Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, - это революционный способ изготовления деталей и изделий. Одной из наиболее широко используемых технологий аддитивного производства является селективное лазерное плавление (SLM). SLM - это метод сплавления порошкового слоя, в котором используется мощный лазер для выборочного сплавления порошка материала для создания деталей слой за слоем.
SLM позволяет создавать сложные геометрические формы с замысловатыми внутренними элементами непосредственно на основе данных 3D CAD. Она также минимизирует отходы материалов и обеспечивает гибкость конструкции, недоступную при традиционном производстве. Однако SLM требует специализированного оборудования, оптимизированных параметров обработки и понимания характеристик материала.
Это исчерпывающее руководство охватывает все, что вам нужно знать о селективном лазерном плавлении в аддитивном производстве. В нем рассказывается о технологии, типичных используемых материалах, областях применения, преимуществах и ограничениях, спецификациях, поставщиках, стоимости, сравнении с другими методами 3D-печати и многом другом. Читайте дальше, чтобы стать экспертом в области SLM!
Принцип работы SLM 3D-печати
SLM использует сфокусированный лазерный луч для расплавления и сплавления металлических порошков. Детали создаются аддитивно, слой за слоем, на основе нарезки данных 3D-модели CAD. Вот основные аспекты процесса SLM:
Обзор процесса аддитивного производства SLM
| Шаг процесса | Описание |
|---|---|
| Подготовка 3D-модели | Модель CAD преобразуется в тонкие двухмерные срезы, которые используются для направления траектории лазерного плавления. Для обеспечения свесов могут быть добавлены опорные конструкции. |
| Нанесение порошка | Механизм повторного покрытия равномерно распределяет слой металлического порошка по рабочей платформе. |
| Лазерное плавление | Сфокусированный мощный лазер избирательно расплавляет порошок на каждом двумерном срезе, сплавляя частицы воедино и образуя твердое тело. |
| Нижняя строительная платформа | После завершения одного слоя платформа опускается, и сверху насыпается новый порошок. |
| Повторяющиеся шаги | Этапы нанесения порошка, лазерного плавления и опускания повторяются до тех пор, пока деталь не будет готова. |
| Постобработка | Деталь очищается от излишков порошка, после чего может потребоваться снятие опор, очистка, термообработка, обработка поверхности, контроль и т. д. |
Многослойный подход позволяет создавать сложные органические формы с замысловатыми внутренними полостями и туннелями, которые невозможно сделать традиционными методами, такими как литье или механическая обработка из цельных блоков.
SLM также имеет схожие названия, включая селективное лазерное спекание (SLS), прямое лазерное спекание металлов (DMLS) и сплавление в порошковом слое (PBF). Основные аспекты этих процессов, основанных на использовании порошка, по сути, идентичны с небольшими различиями в оборудовании.
Материалы SLM
С помощью технологии аддитивного производства SLM можно обрабатывать широкий спектр металлов, сплавов и керамики. Наиболее часто используются нержавеющие стали, кобальт-хром, титан, алюминий и суперсплавы на основе никеля. Варианты материалов продолжают расширяться по мере развития технологии.
Распространенные материалы и способы применения SLM
| Материал | Приложения |
|---|---|
| Нержавеющая сталь (316L, 17-4PH) | Недорогие прототипы, функциональные металлические детали, такие как клапаны, корпуса насосов |
| Титановые сплавы (Ti-6Al-4V) | Аэрокосмические компоненты, медицинские имплантаты, автомобильные детали |
| Кобальт-хром (CoCr) | Зубные коронки и мосты, ортопедические имплантаты колена/бедра |
| Алюминиевые сплавы (AlSi10Mg) | Легкие беспилотники, аэрокосмические кронштейны, автомобильные прототипы |
| Инконель (IN625, IN718) | Колеса турбокомпрессоров, камеры сгорания, аэрокосмические двигатели |
| Инструментальные стали (H13, мартенситно-стареющая сталь) | Пресс-формы для литья под давлением, формовочные штампы, приспособления для оснастки |
Самый популярный вариант - это Порошок из нержавеющей стали 316L благодаря своей прочности, коррозионной стойкости, высокому качеству отделки и более низкой стоимости по сравнению с экзотическими сплавами.
Материалы для SLM проходят строгий контроль качества, а сферические частицы порошка имеют средний диаметр 15-100 микрон. Более мелкие порошки улучшают разрешение, в то время как более грубые создают детали быстрее, но с меньшей точностью.
Приложения УУЗР
SLM используется для изготовления прототипов, индивидуальной оснастки и мелкосерийного производства сложных высокопроизводительных металлических деталей с улучшенными механическими свойствами. Вот некоторые из ведущих областей применения в основных отраслях промышленности:
Области применения аддитивного производства SLM
| Промышленность | Общие области применения SLM |
|---|---|
| Аэрокосмическая промышленность | Лопатки турбин, топливные форсунки, теплообменники, кронштейны конструкций, спутниковые антенны |
| Медицина | Персонализированные имплантаты (тазобедренные, коленные и т.д.), хирургические инструменты, ортодонтическое оборудование |
| Автомобильная промышленность | Прототипы автомобилей, изготовленные на заказ, кронштейны, облегченные рычаги подвески |
| Промышленность | Формы и штампы с конформным охлаждением, оснастка, приспособления для сборки и контроля |
| Нефть и газ | Нестандартные клапаны, насосы, уплотнения, буровое оборудование для работы под высоким давлением |
| Оборона | Беспилотные летательные аппараты, стрелковое оружие, компоненты автомобильной и бронезащиты |
Способность объединять узлы в отдельные детали, быстро настраивать дизайн, сокращать время выполнения заказа с нескольких месяцев до нескольких дней по сравнению с традиционными методами производства лежит в основе растущего использования SLM для производственных приложений в этих отраслях.
Производители SLM-принтеров
Многие компании производят оборудование для SLM, также называемое 3D-принтерами. Основными игроками на рынке профессиональных металлических 3D-принтеров промышленного класса являются:
Ведущие поставщики оборудования для SLM
| Компания | Подробности |
|---|---|
| EOS | Основанная технология SLM, широкий выбор материалов, таких как титан EOS Ti64, широкое применение в аэрокосмической отрасли |
| 3D Systems | Широкая линейка продукции - от настольных до промышленных принтеров |
| GE Additive | Ведущий американский поставщик, струйные и лазерные варианты порошкового напыления |
| Renishaw | Высокоточная оптика для микроприложений, обширные испытания материалов |
| Решения SLM | Надежные машины с автоматизированной обработкой порошка |
| Трампф | Надежное немецкое инженерное наследие в сочетании с лазерами |
| Velo3D | Новый подход без поддержки позволяет создавать новые геометрии |
Хотя первоначальная стоимость оборудования для промышленной SLM-машины составляет от $150 000 до более $1 миллиона, выбор подходящей системы с учетом имеющегося пространства, потребностей в материалах, требований к точности и бюджетных соображений является ключевым. Ведущие производители предлагают различные размеры сборки, многолазерные конфигурации для повышения скорости, специализированные параметры для обеспечения качества и повторяемости при работе с различными сплавами, уровни автоматизации программного обеспечения и многое другое.
Свойства материалов SLM
Детали, напечатанные на станках SLM, обладают уникальными свойствами по сравнению с традиционными методами литья и механической обработки благодаря многослойному производству и быстрому затвердеванию.
Сравнение механических свойств - SLM и традиционное производство
| Недвижимость | SLM Additive Mfg | Традиционное производство |
|---|---|---|
| Плотность | Почти 100% плотный | 99% из литого/кованого металла |
| Отделка поверхности | Видимые линии слоев, Ra 6-14 мкм | Более гладкая поверхность |
| Прочность на разрыв | Обычно 10-20% выше | Низкая прочность |
| Удлинение при разрыве | Уменьшается на 5-15% | Повышенное удлинение |
| Твердость | Улучшение до 2 раз для некоторых сплавов | Низкая твердость |
Высокая скорость охлаждения в процессе SLM, превышающая 106 °C/с, создает более тонкие микроструктуры с метастабильными фазами. Это обеспечивает максимальную плотность при консолидации порошка, а также превосходные механические свойства, такие как повышенный предел текучести и растяжения. Удлинение обычно ниже для деталей, изготовленных методом SLM, поскольку высокая твердость и наличие внутренних напряжений ограничивают пластичность.
Правильная термообработка и горячее изостатическое прессование (HIP) позволяют снять внутренние напряжения и еще больше оптимизировать физические свойства, улучшив их согласованность. В целом SLM позволяет достичь плотности более 99,5% и получить функциональные металлические детали, практически идентичные традиционному производству.
SLM по сравнению с другими видами 3D-печати
Сравнение SLM с другими методами аддитивного производства
| SLM | Струйная обработка вяжущего | FDM | SLA | |
|---|---|---|---|---|
| Материалы | Металлы | Металлы, песчаные формы | Пластмассы | Смолы |
| Необработанные входы | Порошковая кровать | Порошковая кровать | Пленка на катушке | Чан с жидкой смолой |
| Процесс | Лазерная плавка порошка | Порошок для связующего клея | Нагрев и экструзия нити | Лазерное отверждение слоев смолы |
| Ключевое свойство | Высокая плотность | Недорогие металлические формы | Термопласты | Гладкая поверхность |
| Сильные стороны | Сложные металлические детали | Стержни/формы для быстрого литья в песчаные формы | Функциональные прототипы | Гладкая поверхность |
| Слабые стороны | Низкая скорость | Хрупкая низкая плотность | Слабая механика | Ограниченный выбор материалов |
SLM отличается от других методов наплавки порошкового слоя, таких как электронно-лучевое плавление (EBM), более высокой скоростью сканирования, что позволяет создавать детали с меньшими остаточными напряжениями и более высоким разрешением. SLM позволяет получать полностью плотные функциональные металлические детали, в то время как струйная 3D-печать со связующим обеспечивает скорость, но предъявляет больше требований к постобработке. Системы FDM и SLA значительно отстают от оборудования SLM и EBM по доступной прочности материалов.
Технические характеристики SLM
3D-принтеры, использующие технологию селективного лазерного плавления, имеют несколько ключевых параметров, определяющих материалы, точность и размеры деталей, которые могут быть изготовлены.
Основные технические характеристики SLM-машины
| Параметр | Типовой диапазон | Описание |
|---|---|---|
| Мощность лазера | 200-500W | Более высокая мощность повышает скорость сборки, но снижает разрешение мелких деталей |
| Толщина слоя | 20-100 мкм | Более тонкие слои улучшают детализацию, но увеличивают время сборки |
| Размер балки | 50-80 мкм | Размер пятна фокусировки влияет на проработку деталей и управление бассейном расплава |
| Строительный объем | Кубы 100-500 мм | Максимальные размеры деталей, которые может изготовить система |
| Инертный газ | Азот или аргон | Защищает от окисления; аргон позволяет улучшить свойства материала |
| Скорость сканирования | До 10 м/с | Ускоренное сканирование увеличивает время изготовления деталей |
Эти основные параметры станка, а также такие факторы, как встроенный нагрев для предварительного нагрева порошка и контроль скорости охлаждения, позволяют настраивать механические характеристики. Среда камеры с инертным газом также предотвращает окисление, в то время как лазеры пересекают слой металлического порошка тысячи раз за время сборки детали.
Точность и чистота поверхности
Точность размеров и шероховатость поверхности деталей, напечатанных методом SLM, находятся в относительно широких диапазонах в зависимости от выбранных параметров, сложности геометрии, постобработки и техники оператора.
Точность и чистота поверхности при SLM
| Метрика | Диапазон | Описание |
|---|---|---|
| Точность размеров | ± 0,1-0,3% с типичным значением ±50 мкм | Измерение разницы между CAD и изготовленной деталью |
| Минимальная толщина стенки | 0,3-0,5 мм | Самые тонкие элементы, которые можно напечатать |
| Шероховатость поверхности (Ra) | 6-14 мкм | Более высокая шероховатость по сравнению с обработанными деталями |
| Пористость | Плотность <1% | Почти полностью плотные детали при оптимальных параметрах |
| Остаточные напряжения | 50-500 МПа | Должны быть облегчены термической обработкой |
Правильная ориентация, опорные конструкции, предварительный нагрев пластин, оптимизированные стратегии сканирования и последующие этапы обработки, такие как обработка с ЧПУ и полировка, могут улучшить качество обработки. Точность размеров также во многом зависит от правильно откалиброванного оборудования.
Требования к постобработке
После того как система SLM завершает изготовление детали, обычно требуется дополнительная постобработка перед вводом деталей в эксплуатацию. Эти этапы могут включать в себя:
- Извлечение деталей из порошкового пирога
- Ликвидация вспомогательных структур
- Термообработка для снятия напряжения
- Горячее изостатическое прессование (ГИП)
- Шлифование поверхностей, пескоструйная обработка, дробеструйная обработка, полировка
- Неразрушающий контроль
Постобработка направлена на уменьшение шероховатости поверхности, снятие остаточных напряжений, закрытие микропористости, улучшение точности размеров и эстетики.
Конкретные процедуры определяются типом материала, целью производства (прототип или функциональная деталь), требованиями к производительности и необходимыми критическими допусками.
Анализ затрат
Определение окупаемости инвестиций в приобретение и эксплуатацию собственных аддитивных производственных мощностей SLM зависит от многих переменных.
Расходы на УУЗР
| Фактор стоимости | Описание |
|---|---|
| Машинное оборудование | $150k - $1M+ в зависимости от объема сборки, многолазерных опций, дополнительных возможностей, таких как автоматическая обработка и восстановление порошка |
| Требования к помещению | Система подачи инертного газа, фильтры для удаления воздуха, взрывозащищенное исполнение, контроль температуры/влажности |
| Установка и обучение | Обычно 2 недели уходит на настройку, калибровку, обучение работе с программным обеспечением |
| Труд | Работа на станке менее интенсивна, чем при обработке с ЧПУ, но операторы все равно нужны; рекомендуется специалист по CAM |
| Материалы | $100-500 за кг порошка; перерабатываемость варьируется; оптимизированные параметры для каждого сплава |
| Постобработка | Трудозатраты, оснастка, термообработка, обработка поверхностей на условиях аутсорсинга |
| Программное обеспечение | Диапазон $10k-$25k для предварительной обработки, моделирования, приложений удаленного мониторинга |
| Итерации НИОКР | Проверка параметров новых деталей с использованием процесса Agile, необходимого для квалификации |
| Объем заказа | Идеальное решение для малых/средних партий по сравнению с большими объемами литья/формовки |
Взвесьте общие эксплуатационные расходы с такими факторами стоимости, как:
- Свобода дизайна для снижения веса, персонализации, консолидации деталей
- Сокращение времени выполнения заказа с нескольких месяцев до нескольких дней/часов
- Упрощение цепочки поставок с помощью производства по требованию
- Улучшение эксплуатационных характеристик, например, повышение прочности и твердости
- Устойчивое производство с минимальным количеством отходов по сравнению с субтрактивными методами
- Увеличение срока службы дорогостоящих деталей, таких как аэрокосмические и медицинские.
Количественная оценка производительности и инновационных преимуществ имеет решающее значение. С опытом общая стоимость одной детали, произведенной с помощью SLM, может сравняться с обработкой на станках с ЧПУ при небольших объемах производства.
Отраслевые стандарты
Поскольку технология является относительно новой, все еще ведутся работы по внедрению общепромышленных спецификаций, кодов и стандартов для аддитивного производства с использованием SLM.
Ландшафт стандартизации SLM
| Орган по стандартизации | Область применения | Особые стандарты |
|---|---|---|
| ASTM F42 | Процессы аддитивного производства | Методы испытаний, терминология, параметры процесса, окружающая среда, материалы, здоровье и безопасность |
| Америка делает | Стандарты аддитивного производства | Дорожная карта для стандартов AM, охватывающая материалы, процессы, форматы данных для оборонной, авиационной, космической и морской промышленности |
| ISO TC 261 | Стандарты AM | 17 опубликованы, 46 находятся в разработке, охватывая терминологию, процессы, рабочие процессы, QA, окружающую среду, безопасность |
| ASME | Оценка соответствия | Программа для квалификации деталей AM; сертификация процессов AM на соответствие нормам и правилам |
Сертификация по этим стандартам обеспечивает повторяемость и надежность при поставке деталей AM по всей цепочке поставок. Соответствие стандартам также открывает возможности для более широкого внедрения в регулируемых секторах, таких как аэрокосмическая промышленность и медицинское оборудование.
Тематические исследования
Множество компаний используют свободу проектирования и быстрые сроки изготовления SLM для создания более легких и прочных компонентов в самых разных отраслях - от аэрокосмических ракет до автомобилей Формулы 1.
Примеры применения аддитивного производства SLM
| Промышленность | Компания | Часть | Преимущества |
|---|---|---|---|
| Аэрокосмическая промышленность | SpaceX | Камера двигателя SuperDraco | 75% Сокращение затрат за несколько дней против нескольких месяцев |
| Авиация | Боинг | Кронштейны 777X | Консолидированные узлы, облегченный вес 60% |
| Автомобильная промышленность | Bugatti | Тормозной суппорт | Снижение массы на 40%, оптимизация потока жидкости |
| Медицина | Zimmer Biomet | Спинальные имплантаты | Индивидуальные формы, соответствующие анатомии, остеокондуктивные структуры, способствующие врастанию кости |
Эти приложения демонстрируют, что детали, изготовленные с применением технологии SLM, превосходят традиционные производственные ограничения. По мере того как все больше компаний внедряют технологии AM, инновационные возможности продолжают расширяться.
Аддитивное производство с использованием SLM - Вопросы и ответы
Часто задаваемые вопросы по SLM
| Вопрос | Отвечать |
|---|---|
| Как работает SLM-печать? | SLM создает детали слой за слоем из металлического порошка, используя лазерный луч для выборочного расплавления и сплавления материала на основе данных CAD. |
| Какие материалы имеются в наличии? | Наиболее популярны нержавеющая сталь 316L и 17-4, титановый сплав Ti64, кобальтовый хром, алюминий AlSi10Mg, инструментальная сталь, никелевые суперсплавы |
| Каковы основные преимущества перед механической обработкой? | Свобода проектирования для создания легких конструкций, персонализации, консолидации деталей; ускорение сроков изготовления; сокращение отходов; улучшение механических свойств |
| Что определяет качество поверхности? | Разрешение слоя, параметры сборки, ориентация, этапы постобработки, например, дробеструйная обработка. |
| Какой точности может достичь SLM? | Точность размеров ±0,1-0,3% типична для большинства применений, при минимальной толщине стенок около 0,3-0,5 мм. |
| Требует ли процесс SLM поддержки? | Для значительных выступов требуются опорные конструкции в зависимости от ориентации и геометрии |
| Какая постобработка требуется? | Этапы могут включать в себя удаление опор, снятие напряжения, горячее изостатическое прессование, обработку поверхности, например, шлифовку или полировку. |
| Для каких применений подходит SLM? | Быстрые прототипы, нестандартная оснастка, например, зажимные приспособления, и прямые металлические детали для конечного использования в аэрокосмической, медицинской, стоматологической и автомобильной промышленности. |
| Как качество сравнивается с традиционным производством? | При оптимизированных параметрах плотные SLM-детали >99% соответствуют механическим свойствам и сроку службы или превосходят их. |
| Как следует адаптировать дизайн для УУЗР? | Конформные каналы, решетки, оптимизация топологии - все это уникально подходит для АМ. Руководства помогают адаптировать детали. |
В этом FAQ собраны ответы на основные вопросы о селективном лазерном плавлении в аддитивном производстве. SLM позволяет достичь новых показателей производительности благодаря полной свободе проектирования.
Будущее SLM
Внедрение SLM продолжает ускоряться по мере того, как все больше отраслей расширяют границы аддитивного производства. Достижения в области оборудования, программного обеспечения, материалов и процессов качества будут способствовать расширению сфер применения.
Ожидается, что ведущие производители принтеров предложат более широкий выбор специализированных станков для обработки различных сплавов и параметров обработки. Для интегрированного производства также появляются гибридные системы, включающие дополнительные процессы, такие как фрезерование, сверление, контроль. Автоматизированное удаление и восстановление порошка позволит снизить затраты.
Мониторинг в режиме реального времени позволит еще более жестко контролировать процесс и обеспечивать качество по замкнутому циклу. Алгоритмы машинного обучения могут оптимизировать работу здания. По мере укрепления стандартов на основе лучших практик пользователи также получат больше предсказуемости.
