Le principe de fonctionnement de la technologie de formation de fusion laser sélective (SLM) est similaire à celui de Sintering laser sélectif (SLS). La principale différence réside dans les différentes manières de combiner les poudres. Le SLS lie les métaux à point de fusion élevé ou les poudres non métalliques ensemble par la fusion de métaux à point de fusion faible ou de liants, tandis que la technologie SLM fond complètement les poudres métalliques, ce qui nécessite une densité de puissance laser nettement supérieure à celle du SLS.
Pour obtenir la fusion instantanée de poudre métallique, un laser haute densité de puissance est nécessaire, et le spot est concentré à plusieurs dizaines de degrés μ M. La technologie SLM utilise actuellement des lasers à fibres optiques, avec une puissance laser allant de 50 W à 400 W et une densité de puissance supérieure à 5 × 106 W/cm2.
Principe de forme : tout d'abord, le modèle 3D est découpé et superposé à l'aide d'un logiciel de découpage et le modèle est discrétisé en formes de coupe transversale 2D. Le chemin d'acquisition est planifié, puis converti en informations d'acquisition laser. Avant la numérisation, le racleur répartit uniformément la poudre métallique dans le distributeur de poudre dans la zone de traitement laser. Ensuite, la calculatrice contrôle la déflexion du galvanomètre de lecture en fonction des informations de lecture laser, irradiant le faisceau laser de manière sélective dans la zone de traitement pour obtenir le solide bidimensionnel de la section transversale bidimensionnelle actuelle. Ensuite, la zone de forme descend d'une épaisseur de couche, répète le processus ci-dessus et accumule couche par couche pour obtenir le prototype du produit.
Schéma de la technologie SLM
Processus de formation
Pour assurer la fusion rapide des matériaux en poudre métallique, la technologie SLM nécessite un laser haute densité de puissance avec un point concentré sur plusieurs dizaines μ M à plusieurs centaines μ M. la technologie SLM utilise actuellement des lasers à fibres avec d'excellents modes de faisceau, Avec une puissance laser supérieure à 50 w et une densité de puissance supérieure à 5 × 106 W/cm2. Sous l'action d'une densité d'énergie laser élevée, la poudre métallique est complètement fondue, et après dissipation thermique et refroidissement, elle peut être soudée et formée avec de la métallurgie des métaux solides. La technologie SLM est une technologie de prototypage rapide qui accumule et forme des entités tridimensionnelles couche par couche au cours de ce processus.
Dans le processus de moulage SLM, pour améliorer la formabilité de la poudre, il est nécessaire d'améliorer la mouillabilité du métal liquide. Au cours du processus de formation, si le métal liquide forme des billes, cela indique que la mouillabilité du métal liquide est mauvaise. La mouillabilité du métal liquide au métal solide dépend des paramètres du processus, de sorte que les paramètres du processus peuvent être optimisés pour améliorer la capacité de mouillage de poudres spécifiques.
Avantages technologiques
(1) les modèles CAO peuvent être directement fabriqués dans des produits métalliques terminaux avec des procédés simples de post-traitement ou de traitement de surface.
(2) convient aux pièces de formes complexes diverses.
(3) la densité peut atteindre presque 100 % et les propriétés mécaniques sont comparables à celles obtenues par la technologie de forgeage.
(4) les pièces métalliques obtenues ont une grande précision dimensionnelle et de bonnes valeurs de rugosité de surface.
(5) la capacité de faire fondre des métaux à point de fusion élevé à faible puissance permet de fabriquer des pièces à l'aide de poudres métalliques à composant unique, et la variété de poudres métalliques disponibles pour la sélection s'est considérablement élargie.
(6) peut utiliser de la poudre de titane et de la poudre d'alliage à haute température à base de nickel pour le traitement direct, en résolvant le problème du traitement difficile de pièces d'alliage complexes à haute température avec une microstructure uniforme largement utilisée dans l'aérospatiale; il peut également résoudre le problème de traitement des matériaux fonctionnels à gradient avec des changements continus de composants dans les applications biomédicales.
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Dans notre domaine industriel, l'impression 3D métal peut être dite comme une direction importante pour le développement de la fabrication avancée, et c'est également une technologie très prometteuse dans le système de technologie d'impression 3D. Comment l'impression 3D transforme-t-elle le métal en objet physique ? Quel type de processus faut-il pour passer en revue ?
Il existe actuellement cinq technologies d'impression 3D en métal : le formage de métaux en nanoparticules (NPJ), le frittage laser sélectif (SLS), le fusion laser sélectif (SLM), le formage laser proche du réseau (LENS) et le fusion par faisceau d'électrons (EBM). Nous allons principalement présenter le principe de formation de la fusion sélective au laser (SLM), et vous pouvez rechercher et en apprendre plus vous-même.
Le Sintering laser sélectif (SLS) est la première technologie d'impression 3D en métal qui a vu le jour. Son principe est d'utiliser un faisceau laser pour balayer la poudre préposée, augmenter sa température jusqu'au point de fusion et la fritter en forme. Après chaque couche est brûlée, la plate-forme descend et une nouvelle poudre est posée sur cette couche. Le processus ci-dessus est répété et, finalement, il est entièrement refroidi pour former un modèle volumique.
Quels matériaux les imprimantes 3D métalliques peuvent-elles imprimer
Actuellement, les poudres métalliques couramment utilisées dans les imprimantes 3D métalliques au pays et à l'étranger comprennent l'acier à outils, l'acier martensitique, l'acier inoxydable, le titane pur et les alliages de titane, les alliages d'aluminium, les alliages à base de nickel, les alliages à base de cuivre, les alliages de cobalt et de chrome, etc
1. Acier à outils et acier martensitique
En prenant l'acier à outils et l'acier martensitique comme exemples, l'applicabilité de l'acier à outils provient de sa dureté, de sa résistance à l'usure et à la déformation excellentes, ainsi que de sa capacité à maintenir les arêtes de coupe à des températures élevées. L'acier pour outils de travail à chaud du moule H13 est l'un d'entre eux, capable de résister à des conditions de processus incertaines ; l'acier martensitique, par exemple, la martensite 300, également appelée acier de « vieillissement martensitique », est bien connu pour sa résistance élevée, sa ténacité et sa stabilité dimensionnelle pendant le processus de vieillissement. Ils sont différents des autres aciers parce qu'ils sont exempts de carbone et appartiennent à des composés intermétalliques qui durcissent par de riches réactions métallurgiques du nickel, du cobalt et du molybdène. En raison de sa dureté et de sa résistance élevées à l'usure, martensite 300 est adapté à de nombreuses applications de moulage, telles que les moules à injection, le moulage d'alliages de métaux légers, l'estampage et l'extrusion, etc. Il est également largement utilisé dans l'aérospatiale, les composants de fuselage haute résistance et les pièces de course.
2. Acier inoxydable
L'acier inoxydable est différent de l'acier au carbone et la teneur actuelle en chrome est différente. L'alliage d'acier ayant la teneur en chrome la plus faible de 10.5 % est moins sujet à la rouille et à la corrosion. À l'heure actuelle, trois types principaux d'acier inoxydable sont utilisés pour l'impression 3D des métaux : l'acier inoxydable austénitique 316L, l'acier inoxydable martensitique 15-5PH et l'acier inoxydable martensitique 17-4PH.
L'acier inoxydable austénitique 316L est très résistant à la corrosion et peut être abaissé à de basses températures sur une large plage de températures. Il peut être utilisé dans diverses applications d'ingénierie, telles que l'aérospatiale et la pétrochimie, ainsi que dans les domaines de la transformation alimentaire et médical.
L'acier inoxydable martensitique 15-5PH, également connu sous le nom d'acier inoxydable à vieillissement martensitique (durcissement par précipitation), possède une haute résistance, une bonne ténacité, une résistance à la corrosion et peut durcir davantage, ce qui le rend exempt de ferritique. Actuellement, il est largement utilisé dans l'aérospatiale, la pétrochimie, la chimie, la transformation des aliments, la fabrication du papier, et de traitement des métaux.
L'acier inoxydable martensitique 17-4PH a encore une résistance et une ténacité élevées à des températures pouvant atteindre 315 ºC, et une excellente résistance à la corrosion. Grâce au traitement laser, il peut offrir une excellente ductilité.
3. Alliage
Les alliages de poudre métallique les plus utilisés pour les matériaux d'impression 3D métalliques comprennent le titane pur et les alliages de titane, les alliages d'aluminium, les alliages à base de nickel, les alliages de chrome cobalt, les alliages à base de cuivre, etc
1) titane pur et alliages de titane
Le titane pur actuellement utilisé sur le marché, également connu sous le nom de titane pur commercial, est divisé en poudres de grade 1 et de grade 2. Le grade 2 est plus robuste que le grade 1 et présente également une résistance à la corrosion pour la plupart des applications. Grâce à son excellente biocompatibilité, le titane pur de grade 2 a de vastes perspectives d'application dans l'industrie médicale.
Le titane est la clé de l'industrie des alliages de titane. Actuellement, les alliages de titane utilisés pour l'impression 3D des métaux sont principalement de grade 5 et de grade 23. Grâce à leur excellente résistance et leur robustesse, associées à leur résistance à la corrosion, à leur faible densité et à leur biocompatibilité, ils sont parfaitement adaptés à la fabrication aérospatiale et automobile. En outre, en raison de leur résistance élevée, de leur faible module et de leur résistance à la fatigue élevée, ils sont utilisés dans la production d'implants biomédicaux. Le titane de grade 23, avec une pureté supérieure, est un titane dentaire et médical de grade semblable à celui de grade divin.
2) alliage d'aluminium
Actuellement, il existe deux principaux types d'alliages d'aluminium utilisés pour l'impression 3D des métaux : le silicium aluminium AlSi12 et AlSi10Mg. Le silicium-aluminium 12 est un additif léger qui fabrique de la poudre de métal avec de bonnes performances thermiques, qui peut être appliqué sur des pièces à parois minces comme des échangeurs thermiques ou d'autres composants automobiles, ainsi que des composants prototypes et de production pour l'industrie aérospatiale et aéronautique; La combinaison de silicium et de magnésium rend les alliages d'aluminium plus solides et plus durs, ce qui les rend adaptés aux pièces géométriques complexes et à parois minces, en particulier dans les situations présentant de bonnes performances thermiques et un poids faible.
3) alliage à base de nickel
En général, les alliages à base de nickel ont de bonnes propriétés de résistance à la traction, à la fatigue et à la fatigue thermique. Actuellement, il y a principalement Inconel 738, HastelloyX, Inconel 625, Inconel 713, Inconel 718, etc
Inconel 738 offre une excellente résistance à la rupture par fluage à haute température et à la corrosion à chaud. Il s'agit d'un superalliage à faible teneur en chrome qui peut être exposé à des environnements corrosifs à haute température jusqu'à 920-980 ºC pendant longtemps. Il est adapté aux moteurs d'avion et aux turbines à gaz.
Hastelloy X possède une résistance élevée et une résistance à l'oxydation à des températures élevées, et a également une bonne ductilité dans des environnements jusqu'à 1200 ºC. Actuellement, il est principalement utilisé dans la technologie aérospatiale, comme les composants de turbines à gaz et les composants de zone de combustion tels que les tubes de transition, les réservoirs de brûleur, les tiges de pulvérisation, les tuyaux d'échappement, les chambres de combustion, Etc; en outre, en raison de sa résistance aux fissures de corrosion sous contrainte, il est appliqué dans les fours industriels, les industries pétrochimiques et les industries de procédés chimiques.
L'Inconel 625 présente toujours une bonne performance de charge à des températures élevées d'environ 815 ºC et présente une forte résistance à la corrosion. Il est largement utilisé dans les industries aérospatiales, chimiques et énergétiques.
Inconel 713 possède une excellente résistance à la fatigue thermique et une résistance spéciale à la rupture à 927 ºC, ce qui le rend adapté aux aubes de turbine à gaz de moteur à jet.
Inconel 718 est un superalliage à base de fer-nickel durcissement, qui a une bonne résistance à la corrosion, à la chaleur, à la traction, à la fatigue, et à la fluage résistance, et est adapté à diverses applications haut de gamme, telles que les moteurs à turbine d'avion et les turbines terrestres.
4) alliage de chrome cobalt
L'alliage de cobalt-chrome présente une résistance élevée, une résistance élevée à la corrosion, une bonne biocompatibilité et des propriétés non magnétiques. Il est principalement utilisé dans les implants chirurgicaux, y compris les articulations artificielles en alliage, les articulations du genou et les articulations de la hanche. Il peut également être utilisé dans les composants de moteur, ainsi que dans les industries de la mode et de la bijouterie.
5) alliage à base de cuivre
Les alliages à base de cuivre, communément appelés bronze, utilisés sur le marché ont une bonne conductivité thermique et électrique. Ils peuvent combiner des degrés de liberté de conception pour créer des structures internes et des canaux de refroidissement complexes, ce qui les rend adaptés pour une insertion plus efficace des outils dans les moules, tels que les dispositifs à semi-conducteurs, et peuvent également être utilisés dans les micro échangeurs thermiques. Elles ont les caractéristiques des parois minces et des formes complexes.
Présentation détaillée du domaine d'application de l'impression 3D métal :
Secteur industriel : actuellement, de nombreux secteurs industriels ont fait de l'impression 3D métal leurs machines quotidiennes et presque tous utilisent la technologie de l'impression 3D métal dans la fabrication de prototypes et la production de modèles. Dans le même temps, lors de la production de certains composants de grande taille, la technologie d'impression 3D métallique est également utilisée pour imprimer les composants et les assembler. Par rapport aux processus traditionnels, la technologie d'impression 3D peut produire des volumes de production plus importants tout en réduisant les délais et les coûts. Dans l'industrie automobile, le temps d'application de l'impression 3D métal n'est pas trop long, mais il a un potentiel énorme et un développement rapide. Actuellement, de nombreux constructeurs automobiles nationaux et étrangers bien connus étudient sérieusement comment utiliser la technologie d'impression 3D métal pour réformer leurs méthodes de production. En même temps, l'impression 3D métal peut imprimer directement le même produit que le dessin sans ouvrir le moule. L'accélération considérable du cycle de recherche et développement a apporté une grande facilité au développement et à la conception de produits ! Qu'il s'agisse du carter de moteur de voiture ou des pièces de tôlerie de petites pièces, elles peuvent être rapidement obtenues grâce à l'impression 3D de métal.
Dans le domaine médical, les implants prothétiques sont couramment utilisés dans l'impression 3D des métaux. Le plus grand avantage de l'utilisation de la technologie d'impression 3D métal est naturellement la personnalisation. Les médecins peuvent concevoir des implants en fonction de la situation spécifique des patients, ce qui réduit la douleur pendant le traitement et rapproche les implants des membres d'origine.
Domaine de l'aérospatiale : de nombreux pays du monde ont commencé à utiliser la technologie d'impression 3D pour réaliser des développements dans les domaines de la défense, de l'aérospatiale et d'autres domaines. La production d'impression 3D des composants de fabrication de moteurs à jet a été réalisée, ce qui est suffisant pour démontrer la capacité de l'impression 3D en métal.
Impression 3D métal, prometteur pour l'avenir
Les domaines d'application des matériaux d'impression 3D métalliques sont très vastes, tels que les applications d'ingénierie pétrochimique, l'aérospatiale, la fabrication automobile, les moules à injection, le moulage d'alliages de métaux légers, la transformation alimentaire, le secteur médical, la fabrication du papier, l'industrie de l'énergie, Bijoux, mode, etc. Je crois qu'avec le progrès continu de la technologie, l'application de matériaux d'impression 3D métalliques aura un impact croissant sur la société à l'avenir.
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