Селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металла (DMLS) - это два процесса аддитивного производства, которые принадлежат к семейству 3D-печати, с использованием метода порошкового наслоения. Две этих технологии имеют много общего: обе используют лазер для выборочного плавления (или расплавления) частиц металлического порошка, связывая их вместе и создавая модель слой за слоем. Кроме того, материалы, используемые в обоих процессах, являются металлами в гранулированной форме.
Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса связывания частиц: SLM использует металлические порошки с одной температурой плавления и полностью плавит частицы, тогда как в DMLS порошок состоит из материалов с переменными точками плавления.
В частности:
SLM производит детали из одного металла, в то время как DMLS производит детали из металлических сплавов.
И SLM, и DMLS технологии используются в промышленности для создания конечных инженерных продуктов. В этой статье мы будем использовать термин «металлическая 3D печать» для обобщения 2-х технологий. Так же опишем основные механизмы процесса изготовления, которые необходимы инженерам для понимания преимуществ и недостатков этих технологий.
Существуют и другие технологические процессы для производства плотных металлических деталей, такие как электронно-лучевое плавление (EBM) и ультразвуковое аддитивное производство (UAM). Их доступность и распространение довольно ограничены, поэтому они не будут представлены в данной статье.
Как происходит 3D печать металлом SLM или DMLS.
Как работает 3D печать металлом? Основной процесс изготовления для SLM и DMLS очень похожи.
1. Камера, в которой происходит печать, сначала заполняется инертным газом (например, аргоном), чтобы минимизировать окисление металлического порошка. Затем она нагревается до оптимальной рабочей температуры.
2. Слой порошка распределяется по платформе, мощный лазер делает проходы по заданной траектории в программе, сплавляя металлические частицы вместе и создавая следующий слой.
3. Когда процесс спекания завершен, платформа перемещается вниз на 1 слой. Далее наносится еще один тонкий слой металлического порошка. Процесс повторяется до тех пор, пока печать всей модели не будет завершена.
Когда процесс печати завершен, металлический порошок уже имеет прочные связи в структуре. В отличие от процесса SLS, детали прикрепляются к платформе через опорные конструкции. Опора в 3D-печати металлом, создаётся из того же материала, что базовая деталь. Это условие необходимо для уменьшения деформаций, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки.
Когда камера 3D принтера охлаждается до комнатной температуры, излишки порошка удаляются вручную, например щеткой. Затем детали как правило подвергаются термообработке, пока они еще прикреплены к платформе. Делается это для снятия любых остаточных напряжений. Далее с ними можно проводить дальнейшую обработку. Снятие детали с платформы происходит по средством спиливания.
Схема работы 3D принтера по металлу.
В SLM и DMLS почти все параметры процесса устанавливаются производителем. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлами, варьируется от 20 до 50 микрон и зависит от свойств металлического порошка (текучести, гранулометрического состава, формы и т. д.).
Базовый размер области печати на металлических 3D принтерах составляет 200 x 150 x 150 мм, но бывают и более большие размеры рабочего поля. Точность печати составляет от 50 - 100 микрон. По состоянию на 2020 год, стоимость 3D принтеров по металлу начинается от 150 000 долларов США. Например наша компания предлагает 3D принтеры по металлу от BLT.
3D принтеры по металлу, могут использоваться для мелкосерийного производства, но возможности таких систем в 3D-печати, больше напоминают возможности серийного производства на машинах FDM или SLA.
Металлический порошок в SLM и DMLS пригоден для вторичной переработки: обычно расходуется менее 5%. После каждого отпечатка неиспользованный порошок собирают и просеивают, а затем доливают свежим материалом до уровня, необходимого для следующего изготовления.
Отходы в металлической печати, представляют из себя поддержки (опорные конструкции, без которых не удастся добиться успешного результата). При слишком большом обилии поддержек на изготавливаемых деталях, соответственно будет расти и стоимость всего производства.
Металлические детали SLM и DMLS обладают практически изотропными механическими и термическими свойствами. Они твердые и имеют очень небольшую внутреннюю пористость (менее 0,2 % в состоянии после 3D печати и практически отсутствуют после обработки).
Металлические печатные детали имеют более высокую прочность и твердость и часто являются более гибкими, чем детали, изготовленные традиционным способом. Тем не менее, такой металл быстрее становится «уставшим».
Структура поддержки 3D модели и ориентация детали на рабочей платформе.
Опорные конструкции всегда требуются при печати металлом, из-за очень высокой температуры обработки. Они обычно строятся с использованием решетчатого узора.
Поддержки в металлической 3D печати выполняют 3 функции:
• Они делают основание для создания первого слоя детали.
• Они закрепляют деталь на платформе и предотвращают её деформацию.
• Они действуют как теплоотвод, отводя тепло от модели.
Детали часто ориентированы под углом. Однако это увеличит и объем необходимых поддержек, время печати, и в конечном итоге общие затраты.
Деформация также может быть сведена к минимуму с помощью шаблонов лазерного спекания. Эта стратегия предотвращает накопление остаточных напряжений в любом конкретном направлении и добавляет характерную текстуру поверхности детали.
Поскольку стоимость металлической печати очень большая, для прогнозирования поведения детали во время обработки часто используются программные симуляторы. Это алгоритмы оптимизации топологии в прочем используются не только для увеличения механических характеристик и создания облегченных частей, но и для того, чтобы свести к минимуму потребности в поддержках и вероятности искривления детали.
В отличие от процессов плавления с полимерным порошком, таких как SLS, большие полые секции обычно не используются в металлической печати, так как поддержки будет очень сложно удалить, если вообще возможно.
Для внутренних каналов больше, чем Ø 8 мм, рекомендуется использовать алмазные или каплевидные поперечные сечения вместо круглых, так как они не требуют построения поддержек. Более подробные рекомендации по проектированию SLM и DMLS можно найти в других статьях посвященных данной тематике.
В качестве альтернативы полым секциям, детали могут быть выполнены с оболочкой и сердечниками, которые в свою очередь обрабатываются с использованием различной мощности лазера и скорости его проходов, что приводит к различным свойствам материала. Использование оболочки и сердечников очень полезно при изготовлении деталей с большим сплошным сечением, поскольку это значительно сокращает время печати и уменьшает вероятность деформации.
Использование решетчатой структуры является распространенной стратегией в 3D-печати металлом, для уменьшения веса детали. Алгоритмы оптимизации топологии также могут помочь в разработке органичных легких форм.
Расходные материалы для 3D печати металлом.
Технологии SLM и DMLS могут производить детали из широкого спектра металлов и металлических сплавов, включая алюминий, нержавеющую сталь, титан, кобальт, хром и инконель. Эти материалы обеспечивают потребности большинства промышленных применений, от аэрокосмической отрасли до медицинской. Драгоценные металлы, такие как золото, платина, палладий и серебро, также могут быть обработаны, но их применение носит незначительный характер и в основном ограничивается изготовлением ювелирных изделий.
Стоимость металлического порошка очень высока. Например, килограмм порошка из нержавеющей стали 316 стоит примерно 350-450 долларов. По этой причине минимизация объема детали и необходимость поддержек является ключом к поддержанию оптимальной стоимости производства.
Основным преимуществом металлической 3D-печати является ее совместимость с высокопрочными материалами, такими как никелевые или кобальт-хромовые супер сплавы, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами. За счет использования металлической 3D-печати для создания детали практически чистой формы — можно достичь значительной экономии средств и времени. В последствии такая деталь может быть подвергнута обработке до очень высокого качества поверхности.
Постобработка металла.
Различные методы пост. обработки используются для улучшения механических свойств, точности и внешнего вида металлических печатных изделий.
Обязательные этапы последующей обработки включают удаление рассыпного порошка и опорных конструкций, в то время как термическая обработка (термический отжиг) обычно используется для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств детали.
Обработка на станках ЧПУ может быть использована для критически важных элементов (таких как отверстия или резьбы). Пескоструйная обработка, металлизация, полировка и микрообработка могут улучшить качество поверхности и усталостную прочность металлической печатной детали.
Преимущества и недостатки металлической 3D печати.
Плюсы:
1. 3D печать с использованием металла, может быть использована для изготовления сложных деталей на заказ, с геометрией, которую традиционные методы производства не смогут обеспечить.
2. Металлические 3D печатные детали могут быть оптимизированы, чтобы увеличить их производительность при минимальном весе.
3. Металлические 3D-печатные детали имеют отличные физические свойства, 3D принтеры по металлу могут печатать большим перечнем металлов и сплавов. Включают в себя трудно обрабатываемые материалы и металлические суперсплавы.
Минусы:
1. Затраты на изготовление, связанные с металлической 3D-печатью, высоки. Стоимость расходного материала от 500$ за 1 кг.
2. Размер рабочей области в 3D принтерах по металлу ограничен.
Выводы.
• 3D печать металлом наиболее подходит для сложных, штучных деталей, которые сложно или очень дорого изготовить традиционными методами, например на станке ЧПУ.
• Уменьшение потребностей в построении поддержек, значительно снизит стоимость печати при помощи металла.
• Металлические 3D-печатные детали имеют отличные механические свойства и могут быть изготовлены из широкого спектра инженерных материалов, включая суперсплавы.
А на этом у нас Все! Надеемся, статья была для Вас полезна.
$$
.jpg)
