Guida alla stampa 3D del metallo: Processi, materiali e costi

Tecnologia di stampa 3D: LPBF, Binder Jetting e DED a confronto

Non tutti i processi di stampa 3D del metallo producono gli stessi risultati e la scelta di quello sbagliato è il modo più rapido per sforare i costi. Tre tecnologie di produzione additiva dominano oggi la stampa industriale dei metalli: Fusione laser a letto di polvere (LPBF), getto di legante e deposizione a energia diretta (DED). Ognuno di essi utilizza un approccio fondamentalmente diverso per la produzione di pezzi metallici, che influenza direttamente il costo per pezzo, la finitura superficiale, la precisione dimensionale e i tempi di consegna.

L'LPBF rimane il processo preferito per componenti di alta precisione come staffe aerospaziali, parti di turbine e impianti medici. Il binder jetting si sta affermando per la produzione di volumi più elevati, mentre il DED eccelle per la costruzione di grandi formati e le applicazioni di riparazione.

1. LPBF (fusione laser selettiva/DMLS)

L'LPBF utilizza un laser ad alta potenza per fondere selettivamente la polvere metallica fine strato per strato, producendo pezzi funzionali completamente densi direttamente dalla piattaforma di costruzione. Con uno spessore dello strato di 20-50 µm, questo processo fornisce la massima risoluzione e proprietà meccaniche elevate di qualsiasi tecnologia di stampa 3D in metallo: precisione dimensionale di ±0,1 mm e porosità di appena 0,2-0,5 %. Il compromesso è il costo.

I ritmi di costruzione lenti e le strutture di supporto obbligatorie rendono LPBF l'opzione più costosa per pezzo. Nell'industria, la fusione laser selettiva (SLM) e la sinterizzazione laser diretta dei metalli (DMLS) sono usate in modo intercambiabile. MakerVerse L'offerta di stampa 3D in metallo include LPBF tecnologia.

2. Binder Jetting per parti metalliche

Getto di legante segue un flusso di lavoro in due fasi. In primo luogo, un Il legante liquido viene depositato su strati di metacrilato.l polvere per formare un “pezzo”. Successivamente, un processo di sinterizzazione in un forno ad alta temperatura brucia il legante e fonde la polvere in un componente solido. Poiché non si verifica la fusione durante la stampa, la velocità di realizzazione è notevolmente ridotta. più veloce di LPBF.

A volumi più elevati, ciò si traduce nella costo più basso per pezzo di qualsiasi processo di fabbricazione additiva dei metalli. La sinterizzazione introduce un ritiro di ~15-20 %, che richiede un'attenta pianificazione delle tolleranze, e le proprietà meccaniche sono generalmente inferiori ai livelli LPBF. La sinterizzazione sta maturando per la produzione di parti nei settori dell'elettronica di consumo, del dentale e dei macchinari.

3. Deposizione diretta di energia (DED)

Alimentazioni DED polvere o filo di metallo in una fonte di energia focalizzata, Come un raggio laser o un fascio di elettroni, che fonde il materiale mentre viene depositato. Questo processo si distingue per due motivi: è può produrre componenti massicci (volumi di costruzione fino a 5 m per il DED a filo), e può aggiungere funzionalità alle parti esistenti. Né l'LPBF né il binder jetting possono eguagliare queste capacità. La finitura della superficie è la più ruvida delle tre tecnologie, quindi Lavorazione CNC  è quasi sempre necessario come post-elaborazione.

Le applicazioni industriali tipiche comprendono la riparazione delle pale delle turbine, i componenti strutturali di grandi dimensioni e la produzione ibrida, in cui il DED crea forme quasi nette che vengono poi rifinite con tolleranze ristrette mediante lavorazione.

Cosa determina realmente i costi della stampa 3D del metallo

I materiali rappresentano circa 40-60 % del costo totale, il tempo macchina 20-30 % e la manodopera più la post-lavorazione 15-25 %. Ma questi rapporti cambiano drasticamente a seconda della scelta della lega, della geometria del pezzo e delle fasi di finitura richieste.

Consideriamo la sola polvere: l'acciaio inossidabile costa circa 50-100 euro/kg, mentre il titanio Ti-6Al-4V e l'Inconel 718 costano oltre 300-500 euro/kg. Questa singola variabile può moltiplicare il costo del pezzo per cinque. Aggiungiamo poi la post-elaborazione, che secondo i dati del settore rappresenta circa il 40 % del costo totale del progetto. Il trattamento termico, la rimozione del supporto, la lavorazione CNC delle superfici funzionali e la lavorazione del materiale. garanzia di qualità tutti si accumulano velocemente. Le piattaforme con preventivi trasparenti a prezzo fisso, come Citazione istantanea di MakerVerse, Aiutano gli acquirenti a evitare costi a sorpresa dopo l'ordine, inserendo ogni fase in un unico numero vincolante in anticipo.

Altezza, orientamento e strutture di supporto dell'edificio

In fusione a letto di polveri metalliche, Ogni strato aggiunge all'incirca lo stesso tempo di lavorazione, indipendentemente dalla complessità della sezione trasversale. Ciò significa che l'altezza di costruzione determina il tempo macchina in modo lineare. Un pezzo alto 150 mm richiede circa il doppio del tempo di stampa rispetto allo stesso pezzo di 75 mm.

L'orientamento del pezzo sulla piastra di costruzione determina la quantità di struttura di supporto che la stampante deve generare. Prendiamo una semplice staffa a L: orientata in piano, può richiedere supporti minimi. Se invece è orientata in verticale, le grandi superfici sporgenti richiedono strutture di supporto dense, che sprecano polvere e aggiungono ore di lavoro per la rimozione. Questi fattori geometrici spesso incidono sul costo totale più della sola complessità del pezzo. Fattori di riduzione dei costi:

• Ridurre al minimo l'altezza di costruzione, ove possibile, per ridurre i tempi macchina
• Orientare le parti in modo da ridurre le sporgenze al di sotto dei 45° (soglia di autoportanza).
• Considerare la possibilità di dividere le parti alte se il post-assemblaggio è fattibile
• Si consideri che il materiale di supporto è polvere sprecata più la manodopera per la rimozione.

Post-elaborazione: Lo strato dei costi nascosti

Nessun componente stampato in 3D in metallo è pronto per l'uso direttamente dalla piastra di costruzione. Ogni componente richiede almeno rimozione dello stress e supporto. Le applicazioni ingegneristiche più esigenti aggiungono il trattamento termico, la lavorazione di precisione e la lavorazione a macchina. finitura superficiale alla catena. Ogni fase aggiunge costi e tempi di realizzazione, e saltarne una può compromettere le proprietà meccaniche o la precisione dimensionale del pezzo finale.

Ecco il tipico Sequenza di post-lavorazione per parti metalliche LPBF:

1. Ricottura sotto sforzo - obbligatorio; viene eseguito quando il pezzo è ancora sulla piastra di costruzione per ridurre le sollecitazioni interne.
2. Rimozione del pezzo - taglio o elettroerosione a filo per separare la parte stampata dalla piattaforma di costruzione
3. Rimozione del supporto - manuale o a macchina; spesso è la fase che richiede più manodopera
4. Trattamento termico o HIP - elimina la porosità interna e migliora le proprietà meccaniche per le applicazioni più esigenti
5. Lavorazione CNC  - per le superfici critiche, i fori e le filettature che richiedono tolleranze strette
6. Finitura della superficie - sabbiatura, lucidatura o rivestimento, a seconda dell'applicazione e della finitura superficiale richiesta

Materiali per la stampa 3D in metallo: Leghe per le vostre applicazioni

La selezione dei materiali è sia una decisione sulle prestazioni e decisione sui costi. La lega scelta può spostare il costo totale del pezzo di 5-10×, rendendola la prima variabile che gli ingegneri dovrebbero valutare prima di finalizzare un progetto. Una staffa in titanio e una identica staffa in acciaio inossidabile stampata sulla stessa macchina hanno lo stesso aspetto nel CAD, ma vivono in contesti completamente diversi. universi di costo.

La piattaforma di MakerVerse copre un'ampia gamma di opzioni di polveri metalliche, da AlSi10Mg e acciai inossidabili attraverso Inconel, titanio e altro ancora, con schede tecniche e indicazioni per la DFM disponibili direttamente sulla piattaforma.

DfAM: come il design intelligente riduce i costi di stampa 3D del metallo

La riprogettazione del pezzo per la produzione additiva può far risparmiare 30 % o più. Progettazione per la produzione additiva (DfAM) è il singolo leva di costo più efficace Gli ingegneri hanno difficoltà a ordinare parti metalliche stampate in 3D. Tre principi fondamentali fanno la differenza: 

1. Mantenere le sporgenze con angoli autoportanti di 45° o superiori per ridurre al minimo le strutture di supporto.
2. Rispetto delle regole sullo spessore minimo delle pareti per evitare fallimenti di costruzione
3. Orientare i fori in verticale per evitare supporti all'interno di cavità

Oltre a questi elementi di base, l'ottimizzazione della topologia elimina il materiale non portante, riducendo in modo diretto polvere di metallo consumo e tempo di costruzione. Il consolidamento delle parti si spinge oltre, combinando più componenti in un'unica parte stampata, eliminando la manodopera per l'assemblaggio e semplificando il vostro lavoro. nostra catena di fornitura.

• Angoli autoportanti: Progettare le sporgenze a 45° o più per eliminare le strutture di supporto e ridurre lo spreco di polvere.
• Ottimizzazione della topologia: Rimuovere il materiale non portante per ridurre il consumo di polvere del 15-35 %
• Consolidamento parziale: Combinare più componenti in un unico pezzo stampato per eliminare le fasi di assemblaggio
• Spessore minimo della parete: Rispettare i minimi specifici per il processo (tipicamente 0,4-1,0 mm per LPBF) per evitare errori di compilazione
• Orientamento del foro: Orientare i fori circolari in verticale, ove possibile, per evitare un costoso supporto all'interno delle cavità.

L'analisi DFM di MakerVerse individua questi costosi problemi di progettazione in fase di preventivazione, prima che inizi la produzione. Questo feedback precoce evita i cicli di rilavorazione e le ristampe che fanno lievitare il costo totale del prodotto. sourcing tradizionale flussi di lavoro.