В каких отраслях предъявляются самые высокие требования к точности размеров при 3D-печати металлом?

1. Аэрокосмическая промышленность: игры с точностью до миллиметра-в очень суровых условиях.
Авиационная отрасль является «горной» для использования технологии 3D-печати металлом. Основные потребности – комплексное формование сложных конструкций и обеспечение их работы в суровых условиях. Например, рабочая температура лопаток авиационного двигателя может достигать 1500 градусов, и они должны выдерживать нагрузки при вращении на высокой-скорости, составляющей десятки тысяч оборотов в минуту. Любое незначительное изменение размера может привести к тому, что динамический зазор между лопастями и корпусом выйдет из-под контроля, что может привести к катастрофическим отказам.
Требования к точности:
Допуск на размер: Допуск на размер важных деталей, таких как топливные форсунки и лопатки турбины, должен быть в пределах ± 0,02 мм. Некоторые сопрягаемые поверхности могут даже иметь погрешность в пределах ± 0,01 мм.
Шероховатость поверхности: Функциональная шероховатость поверхности должна быть менее Ra0,8 мкм, чтобы предотвратить разделение воздушного потока и накопление термического напряжения.
Геометрический допуск: Чтобы аэродинамические характеристики соответствовали проектным, погрешность контура сложных поверхностей должна быть менее 0,05 мм.
Как это сделать технически:
Лазерное селективное плавление (SLM): покрытие из порошка толщиной 20–60 мкм и лазерное пятно размером-микрометра используются для изготовления высокоточных-форм. Например, центральная кромка крыла из титанового сплава, которую компания Platinum Lite изготовила для самолета C919, имеет точность размеров ± 0,05 мм и шероховатость поверхности Ra3,2 мкм. После электрополировки шероховатость поверхности снижается до Ra0,4 мкм.
Совместное мульти-лазерное сканирование: использование от 4 до 8 синхронизированных лазеров для уменьшения искажений, вызванных тепловым стрессом. Компания Liantai Technology отправила в одно авиационное подразделение очень тонкие металлические детали. Самая тонкая стенка имела толщину 0,25 мм, а допуск составлял всего 0,075 мм. Это показало, что мульти-лазерная система стабильна.
Управление с обратной связью по замкнутому контуру: отслеживая температуру ванны расплава и состояние распределения порошка в режиме реального времени и изменяя интенсивность лазера по мере необходимости, межслоевая погрешность остается в пределах 5 мкм.
2. Медицинские имплантаты. Биологический синтез обеспечивает микро-индивидуальную настройку.
Строгие правила индивидуального подхода к здравоохранению — вот что делает 3D-печать металлом в медицинской области такой точной. Например, когда речь идет об ортопедических имплантатах, кости пациентов могут сильно различаться по форме и плотности. При использовании традиционных стандартизированных имплантатов необходима вторая операция, чтобы сделать их более адаптируемыми. Однако с помощью 3D-печати можно изготовить именно «один пациент, один полис».
Требования к точности:
Контур имплантата должен иметь погрешность менее 0,1 мм по сравнению с данными КТ пациента, чтобы обеспечить равномерное распределение нагрузки на контакт с костью.
Функционализация поверхности: стимулируйте пролиферацию костных клеток за счет использования микропористой структуры с размером пор от 50 до 500 мкм и отклонением пористости ± 2%.
Биосовместимость: Шероховатость поверхности не должна превышать Ra1,5 мкм, чтобы предотвратить размножение бактерий и раздражение тканей.
Как это сделать технически:
В оборудовании SLM высокого-разрешения используется лазерная точка диаметром 50 мкм и толщина слоя 15 мкм для формирования структур на уровне микрометра. Например, Тейфей изготовил протез тазобедренного сустава из титанового сплава для конкретной ортопедической компании. Он имеет индивидуальную точность 0,01 мм и уровень клинической совместимости более 99%.
Проектируйте для оптимизации топологии. Используйте алгоритмы искусственного интеллекта, чтобы создавать легкие решетчатые конструкции, требующие меньше материала и при этом сохраняющие прочность. Зубной имплантат был улучшен: он стал на 40 % легче и прослужил в три раза дольше, прежде чем его потребуется заменить.
Технология пост-обработки: шероховатость поверхности снижается с Ra12 мкм до Ra0,8 мкм за счет сочетания химической полировки и лазерной микронаплавки. Микропористая структура остается прежней.
3. Прецизионные формы: стабильность при массовом производстве до нескольких микрон.
3D-печать металлом должна быть очень точной при изготовлении пресс-форм, поскольку массовое производство должно быть очень последовательным. Например, в литьевых формах шероховатость поверхности сердцевины напрямую влияет на внешний вид изделия, а размер полости напрямую влияет на то, насколько хорошо детали соединяются друг с другом. Чтобы изготовить пресс-форму-старомодным способом, требуются недели механической обработки и полировки на станке с ЧПУ. С помощью 3D-печати вы можете делать и то, и другое одновременно.
Требования к точности:
Стабильность размеров: чтобы справиться с тепловой деформацией, которая происходит в течение десятков тысяч циклов литья под давлением, допуск на размер полости формы должен поддерживаться в пределах ± 0,01 мм/100 мм.
Гладкость поверхности: для удовлетворения требований отражательной способности лазерных систем связи шероховатость поверхности оптических форм должна быть менее Ra0,05 мкм.
Эффективность охлаждения: чтобы обеспечить равномерную температуру формы, отклонение диаметра конформного канала охлаждающей воды должно быть меньше ± 0,05 мм.
Как это работает технически:
Технология Adhesive Jet (BJ): этот метод склеивания и спекания порошков микронного размера- позволяет изготавливать формы с очень высокой точностью. Одна компания изготовила оборудование BJ с точностью до ± 0,05 мм и шероховатостью поверхности Ra3 мкм. После пескоструйной обработки его значение снижается до Ra1,6 мкм.
Обработка пятиосных-рычажных механизмов: использование 3D-печати для добавления фрезерования на станке с ЧПУ основных сопрягаемых поверхностей для точной обработки. Например, компания Anyuan Mold увеличила точность размеров сердцевин моделей обуви с ± 0,1 мм до ± 0,02 мм за счет сочетания «печати» и «фрезерования».
Инновационные материалы: создание пресс-формового стального порошка с высокой теплопроводностью, например мартенситной состаренной стали, который расширяется лишь на одну-треть от расширения других материалов. Это значительно снижает искажения во время литья под давлением.
4. Микрофлюидные чипы: наиболее точный способ манипулирования жидкостями на наноуровне.
Микрофлюидные чипы очень важны в таких областях, как биологическое обнаружение и химический синтез. Их металлические части необходимо контролировать как на микро-, так и нано-уровне. Например, определенный чип для секвенирования ДНК должен включать тысячи микроканалов внутри области размером 5 × 5 мм, сохраняя отклонение ширины канала менее ± 0,5 мкм; невыполнение этого требования приведет к ошибкам отвода жидкости, превышающим 5%.
Требования к точности:
Размер функции: ширина микроканала должна составлять от 10 до 100 мкм, а глубина — ± 1 мкм.
Плоскостность поверхности: чтобы облегчить течение жидкости, дно канала должно быть менее шероховатым, чем Ra0,1 мкм.
Структурная целостность: Чтобы уплотнение выдерживало высокое давление, на нем не должно быть микротрещин и пор.
Как это сделать технически:
Сверхбыстрая-лазерная обработка: использование фемтосекундных лазерных импульсов позволяет удалять материал толщиной менее микрона и избегать участков, поврежденных жарой. Исследовательская группа использовала фемтосекундный лазер для печати микрожидкостных чипов на основе никеля- с отклонением ширины канала всего ± 0,3 мкм.
Электрохимическая полировка. Благодаря совместному использованию микротокового контроля и состава электролита шероховатость поверхности увеличивается от Ra5 мкм до Ra0,05 мкм, сохраняя при этом точную форму канала.
Комбинированная печать из нескольких-материалов. Градиентная печать на металле-керамике используется для нанесения биологически инертного покрытия на внутреннюю стенку канала, что продлевает срок службы чипа.