Desde o advento da tecnologia de impressão 3D, ela foi gradualmente aplicada na fabricação de produtos reais. Entre eles, o desenvolvimento da tecnologia de impressão 3D para materiais metálicos é particularmente rápido. No campo da defesa nacional, os países desenvolvidos da Europa e dos Estados Unidos atribuem grande importância ao desenvolvimento da impressão 3D de metal e investem enormes somas de dinheiro em pesquisa. A impressão 3D de peças metálicas sempre foi o foco de pesquisa e aplicação. Ela pode imprimir não apenas moldes e bicicletas, mas também novas armas sem precedentes, podendo até imprimir equipamentos de grande porte, como carros e aviões. Como um novo tipo de tecnologia de fabricação inteligente, a impressão 3D em metal mostrou uma perspectiva de aplicação muito ampla e um forte impulso de desenvolvimento em mais campos, como design e fabricação de equipamentos, suporte a equipamentos e aeroespacial.
Recursos de impressão 3D em metal
1) Alta precisão. Atualmente, a precisão do equipamento de impressão 3D de metal pode ser basicamente controlada abaixo de 0,05 mm.
2) O ciclo é curto. A impressão 3D de metal não requer o processo de produção de moldes, o que reduz muito o tempo de produção do modelo. Geralmente, um modelo pode ser impresso em poucas horas ou mesmo dezenas de minutos.
3) Pode ser personalizado. A impressão 3D em metal não tem limite para o número de modelos impressos, não importa se um ou mais podem ser produzidos com o mesmo custo.
4) Diversidade de materiais. Um sistema de impressão 3D de metal geralmente pode realizar a impressão de diferentes materiais, e a diversidade desse material pode atender às necessidades de diferentes campos.
5) O custo é relativamente baixo. Embora os sistemas de impressão 3D de metal e materiais metálicos para impressão 3D sejam relativamente caros agora, se forem usados para fazer produtos personalizados, o custo de produção é relativamente baixo.
Tecnologia de impressão 3D de metal
Como a tecnologia mais avançada e com maior potencial em todo o sistema de impressão 3D, a tecnologia de impressão 3D de peças metálicas é uma importante direção de desenvolvimento da tecnologia de fabricação avançada. Com o desenvolvimento da ciência e tecnologia e as necessidades de popularização e aplicação, a fabricação direta de peças funcionais metálicas por prototipagem rápida tornou-se a principal direção de desenvolvimento da prototipagem rápida. Atualmente, os métodos de prototipagem rápida que podem ser usados para fabricar diretamente peças funcionais de metal incluem principalmente: fusão a laser seletiva (SLM), fusão seletiva por feixe de elétrons (EBSM), modelagem de rede projetada a laser (LENS).
Derretimento Seletivo a Laser (SLM)
SLM é uma parte importante do campo da impressão 3D de metal. Seu processo de desenvolvimento passou por etapas como sinterização de pó não metálico de baixo ponto de fusão, sinterização de pó de alto ponto de fusão revestido de baixo ponto de fusão e fusão direta de pó de alto ponto de fusão. A Universidade do Texas em Austin solicitou uma patente pela primeira vez em 1986 e desenvolveu com sucesso o primeiro equipamento SLM em 1988. Ele usa um ponto de foco fino para derreter rapidamente em um material em pó predefinido de 30-51 μm e pode quase diretamente obter qualquer forma. Bem como peças funcionais com ligação metalúrgica completa. A densidade pode chegar a quase 100 por cento, a precisão dimensional pode chegar a 20-50 μm e a rugosidade da superfície pode chegar a 20-30 μm. É uma tecnologia de prototipagem rápida com grandes perspectivas de desenvolvimento.
Os materiais de moldagem SLM são principalmente pós metálicos de componente único, incluindo aço inoxidável austenítico, ligas à base de níquel, ligas à base de titânio, ligas de cobalto-cromo e metais preciosos. O feixe de laser derrete rapidamente o pó de metal e obtém um canal de fusão contínuo, que pode obter diretamente peças de metal quase densas com quase qualquer formato, ligação metalúrgica completa e alta precisão. É uma tecnologia de impressão 3D para peças metálicas com grandes perspectivas de desenvolvimento. Sua gama de aplicações foi estendida para aeroespacial, microeletrônica, tratamento médico, joalheria e outras indústrias.
Existem mais de 50 fatores de influência no processo SLM, e há seis categorias que têm um impacto importante no efeito de moldagem: propriedades do material, laser e sistemas de caminho óptico, recursos de digitalização, atmosfera de moldagem, recursos geométricos de moldagem e fatores de equipamento. Atualmente, os pesquisadores nacionais e estrangeiros conduzem principalmente pesquisas de processo e pesquisas de aplicação nos fatores acima, com o objetivo de solucionar defeitos no processo de moldagem e melhorar a qualidade das peças moldadas. Em termos de pesquisa de processo, os parâmetros de processo importantes no processo de conformação SLM incluem potência do laser, velocidade de escaneamento, espessura da camada de pó, distância de escaneamento e estratégia de escaneamento, etc. Ao combinar diferentes parâmetros de processo, a qualidade da conformação pode ser otimizada.
Os principais defeitos no processo de moldagem SLM são esferoidização e deformação por empenamento. A esferoidização é a fusão insuficiente das camadas superior e inferior durante o processo de moldagem. Devido ao efeito da tensão superficial, as gotas derretidas irão rolar rapidamente para uma forma esférica, resultando em esferoidização. Para evitar a esferoidização, a energia de entrada deve ser aumentada adequadamente. A deformação por empenamento é causada pelo estresse térmico no processo de conformação SLM que excede a resistência do material, resultando em deformação plástica. Devido à dificuldade em medir a tensão residual, a pesquisa atual sobre deformação por empenamento do processo SLM é realizada principalmente usando o método de elementos finitos e, em seguida, a confiabilidade dos resultados da simulação é verificada por experimentos. O princípio básico da tecnologia SLM é: primeiro use Pro/e, UG, CATIA e outro software de modelagem 3D para projetar o modelo sólido 3D da peça no computador e, em seguida, fatie e disponha o modelo 3D por meio do software de fatiamento para obter a dados de contorno de cada seção, o caminho de varredura de preenchimento é gerado a partir dos dados de contorno e o equipamento controlará o feixe de laser para derreter seletivamente os materiais de pó metálico de cada camada de acordo com essas linhas de varredura de preenchimento e empilhá-los gradualmente em tridimensionais partes de metal.