Ковка — это производственный процесс, при котором металлу придают форму путем приложения сжимающих усилий. Это можно сделать с помощью таких методов, как удар молотком, прессование или прокатка. Применение высокого давления во время ковки выравнивает зернистую структуру металла, улучшая его механические свойства. Например, при ковке стального автомобильного коленчатого вала повторяющиеся удары молотком и формование приводят к удлинению зерен стали по длине детали. Такое выравнивание придает коленчатому валу превосходную прочность и усталостную устойчивость, что имеет решающее значение для выдерживания высоких напряжений и условий циклической нагрузки в двигателе.

Кованые металлы обычно обладают высокой прочностью на разрыв, что означает, что они могут выдерживать большую тяговую силу, прежде чем сломаться. Они также обладают хорошей пластичностью, что позволяет им пластически деформироваться, не разрушаясь под действием напряжений. Сочетание этих свойств делает кованые компоненты очень надежными в таких сложных условиях, как аэрокосмическая промышленность, где детали должны выдерживать экстремальные условия. Например, кованые детали из титанового сплава в авиационных двигателях выдерживают высокие температуры, высокие давления и значительные механические нагрузки во время полета.

3D-печать или аддитивное производство создают металлические детали слой за слоем. Существуют различные методы, такие как плавление в слое порошка, при котором высокоэнергетический лазер или электронный луч избирательно сплавляют вместе частицы металлического порошка. В типичном процессе плавления в порошковом слое для 3D-печати металлической детали тонкий слой металлического порошка распределяется по рабочей платформе. Затем лазер отслеживает форму поперечного сечения детали для этого слоя на порошке, расплавляя и сплавляя частицы. Этот процесс повторяется слой за слоем, пока не будет сформирована вся деталь.

Изначально металлы, напечатанные на 3D-принтере, имели некоторые ограничения по прочности. Послойное построение иногда может привести к появлению слабых мест или пористости внутри детали. Однако были достигнуты значительные успехи. Современные методы 3D-печати и методы постобработки были разработаны для повышения прочности напечатанных на 3D-принтере металлов. Например, термообработка после 3D-печати позволяет снять внутренние напряжения и улучшить микроструктуру материала, повысив его прочность. Некоторые металлы, напечатанные на 3D-принтере, теперь конкурируют по прочности со своими коваными аналогами в определенных областях применения.

Исследования показали, что в некоторых случаях металлы, напечатанные на 3D-принтере, могут достигать уровня прочности на разрыв, аналогичного кованым металлам. Например, недавнее исследование алюминиевых сплавов, напечатанных на 3D-принтере, показало, что при оптимизированных параметрах печати и последующей обработке прочность на разрыв 3D-напечатанных деталей была в пределах 90% от прочности традиционно кованого алюминия. Это примечательно, учитывая различия в производственных процессах. Однако важно отметить, что результаты могут различаться в зависимости от конкретного металлического сплава, используемой техники 3D-печати и сложности детали.

Усталостная прочность, то есть способность материала без разрушения выдерживать многократные нагрузки, была проблемой для металлов, напечатанных на 3D-принтере. Первоначально считалось, что интерфейсы слоев в 3D-печатных деталях являются потенциальными местами возникновения трещин при циклической нагрузке. Но опять же, благодаря усовершенствованным производственным процессам и обработке поверхности металлы, напечатанные на 3D-принтере, сокращают этот разрыв. Некоторые современные металлические компоненты, напечатанные на 3D-принтере, теперь демонстрируют усталостную прочность, сравнимую с коваными деталями, в приложениях с относительно малоцикловой усталостью. Например, в некоторых случаях применения инструментов, изготовленных по индивидуальному заказу, где деталь подвергается ограниченному количеству циклов нагрузки, металлы, напечатанные на 3D-принтере, могут работать так же хорошо, как и кованые, с точки зрения усталостной прочности.

В аэрокосмической промышленности используются как кованые, так и напечатанные на 3D-принтере металлы. Для критически важных компонентов, таких как лопатки турбин реактивных двигателей, кованые металлы по-прежнему являются доминирующим выбором из-за их давно зарекомендовавших себя высокопрочных характеристик в экстремальных условиях. Однако металлы, напечатанные на 3D-принтере, все чаще используются для менее важных структурных компонентов, где можно использовать гибкость их конструкции, сохраняя при этом требуемые стандарты прочности. В автомобильной промышленности металлические детали, напечатанные на 3D-принтере, используются для прототипирования и мелкосерийного производства таких компонентов, как кронштейны и опоры двигателя. Поскольку технология продолжает совершенствоваться, прочность этих 3D-печатных деталей становится более чем достаточной для таких применений.

В заключение, хотя кованые металлы имеют давнюю репутацию прочных металлов, металлы, напечатанные на 3D-принтере, быстро их догоняют. Во многих случаях при использовании правильных материалов, процессов и последующей обработки металлы, напечатанные на 3D-принтере, действительно могут быть такими же прочными, как и кованые металлы. В будущем производство вполне может стать свидетелем растущего сосуществования этих двух технологий, каждый из которых будет использоваться там, где их уникальные преимущества с точки зрения прочности и других свойств могут быть использованы наилучшим образом.