Концепция 3D принтера печатающего металлом с большим разрешением и огромной скоростью
В очередной раз, рад приветствовать, уважаемое сообщество!
Пару лет назад я начал поиски простой технологии производства прецизионных изделий из металла. Так в «фоновом режиме» я изучал разные технологии обработки металлов, разные методы создания металлических изделий, от литья до фотолитографии, от токарного станка до установки ЭХО.
Не найдя технологии удовлетворяющую всем моим требованиям (в основном из-за цены), я решил подумать над собственной, которую и представляю на ваш суд, под катом. Обращаю внимание, что это пока всего лишь концепция, а не готовый продукт.
Так же приглашаю всех желающих поучаствовать в проекте по реализации этой концепции в жизнь, подробности в конце статьи.
Введение
На сегодняшний день автору известно несколько способов производства металлических изделий из металлических порошков. Все эти способы имеют свои достоинства и недостатки.
Целью настоящей работы была разработка устройства, вбирающего все достоинства нижеуказанных способов производства, при этом исключающего все недостатки.
Классическая порошковая металлургия
Технология изготовления изделий из порошков металлов (или их композиций с неметаллическими порошками). В общем виде технологический процесс порошковой металлургии состоит из 3 основных этапов: смешивание порошков, уплотнение (прессование, брикетирование) и спекание.
Достоинства:
— сравнительно простая технология.
Недостатки:
— не возможно производить изделия сложной формы;
— требуется оснастка (формы для прессования);
— сравнительно малое разрешение и точность.
MIM технология
При использовании MIM-технологии происходит впрыскивание смеси мелкого металлического порошка и связующего на впрыскивающих прессах, которые почти идентичны с прессами, используемыми для впрыскивания термопластов. Исходное сырье для МИМ-технологии представляет собой смесь связующего вещества и мелкого металлической порошка, так называемый feedstock.
Достоинства:
— можно производить изделия сложной формы;
— достаточно высокая точность и разрешение.
Недостатки:
— сложно и дорогое оборудование;
— требуется оснастка (литьевые формы);
— присутствует дополнительный технологический этап — выжиг полимера;
— есть расходный материал (который удорожает себестоимость конечного изделия) — полимер;
— требуется спекание в печах с защитой от окисления (вакуум, инертные газы).
SLS и SLM (3D принтеры)
В SLS технологии порошок напыляется равномерным слоем по всей площади, после чего лазер запекает только те участки, которые соответствуют сечению модели на этом слое на этой высоте. В SLM же металлические частицы доводятся до состояния расплавления и свариваются друг с другом, образуя жесткий каркас.
Достоинства:
— можно производить изделия сложной формы;
— достаточно высокая точность и разрешение;
— не требует оснастки;
— можно производить единичные экземпляры.
Недостатки:
— сложное и дорогое оборудование;
— малая скорость изготовления.
Система «Production system» от компании «Desktop metal»
(тоже пока в проекте)
Система использует послойное нанесение металлического порошка и фотополимера. Порошок наносится сплошным слоем, а фотополимер только по контуру среза изделия. Затем фотополимер засвечивается ультрафиолетом. Т.о. получается металло-полимерное изделие в окружении порошка. Потом полимер выжигается и порошок спекается в печи.
Достоинства:
— высокая скорость производства,
— высокое разрешение и точность,
— не требует оснастки,
— сравнительно дешевое оборудование.
Недостатки:
— требует расходного материала — фотополимер,
— присутствует промежуточный этап — выжиг полимера.
Описание разработки
Представляемое в настоящей работе устройство так же, использует порошковые металлы в качестве, исходного материала.
Технология
Принцип создания изделия заключается в формировании 2х компонентных слоев, т.е. каждый слой будет содержать 2 вида порошка: основа и засыпка.
Основа — металлический порошок из которого будет формироваться изделие.
Засыпка — порошок, заполняющий пустоты, с температурой спекания большей чем у Основы.
Таким образом каждый слой (являющийся срезом изделия, т.е. двумерным) будет «печататься» следующим образом: основа — изделие, засыпка — фон.
После нанесения каждого слоя происходит прессование валиком.
После создания всех слоев полученная масса спекается в печи. Т.к. у порошка основы температура плавления (а, следовательно, и температура спекания) ниже, то спекаться будут только частицы этого порошка, а засыпка останется рыхлой.
Принципы работы
2-х компонентные слои наносятся при помощи т.н. электрографии.
Электрогра́фия (ксерогра́фия) — метод репрогра́фии, использующий для переноса тонера (сухих чернил) электрический заряд. На принципе электрографии работают лазерные принтеры и копировальные аппараты.
Подробнее об электрографии и принципе работы лазерных принтеров, можно узнать из этой статьи на Википедии.
Для нанесения сразу 2х компонентов применяется 2 идентичные последовательные системы электростатического переноса.
После нанесения и уплотнения очередного слоя, стол на котором производится «печать» делает 1 шаг (размер шага зависит от требуемого разрешения) вниз.
После нанесения всех слоев изделие запекается в печи. При этом не требуется защиты от окисления (вакуума либо инертного газа), т.к. проникновению воздуха к металлу изделия препятствует засыпка.
Достоинства разработки
1) Возможность применять массово производимые комплектующие (используются в лазерных принтерах), существенно снижает себестоимость устройства.
2) Высокое разрешение и точность.
3) Высокая скорость печати.
4) Отсутствие оснастки.
5) Отсутствие дополнительных расходных материалов (засыпку можно использовать многократно).
6) Можно производитель изделия сложной формы.
7) Не требуется защита от окисления при запекании.
8) Не обязательно использовать порошки со сферическими частицами.
Возможные проблемы и варианты их решения
1) Быстрый износ фотовала.
Решение а) Применить изностойкие материалы.
Решение б) Не использовать фовал вообще, т.е. заряжать непосредственно слой.
Решение в) Разделить процесс: фотовал передает нужный электростатический рисунок на предыдущий слой, потом наносится порошок.
2) Разработка универсальной засыпки, годной для запекания порошков различных марок.
3) Разные марки порошков могут по-разному реагировать на электростатику.
Решение а) нанесение некоего покрытия (оболочки) на частица порошка
Решение б) использование вместо электростатики др. физические эффекты. Например, засыпка наносится электростатикой, а основа методом «шпателя» загоняется в образовавшиеся углубления.
В конце поста хочу еще раз напомнить, что это всего лишь концепция и многое что может поменяться в процессе проектирования и тестирования. Главное, в этой статье — это сама технология создания 3D фигуры (послойное нанесение 2х порошков, основы и засыпки).
FAQ
1) Запатентована ли технология?
Нет. Технология не запатентована, т.к. во-первых, на этой стадии патентовать еще рано, а во-вторых, считаю это бессмысленной тратой времени (мое мнение, что институт защиты интеллектуальной собственности в РФ, как и в большинстве стран не работает).
2) Почему только порошковая металлургия рассматривается в статье?
Считаю порошковую металлургию наиболее перспективной, а также наиболее подходящей для прецизионного производства.
3) Зачем выкладывать технологию в свободный доступ?
Мне не под силу в одиночку реализовать этот проект. Поэтому с помощью этой статьи я надеюсь найти энтузиастов, которые, возможно, загорятся идеей и создадут сообщество для ее реализации, на общественных началах. Пусть это станет открытым проектом доступным каждому, кто хочет реализовать себя.
В связи с этим у меня предложения ко всем заинтересованным профессионалам из разных областей науки и техники: Если вас заинтересовал проект и вы хотите принять в нем посильное участие, пишите в комментариях (что бы ваши сообщения были доступны всему зарождающемуся сообществу).
P.S. Планирую продолжать рассказывать о своих разработках. Подписывайтесь чтобы не пропустить!
Если кто-то пропустил вот первая статья из этой серии.
