В статье приводится описание новой технологии 3D-печати металических изделий. Представляем нового технологического партнера ГК «ДИПОЛЬ» — южнокорейскую компанию InssTek Inc и технологию 3D-печати Direct Metal Tooling. Данная технология позволяет печатать аддитивным методом изделия размером до 4000 мм из широкого спектра металлических сплавов.

В начале 2016 года «Диполь» подписал эксклюзивное соглашение с южнокорейским производителем 3D-принтеров по металлу компанией InssTek Inc. С этого момента у нас появилась возможность предоставить заказчикам доступ к инновационным технологиям 3D-печати металлических изделий методом Direct Metal Tooling (DMT). Технология DMT запатентована компаний InssTek в 2008 году. Сама же компания была основана в 2001 на базе Корейского научно-исследовательского института по атомной энергии (Korean Atomic Energy Research Institute — KAERI) и за 15 лет прошла путь от инновационной идеи до ее воплощения в железе и производстве уникального технологического оборудования.
 

Описание процесса DMT

Технология DMT относится к наиболее передовым процессам производства металлических изделий. В этой технологии аддитивного производства используется направленная энергия, поэтому осаждение материала происходит в конкретной точке построения. Иными словами, в отличие от технологий селективного лазерного спекания или сплавления, при использовании DMT-технологии не происходит формирования слоя строительного материала на поверхности, а материал подается в точку построения, в которую подводится энергия и где идет процесс формирования детали.

CAD-модель изделия загружается в 3D-принтер. Специализированным программным обеспечением данная модель разбивается на слои и после этого слой за слоем выращивается изделие.
Лазерный луч высокой мощности формирует на поверхности металла зону расплава, в которую дозированно подается металлический порошок. Порошок полностью расплавляется лазерным лучом и быстро отверждается в этой зоне. Благодаря подвижной ла-
зерной системе, в которую также интегрированы каналы для подачи порошков и защитного газа, и 3‑х или 5‑ти осевому поворотному столу, на котором формируется деталь, лазерный луч перемещается в соответствии с заданной геометрией изделия программой и происходит построение детали слой за слоем.

Одним из ключевых условий для достижения высокой точности 3D-печати является настройка определенной толщины наплавляемого слоя металла. DMT-принтеры компании InssTek оснащены системой контроля с обратной связью. Данная система с помощью встроенных CCD-камер измеряет толщину слоя и регулирует параметры в процессе печати.
В принтерах компании InssTek существует возможность выбора трех стандартных модулей для системы подачи порошка — 150, 250 и 400 мкм. В соответствии с требованиями толщина слоя может варьироваться от 100 до 1000 мкм.

Методы производства
— Простой метод построения
Метод производства металлических изделий с нуля

— Гибридный  метод построения
Для сокращения времени 3D-печати и снижения расходов на материал, вне зависимости от размеров и сложности изделия, возможно совмещение традиционных методов механической обработки и 3D-печати по DMT-технологии. При изготовлении изделий сложной геометрической формы может быть использована заготовка, полученная, например на фрезерном станке, или с помощью литья, а основная формообразующая часть изделия «выращивается» на 3D-принтере. При этом геометрия поверхности заготовки не обязательно должна быть плоской, а может иметь произвольную форму.

Основные преимущества технологии DMT

Перечислим основные технологические возможности установок InssTek и преимущества технологий DMT перед другими методами производства металлических изделий.

• Неограниченный размер изделий.

Технология DMT позволяет изготавливать металлические изделия неограниченных размеров. Инженеры компании InssTek разработали установку с максимальной рабочей зоной до 4000 мм, но готовы изготовить на заказ и более вместительную машину при возникновении у предприятий потребности в 3D-печати металлических деталей большего размера. Базовый принцип технологии DMT позволяет масштабировать рабочую зону в требуемых пределах.

• Высокие механические свойства изделий.

Металлические детали, напечатанные на 3D-принтерах InssTek, обладают практически 100 % плотностью, отсутствием внутренних дефектов и точек роста дислокаций, а как следствие — высокой механической прочностью на уровне кованых изделий. При этом в отличие от технологий на базе выборочного плавления (SLM/DMLS/DMP), в рамках постпроцессинга для отжига дефектов не требуется проводить термообработку изделий.

На фото:  металлографический анализ изделия, изготовленного традиционным методом и наплавленной по технологии DMT частью. Отлично видно отсутствие внутренних дефектов в структуре выращенного изделия
 

В таблице приведен сравнительный анализ механических свойств изделий, изготовленных методами DMT и ковки

• Изготовление изделий из композитных металлических сплавов.

При использовании одновременно нескольких материалов, 3D-принтер InssTek имеет возможность изготавливать детали, состоящие из слоев двух и более различных металлических сплавов, получая композитные изделия с заданными свойствами и требуемой геометрии. При этом соединение слоев осуществляется на молекулярном уровне.

На фото: литьевая форма для головки блока цилиндров двигателя, основа сделана из стали H13, антикоррозионное защитное покрытие сплавом Hastelloy С22 нанесено методом DMT

• Нанесение защитных покрытий.

Защитные покрытия наносятся на металлические изделия методом наплавки и предохраняют детали от механического износа и воздействия агрессивной внешней среды в процессе эксплуатации изделий. Нанесение защитных покрытий существенно увеличивает срок службы деталей.

• Восстановление и ремонт металлических изделий.

Инновационная технология InssTek Auto tracking предназначена для восстановления металлических деталей, подверженных износу в процессе эксплуатации. Ремонтируемое изделие устанавливается в рабочую зону 3D-принтера, цифровая 3D-модель базовой детали загружается в машину и система в автоматическом режиме производит наплавку требуемым материалом до восстановления изначальной геометрии износившегося изделия. Контроль 3D-печати осуществляет встроенная оптическая система сканирования. Применение: ремонт турбинных лопаток, узлов авиационных двигателей, восстановление пресс-форм термопластавтоматов и других металлических изделий подверженных механическому износу в процессе эксплуатации.
 

Металлические порошки для DMT-технологии

В отличие от специализированных мелкодисперсных металлических порошков, используемых в технологии SLM, материалы для DMT-принтеров имеют больший размер гранул — от 45 до 150 мкм. Стоимость данных материалов существенно ниже аналогов, применяемых при селективном лазерном сплавлении (SLM). К тому же возможно использование стандартных отечественных материалов порошковой металлургии при сферической форме гранул порошка.

Также стоит отметить, что при использовании DMT-технологии нет необходимости полной загрузки порошком емкости в рабочей зоне принтера (обычно не менее 50 кг), как это происходит при технологии селективного лазерного сплавления, возможно использовать лишь необходимое количество материала.
Благодаря вышеописанным фактам 3D-печать с помощью DMT-технологии является экономически эффективным способом изготовления металлических изделий.

Использование технологии 3D-печати InssTek DMT в промышленности

1) Сложная геометрия каналов охлаждения форм для литья пластика

Проблема	Очень долгий срок цикла отливки пластиковой крышки стиральной машины
Решение	С помощью DMT-технологии были созданы литьевые формы с внутренними каналами охлаждения сложной геометрии, позволяющей максимально быстро и равномерно отводить тепло при процессе литья
Результат	Длительность цикла отливки сократилась почти вдвое: с 112 сек до 58 сек, благодаря чему повысилась производительность технологической линии

2) Антикоррозионное покрытие для литьевой формы головки блока цилиндров двигателя

Проблема	Низкий срок службы стальной (сталь H13) литьевой формы, подверженной коррозии за счет воздействия сопутствующих газов при литье алюминия
Решение	Нанесение с помощью технологии DMT антикоррозионного защитного покрытия из Hastalloy C-22
Результат	Был увеличен срок службы литьевой формы и соответственно снижена стоимость в расчете на количество отливок

3) Высокопрочные металлические детали

Проблема	Получение высокопрочных металлических деталей без термического отжига
Решение	Деталь была выращена напрямую по технологии DMT
Результат	Получены высокопрочные изделия из низкоуглеродистой нержавеющей стали 420J2 без применения термического отжига в процессе производства

4) Быстрая корректировка литьевой формы

Проблема	Необходимость компании Hyundai в короткие сроки внести модификации в литьевую форму для создания ламп головной оптики – вместо 2 полос сделать 4 полосы. Ограничения в первую очередь были даже не в стоимости замены, а во времени
Решение	2 дополнительные полосы были нанесены на поверхность литьевой формы методом DMT, материал как самих полосок, так и всей формы – инструментальная сталь P21
Результат	Новые литьевые формы с необходимыми корректировками в сжатые сроки

5) Восстановление и ремонт бандажного обода рабочих лопаток турбины высокого давления авиадвигателей F110-GE-129, установленных на истребителях F15 ВВС Южной Кореи

Проблема	Бандажный обод РЛ ТВД турбовентиляторного двигателя F-110, сделанный из сплава инконель 718, подвержен механическому износу в процессе эксплуатации за счет трения с подвижными частями турбины. Для увеличения срока службы бандажного обода южнокорейские ВВС приняли решение восстановить изношенные зоны вместо традиционной замены детали на новую
Решение	Изношенная часть была восстановлена за счет наплавки методом DMT сплава кобальт-хром Stellite25 на подверженные износу зоны бандажного обода
Результат	1) Бандажный обод теперь ремонтируется, а не просто заменяется новым 2) Высокие износостойкие свойства сплава кобальт-хром Stellite25 при высоких температурах  позволяют еще больше увеличить ресурс службы изделия после восстановления по технологии DMT 3) Процесс ремонта изделия прошел сертификацию у производителя авиадвигателя General Electric 4) В качестве экономического эффекта – удалось существенно продлить ресурс бандажного обода до его отправки в ремонт

6) Массовое изготовление медицинских имплантатов

Технология DMT используется в эндопротезировании и позволяет изготавливать в промышленном объеме медицинские имплантаты тазобедренных суставов. Операция по замене тазобедренного сустава протезом является сложной высокотехнологической процедурой, а одним из основных показателей ее успешности является вживляемость имплантата. Технология DMT применяется для нанесения пористого покрытия на поверхность имплантата с требуемой пористостью, что позволяет существенно улучшать прорастание кости в эндопротез.

В данной таблице указаны материалы, использование которых в DMT-технологии было успешно отработано. Список материалов постоянно расширяется, отрабатываются технологические режимы для печати новыми металлами и сплавами.
Как видно из приведенных в статье примеров, использование технологии DMT для 3D-печати металлических изделий имеет ряд преимуществ и представляется одним из перспективных направлений, в частности при печати изделий размером до 4000 мм с использованием широкого спектра металлических сплавов.

Александр Анатольевич Зубков, руководитель направления «Аддитивные технологии»
группа компаний «ДИПОЛЬ», +7921-937-47-91, Zubkov@dipaul.ru

Источник: Журнал АТ №2'2017, стр. 40-43