Печать металлом давно вышла из разряда лабораторных чудес: авиация, медицина и оснастка используют её серийно. Но между промышленной установкой за десятки миллионов и настольным принтером лежит целый спектр технологий, и путаница в них стоит денег.
Ниже разбор того, чем отличаются основные методы, что доступно небольшой мастерской, а что имеет смысл только заказывать. Печать металлом нужна не всегда, и об этом тоже будет.
Как устроена печать металлом
Способов много, но принципиально их три семейства.
Плавление порошка лазером. Слой металлического порошка разравнивается по платформе, лазер сплавляет нужные участки, платформа опускается, цикл повторяется. Это SLM и DMLS.
Связывание порошка с последующим спеканием. Печатается заготовка из порошка и связующего вещества, затем она отправляется в печь, где связующее выгорает, а металл спекается. Это Binder Jetting и металлические филаменты.
Наплавка. Металл подаётся проволокой или порошком в зону нагрева и наплавляется слоями. Применяется для крупных деталей и ремонта.
SLM и DMLS: промышленный стандарт
Selective Laser Melting плавит порошок полностью, Direct Metal Laser Sintering спекает его. На современном оборудовании разница между терминами стёрлась, и часто это маркетинговые названия одного процесса у разных производителей.
Что получается. Плотность 99 процентов и выше, механические свойства на уровне литья, а по некоторым параметрам выше. Точность около 0,1 миллиметра, шероховатость поверхности заметная, поэтому ответственные поверхности потом обрабатывают на станке.
Материалы. Нержавеющие стали, инструментальные стали, титановые сплавы, алюминий, кобальт-хром, инконель.
Ограничения, о которых узнают поздно:
- Деталь приваривается к платформе и срезается с неё, это влияет на геометрию.
- Поддержки металлические, их не отломишь пальцами: их срезают или фрезеруют.
- Внутренние напряжения требуют термообработки, иначе деталь поведёт.
- Замкнутые полости с порошком внутри невозможно очистить, нужны технологические отверстия.
Binder Jetting: дешевле, но с усадкой
Печатающая головка наносит связующее на слой порошка, как струйный принтер. Готовая заготовка хрупкая, её осторожно извлекают и отправляют в печь.
Плюс в скорости и в отсутствии поддержек: деталь лежит в массиве порошка. Минус в усадке при спекании, которая доходит до 20 процентов и требует компенсации в модели. Точность ниже, чем у лазерного плавления, зато себестоимость на партии заметно меньше.
Что доступно небольшой мастерской
Здесь начинается практическая часть. Настольная печать металлом существует, но с оговорками.
Металлонаполненные филаменты
Пруток из полимера с металлическим порошком, до 80 процентов по массе. Печатается на обычном FDM-принтере с закалённым соплом, потому что порошок абразивный. Дальше деталь проходит удаление связующего и спекание в печи.
Реальность такова: сама печать это самая простая часть. Печь для спекания стоит дороже принтера, а без неё вы получаете тяжёлую и хрупкую деталь, которая металлом не является. Некоторые производители предлагают отправку заготовки в свой сервис спекания, и это единственный рабочий сценарий для мастерской.
Отдельно отметим: абразивные филаменты убивают латунное сопло за десятки часов. Что с этим делать, разбирали в материале про ремонт 3D-принтера.
Декоративные филаменты с металлом
Не путать с предыдущим пунктом. PLA с добавлением бронзовой или медной пудры даёт вид металла, шлифуется и патинируется, но остаётся пластиком по свойствам. Для реквизита и декора это отличный вариант, для нагруженной детали бесполезный.
Печать выжигаемой моделью
Старый способ, который никуда не делся: печатается модель из выжигаемой смолы или воска, по ней делается форма, затем литьё металла. Ювелирная отрасль работает так десятилетиями. Для единичной металлической детали сложной формы это часто дешевле, чем лазерное плавление.
Сколько это стоит
Порядки цен, чтобы ориентироваться при выборе между печатью и заказом.
- Промышленная установка SLM: от нескольких десятков миллионов рублей, плюс подготовка помещения, инертный газ, обучение и обслуживание.
- Заказ детали по SLM: считается по объёму и времени работы установки. Небольшой кронштейн из нержавейки обходится в тысячи рублей, титановая деталь дороже кратно.
- Металлонаполненный филамент: катушка в разы дороже обычного пластика, плюс расходы на спекание.
- Литьё по выжигаемой модели: самый доступный путь к единичной металлической детали, если рядом есть литейка.
Методика расчёта себестоимости, включая амортизацию и брак, у металла та же, что и у пластика: подробный разбор в статье про себестоимость 3D-печати.
Когда металл не нужен
Частая ошибка это выбирать металл по инерции, потому что деталь металлическая в оригинале.
Современные инженерные пластики закрывают больше задач, чем кажется. Нейлон с углеволокном по удельной прочности сопоставим с алюминием, а стоит несопоставимо дешевле и печатается на обычном оборудовании. Для корпусов, кронштейнов, оснастки и приспособлений металл чаще всего избыточен.
Металл действительно нужен там, где есть высокая температура, серьёзные циклические нагрузки, требования по искробезопасности или контакт с агрессивной средой.
Постобработка: почему деталь не готова сразу из принтера
Здесь металлическая печать сильнее всего отличается от пластиковой. У пластика постобработка это вопрос внешнего вида, у металла это часть технологии, без которой деталь не работает.
Снятие с платформы. Деталь приварена, её срезают проволочной резкой или пилой. Это отдельная операция на отдельном оборудовании.
Термообработка. При лазерном плавлении в детали остаются внутренние напряжения от быстрого нагрева и остывания. Без отжига деталь может повести уже после снятия с платформы, а в работе она треснет. Отжиг делают часто до снятия, прямо с платформой.
Удаление поддержек. Металлические опоры срезают, сбивают или фрезеруют. Места контакта остаются шероховатыми и требуют зачистки.
Обработка поверхности. Шероховатость после печати заметная: пескоструй, галтовка, электрополировка в зависимости от требований.
Механическая обработка ответственных мест. Посадочные диаметры, плоскости прилегания и резьбы делают на станке по припуску, заложенному в модели. Печать не даёт нужной точности для посадок.
Из этого следует практический вывод: считая стоимость металлической детали, закладывайте постобработку отдельной строкой. Она нередко сопоставима со стоимостью самой печати, а иногда превышает её.
Что реально печатают металлом
Чтобы не гадать, вот области, где технология окупается и применяется серийно.
- Оснастка с каналами охлаждения. Пресс-формы с каналами, повторяющими форму детали. На станке такие каналы не сделать, а они сокращают цикл литья.
- Облегчённые силовые детали. Кронштейны с решётчатой внутренней структурой: та же прочность при меньшей массе. Основной потребитель это авиация и космос.
- Медицинские импланты. Пористая поверхность для врастания кости, индивидуальная геометрия по томограмме.
- Теплообменники. Сложная внутренняя геометрия, недостижимая другими методами.
- Запасные части для снятого с производства оборудования. Когда деталь нужна в единственном экземпляре и чертежа нет, а есть образец. Здесь связка со сканированием: как оцифровать образец, разбирали в материале про 3D-сканирование.
Как готовить модель под металл
Несколько отличий от печати пластиком, о которых стоит знать заранее.
- Толщина стенки. Минимум обычно 0,5 до 1 миллиметра, тонкие стенки коробит от напряжений.
- Скругления вместо острых внутренних углов. В углах концентрируются напряжения и появляются трещины.
- Отверстия для удаления порошка. Любая замкнутая полость должна иметь минимум два отверстия.
- Ориентация с учётом поддержек. Металлические поддержки удаляются механически, поэтому их не должно быть на поверхностях, куда не подлезть инструментом.
- Припуск на обработку. Посадочные поверхности и резьбы закладываются с припуском под последующую механическую обработку.
Частые вопросы
Можно ли напечатать металлом дома?
Полноценно нет. Лазерное плавление требует инертной атмосферы, вытяжки и мер против взрыва порошковой взвеси. Реалистичный домашний путь это печать металлонаполненным филаментом с отправкой заготовки на спекание в сервис, либо печать выжигаемой модели под литьё.
Насколько прочна деталь после SLM по сравнению с фрезерованной?
По прочности сопоставима, а иногда выше за счёт мелкозернистой структуры. Но она анизотропна: свойства вдоль слоёв и поперёк отличаются, и это учитывают при проектировании. После термообработки разница уменьшается.
Что дешевле для одной детали: печать или фрезеровка?
Зависит от геометрии. Простая деталь дешевле на станке. Деталь со сложной внутренней структурой, каналами охлаждения или облегчённой решёткой на станке может быть невозможна вовсе, и тогда печать вне конкуренции.
Годится ли металлическая печать для пищевого применения?
Нержавеющая сталь подходит по материалу, но пористая поверхность после печати задерживает загрязнения. Для контакта с пищей поверхность полируют или подвергают дополнительной обработке.
Что выбрать для прототипа корпуса устройства?
Почти наверняка пластик. Металлический прототип корпуса оправдан только если проверяются теплоотвод, экранирование или жёсткость, которую пластик не даёт. В остальных случаях это трата денег на этапе, где важна скорость итераций.