzętu, potrzeba obróbki końcowej w celu usunięcia struktur wsporczych oraz potencjalne naprężenia szczątkowe i odkształcenia podczas procesu budowy. Trwające prace badawczo-rozwojowe mają jednak na celu udoskonalenie i optymalizację technik PBF. Wysiłki te mają na celu sprostanie wyzwaniom i dalsze rozszerzanie możliwości zastosowania PBF w różnych branżach.
Technologie te wymagają wysokiej jakości proszków metali i polimerów, co wiąże się ze znacznymi kosztami. Ponadto producenci oferują proszki z ograniczonego wyboru materiałów, co zmniejsza liczbę zastosowań dla tej technologii.
Fuzja w złożu proszkowym to przełomowa technologia w dziedzinie obróbki plastycznej metali, oferująca bezprecedensową swobodę projektowania, wydajność materiałową i możliwości dostosowywania. W miarę postępów w tej dziedzinie, PBF ma szansę stać się coraz bardziej niezbędnym narzędziem dla branż poszukujących innowacji i rewolucji w swoich produktach i procesach.
Udostępnij tego posta!
