Виробництво багатьох речей, навіть у епоху, коли ми оточені неймовірними інноваціями, які ми сприймаємо як належне сьогодні (електроніка, автомобілі, літаки), вимагає багато часу, грошей та планування. Команди конструкторів та інженерів розробляють деталі, застосовуючи існуючі технології для їх виробництва на тому обладнанні, яке можна побачити у заводських цехах, і яке перетворює сировину на готові деталі. Коли виникає необхідність виготовити металеву деталь, більшість виробників всьому світу починають із заготівлі у вигляді прутка або листового матеріалу. субтрактивні верстати для видалення зайвого обсягу матеріалу шляхом точення, фрезерування, свердління тощо, поки не буде досягнуто остаточної форми. деталі доставляють замовникам по всьому світу, де з них збирається кінцевий продукт. Ця традиційна система виробництва металевих деталей повна проблем та компромісів. Пов'язано це з тим, що майже все традиційні технології обробки мають свої особливості та обмеження: - у геометрії деталей, які необхідно виготовити - часу, необхідного для їхнього виробництва - вартості перетворення сировини на бажаний об'єкт. Часто, через цих обмежень, інженерам доводиться виготовляти безліч елементів окремо, а потім зварювати, склеювати або збирати їх у кінцевий виріб. Це відбувається просто тому, що конструкції багатьох деталей технологічно не можуть бути зроблені як єдине ціле за допомогою звичайних методів. Істотним недоліком традиційних субтрактивних технологій виготовлення деталей також є те, що в в результаті процесу обробки утворюється велика кількість відходів, які необхідно переробляти або викидати на звалища. Вважається, що в акрокосмічній промисловості близько 90 відсотків матеріалу, що закуповується для виготовлення металевих деталей, йде у відходи після операцій різання, точення, фрезерування та шліфування, необхідних для отримання кінцевої деталі в необхідних розмірах. За вагою, після всіх процесів обробки металевий матеріал у конструкції літака становить близько 10% від спочатку придбаного, а решта частина відправляється у відходи. І хоча більшість виробників прагнуть мінімізувати витрати, переробляючи відходи, робота з ними невід'ємною частиною традиційного виробничого підходу та значно збільшує виробничі витрати. На жаль, ці технологічні обмеження стримуютьвсіх. Дизайнери, інженери, виробники та споживачі стикаються з цими обмеженнями. виготовлення деталей складної конструкції з дрібніших компонентів часто призводить до неоптимальності характеристик кінцевого продукту, додаючи непотрібну вагу та змінюючи його властивості. металевих деталей різного цільового призначення не дозволяє світові створювати інноваційніші та безпечніші продукти. Крім того, такі виробничі технології часто обмежують доцільність виготовлення продукції у безпосередній близькості від місця її використання. Це пов'язано з тим, що традиційні технології вимагають значних інвестицій в обладнання та централізованого розміщення виробничих площ, що може призводити до проблем у ланцюжку поставок, які можуть стати критичними. Пандемія COVID-19 може призвести до ситуації, коли те, що необхідно, не буде доступно в той момент, коли це найбільше потрібно. Безперечно, настав час модернізувати глобальну систему виготовлення металевих деталей за допомогою адитивних технологій їх виробництва.
"Адитивне виробництво" або "Аdditive manufacturing, абб. АМ“ - це офіційний промисловий термін (ASTM F2792).
Коріння цього нового підходу сягає в 1980-і роки, і після десятиліть розвитку АМ нарешті готова зазнати революційних змін завдяки технології струминної обробки сполучною. Великі та дрібні компанії з різних галузей промисловості по всьому світу вже розпочали
усвідомлювати переваги струминної обробки сполучними при виготовленні не тільки кінцевих металевих деталей, а й у більш ефективному виробництві інструментів та обладнання традиційних субтрактивних технологій.
Одна з безлічі технологій адитивного виробництва, звана технологією струминної обробки сполучною (Binder Jetting, абб. BJ) або 3-d друку сполучною, є ключем до більш ефективного виробництва деталей з металів. Струменева обробка сполучним дозволяє з високою швидкістю виготовляти металеві деталі без використання лазерів чи інших інструментів, що є дорогими і, в основному, витрачають суттєво більше кількість часу виготовлення деталей. Замість цього, при струминній обробці сполучним використовується промислова друкуюча головка з безліччю сопел, що дозволяє через них швидко наносити сполучна речовина на тонкий шари з частинок металевого порошку, піску, кераміки чи композитних матеріалів. Цей Швидкісний процес повторюється шар
за шаром, формуючи деталь по висоті , поки Форма об'єкта не буде створена відповідно до її цифрової моделі з файлу CAD-дизайну.
Процес струменевий друку з використанням сполучної речовини дуже схожий на простий друк чорнилом на папері , де кожен «лист» є дуже тонким шаром порошку, зазвичай товщиною 30-200 мікрон (мкм), а «чорнило» - це сполучна речовина (спеціально розробленого хімічного складу), яке наноситься друкуючою головкою на цей шар і взаємодіє з металевим або іншими порошками.
Для металів такий процес створює «зелену» деталь із пов'язаного металевого порошку, який потім отверждается або висушується печі. Потім надруковані деталі відокремлюються від шару порошку (процес відомий як «знепилювання») та очищаються перед остаточним спіканням у високотемпературній печі, де частинки сплавляються в щільну, що піддається точної обробки металеву деталь.
Стадія остаточного спікання не є чимось новим у світі металообробки. Фактично, вона ідентична процесу виробництва металевих деталей з використанням металевих порошків та сполучних речовин на ринках лиття металів під тиском (MIM) і пресового спікання (PM), що застосовується вже на протягом понад 40 років. У цих процесах металевий порошок із сполучним речовиною або упорскується у форму, або штампується у формі за допомогою преса та витягується для остаточного спікання. Ці процеси надійно використовуються в електронної, медичної та автомобільної промисловості вже понад 40 років.
Основна відмінність струминного друку на сполучному від MIM або PM полягає в тому, що металеві деталі, виготовлені за допомогою 3D-принтерів, не вимагають прес-форми, що забезпечує більшу свободу проектування.
Сьогодні металеві деталі, виготовлені методом струминної обробки сполучним, мають кращу кінцеву щільність, ніж після штампування або спікання, і залежно від конкретного матеріалу, що дорівнює або перевершує щільність деталей, виготовлених методом MIM.
Крім того, оскільки деталі, виготовлені за допомогою технології струминної обробки сполучною, зазвичай щільніше, ніж гравітаційні виливки або виливки під низьким тиском, деталі, їх можна обробляти на верстатах із ЧПУ, як звичайні металеві деталі.
Розкладання порошку
Пристрій для нанесення порошку (розкладач) спочатку розкладає його тонким
шаром на робочу поверхню платформи в
камері побудови.Нанесення рідкої сполучної речовини. Промислові струменеві друкуючі головки, рухомі разом з порталом на якому вони
встановлені, скріплюють частинки в необхідних
місцях шляхом вибіркового нанесення сполучної речовини на шар порошку. Тип сполучного залежить від виду
використовуваного порошкового матеріалу.
Опускання та повторна розкладка
Після нанесення сполучного робоча
платформа опускається для розкладання
наступного шару порошку. Повторна розкладка - важливий етап у пресі сполучною, так як порошок повинен наноситися
точно, компактно та безперервно для
виробництва високоякісних та точних деталей.
Незалежно від того, яких розмірів
використовуються частки, щільна розкладка порошку
є важливим фактором для успішного нанесення сполучного.
Повторення шарів
Після завершення розкладання чергового шару порошку на робочу платформу починається вибіркове нанесення сполучного
цього шар. Ця послідовність повторного
розкладання порошку і
нанесення сполучного повторюється
до того часу, поки деталь буде готова.
Висока швидкість друку шару
3D-принтери,використовуючи
можливості друкуючої струминної
головки з безліччю сопел для нанесення сполучних речовин, можуть друкувати повний шар за дуже короткий час.
Це одна з головних переваг струминного
друку перед іншими методами адитивного виробництва.
Завершення друку
Коли завдання друку завершено,
деталь можна видалити з камери
побудови. Залежно від матеріалу, що використовується в як сполучна, можуть знадобитися додаткові етапи затвердіння та постобробки. Металеві деталі зазвичай
вимагають загартування та спікання.
Подальша обробка залежить від
області застосування та конкретного
матеріалу.
Технологія Binder Jetting (струменева обробка сполучною) відкриває нові горизонти застосування 3D-друку, особливо в машинобудуванні. Цей метод дозволяє виготовляти деталі складної геометрії, знижуючи їхню вагу та вирішуючи складні інженерні завдання. Однією з головних переваг струминної обробки сполучною є висока ефективність використання матеріалу. У процесі друку застосовується тільки необхідна кількість порошку, а незв'язаний порошок, що залишився, можна переробляти і використовувати до 16 разів, що дозволяє досягати загальної ефективності витрати матеріалу до 96%. Струменева обробка сполучною має також значну перевагу, яку навряд чи можуть запропонувати інші адитивні технології. Вона дозволяє налагодити масове виробництво зі швидкістю та вартістю, порівнянними з традиційними технологіями виробництва. Ця технологія стає ключем до створення децентралізованих екосистем металобробки та машинобудування, що дозволяє випускати продукцію ближче до місця споживання, знижуючи витрати на логістику та підвищуючи продуктивність. Більше того, це рішення допомагає мінімізувати відходи первинних матеріалів та перейти до цифрової моделі зберігання запасів первинних матеріалів. що підвищує гнучкість та ефективність виробництва. Binder Jetting пропонує унікальні можливості для масштабного виробництва металевих деталей, поєднуючи високу продуктивність, низькі витрати та мінімізацію відходів. Цей метод стає все популярнішим, відкриваючи нові можливості для розвитку сучасних виробничих екосистем. Сьогодні все більше компаній використовують технологію Binder Jetting у масовому виробництві. Наприклад, німецькі автовиробники успішно застосовують цей метод виготовлення ливарних форм з піску під час виробництва елементів двигунів автомобілів. Вже понад 20 років ливарна промисловість використовує струменеву обробку сполучною для серійного виробництва піщаних форм та стрижнів, що доводить надійність та ефективність цієї технології.
Щоб зрозуміти, як струменеве нанесення сполучного дозволяє реалізувати концепцію масового виробництва та чому інші методи 3D-друку металів не повністю справляються з цим завданням, необхідно глибше вникнути в екосистему 3D-друку металевих деталей. В цілому, адитивне виробництво - це процес створення об'єкта, зазвичай безпосередньо з даних 3D-моделі, одному шару за один раз; воно протилежно до субтрактивного виробництва, при якому деталі вирізаються з більшого кількості матеріалу, чим потрібно в кінцевому підсумку. Однак існує безліч способів пошарового 3D-друку металевих деталей, кожен з яких має свої переваги та недоліки.
ASTM класифікує процес AM для металів - тип 3D-друку, що виник у середині 1990-х років, - на шість категорій. Найбільш розвиненими методами, представленими на ринку в даний час час, є екструзія матеріалів, лазерне плавлення в порошковому шарі,
напилення сполучного та спрямоване осадження енергії. Однак постійно розробляються нові методи металевого AM, відбувається об'єднання категорій або створюються нові підходи у межах відомих категорій.
Сьогодні багато хто з найбільш розвинених методів 3D-друку відмінно підходять для виготовлення одиничних прототипів чи навіть масового виробництва. Але загалом більшість із них надто затратні за часом. Для швидкого та економічно ефективного масового виробництва тисяч або мільйонів деталей 3D-друк займає занадто багато часу і, отже, є занадто дорогою.
Основна причина полягає в тому, що в більшості цих методів 3D-друку використовується одна точка (зазвичай сопло або
лазер) для пошарової побудови деталі. Навіть у разі застосування кількох лазерів в одній адитивній установці,
вона все одно не зрівняється за швидкістю зі струминною обробкою сполучною.
У більшості технологій 3D-друку металевих деталей використовується одна точка, наприклад сопло або лазер, або (що більш витратно) кілька окремих точок. Технологія ж струменевого нанесення сполучного з порталом, що переміщається з друкуючими
головками з безліччю сопел - один з небагатьох адитивних методів. Виробництва металевих деталей, що дозволяє швидко заповнювати шар, друкуючи по всій площі. І це дозволяє підвищити швидкість друку та знизити витрати, що дуже важливо при переході від прототипування та дрібносерійного виготовлення деталей до їхнього великосерійного виробництва.
Технологія струминного друку дозволяє швидше створювати деталі за допомогою щодо доступних промислових струминних
принтерів, які швидко створюють усі шари деталі за один прохід за нижчої, часто кімнатної температури, аж до остаточного процесу спікання. Це дає переваги в порівнянні з лазерними процесами, де деталь по суті розплавляється і охолоджується в процесі збирання, і вимагає додаткових міркувань щодо етапів подальшої обробки та мікроструктури. Хоча багато технологій 3D-друки дозволяють створювати монолітні складні деталі, що вирішують складні завдання (наприклад, зниження ваги автомобільних деталей), нанесення сполучного - одна з небагатьох технологій, яка може забезпечити такі рішення в масовому виробництві та зробити його доступним.
Таким чином, нанесення сполучного має потенціал для вирішення складних інженерних завдань, виробництва більш екологічних продуктів великих обсягах та отримання значних вигод для суспільства.
Технологія Binder Jetting полегшує виробництво складних металевих деталей та систем, особливо в великих обсягах.
Хоча кожен процес 3D-друку має свої переваги, струменевий друк сполучним - одне з небагатьох рішень, яке можна використовувати як для виготовлення одиничних прототипів та деталей, так і для масового та серійного виробництва. Технологія нанесення сполучного також напрочуд гнучка щодо використання матеріалів. Фактично, при правильному виборі сполучного та параметрів процесу можна обробляти практично будь-який порошок. Сьогодні краплеструминне нанесення сполучного дозволяє виробляти деталі з широкого спектру металів, різних видів піску, металокераміку, а також кераміку та гіпс.
Промислові системи струминного друку сполучним можуть використовувати більше 20 різних сплавів металів у наступних категоріях:
- Алюмінієві сплави
- Карбіди
- Мідь + мідні сплави
- Нікелеві сплави
- Нітриди
- Титанові сплави
- Інструментальні сталі
Як уже говорилося, для певних типів матеріалів можуть знадобитися певні типи сполучного та системи його подачі/транспортування. Це залежить від декількох факторів, включаючи способи подачі та розкладки порошку, тип друкуючої головки, здатної працювати з конкретним хімічним складом сполучного. Для деяких матеріалів, наприклад, алюмінієвих і титанових сплавів, потрібні установки з інертним або контрольованим середовищем в камері побудови. Струменева обробка сполучним найкраще оптимально підходить для виробництва деталей, де мають важливе значення обсяги виробництва, складна конфігурація та висока деталізація. Технологія Binder Jetting виявляє свої переваги в таких галузях як виробництво: металічних деталей AM, які:
- вже виготовляються на 3D-принтерах з використанням інших адитивнихтехнологій, таких як лазерне порошкове наплавлення або екструзія матеріалів, і яке прагне більш доступному або масовому їх виробництву деталей конструктивно – складних конфігурацій:
- виробів зі складними внутрішніми каналами або порожнинами для транспортування газів, рідин або напіврідких речовин, наприклад, що використовуються в нафтовій, газовій або харчової промисловості компонентів теплообмінників та електромобілів:
- деталей, що передають теплову енергію або електрику, особливо в теплообмінниках та електромобілях
- складних складальних вузлів: об'єднання кількох сегментів конструкції в єдину
монолітну деталь для збільшення продуктивності шляхом скорочення кількості операцій або для зниження ваги всієї конструкції
- полегшених деталей: зменшення ваги деталей за збереження здатності витримувати необхідні навантаження, яке недоступне для традиційних технологій
- масово вироблених виробів індивідуального дизайну: таких, як медичні вироби та протези, де кожна ітерація дизайну може бути адаптована індивідуально до конкретного пацієнта без значних витрат деталей, потребують зниження тимчасових витрат за їх виготовлення з метою прискорення виробничого циклу: предметів розкоші, елементів ременів, фурнітури для сумок тощо.
- деталі, що виробляються за технологією MIM: Binder Jetting дозволяє при потребі в менших обсягах економічно ефективно виготовляти деталі, що виробляються по технології MIM (Metal Injection Molding) з їх стандартами розмірів, а також більші деталі.
