3Д печать по-научному называется аддитивное производство (АП), или послойное наращивание объекта, и она активно применяется в производстве металлов высшего класса. Однако чтобы обеспечить строго заданные характеристики продукции, необходимо добиться идеального состава газовой атмосферы – поэтому в 3D печати применяются различные инертные газы. Газ играет ключевую роль не только в производстве конечной детали, но и в производстве, хранении, а также последующей обработке исходного сырья для 3Д печати — металлического порошка.

 

Одной из основных проблем деталей, созданных с помощью 3Д печати, является необходимость создания изделий в строго контролируемой среде для минимизации попадания любых возможных примесей в материалы. Инертные газы, такие как аргон и азот, позволяют создавать инертную, то есть химически неактивную, среду в рабочей зоне и защититься от примесей, благодаря чему удаётся получить продукцию, которая строго соответствует заданным параметрам и может использоваться в таких требовательных сферах, как автомобильная и аэрокосмическая промышленность.

 

печать детали из металлического порошка

 

Инертная атмосфера при аддитивном производстве позволяет проводить без риска загрязнения активными газами множество процессов, включая:

  • направленное наложение энергии;
  • плавление электронным пучком;
  • избирательное лазерное спекание;
  • распыление связующего;
  • плавление в порошковом слое.

К примеру, аргон и азот позволяют исключить неблагоприятное воздействие на металлы кислорода и углекислого газа. Кстати, защитные газы применяются и в процессе сварки.

3д печать металлического изделия

 

Цели применения инертных газов в 3D печати

Как было сказано ранее, инертные газы используется не только непосредственно в обработке, они необходимы также и в хранении металлического порошка и в различных процессах постобработки. О каждом из этих пунктов мы поговорим подробнее.

 

Как хорошо известно, аддитивное производство металлических изделий на основе порошка происходит в закрытой камере, заполненной инертными газами высокой чистоты, такими как аргон и азот. Однако далеко не все понимают, что даже после продувки камеры  между циклами сборки, примеси могут оставаться внутри. Причиной этому может быть как неполная продувка, так и плохо закрепленные соединения.  

 

Даже очень небольшие изменения содержания кислорода в среде могут ухудшить механические или химические свойства сплавов, чувствительных к кислороду, таких как титан или алюминий. В худшем случае изделия будут подвержены отрицательным физическим характеристикам, таким как обесцвечивание и даже плохое сопротивление усталости. Это может быть критично для некоторых отраслей, например, медицинской, аэрокосмической или автомобильной.

 

Для устранения этих примесей используется метод непрерывного анализа газовой атмосферы, когда происходит постоянное высокоточное измерение содержания кислорода. Обнаружив, что концентрация O2 составляет всего 10 частей на миллион (ppm), анализирующее устройство автоматически запускает процесс продувки, чтобы поддерживать чистоту атмосферы по мере необходимости. Технология уже используется в компаниях, находящихся в авангарде аддитивного производства металлов, включая Liebherr Aerospace во Франции, Gefertec GmbH, ведущих производителей автомобилей в Германии, а также у других западных производителей, как промышленных, так и академических.

 

3д печать

 

Вторая задача, которую выполняют инертные газы в 3D печатиэто производство и хранение металлических порошков. Механические свойства готового продукта сильно зависят не только от самого процесса производства, но и от характеристик порошка, используемого в этом процессе. Качество металлических порошков имеет решающее значение, поскольку оно может влиять на физические свойства готового продукта, включая предел прочности на разрыв, хрупкость, ударопрочность, термостойкость и устойчивость к коррозии.

 

Качество порошка также играет жизненно важную роль в стабильности и воспроизводимости производства, которая стремится в конечном итоге обеспечить строгую однородность для серийных партий. Во-первых, необходима высокая сферичность металлических частиц, чтобы порошок плавно и равномерно стекал внутри 3D-принтера. Во-вторых, не менее важна высокая плотность порошкового слоя для производства плотных деталей с высокими скоростями сканирования, что обеспечивает высокую производительность. Плотность порошкового слоя особенно зависит от формы и размера частиц, а также от распределения по размерам. Форма частиц влияет на пористость – чем больше отклонения от идеальной формы, тем ниже плотность и, соответственно, выше пористость. Дополнительно сферическая форма обеспечивает лучшую текучесть при повторном нанесении покрытия.

 

Газовое распыление — наиболее эффективный подход к производству металлического порошка с превосходными геометрическими свойствами. Этот процесс состоит в распылении струи расплавленного металлического сплава на капли диаметром около 500 мкм в газовой струе высокого давления. Следует отметить, что чем точнее будет произведен процесс распыления, тем ниже будет вероятность получения брака и тем выше будут итоговые характеристики порошка.

 

В АП также актуальна проблема хранения металлического порошка, поскольку после производства важно поддерживать правильный микроклимат, исключая повышенную влажность.  От качества порошка зависит как микроструктура, так и физические свойства изделия, напечатанного на 3D-принтере.  Именно поэтому важно хранить порошок строго с соблюдением всех требований, чтобы в дальнейшем обеспечить высокое качество в АП. Повышенная влажность приводит к старению порошка, уменьшает его сыпучесть и увеличивает количество кислорода в ходе процесса печати.

 

Металлические порошки обычно хранятся в контейнерах или закрытых шкафах рядом с принтером до тех пор, пока они не понадобятся. Однако при каждом открытии контейнера происходит проникновение воздуха, что приводит к ускорению процесса старения порошка. При хранении в шкафах порошок может вступать в реакцию с атмосферой внутри шкафа, даже если тот продувается, потому что с каждым открытием дверцы внутрь поступает поток окружающего воздуха и влаги, а это приводит к загрязнению и разложению материала.

 

Решением этой проблемы могут стать порошковые шкафы с блоком контроля влажности для непрерывного измерения параметров внутренней среды. Такая конструкция автоматически инициирует больший поток продувочного газа, как только двери закрываются.  

 

3D печать в прямом лазерном спекании металла

Как мы выяснили, 3D-принтеры используются не только для создания пластиковых трехмерных объектов, но и в производстве металлов.  Если говорить конкретно о производстве титана, то здесь используется технология DMLS, или прямое лазерное спекание металла. Хотя потенциал использования титановой 3D-печати является новаторским для многих отраслей, новые технологии могут представлять опасность, если летучие газы, используемые в процессе печати, не будут удерживаться в пределах рабочей среды.

Кстати, про газовые лазеры и как они работают, вы можете узнать здесь.

 

аддитивное послойное наращивание детали

 

При лазерном спекании лазер следует четкой инструкции из файла автоматизированного проектирования (CAD), поэтапно расплавляя титановый порошок и формируя трехмерный объект или фигуру. Принтер работает в инертной среде, где аргон предотвращает любые нежелательные химические реакции и поддерживает чистоту компонентов. Такая среда обеспечивает низкое содержание кислорода, что уменьшает окисление в производимой детали и снижает опасность возгорания, благодаря инертности горючей пыли. 

 

Также, аргон улучшает консистенцию и снижает деформации конечного металлического изделия, поскольку позволяет контролировать термическое напряжение и уменьшает комкование титанового порошка. Поскольку титан достаточно прочный металл, получаемые в результате предметы могут использоваться в медицинской сфере, например, для замены суставов или костей. Приветствуются титановые детали и в авиастроении, поскольку с их помощью удается снизить вес конструкции, сэкономив на топливе при каждом полете.

 

Хранить инертные и другие газы можно как в криоцилиндрах, так и в газовых моноблоках. Что из этого подойдет лучше мы рассказали в деталях тут.

 

3D печать в защитной газовой среде

 

Немного о безопасности производства

Хотя использование аргона в процессе печати дает множество преимуществ, газ представляет опасность для здоровья, если выходит из среды аддитивного производства (3D печати). Аргон известен как вытеснитель O2 — это означает, что при утечке газообразного аргона в воздух он физически смещает уровни O2 в воздухе и в крайних случаях персонал может задохнуться из-за недостатка кислорода.

 

Поэтому, всегда необходимо придерживаться и правил работы с газами и газовыми баллонами.

 

Аргон —  газ без цвета, вкуса и запаха. Если происходит утечка аргона, персонал не сможет его увидеть или почувствовать. Первыми признаками утечки будет  головокружение, одышка и спутанность сознания. Даже если сотрудники поймут причину этих симптомов, из-за нехватки кислорода они могут быть настолько ослаблены, что просто не смогут покинуть рабочую зону. В связи с этим в помещениях с несколькими 3D-принтерами особое внимание следует уделять системе вентиляции.

 

Решением такой проблемы могут стать газовые анализаторы. Они способны не только проверять концентрацию кислорода в окружающей среде, но и контролировать атмосферу в рабочей камере 3D-принтера. Анализатор проверяет уровень кислорода в диапазоне от 0 до 1000 частей на миллион (ppm). 3D-принтеры, использующие процесс DMLS, должны поддерживать содержание кислорода ниже 1% чтобы обеспечить требуемое качество создаваемой продукции.

 

В качестве заключения, необходимо отметить, что несмотря на революционное развитие технологий производства металлических изделий, газы были, есть и будут важными составляющими этого процесса. Используя новые производственные технологии, в любом случае необходимо разбираться в газах и методах их применения в данной сфере деятельности. В этом вам поможет наш блог — здесь собран многолетний опыт нашей профессиональной команды. Мы всегда рады помочь нашим клиентам с выбором того или иного газа или смеси, а так же проконсультировать по поводу методики их использования. Обращайтесь! https://idealgaz.ru/