Главная Блог

Лазер для селективного лазерного плавления. Технология селективного лазерного плавления (SLM). Высокопрочные термопласты PEEK

13.09.2023

В этом обзоре я попытался в популярной форме привести основные сведения о производстве металлических изделий методом лазерного аддитивного производства – сравнительно новом и интересном технологическом методе, возникшем в конце 80-х и ставшем в наши дни перспективной технологией для мелкосерийного или единичного производства в области медицины, самолето- и ракетостроения.

Кратко описать принцип работы установки для аддитивного производства с помощью лазерного излучения можно следующим образом. Устройство для нанесения и выравнивания слоя порошка снимает слой порошка с питателя и равномерным слоем распределяет его по поверхности подложки. После чего лазерный луч сканирует поверхность данного слоя порошка и путем оплавления или спекания формирует изделие. По окончанию сканирования порошкового слоя платформа с изготавливаемым изделием опускается на толщину наносимого слоя, а платформа с порошком поднимается, и процесс нанесения слоя порошка и сканирования повторяется. После завершения процесса платформа с изделием поднимается и очищается от неиспользованного порошка.

Одной из основных частей в установках аддитивного производства является лазерная система, в которой используются CO 2 , Nd:YAG, иттербий волоконный или дисковый лазеры. Установлено, что использование лазеров с длиной волны 1-1,1 мкм для нагрева металлов и карбидов предпочтительнее, поскольку они на 25-65% лучше поглощают генерируемое лазером излучение. В тоже время, использование CO 2 лазера с длиной волны 10,64 мкм наиболее лучше подходит для таких материалов, как полимеры и оксидная керамика. Более высокая абсорбционная способность позволяет увеличить глубину проплавления и в более широких пределах варьировать параметрами процесса. Обычно лазеры, используемые в аддитивном производстве, работают в непрерывном режиме. По сравнению с ними применение лазеров работающих в импульсном режиме и в модулированной добротности за счет их большой энергии импульса и короткой продолжительности импульса (наносекунды) даёт возможность улучшить прочность связи между слоями и уменьшить зону термического воздействия. В заключение можно отметить, что характеристики используемых лазерных систем лежат в таких пределах: мощность лазера – 50-500 Вт, скорость сканирования до 2 м/с, скорость позиционирования до 7 м/с, диаметр фокусированного пятна – 35-400 мкм.

Помимо лазера как источник нагрева порошка может быть использован электронно-лучевой нагрев. Этот вариант фирма Arcam предложила и реализовала в своих установках в 1997 г. Установка с электронно-лучевой пушкой характеризуется отсутствием подвижных частей, так как электронный луч фокусируется и направляется с помощью магнитного поля и дефлекторов, а создание в камере вакуума положительно сказывается на качестве изделий.

Одним из важных условий при аддитивном производстве является создание защитной среды предотвращающей окисление порошка. Для выполнения этого условия используют аргон или азот. Однако применение азота как защитного газа ограничено, что связанно с возможностью образования нитридов (например, AlN, TiN при изготовлении изделий из алюминиевых и титановых сплавов), которые приводят к понижению пластичности материала.

Методы лазерного аддитивного производства по особенностям процесса уплотнения материала можно разделить на селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering (SLS)), непрямое лазерное спекание металлов (Indirect Metal Laser Sintering (IMLS)), прямое лазерное спекание металлов (Direct Metal Laser Sintering (DMLS)) и селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting (SLM)). В первом варианте уплотнение слоя порошка происходит за счет твердофазного спекания. Во втором – за счет пропитки связкой пористого каркаса ранее сформированного лазерным излучением. В основе прямого лазерного спекания металлов лежит уплотнение по механизму жидкофазного спекания за счет плавления легкоплавкого компонента в порошковой смеси. В последнем варианте уплотнение происходит за счет полного плавления и растекания расплава. Стоит отметить, что эта классификация не является универсальной, поскольку в одном типе процесса аддитивного производства могут проявляться механизмы уплотнения, которые характерны для других процессов. Например, при DMLS и SLM может наблюдаться твердофазное спекание, которое имеет место при SLS, тогда как при SLM может происходить жидкофазное спекание, которое более характерно для DMLS.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Твердофазное селективное лазерное спекание не получило широкого распространения, поскольку для более полного протекания объемной и поверхностной диффузии, вязкого течения и других процессов, имеющих место при спекании порошка, требуется относительно длительная выдержка под лазерным излучением. Это приводит к длительной работе лазера и малой производительности процесса, что делает этот процесс экономически не целесообразным. Помимо этого, возникают сложности с поддержанием температуры процесса в интервале между точкой плавления и температурой твердофазного спекания. Преимуществом твердофазного селективного лазерного спекания является возможность использования более широкого круга материалов для изготовления изделий.

Непрямое лазерное спекание металлов (IMLS)

Процесс, получивший название «непрямое лазерное спекание металлов» был разработан компанией DTMcorp of Austin в 1995 г., которая с 2001 г. принадлежит компании 3D Systems. В IMLS процессе используют смесь порошка и полимера или порошок покрытый полимером, где полимер выступает в роли связки и обеспечивает необходимую прочность для проведения дальнейшей термической обработки. На стадии термической обработки проводится отгонка полимера, спекание каркаса и пропитка пористого каркаса металлом-связкой, в результате которой получается готовое изделие.

Для IMLS можно использовать порошки, как металлов, так и керамики или их смесей. Приготовление смеси порошка с полимером проводят механическим смешиванием, при этом содержание полимера составляет около 2-3% (по массе), а в случае использования порошка покрытым полимером, толщина слоя на поверхности частицы составляет около 5 мкм. В качестве связки используют эпоксидные смолы, жидкое стекло, полиамиды и другие полимеры. Температура отгонки полимера определяется температурой его плавления и разложения и в среднем составляет 400-650 o С. После отгонки полимера пористость изделия перед пропиткой составляет около 40%. При пропитке печь нагревают на 100-200 0 С выше точки плавления пропитывающего материала, поскольку с повышением температуры уменьшается краевой угол смачивания и понижается вязкость расплава, что благоприятно влияет на процесс пропитки. Обычно пропитку будущих изделий проводят в засыпке из оксида алюминия, которая играет роль поддерживающего каркаса, поскольку в период от отгонки полимера до образования прочных межчастичных контактов существует опасность разрушения или деформации изделия. Защиту от окисления организуют с помощью создания в печи инертной или восстановительной сред. Для пропитки можно использовать довольно разнообразные металлы и сплавы, которые удовлетворяют следующим условиям. Материал для пропитки должен характеризоваться полным отсутствием или незначительным межфазным взаимодействием, малым краевым углом смачивания и иметь температуру плавления ниже, чем у основы. Например, в случае если компоненты взаимодействую между собой, то в процессе пропитки могут происходить нежелательные процессы, такие как образование более тугоплавких соединений или твердых растворов, что может привести к остановке процесса пропитки или негативно сказаться на свойствах и размерах изделия. Обычно для пропитки металлического каркаса используют бронзу, при этом усадка изделия составляет 2-5%.

Одним из недостатков IMLS является отсутствие возможности регулировать в широких пределах содержание тугоплавкой фазы (материала основы). Поскольку её процентное содержание в готовом изделии определяется насыпной плотностью порошка, которая в зависимости от характеристик порошка может быть в три и более раза меньше теоретической плотности материала порошка.

Материалы и их свойства, используемые для IMLS

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Процесс прямого лазерного спекания металлов подобен IMLS, однако отличается тем, что вместо полимера используются сплавы или соединения с низкой температурой плавления, а также отсутствует такая технологическая операция, как пропитка. В основе создания концепции DMLS стояла немецкая компания EOS GmbH, которая в 1995 году создала коммерческую установку для прямого лазерного спекания порошковой системы сталь-никелевая бронза. Получение различных изделий методом DMLS основано на затекании образовавшегося расплава-связки в пустоты между частицами под действием капиллярных сил. При этом для успешного выполнения процесса в порошковую смесь добавляют соединения с фосфором, которые снижают поверхностное натяжение, вязкость и степень окисления расплава, тем самым улучшая смачиваемость. Порошок, используемый в качестве связки, обычно имеет меньший размер, чем порошок основы, поскольку это позволяет увеличить насыпную плотность порошковой смеси и ускорить процесс образования расплава.

Материалы и их свойства, используемые для DMLS компанией EOS GmbH

Селективное лазерное плавление (SLM)

Дальнейшее усовершенствование установок для аддитивного производства связано с появлением возможности использования более мощного лазера, меньшего диаметра фокусировочного пятна и нанесения более тонкого слоя порошка, что позволило использовать SLM для изготовления изделий из различных металлов и сплавов. Обычно полученные этим методом изделия имеют пористость 0-3%.
Как и в выше рассмотренных методах (IMLS, DMLS), большую роль в процессе изготовления изделий играет смачиваемость, поверхностное натяжение и вязкость расплава. Одним из факторов сдерживающим использование различных металлов и сплавов для SLM является эффект «образования шариков» или сфероидизация, который проявляется в виде формирования лежащих отдельно друг от друга капель, а не сплошной дорожки расплава. Причиной этого является поверхностное натяжение под действием, которого расплав стремится уменьшить свободную поверхностную энергию путем образования формы с минимальной площадью поверхности, т.е. шара. При этом в полоске расплава наблюдается эффект Марангони, который проявляется в виде конвективных потоков из-за градиента поверхностного натяжения как функции от температуры, и если конвективные потоки достаточно сильные, то полоска расплава разделяется на отдельные капли. Также капля расплава под действием поверхностного натяжения затягивает в себя близлежащие частицы порошка, что приводит к образованию ямки вокруг капли и, в конечном счете, к увеличению пористости.


Сфероидизация стали M3/2 при неоптимальных режимах SLM

Эффекту сфероидизации также способствует наличие кислорода, который растворяясь в металле, повышает вязкость расплава, что приводит к ухудшению растекания и смачиваемости расплавом ниже лежащего слоя. По выше перечисленным причинам не удается получить изделия из таких металлов как олово, медь, цинк, свинец.

Стоит отметить, что формирование качественной полоски расплава связано с поиском оптимальной области параметров процесса (мощности лазерного излучения и скорости сканирования), которая обычно достаточно узкая.


Влияние параметров SLM золота на качество формируемых слоев

Еще одним фактором, влияющим на качество изделий, является появление внутренних напряжений, наличие и величина которых зависит от геометрии изделия, скорости нагрева и охлаждения, коэффициента термического расширения, фазовых и структурных изменений в металле. Значительные внутренние напряжения могут приводить к деформации изделий, образованию микро- и макротрещин.

Частично уменьшить негативное влияние выше упомянутых факторов можно путем использования нагревательных элементов, которые обычно располагаются внутри установки вокруг подложки или питателя с порошком. Нагрев порошка также позволяет удалить адсорбированную влагу с поверхности частиц и тем самым уменьшить степень окисления.

При селективном лазерном плавлении таких металлов как алюминий, медь, золото не маловажным вопросом является их большая отражательная способность, что обуславливает необходимость использования мощной лазерной системы. Но повышение мощности лазерного луча может негативно сказаться на точности размеров изделия, поскольку при чрезмерном нагреве порошок будет плавиться и спекаться за пределами лазерного пятна за счет теплообмена. Большая мощность лазера также может привести к изменению химического состава в результате испарения металла, что особенного характерно для сплавов содержащих легкоплавкие компоненты и имеющих большую упругость паров.

Механические свойства материалов полученных методом SLM (компания EOS GmbH)

Если изделие, полученное одним из выше рассмотренных методов, имеет остаточную пористость, то в случае необходимости применяют дополнительные технологические операции для повышения его плотности. Для этой цели используют методы порошковой металлургии – спекание или горячее изостатическое прессование (ГИП). Спекание позволяет устранить остаточную пористость и повысить физико-механические свойства материала. При этом следует подчеркнуть, что формируемые свойства материала в процессе спекания определяются составом и природой материала, размером и количеством пор, наличием дефектов и другими многочисленными факторами. ГИП представляет собой процесс, в котором заготовка, помещенная в газостат, уплотняется под действием высокой температуры и всестороннего сжатия инертным газом. Рабочее давление и максимальная температура, достигаемая газостатом, зависит от его конструкции и объёма. Например, газостат, имеющий размеры рабочей камеры 900х1800 мм, способен развить температуру 1500 o С и давление 200 МПа. Использование ГИП для устранения пористости без применения герметичной оболочки возможно, если пористость составляет не более 8%, поскольку при большем её значении газ через поры будет попадать внутрь изделия, препятствуя тем самым уплотнению. Исключить проникновение внутрь изделия газа можно путём изготовления стальной герметичной оболочки повторяющую форму поверхности изделия. Однако изделия, получаемые аддитивным производством, в основном имеют сложную форму, что делает невозможным изготовление такой оболочки. В таком случае для уплотнения можно использовать вакуумированный герметичный контейнер, в котором изделие помещено в сыпучую среду (Al 2 O 3 , BN гекс, графит), передающей давление на стенки изделия.

После аддитивного производства методом SLM материалы характеризуются анизотропией свойств, повышенной прочностью и пониженной пластичностью из-за наличия остаточных напряжений. Для снятия остаточных напряжений, получения более равновесной структуры, повышения вязкости и пластичности материала проводят отжиг.

Согласно ниже приведенным данным, можно отметить, что изделия, полученные селективным лазерным плавлением, в некоторых случаях прочнее литых на 2-12%. Это можно объяснить малым размером зерен и микроструктурных составляющих, которые образуются в результате быстрого охлаждения расплава. Быстрое переохлаждение расплава значительно увеличивает число зародышей твердой фазы и уменьшает их критический размер. При этом быстро растущие на зародышах кристаллы, соприкасаясь друг с другом, начинают препятствовать своему дальнейшему росту, тем самым формируя мелкозернистую структуру. Зародышами кристаллизации обычно являются неметаллические включения, пузырьки газов или выделившиеся из расплава частицы при их ограниченной растворимости в жидкой фазе. И в общем случае, согласно соотношению Холла-Петча, с уменьшением размера зерна увеличивается прочность металла благодаря развитой сети границ зерен, которая является эффективным барьером для движения дислокаций. Следует отметить, что в силу различного химического состава сплавов и их свойств, условий проведения SLM, выше упомянутые явления, имеющие место при остывании расплава, проявляются с различной интенсивностью.

Механические свойства материалов, полученных SLM и литьем

Конечно, это не значит, что изделия, полученные селективным лазерным плавлением лучше изделий полученных традиционными способами. Благодаря большой гибкости традиционных способов получения изделий можно в широких пределах варьировать свойствами изделия. Например, используя такие методы как изменение температурных условий кристаллизации, легирование и введение в расплав модификаторов, термоциклирование, порошковой металлургии, термомеханическая обработка и др., можно добиться значительного повышения прочностных свойств металлов и сплавов.

Особый интерес представляет использование углеродистой стали для аддитивного производства, как дешевого и обладающего высоким комплексом механических свойств материала. Известно, что с повышением содержания углерода в стали улучшается её жидкотекучесть и смачиваемость. Благодаря этому возможно получение простых изделий содержащих 0,6-1% C с плотностью 94-99%, при этом в случае использования чистого железа плотность составляет около 83%. В процессе селективного лазерного плавления углеродистой стали дорожка расплава при быстром охлаждении подвергается закалке и отпуску на структуру троостита или сорбита. При этом, из-за термических напряжений и структурных превращений, в металле могут возникать значительные напряжения, которые приводят к поводке изделия или к образованию трещин. Также важное значение имеет геометрия изделия, поскольку резкие переходы по сечению, малые радиусы закругления и острые кромки являются причиной образования трещин. Если после «печати» сталь не обладает заданным уровнем механических свойств и её необходимо подвергнуть дополнительной термообработке, то при этом необходимо будет считаться с ранее отмеченными ограничениями по форме изделия, чтобы избежать появления дефектов закалки. Это в некоторой степени снижает перспективность использования SLM для углеродистых сталей.
При получении изделий традиционными способами одним из путей избежать трещин и поводки при закалке изделий сложной формы является использование легированных сталей, в которых присутствующие легирующие элементы помимо повышения механических и физико-химических свойств, задерживают превращение аустенита при охлаждении, в результате чего уменьшается критическая скорость закалки и увеличивается прокаливаемость легированной стали. Благодаря малой критической скорости закалки, сталь можно калить в масле или на воздухе, что снижает уровень внутренних напряжений. Однако по причине быстрого отвода тепла, невозможности регулирования скорости охлаждения и наличия углерода в легированной стали этот прием не позволяет избежать появления значительных внутренних напряжений при селективном лазерном плавлении.

В связи с выше отмеченными особенностями, для SLM используются мартенситно-страющие стали (MS 1, GP 1, PH 1), в которых упрочнение и повышение твердости достигается за счет выделения дисперсных интерметаллидных фаз при термообработке. Эти стали содержат малое количество углерода (сотые проценты), в результате чего образовавшаяся при быстром охлаждении решетка мартенсита характеризуется малой степенью искаженности и следственно имеет низкую твердость. Малая твердость и высокая пластичность мартенсита обеспечивает релаксацию внутренних напряжений при закалке, а высокое содержание легирующих элементов позволяет прокаливать сталь на большую глубину почти при любых скоростях охлаждения. Благодаря этому с помощью SLM можно изготавливать и подвергать термообработке сложные изделия без опасения образования трещин или коробления. Кроме мартенситно-стареющих сталей могут использоваться некоторые аустенитные нержавеющие стали, например, 316L.

В заключение можно отметить, что сейчас усилия ученых и инженеров направлены на более детальное изучение влияния параметров процесса на структуру, механизм и особенности уплотнения различных материалов под действием лазерного излучения с целью улучшения механических свойств и увеличения номенклатуры материалов пригодных для лазерного аддитивного производства.

Лидер в области разработки новейших технологий 3D-печати металлами, выполнила проект по изготовлению титанового изделия для авиакосмической отрасли размером 31 x 22,2 и диаметром 21,9 см.

На сегодняшний день это самая крупная деталь, изготовленная на аддитивной установке SLM 280 с двумя 400-ваттными лазерами. Именно эта машина позволила напечатать изделие такого размера в относительно короткий срок по сравнению с традиционной технологией изготовления.

Стандартный размер платформы построения в 3D-принтерах этого класса составляет 250 мм х 250 мм. Однако SLM 280 имеет увеличенную платформу размером 280 мм х 280 мм, что дает возможность печатать изделия большего размера.

Благодаря разработкам в области 3D-печати металлами по технологии селективного лазерного плавления (в том числе титаном) для нужд авиакосмической промышленности, учитывая высокую прочность и малый вес данного металла, SLM Solutions стала одной из ведущих компаний, выполняющих заказы для производителей комплектного оборудования. SLM Solutions сумела преодолеть ограничения, связанные с размером камеры построения, и другие сложности, возникающие при изготовлении крупных изделий из титана, и продолжает совершенствовать свои технологии в этой области.

Процесс 3D-печати из титанового порошка

Как объясняет Майк Хансен, инженер по внедрению североамериканского подразделения SLM Solutions, успехи в области 3D-печати титаном особенно важны: титан – металл очень твердый и подверженный растрескиванию из-за высоких остаточных напряжений, что стало серьезной проблемой. «Геометрия детали была не особенно сложной, однако трудность заключалась в том, чтобы с использованием аддитивной технологии изготовить из титана столь крупное изделие», – отметил инженер.

Эту задачу помогла решить разработанная и запатентованная SLM Solutions система, состоящая из двух лазеров. Обработка изделия в зоне перекрытия одновременно двумя лазерами позволила не только ускорить процесс печати, но и изготовить изделие большего размера. SLM Solutions провела испытания материала в зоне перекрытия, которые подтвердили отсутствие какой-либо разницы в качестве материала между участками, напечатанными одним лазером, и участками в зоне перекрытия, на которую два лазера воздействовали попеременно. Инженеры SLM Solutions выполнили несколько итераций, чтобы подготовить файл и напечатать несколько пробных образцов с целью убедиться, что задача будет выполнена. Клиенту нужен был способ производства данного изделия, обеспечивающий экономию затрат и времени, а также снижение веса .

«Это изделие примечательно своими размерами и тем фактом, что оно было изготовлено из титана за шесть с половиной дней без перерывов в процессе печати, – говорит Хансен. – То, что 3D-принтер SLM способен работать в течение столь длительного времени, не требуя чистки или иного обслуживания, само по себе чрезвычайно важно».

Хотя обычно технология 3D-печати привлекает к себе внимание своей способностью воспроизводить уникальную геометрию, данное изделие для авиакосмической отрасли не было особенно сложным с этой точки зрения. Однако получить титановую деталь такого размера за столь короткое время едва ли было бы возможно с использованием традиционной технологии механической обработки.

Процесс изготовления средствами традиционной механической обработки занял бы несколько недель
«Технология аддитивного производства не связана ограничениями традиционных станков и инструментов, поэтому мы можем создавать более органичные формы, а весь цикл проектирования и разработки критически важных изделий для авиакосмической промышленности значительно сокращается», – пояснил Хансен.

Ричард Гриллс, доктор наук в области металлургии, руководитель отдела внедрения и технический директор SLM Solutions в Северной Америке, дал следующий комментарий: «Учитывая размеры изделия, процесс изготовления средствами традиционной механической обработки занял бы несколько недель; при этом потребовалось бы четыре или пять переналадок. Иными словами, это было бы очень дорогостоящим процессом. На изготовление изделия по технологии литья ушло бы еще больше времени, поскольку потребовалась бы оснастка, а процесс ее изготовления может занять до шести месяцев. Кроме того, традиционная оснастка имеет высокую стоимость. Мы выполнили задачу намного быстрее, хотя стоимость изделия оказалась выше. Тем не менее, учитывая сэкономленное время, такие затраты оправданы для критически важного изделия такого размера».

Лопатка турбины, напечатанная на аддитивной установке SLM 280HL

SLM Solutions добилась впечатляющих результатов с точки зрения скорости изготовления, качества и плотности конечного изделия. Хансен отметил, что «выполнение строгих требований к качеству и технических условий на материалы при использовании титана в жестко регулируемых отраслях, таких как авиакосмическая и автомобильная промышленность, требует многочисленных испытаний материалов и оптимизации параметров, чтобы убедиться, что заказчик получит именно то, что ему нужно».

Требования к контролю качества в авиакосмической отрасли довольно обширны: для проверки изделия на пустоты или пористость, как правило, применяется такой метод неразрушающего контроля, как компьютерная томография, однако клиент может выбрать разрушающий контроль и разрезать изделие. «Мы сперва провели неразрушающий контроль изделия, а затем испытания в условиях, приближенных к реальным, установив изделие на двигатель и выработав ресурс до разрушения», – говорит Хансен.

По мере развития технологий аддитивного производства компания SLM Solutions наблюдает все больший спрос на свои решения. Однако материалы и процессы изготовления совершенствуются настолько быстро, что стандарты не успевают за ними. «К нам все чаще обращаются компании, которые применяют традиционные технологии, но стремятся к увеличению скорости производства при сохранении качества и хотят воспользоваться преимуществами аддитивного производства, – добавил Хансен. - Эта отрасль меняется буквально каждый день и развивается очень быстро, однако мы наблюдаем разрыв между темпами развития технологий аддитивного производства и способностью некоторых отраслей, в частности авиакосмической и автомобильной, столь же быстро сертифицировать новые материалы и технологии».

Размеры изделия: 31 x 22,2 см, диаметр 21,9 см
Материал: Ti64
Продолжительность печати: 6,5 дней
Аддитивная установка: SLM 280 с двумя лазерами по 400 Вт

SLM (Selective Laser Melting) – селективное (выборочное) лазерное плавление – новаторская технология изготовления сложных по форме и структуре изделий из металлических порошков по математическим CAD-моделям. Этот процесс заключается в последовательном послойном расплавлении порошкового материала посредством мощного лазерного излучения. SLM открывает перед современными производствами широчайшие возможности, так как позволяет создавать металлические изделия высокой точности и плотности, оптимизировать конструкцию и снизить вес производимых деталей.

Селективное лазерное плавление – одна из технологий 3D-печати металлом , которые способны с успехом дополнять классические производственные процессы. Оно дает возможность изготавливать объекты, превосходящие по физико-механическим свойствам продукты стандартных технологий. С помощью SLM-технологии можно создать уникальные сложнопрофильные изделия без использования мехобработки и дорогой оснастки, в частности, благодаря возможности управлять свойствами изделий.

SLM-машины призваны решать сложные задачи на , энергетических, нефтегазовых, машиностроительных производствах, в металлообработке , медицине и ювелирном деле . Их также используют в научных центрах, конструкторских бюро и учебных заведениях при проведении исследований и экспериментальных работ.

Термин «лазерное спекание», который нередко применяют для описания SLM, является не совсем точным, поскольку подаваемый на 3D-принтер металлический порошок под лучом лазера не спекается, а полностью расплавляется и превращается в однородное сырье.

Примеры применения технологии селективного лазерного плавления

Где используется SLM-технология

Селективное лазерное плавление находит применение в промышленности для изготовления:

  • компонентов разнообразных агрегатов и узлов ;
  • конструкций сложной формы и структуры , включая многоэлементные и неразборные;
  • штампов;
  • прототипов;
  • ювелирных изделий;
  • имплантатов и протезов в стоматологии.


Анализ данных и построение изделия

Прежде всего цифровая 3D-модель детали разделяется на слои, чтобы каждый слой, имеющий толщину 20-100 микрон, был визуализирован в 2D. Специализированное программное обеспечение анализирует данные в STL-файле (отраслевой стандарт) и сопоставляет их со спецификациями 3D-принтера. Следующий этап после обработки полученной информации – построение, которое состоит из большого количества циклов для каждого слоя создаваемого объекта.

Построение слоя включает следующие операции:

  • металлический порошок наносится на плиту построения, которая закреплена на платформе построения;
  • лазерный луч сканирует сечение слоя изделия;
  • платформа опускается в колодец построения на глубину, совпадающую с толщиной слоя.

Построение выполняется в камере SLM-машины , которая заполнена инертным газом (аргоном или азотом). Основной объем газа расходуется на начальном этапе, когда путем продувки из камеры построения удаляется весь воздух. По завершении процесса построения деталь вместе с плитой вынимают из камеры порошкового 3D-принтера , а затем отделяют от плиты, удаляют поддержки и выполняют финальную обработку изделия.

Преимущества технологии селективного лазерного плавления

SLM-технология имеет серьезные перспективы для повышения эффективности производства во многих отраслях промышленности, поскольку:

  • обеспечивает высокую точность и повторяемость;
  • механические характеристики изделий, напечатанных на этом типе 3D-принтера , сравнимы с литьем ;
  • решает сложные технологические задачи, связанные с изготовлением геометрически сложных изделий;
  • сокращает цикл научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, обеспечивая построение сложнопрофильных деталей без использования оснастки;
  • позволяет уменьшить массу за счет построения объектов с внутренними полостями;
  • экономит материал при производстве.

SLM Solutions: интегрированные системные решения в области 3D-печати металлом

Изделия, созданные на установке SLM Solutions

Компания SLM Solutions , чей головной офис располагается в Любеке (Германия), является ведущим разработчиком технологий металлического аддитивного производства. Основное направление деятельности компании – разработка, сборка и продажа оборудования и интегрированных системных решений в области селективного лазерного плавления. iQB Technologies – официальный дистрибутор SLM Solutions в России.

SLM-технология — послойное лазерное плавление металлических порошков — один из методов аддитивного производства изделий, активно набирающий обороты в последние 10 лет. Сегодня она уже достаточно хорошо известна производственникам. Эта технология обладает бездной преимуществ, но, тем не менее, при эксплуатации оборудования на ее основе не перестает поражать новыми возможностями. Лидером в производстве оборудования для данной технологии является немецкая компания SLM Solutions.

С недавнего времени в Украине ее представляет СП «Стан-Комплект».

Технология селективного лазерного спекания (Selective laser melting — SLM) — это мощное производственное решение для предприятий, которым требуется быстрое и качественное изготовление изделий из разнообразных металлов.

SLM-установки сегодня активно используются в самых разных сферах промышленности для производства мастер-моделей, вставок пресс-форм, прототипов деталей, готовых изделий из нержавеющей и инструментальной стали с присутствием кобальта, хрома и никеля, а также из алюминия, титана и т. д.

Компания SLM Solutions, является основоположником SLM-технологии (патенты с 1998 г.) и одним из мировых лидеров производства оборудования на ее основе.

Штаб-квартира компании и производственные мощности находятся в городе Любек (Германия).

SLM-технология

SLM-технология — передовой способ производства металлических изделий посредством послойного лазерного плавления металлического порошка на основе данных трехмерного компьютерного проектирования. Таким образом, существенно сокращается время производства изделия, поскольку исчезает потребность во многих промежуточных операциях. Процесс представляет собой поочередное расплавление тончайших слоев металлического порошка при помощи современных волоконных лазеров, наращивая, таким образом, деталь слой за слоем. С помощью этой технологии создают точные и гомогенные металлические изделия. Благодаря использованию широчайшего перечня качественных порошковых металлов и сплавов технология SLM предлагает беспрецедентные возможности для производства металлических деталей промышленного назначения со значительными преимуществами: сложность формы, минимальная толщина стенок, комбинирование материалов различной плотности, отсутствие последующей обработки, безотходность, экономичность и т. д. Программное обеспечение, поставляемое в комплекте с установками, имеет открытую архитектуру, что также расширяет возможности данного оборудования.

Принцип работы SLM-установок:

  • для предварительной обработки данных в CAD-системе получают поперечные сечения 3D-модели с минимальным шагом;
  • порошок подается из автоматического устройства на подогреваемую рабочую платформу, затем распределяется на плоскости тончайшим слоем в двух направлениях;
  • современные стекловолоконные лазеры расплавляют сегмент каждого слоя в соответствии с конфигурацией поперечного сечения детали в заданных координатах (2D-файла).

При этом каждый последующий слой наплавляется на предыдущий, что обеспечивает однородность структуры изделия.

Эта процедура повторяется до тех пор, пока получаемое изделие не будет точно соответствовать CAD-модели. Нерасплавленный металлический порошок удаляется в специальную камеру, после чего вновь используется.

Преимущества SLM-установок

В линейке оборудования для лазерного спекания компании SLM Solutions используется ряд уникальных, защищенных множеством патентов узлов и технологий:

МУЛЬТИЛАЗЕР — одновременное использование двух и более (до 4-х) лазеров.

Позволяет добиться повышения производительности на 400 % по сравнению с машинами, оснащенными одним лазером;

УНИКАЛЬНАЯ ДВУЛУЧЕВАЯ ТЕХНОЛОГИЯ (Hull-Core ). Использование двух разных лазеров (400 и 1000 Вт) позволяет выполнять спекание еще быстрее и качественнее. Там, где требуется максимальная точность, установка использует более тонкий луч лазера, а для увеличения скорости на простых участках — его мощность и диаметр увеличиваются;

РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОРОШКА СРАЗУ В ДВУХ НАПРАВЛЕНИЯХ. Инновационное решение SLM Solutions позволяет сократить время печати изделия в два раза;

БОЛЬШИЕ РАЗМЕРЫ КАМЕРЫ большие размеры камеры. Установки лазерного спекания предназначены для изготовления деталей размером до 500 × 280 × 365 мм (данные на июль 2016 г.). За одну сессию можно вырастить одно большое изделие или несколько мелких;

ВЫСОКАЯ СКОРОСТЬ И ТОЧНОСТЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ: оборудование SLM Solutions способно производить до 105 см 3 готовых металлических изделий в час. Это в 1,5- 2 раза больше, чем установки этого класса других производителей. При этом минимальная толщина стенки составляет всего 180 микрон. Наряду с этим, системы слежения за процессом построения и контроля качества обеспечивают высокую степень управляемости всем производственным циклом;

ШИРОКИЙ ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ: нержавеющая, инструментальная сталь, сплавы на основе никеля, алюминий, титан. Самые надежные, проверенные и универсальные материалы. Благодаря открытой архитектуре программного обеспечения можно использовать металлический порошок любого производителя, без дополнительных затрат на перенастройку;

СПЕЦИАЛЬНОЕ ПРОГРАММНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ. Установки для лазерного плавления SLM Solutions поставляются в комплекте со специальным программным обеспечением — SLM AutoFabMC. Оно не только упрощает процесс 3D-печати, но и позволяет максимально оптимизировать производственные процессы, сократить время построения и экономить расходные материалы. Программное обеспечение позволяет работать с наиболее широко распространенными в производственной среде форматами данных.

Основные потребители

Аэрокосмическая промышленность

Технология LBM/SLM используется для изготовления функциональных изделий, эксплуатация которых происходит при высоких нагрузках, экстремальных температурах и в агрессивных средах. Данная технология позволяет работать с широким ассортиментом металлопорошковых композиций: нержавеющими и инструментальными сталями, алюминием, титаном, никелевыми, кобальт-хромовыми, медными сплавами, и многими другими.

Выборочное лазерное сплавление металлического порошка происходит посредством воздействия мощного лазера (опционально оборудование может комплектоваться 2-4 лазерами), способного расплавлять сферические гранулы в месте его проецирования. Управляет работой установки и всего процесса компьютер, на котором загруженная математическая модель проходит несколько стадий подготовки с созданием поддерживающих структур, траекторий и методик сканирования лучом каждого сгенерированного слоя модели, настройки технологического процесса для работы с тем или иным выбранным материалом, и т.п.

Ракель или ролик принтера наносит порошок на поверхность платформы, а встроенный лазер выборочно осуществляет плавку по заранее определенной траектории. Когда завершается полный цикл печати, изделие с платформой помещают в печь для снятия внутренних напряжений, после этого аккуратно отделяют платформу и поддержки от изделия, виброгалтовочными или пескоструйными операциями придают поверхности сглаженный вид (устраняются огрехи технологии, связанные со слоистой структурой и шероховатостью), слесарно или с помощью металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ доводят ответственные поверхности до требуемого по чертежной документации качества.