3D‑печать металлом

Создание изделий из металла с использованием аддитивных технологий — одно из самых перспективных и сложных направлений современной 3D‑печати. С момента появления самой концепции специалисты стремились освоить печать металлическими материалами, но сталкивались с множеством технических барьеров. В этом обзоре мы рассмотрим как методы печати с композитами, включающими металл, так и технологии, работающие с чистыми металлическими сплавами.

3DP: струйная печать с металлическим наполнителем

Одной из первых аддитивных технологий стала так называемая струйная 3D-печать (3DP), где основной расходник — порошковый материал, закрепляемый жидким связующим. Такой метод позволяет использовать металлический порошок, но из-за необходимости полимерного клея итоговые изделия нельзя считать полностью металлическими.

После печати объекты можно подвергнуть термической обработке: связующее выгорает, а металлические частицы спекаются. Дополнительно модель может быть пропитана бронзой, что повышает её плотность и прочность. Эти детали всё равно уступают по характеристикам цельнометаллическим изделиям, поэтому чаще применяются в ювелирной и декоративной сферах.

LOM: послойное ламинирование металлической фольгой

Технология ламинирования подразумевает формирование трёхмерных объектов путём послойного наклеивания тонких листов материала, который затем нарезается по форме модели. При использовании металлической фольги создаются визуально «металлические» изделия, но из-за присутствия клея они также не считаются цельнометаллическими.

Главное преимущество метода — доступность оборудования и высокая скорость прототипирования. Однако из-за ограниченной прочности его применяют в основном для демонстрационных моделей.

FDM/FFF с металлическими композитами

Метод послойного наплавления (FDM) широко используется с пластиками, но также пытался адаптироваться под металлические материалы. Однако высокая температура плавления металлов делает невозможным использование традиционных пластиковых экструдеров.

Альтернативой стали полимерно-металлические филаменты, такие как BronzeFill — это смесь PLA с порошком бронзы. Такие модели можно полировать до блеска, и они выглядят как металлические. Однако их механические свойства зависят от связующего пластика.

Несмотря на это, такие материалы перспективны: их можно применять для печати декоративных объектов и даже элементов, обладающих электропроводностью или радиозащитными свойствами — например, для экспериментальных плат.

SLS и DMLS: лазерное спекание металлов

Наиболее продвинутый способ создания металлических деталей — это выборочное лазерное спекание (SLS) и его подвид — прямое лазерное спекание металлов (DMLS). Здесь тонкие слои металлического порошка спекаются лазером, формируя объект.

В отличие от FDM или 3DP, результат — полностью металлические объекты. Некоторые материалы требуют предварительного подогрева или использования инертных газов (например, при работе с титаном) во избежание окисления. Готовые изделия можно дополнительно обрабатывать в печах, чтобы улучшить структуру и прочность.

DMLS-принтеры имеют высокое разрешение, а благодаря использованию оставшегося порошка в качестве поддержки можно печатать сложные геометрии без опорных конструкций. Несмотря на точность, модели всё же остаются пористыми, что ограничивает их использование в условиях высоких нагрузок.

SLM и EBM: полное плавление металлов

Чтобы избавиться от пористости, были разработаны технологии полной плавки — лазерной (SLM) и электронно-лучевой (EBM). В них металлический порошок не спекается, а полностью расплавляется, формируя монолитную структуру.

EBM использует электронные пушки вместо лазеров и манипулирует пучками с помощью электромагнитных полей, что ускоряет процесс и повышает надёжность (зеркала и подвижные части не нужны).

Подобные установки позволяют изготавливать детали с физическими свойствами, близкими к литью. Благодаря этому такие технологии применяются в медицине (титановые имплантаты), аэрокосмической отрасли (газовые турбины, инжекторы и др.) и машиностроении.

CLAD: лазерная наплавка для ремонта

CLAD — это не столько метод 3D‑печати, сколько инструмент для восстановления металлических компонентов. Здесь порошок напыляется на повреждённую область и сразу сплавляется лазером.

Головка оборудования может вращаться и наклоняться, перемещаясь по пяти осям, что позволяет точно восстановить геометрию объекта. Установки требуют инертной атмосферы и применяются в авиации, машиностроении и оборонной промышленности. Один из лидеров в этой области — французская компания BeAM.

EBF³: печать в космосе

Для работы в условиях невесомости специалисты NASA разработали метод EBF³ — произвольную электронно-лучевую плавку. Вместо порошка здесь используется металлическая проволока, расплавляемая электронным лучом. Это напоминает FDM, но с металлическим прутком и высокой температурой плавления.

Технология рассчитана на создание запчастей прямо в космосе, снижая зависимость от доставок с Земли. EBF³ потенциально откроет новую эру в автономном производстве на орбитальных станциях и дальних космических миссиях.

Заключение

3D‑печать металлом быстро развивается и находит всё больше применений — от прототипирования и ремонта до серийного производства. Использование металлических порошков, проволоки и композитов позволяет создавать изделия, которые раньше можно было получить только традиционными методами. В ближайшие годы мы, вероятно, увидим снижение стоимости оборудования и расширение сферы применения — от промышленности до медицины и аэрокосмоса.

3D‑печать металлом