Виробництво хто виготовляє деталі slm. SLM-технологія – невід'ємний компонент Фабрики майбутнього

Продовжуємо розглядати існуючі технології 3d друку та їх особливості. На черзі наступні методи 3d друку:

Пряме лазерне спікання металів (DMLS)

Замість DMLS (Direct Metal Laser Sintering) можна зустріти назву SLM (Selective Laser Melting). Другою назвою ця технологія завдячує німецькій компанії EOS. Компанія є одним із лідерів у пошаровому конструюванні прототипів. Ми нещодавно писали про їхню останню розробку — мікролазерне спікання ().

Основними споживачами технології є сфери медицини, мікроелектронної промисловості та частково.

При виробництві за DMLS технологією вироби мають вражаючу товщину шару в 1 - 5 нм при максимальних розмірах виробу деталі 60 мм у діаметрі та 30 мм за висоти.
Процес виготовлення виробу заснований на затіканні розплаву-зв'язування в порожнечі між частинками порошку під дією капілярних сил. Щоб поліпшити процес затікання, порошкову суміш додають сполуки з фосфором, завдяки чому знижується поверхневий натяг, в'язкість і ступінь окислення розплаву. Частинки порошку для зв'язування зазвичай меншого розміру, ніж частинки порошку основи. Це сприяє збільшенню насипної щільності порошкової суміші та прискоренню процесу утворення розплаву.

На сьогоднішній день існують такі матеріали для 3d друку за технологією DMLS:

• DirectMetal 20 (Металевий порошок на основі бронзи)
• EOS StainlessSteel GP1 (Нержавіюча сталь, аналог європейської 1.4542)
• EOS MaragingSteel MS1 (Мартенситно-старіюча сталь)
• EOS CobaltChrome MP1 (Надміцний сплав кобальт-хром-молібден)
• EOS CobaltChrome SP2 (Кобальт-хром-молібденний надміцний сплав для стоматології)
• EOS Titanium Ti64 / Ti64ELI (Титанові сплави)
• EOS NickelAlloy IN625 (Мікелевий сплав)
• EOS NickelAlloy IN718 (Мікелевий сплав)
• EOS Aluminium AlSi10Mg (Алюмінієвий сплав)

Електронно-променева плавка (EBM)

Метод електронно-променевої плавки зародився у стінах аерокосмічної галузі. Після цього вже почав завойовувати і громадянську сферу. Вихідним матеріалом під час виробництва використовується металевий порошок. Зазвичай це титанові метали.

Виготовлення виробу здійснюється наступним чином: необхідна кількість порошку засипається у вакуумну камеру, потім керований потік електронів шар за шаром обходить контур моделі і розплавляє порошок в цих місцях. У такий спосіб виходить міцна структура. Завдяки наявності вакууму та загальної високої температури фінальний виріб отримує міцність, аналогічну кованим сплавам.

У порівнянні з технологією DMLS та SLS, електронно-променева плавка не вимагає подальшої термообробки для отримання високої міцності. Також цей метод швидше і точніше через високу енергетичну щільність електронного променя.

Лідером у цій галузі є шведська компанія Arcam.

Вибіркова лазерна плавка (SLM)

Технологія SLM нагадує SLS, їх навіть плутають, т.к. і там і там використовується металевий порошок та лазер. Але ці технології мають кардинальні відмінності. У методі SLS частинки порошку спікаються один з одним, у той час як при використанні SLM металеві частинки порошку доводяться до розплавлення і зварюються потім один з одним, утворюючи жорсткий каркас.

Процес виготовлення моделей схожий на SLS технологію. Тут також шар металевого порошку наноситься на робочу зону і поступово розкочується нею. Цю роботу виконує валик чи щітка. Кожній висоті шару відповідає задана форма виробу. Весь процес протікає у герметичній камері з інертним газом. Високо потужний лазер фокусується на металевих частинках, розплавляючи і зварюючи їх між собою. Виріб виходить аналогічно FDM технології, зовнішня та внутрішня стінка є суцільною, звареною стінкою, а простір між стінками заповнюється згідно шаблону.

У технології SLM використовуються різні метали та сплави. Основна вимога - при подрібненні до стану частинок вони повинні мати певні характеристики сипкості. Наприклад, використовуються такі матеріали, як нержавіюча сталь, інструментальна сталь, сплави хрому та кобальту, титан, алюміній.

Метод застосовується там, де необхідно мати деталь з мінімальною вагою, яка при цьому зберігає свої характеристики.

Технологія є запатентованою компанією Stratasys. Порівняно з іншими технологіями 3d друку, PolyJet єдина, що дозволяє виготовляти модель із різних матеріалів. Це досягається використанням унікальної технології подачі кількох матеріалів за один прохід друку. Завдяки цьому можна вибірково розміщувати різні матеріали в рамках одного виробу або поєднувати два матеріали, отримуючи таким чином композитні цифрові матеріали з характерними передбачуваними властивостями.

Процес друку за технологією PolyJet схожий на звичайний струменевий друк. Замість подачі чорнила на папір 3d принтери випускають струмені рідкого фотополімеру, який утворює шари у робочій зоні та фіксується ультрафіолетовим випромінюванням. Затверділі вироби можна брати і використовувати, т.к. не потрібно додаткового подальшого затвердіння, як наприклад технології SLA.

Т.к. друк здійснюється пошарово, то для частин, що нависають, потрібно підтримуючий матеріал. Для цього використовується гелеподібний допоміжний матеріал, який легко видаляється за допомогою води або вручну.

Технологія дозволяє створювати вироби високої точності. А завдяки поєднанню різних матеріалів прототип за характеристиками виходить максимально наближеним до кінцевого виробу.

Технології 3d друку розглянуті у двох частинах статті не єдиними, але найпоширенішими технологіями. У наступній статті ми розглянемо матеріали, що застосовуються у цих технологіях, їх відмінності та особливості.

Схожа на SLS, їх іноді навіть плутають, але все ж таки є кардинальні відмінності. У той час як SLS частинки порошку спікаються один з одним, то тут металеві частинки доводяться до стану розплавлення і зварюються один з одним, утворюючи жорсткий каркас.

Метод бере своє коріння з Інститут Лазерних Технологій Фраунгофера, Німеччина(Fraunhofer-InstitutfürLasertechnik). У 1995 році там народився дослідницький проект, який очолювали Вільгельм Майнерс та Курт Віссенбах. Пізніше ці вчені об'єднали свої зусилля з Дієтором Шварцем і Маттіасом Фокеле з компанії F&S Stereolithographietechnik GmbH, після чого метод був офіційно запатентований. На початку 2000-х років F&S почала співпрацювати з іншою німецькою компанією, MCP HEK Gmbh. Зрештою, згадані вище вчені очолили компанії SLM SolutionsGmbh і RealizerGmbh, які успадкували всі попередні напрацювання.

Побудова моделі починається з підготовки відомого нам stl файлу. Програма розраховує 2D модель кожного шару з кроком від 20 до 100 мікрон, додаючи при необхідності структури підтримки. Зведення кожного шару починається з рівномірного розподілу металевого порошку по всій площі підкладки, на якій буде рости модель. Цю роботу виконує або валик або щітка, схожа на автомобільний склоочисник. Кожному шару відповідає 2D схема. Весь процес відбувається в спеціальній герметичній камері, наповненій інертним газом, наприклад, аргоном або азотом з надмалими домішками кисню. Система фокусування спрямовує високопотужний лазер на металеві частинки, розплавляючи та зварюючи їх між собою. По контурах перерізу проходить суцільне зварювання, а начинки стінок об'єкта можуть зварюватися відповідно до патерна заповнення. До речі, залишки порошку, що залишився від виготовлення деталі можуть повторно використовуватися для друку наступної моделі.

Застосовувані матеріали включають нержавіючу сталь, інструментальну сталь, сплави хрому і кобальту, титан, алюміній. Можуть застосовуватися й інші сплави - головне, щоб вони, подрібнені до стану частинок, мали певні характеристики сипкості.

3D моделювання методом SLM міцно увійшло наше життя. Воно в рази скоротило час, який потрібно виготовлення деталі проти традиційними методами. Деякі галузі авіабудування, нафтовидобутку та медицини потребують таких складних компонентів, які просто неможливо виготовити по-іншому. Особливо це стосується об'єктів з великою площею поверхні та водночас малим об'ємом. Уявіть собі радіатор будь-якої системи охолодження.

Вибіркова лазерна плавка незамінна в аерокосмічній галузіде йде боротьба за кожен грам - деталь повинна виконувати свої функції і бути міцною, але разом з тим мати матеріал тільки в тих місцях, де без нього не обійтися.

Аддитивна установка SLM 280 2.0 з периферійною станцією PSV – головна новинка SLM Solutions 2017 року

– Що нового пропонує SLM Solutions користувачам 3D-друку?

– У 2017 році компанія виконала велику роботу. Нововведення торкнулися головним чином дизайну адитивних установок, але також були оновлені програмне забезпечення, рішення користувача та системи контролю якості процесу.

Головне досягнення – це система SLM 280 2.0 у новому корпусі та з новим дизайном інтерфейсу керуючої програми. Машина оснащена «вічним» фільтром – принципово новим механізмом фільтрації частинок – та оптимізованою системою моніторингу потужності лазера та зони розплаву. Це рішення реалізовано спеціально для мультилазерних систем.

Установка SLM 280 2.0, фільтр і інтерфейс користувача будуть доступні для замовлення орієнтовно в третьому кварталі 2018 року.

: як відбувається селективне лазерне плавлення

– Розкажіть, будь ласка, про програмне забезпечення від SLM Solutions. Як воно називається?

- SLM Additive Designer. Так, новинка дуже цікава, варто розповісти про неї детальніше. Це власна розробка компанії SLM Solutions для роботи з 3D-файлами та підготовки їх до друку, яка є альтернативою популярному програмному забезпечення Materialise Magics та іншим наявним на ринку рішенням. "Родзинка" нашого продукту в тому, що воно сумісне не тільки з STL-файлами, але і з файлами формату CAD (STEP, IGES), які можуть містити й іншу інформацію, крім 3D-графіки.

Вже опрацьовуються варіанти співпраці з виробниками програмного забезпечення CAD для впровадження SLM Additive Designer в їхній інтерфейс з метою забезпечити наскрізне проектування деталі. Цей процес охоплює етапи від проектування та топологічної оптимізації до одержання виробу на 3D-принтері за допомогою цього програмного рішення – назвемо його постпроцесор (або передпостпроцесор) підготовки деталі до друку.

– Раніше компанія не випускала свого програмного забезпечення?

- Так званий Build Processor, який розроблявся спільно з Materialise і був імплементований в Magics, не був окремим програмним забезпеченням. А зараз у SLM Solutions є закінчений програмний продукт, який може працювати з CAD-, STL-файлами та забезпечує повний цикл від розташування деталі на платформі, генерації підтримок та закінчуючи створенням файлу, який передається на 3D-принтер.

Взагалі, у компанії великі плани розвитку ПЗ. Розроблятимуться нові програмні продукти з включенням до них технологій хмарних серверів і big data для великого виробничого ланцюжка 3D-принтерів. Тобто ми говоримо про рішення не для однієї машини, а для Фабрики майбутнього – концепції, з якою зараз працюють усі провідні виробники адитивних установок.

- Рішенням для Фабрики майбутнього стала автоматизована виробнича система SLM 800, ще одна гучна новинка минулого року.

– SLM 800 було представлено на виставці Formnext у Франкфурті-на-Майні. Компанія офіційно заявила про продаж двадцяти машин до Китаю. На даний момент існує лише одна зібрана установка. Це, скажімо так, працюючий дослідно-виставковий екземпляр, у конструкції та функціоналі якого цілком можливо щось зміниться. Принаймні це велика заявка, тому що можливість забезпечити автоматизований процес при висоті побудови 800 мм говорить про високу стабільність роботи системи.

– Чи торкнулися зміни периферійного обладнання 3D-принтерів?

– Так, вже зараз є нова система PSV (Powder Sieving Vacuum) – периферійна станція, яка призначена для виконання наступних функцій:

1. безперервне просіювання порошку (повернення порошку назад до установки для безперервної циркуляції під час роботи);
2. зберігання порошку під час роботи машини в баку ємністю 90 літрів, що не в установці, саме у системі PSV.

Станція PSV також оснащена (якщо ми говоримо про встановлення SLM 280) рукавом для роботи в камері побудови в інертному середовищі для того, щоб видалити надлишки порошку під час очищення деталі. Станція забезпечує високу продуктивність очищення та переробки матеріалу, компактна та універсальна: її можна підключити і до 280-ї, і до 500-ї машини. Працює PSV на основі різниці тисків та вакуумування системи та руху порошку за допомогою вакуумного транспорту.

Як і попередня система PSH, яка служила приблизно для тих самих потреб, PSV найбільш ефективна, коли ми працюємо з одним порошком на одній машині. При частій зміні матеріалів краще використовувати ручну станцію просіювання PSM, яка вже майже десять років є стабільним периферійним обладнанням, простим та зручним у використанні.

– Що таке «вічний» фільтр і як він дозволить підвищити безпеку на виробництві?

– З його допомогою фільтрація відбуватиметься на інших засадах. Це так звана суха фільтрація: частинки матеріалу (титанового або алюмінієвого сплаву) затримуються частинками інгібітора у фільтрі та миттєво деактивуються. Видаляючи суміш інгібітора та частинок у сухому стані, ми зменшуємо ризик негативних впливів з точки зору виділення горючих газів, покращуємо чистоту процесу, підвищуємо пожежо- та вибухобезпечність. В установках SLM замкнутий цикл роботи із порошком.

Головне питання не в тому, купити адитивну установку чи ні, а в тому, як її інтегрувати у виробничий ланцюжок.

– Якими є найближчі плани SLM Solutions?

– На міжнародній виставці «Металообробка-2018», яка пройде в Москві з 14 по 18 травня, компанія матиме великий стенд. Планується приїзд спеціалістів сервісного відділу з Німеччини, розглядається варіант доставки машини SLM 280. Влітку або восени у SLM Solutions відкриється новий великий майданчик, який забезпечить виконання збільшеної кількості замовлень на виготовлення машин 3D-друку металом. Розміститься вона в Любеку, там же, де знаходиться штаб-квартира та основне виробництво компанії.

– Як для Вашої компанії складається ситуація на російському ринку?

- Інтерес до продукції SLM Solutions є, і великий, але поки що в основному на рівні запитів, спроб опрацювання економіки володіння машиною, заявок на тестовий друк. Швидше за все, це загальна економічна ситуація, тому що у багатьох наших європейських колег, які працюють у сфері виробництва металевих 3D-принтерів, схожі проблеми у Росії.

Обладнання дороге, а як ним володіти, як за його допомогою отримувати економічну вигоду – у Росії мало хто уявляє. Обґрунтувати необхідність купівлі досить складно. Плюс, у нас не вистачає фахівців з обсягом знань, необхідним для правильного забезпечення і самого процесу, і відпрацювання технологічних параметрів.

Фахівець, що працює на адитивній машині, в ідеалі повинен бути одночасно і конструктором і, більшою мірою, технологом - тим, хто розуміється на фізиці процесів, що відбуваються, і вплив тих чи інших параметрів на якість одержуваної деталі. А таких параметрів дуже багато – 160, як мінімум.

На жаль, у російських фахівців - від керівників підприємств до рядових інженерів - в масі немає розуміння складності адитивного процесу. Багато хто вважає, що 3D-принтер - це якась диво-машина: завантажив порошок, завантажив модель, натиснув кнопку і відразу отримав якісну деталь.

Команда SLM Solutions на міжнародній виставці Formnext 2017

– Як переконати людей, що адитивні технології мають значну вигоду?

– Потрібна просвітницька робота. Фахівцям необхідно знайомитися з більшим обсягом літератури, наукових досліджень, монографій – не лише фундаментальних, а й інженерних, у тому числі англомовних та німецькомовних. Керівникам галузей та підприємств корисно їздити на міжнародні конференції з адитивного виробництва.

Моя основна думка, яку я намагаюся донести всім, полягає в тому, що адитивні технології (селективне лазерне плавлення зокрема) – не панацея, не універсальне рішення для виробництва будь-яких деталей. Це окремий новий метод, який активно застосовується на ринку трохи більше десяти років. Адже навіть за такою найстарішою технологією, як лиття, досі пишуться монографії.

3D-технології – системи з величезною кількістю параметрів, що поєднують безліч дисциплін – металургію, лазери, механіку, програмування тощо. Це своєрідний «сірий ящик» – їх ще вивчати та вивчати. Але якщо цього не робити, то можна дуже сильно відстати.

– Проте в Росії у плані розробки та впровадження 3D-технологій відбувається якийсь рух.

– Ідеї та рішення є, ми їх бачимо на виставках. На мій досвід, рівень розуміння за останні чотири-п'ять років у людей сильно зріс. Однак відсутнє кураторство на державному рівні, немає вектора, який би це об'єднував.

Наприклад, у Європі, в Азії є асоціації виробників (такі як AMUG, GARPA), які регулярно проводять зустрічі користувачів адитивних технологій з усього світу. SLM Solutions разом із конкурентами бере участь у таких заходах. Або такий приклад: наша компанія, як і багато інших виробників, співпрацює з інститутом Фраунгофера, який розробляє лазерні технології. Для роботи із SLM підписано близько шістдесяти вчених. Це хороший приклад міжвиробничої кооперації, якої не вистачає у Росії через внутрішніх економічних моментів.

На мою думку, нашим керівникам потрібно більше їздити, брати участь у таких проектах, щоб розуміти, які питання ставляться та як визначати чіткі завдання для проектування виробництва. Адже головне питання не в тому, купити установку чи ні, а в тому, як її інтегрувати у виробничий ланцюжок, створити цех з адитивними установками, що ефективно працює, і з їх допомогою отримувати необхідний продукт.

У цьому огляді я спробував у популярній формі навести основні відомості про виробництво металевих виробів методом лазерного адитивного виробництва – порівняно новий та цікавий технологічний метод, що виник наприкінці 80-х і став у наші дні перспективною технологією для дрібносерійного або одиничного виробництва в галузі медицини, літака. - І ракетобудування.

Коротко описати принцип роботи установки для адитивного виробництва за допомогою лазерного випромінювання можна в такий спосіб. Пристрій для нанесення та вирівнювання шару порошку знімає шар порошку з живильника та рівномірним шаром розподіляє його по поверхні підкладки. Після чого лазерний промінь сканує поверхню даного шару порошку та шляхом оплавлення або спікання формує виріб. Після закінчення сканування порошкового шару платформа з виробом, що виготовляється, опускається на товщину шару, що наноситься, а платформа з порошком піднімається, і процес нанесення шару порошку і сканування повторюється. Після завершення процесу платформа з виробом піднімається та очищається від невикористаного порошку.

Однією з основних частин в установках адитивного виробництва є лазерна система, в якій використовуються CO 2 Nd:YAG, іттербій волоконний або дисковий лазери. Встановлено, що використання лазерів з довжиною хвилі 1-1,1 мкм для нагрівання металів і карбідів краще, оскільки вони на 25-65% краще поглинають випромінювання, що генерується лазером. У той же час, використання CO 2 лазера з довжиною хвилі 10,64 мкм найкраще підходить для таких матеріалів, як полімери та оксидна кераміка. Вища абсорбційна здатність дозволяє збільшити глибину проплавлення і в ширших межах варіювати параметрами процесу. Зазвичай лазери, які у аддитивному виробництві, працюють у безперервному режимі. Порівняно з ними застосування лазерів, що працюють в імпульсному режимі та в модульованій добротності за рахунок їх великої енергії імпульсу та короткої тривалості імпульсу (наносекунди) дає можливість покращити міцність зв'язку між шарами та зменшити зону термічного впливу. На закінчення можна відзначити, що характеристики лазерних систем лежать у таких межах: потужність лазера – 50-500 Вт, швидкість сканування до 2 м/с, швидкість позиціонування до 7 м/с, діаметр фокусованої плями – 35-400 мкм.

Крім лазера як джерело нагрівання порошку може бути використаний електронно-променевий нагрів. Цей варіант фірма Arcam запропонувала і реалізувала у своїх установках в 1997 р. Установка з електронно-променевою гарматою характеризується відсутністю рухомих частин, оскільки електронний промінь фокусується і спрямовується за допомогою магнітного поля та дефлекторів, а створення камери вакууму позитивно позначається на якості виробів.

Однією з важливих умов при адитивному виробництві є створення захисного середовища, що запобігає окисленню порошку. Для виконання цієї умови використовують аргон чи азот. Однак застосування азоту як захисного газу обмежено, що пов'язано з можливістю утворення нітридів (наприклад, AlN, TiN при виготовленні алюмінієвих і титанових сплавів виробів), які призводять до зниження пластичності матеріалу.

Методи лазерного адитивного виробництва за особливостями процесу ущільнення матеріалу можна поділити на селективне спікання лазерне (Selective Laser Sintering (SLS)), непряме лазерне спікання металів (Indirect Metal Laser Sintering (IMLS)), пряме лазерне спікання металів (Direct Metal Laser Sintering (DMLS)) ) та селективне лазерне плавлення (Selective Laser Melting (SLM)). У першому варіанті ущільнення шару порошку відбувається за рахунок твердофазного спікання. У другому – за рахунок просочування зв'язкою пористого каркасу раніше сформованого лазерним випромінюванням. В основі прямого лазерного спікання металів лежить ущільнення за механізмом рідкофазного спікання за рахунок плавлення легкоплавкого компонента порошкової суміші. В останньому варіанті ущільнення відбувається за рахунок повного плавлення та розтікання розплаву. Варто зазначити, що ця класифікація не є універсальною, оскільки в одному типі процесу адитивного виробництва можуть виявлятися механізми ущільнення, характерні для інших процесів. Наприклад, при DMLS і SLM може спостерігатися твердофазне спікання, яке має місце при SLS, тоді як при SLM може відбуватися рідкого спікання, яке більш характерне для DMLS.

Селективне лазерне спікання (SLS)

Твердофазне селективне лазерне спікання не набуло широкого поширення, оскільки для більш повного протікання об'ємної та поверхневої дифузії, в'язкої течії та інших процесів, що мають місце при спіканні порошку, потрібна відносно тривала витримка під лазерним випромінюванням. Це призводить до тривалої роботи лазера та малої продуктивності процесу, що робить цей процес економічно не доцільним. Крім цього, виникають складнощі з підтримкою температури процесу в інтервалі між точкою плавлення та температурою твердофазного спікання. Перевагою твердофазного селективного лазерного спікання є можливість використання ширшого кола матеріалів виготовлення виробів.

Непряме лазерне спікання металів (IMLS)

Процес, що отримав назву «непряме лазерне спікання металів», був розроблений компанією DTMcorp of Austin у 1995 р., яка з 2001 р. належить компанії 3D Systems. В IMLS процесі використовують суміш порошку та полімеру або порошок покритий полімером, де полімер виступає в ролі зв'язування та забезпечує необхідну міцність для проведення подальшої термічної обробки. На стадії термічної обробки проводиться відгін полімеру, спікання каркасу та просочення пористого каркасу металом-зв'язкою, в результаті якої виходить готовий виріб.

Для IMLS можна використовувати порошки як металів, так і кераміки або їх сумішей. Приготування суміші порошку з полімером проводять механічним змішуванням, при цьому вміст полімеру становить близько 2-3% (за масою), а у разі використання порошку покритим полімером, товщина шару на поверхні частки становить близько 5 мкм. Як зв'язування використовують епоксидні смоли, рідке скло, поліаміди та інші полімери. Температура відгону полімеру визначається температурою його плавлення і розкладання і в середньому становить 400-650 o С. Після відгону полімеру пористість виробу перед просоченням становить близько 40%. При просочення піч нагрівають на 100-200 0 З вище точки плавлення матеріалу, що просочує, оскільки з підвищенням температури зменшується крайовий кут змочування і знижується в'язкість розплаву, що сприятливо впливає на процес просочення. Зазвичай просочення майбутніх виробів проводять у засипці з оксиду алюмінію, яка відіграє роль каркаса, що підтримує, оскільки в період від відгону полімеру до утворення міцних міжчасткових контактів існує небезпека руйнування або деформації виробу. Захист від окислення організують за допомогою створення в печі інертного або відновного середовища. Для просочення можна використовувати досить різноманітні метали та сплави, які задовольняють наступним умовам. Матеріал для просочення повинен характеризуватись повною відсутністю або незначною міжфазною взаємодією, малим крайовим кутом змочування та мати температуру плавлення нижче, ніж у основи. Наприклад, якщо компоненти взаємодіють між собою, то в процесі просочення можуть відбуватися небажані процеси, такі як утворення більш тугоплавких сполук або твердих розчинів, що може призвести до зупинки процесу просочення або негативно позначитися на властивостях і розмірах виробу. Зазвичай для просочення металевого каркаса використовують бронзу, при цьому усадка виробу становить 2-5%.

Одним із недоліків IMLS є відсутність можливості регулювати в широких межах вміст тугоплавкої фази (матеріалу основи). Оскільки її відсотковий вміст у готовому виробі визначається насипною щільністю порошку, яка в залежності від характеристик порошку може бути в три і більше разів менше за теоретичну щільність матеріалу порошку.

Матеріали та їх властивості, що використовуються для IMLS

Пряме лазерне спікання металів (DMLS)

Процес прямого лазерного спікання металів подібний до IMLS, проте відрізняється тим, що замість полімеру використовуються сплави або з'єднання з низькою температурою плавлення, а також відсутня така технологічна операція, як просочення. В основі створення концепції DMLS стояла німецька компанія EOS GmbH, яка у 1995 році створила комерційну установку для прямого лазерного спікання порошкової системи сталь-нікелева бронза. Отримання різних виробів методом DMLS засноване на затіканні розплаву-зв'язку, що утворився, в порожнечі між частинками під дією капілярних сил. При цьому для успішного виконання процесу порошкову суміш додають сполуки з фосфором, які знижують поверхневий натяг, в'язкість і ступінь окислення розплаву, тим самим покращуючи змочуваність. Порошок, що використовується як зв'язка, зазвичай має менший розмір, ніж порошок основи, оскільки це дозволяє збільшити насипну щільність порошкової суміші та прискорити процес утворення розплаву.

Матеріали та їх властивості, що використовуються для DMLS компанією EOS GmbH

Селективне лазерне плавлення (SLM)

Подальше удосконалення установок для адитивного виробництва пов'язане з появою можливості використання потужнішого лазера, меншого діаметра фокусувальної плями і нанесення тоншого шару порошку, що дозволило використовувати SLM для виготовлення виробів з різних металів та сплавів. Зазвичай отримані цим способом вироби мають пористість 0-3%.
Як і вище розглянутих методах (IMLS, DMLS), велику роль процесі виготовлення виробів грає змочуваність, поверхневе натяг і в'язкість розплаву. Одним з факторів, що стримує використання різних металів і сплавів для SLM є ефект «утворення кульок» або сфероїдизація, який проявляється у вигляді формування крапель, що лежать окремо один від одного, а не суцільної доріжки розплаву. Причиною цього є поверхневий натяг під впливом, якого розплав прагне зменшити вільну поверхневу енергію шляхом утворення форми з мінімальною площею поверхні, тобто. кулі. При цьому в смужці розплаву спостерігається ефект Марангоні, який проявляється у вигляді конвективних потоків через градієнт поверхневого натягу як функції від температури, і якщо конвективні потоки досить сильні, то смужка розплаву поділяється на окремі краплі. Також крапля розплаву під дією поверхневого натягу затягує в себе прилеглі частинки порошку, що призводить до утворення ямки навколо краплі і, зрештою, збільшення пористості.

Сфероїдизація сталі M3/2 при неоптимальних режимах SLM

Ефекту сфероїдизації також сприяє наявність кисню, який розчиняючись у металі, підвищує в'язкість розплаву, що призводить до погіршення розтікання та змочуваності розплавом нижче шару. З перерахованих вище причин не вдається отримати вироби з таких металів як олово, мідь, цинк, свинець.

Варто відзначити, що формування якісної смужки розплаву пов'язане з пошуком оптимальної області параметрів процесу (потужності лазерного випромінювання та швидкості сканування), яка зазвичай є досить вузькою.

Вплив параметрів SLM золота на якість шарів, що формуються.

Ще одним фактором, що впливає на якість виробів, є поява внутрішніх напруг, наявність та величина яких залежить від геометрії виробу, швидкості нагрівання та охолодження, коефіцієнта термічного розширення, фазових та структурних змін у металі. Значна внутрішня напруга може призводити до деформації виробів, утворення мікро- та макротріщин.

Частково зменшити негативний вплив вищезазначених факторів можна шляхом використання нагрівальних елементів, які зазвичай розташовуються всередині установки навколо підкладки або живильника з порошком. Нагрівання порошку дозволяє видалити адсорбовану вологу з поверхні частинок і тим самим зменшити ступінь окислення.

При селективному лазерному плавленні таких металів як алюміній, мідь, золото не маловажним питанням є їх велика відбивна здатність, що зумовлює необхідність використання потужної лазерної системи. Але підвищення потужності лазерного променя може негативно позначитися на точності розмірів виробу, оскільки при надмірному нагріванні порошок плавитиметься і спікатиметься за межами лазерної плями за рахунок теплообміну. Велика потужність лазера також може призвести до зміни хімічного складу в результаті випаровування металу, що особливо для сплавів містять легкоплавкі компоненти і мають велику пружність парів.

Механічні властивості матеріалів, отриманих методом SLM (компанія EOS GmbH)

Якщо виріб, отриманий одним із вище розглянутих методів, має залишкову пористість, то в разі необхідності застосовують додаткові технологічні операції для підвищення його щільності. З цією метою використовують методи порошкової металургії – спікання чи гаряче ізостатичне пресування (ГІП). Спікання дозволяє усунути залишкову пористість та підвищити фізико-механічні властивості матеріалу. При цьому слід підкреслити, що властивості матеріалу, що формуються, в процесі спікання визначаються складом і природою матеріалу, розміром і кількістю пір, наявністю дефектів та іншими численними факторами. ГІП є процесом, в якому заготівля, поміщена в газостат, ущільнюється під дією високої температури і всебічного стиснення інертним газом. Робочий тиск і максимальна температура, що досягається газостатом, залежить від його конструкції та об'єму. Наприклад, газостат, що має розміри робочої камери 900х1800 мм, здатний розвинути температуру 1500 o З та тиск 200 МПа. Використання ГІП для усунення пористості без застосування герметичної оболонки можливе, якщо пористість становить не більше 8%, оскільки при більшому її значенні газ через пори потраплятиме всередину виробу, перешкоджаючи ущільненню. Виключити проникнення всередину виробу газу можна шляхом виготовлення сталевої герметичної оболонки форму поверхні виробу, що повторює. Однак вироби, які отримують адитивне виробництво, в основному мають складну форму, що унеможливлює виготовлення такої оболонки. У такому випадку для ущільнення можна використовувати герметичний вакуумований контейнер, в якому виріб поміщено в сипуче середовище (Al 2 O 3 , BN гекс, графіт), що передає тиск на стінки виробу.

Після адитивного виробництва методом SLM матеріали характеризуються анізотропією властивостей, підвищеною міцністю та зниженою пластичністю через наявність залишкової напруги. Для зняття залишкової напруги, отримання більш рівноважної структури, підвищення в'язкості та пластичності матеріалу проводять відпал.

Згідно з наведеними нижче даними, можна відзначити, що вироби, отримані селективним лазерним плавленням, в деяких випадках міцніше литих на 2-12%. Це можна пояснити малим розміром зерен та мікроструктурних складових, які утворюються внаслідок швидкого охолодження розплаву. Швидке переохолодження розплаву значно збільшує кількість зародків твердої фази та зменшує їх критичний розмір. При цьому кристали, що швидко ростуть на зародках, стикаючись один з одним, починають перешкоджати своєму подальшому зростанню, тим самим формуючи дрібнозернисту структуру. Зародками кристалізації зазвичай є неметалеві включення, бульбашки газів або частинки, що виділилися з розплаву, при їх обмеженій розчинності в рідкій фазі. І в загальному випадку, згідно зі співвідношенням Холла-Петча, зі зменшенням розміру зерна збільшується міцність металу завдяки розвиненій мережі меж зерен, що є ефективним бар'єром для руху дислокацій. Слід зазначити, що з різного хімічного складу сплавів та його властивостей, умов проведення SLM, вище згадані явища, які мають місце при охолодженні розплаву, проявляються з різною інтенсивністю.

Механічні властивості матеріалів, отриманих SLM та литтям

Звичайно, це не означає, що вироби, отримані селективним лазерним плавленням краще виробів отриманих традиційними способами. Завдяки великій гнучкості традиційних способів отримання виробів можна у межах варіювати властивостями виробу. Наприклад, використовуючи такі методи як зміна температурних умов кристалізації, легування та введення в розплав модифікаторів, термоциклювання, порошкової металургії, термомеханічна обробка та ін, можна досягти значного підвищення властивостей міцності металів і сплавів.

Особливий інтерес представляє використання вуглецевої сталі для адитивного виробництва, як дешевого матеріалу, що володіє високим комплексом механічних властивостей. Відомо, що з підвищенням вмісту вуглецю в сталі покращується її рідина і змочуваність. Завдяки цьому можливе отримання простих виробів, що містять 0,6-1% C з щільністю 94-99%, при цьому у разі використання чистого заліза щільність становить близько 83%. У процесі селективного лазерного плавлення вуглецевої сталі доріжка розплаву при швидкому охолодженні піддається гартуванню та відпуску на структуру трооститу або сорбіту. При цьому, через термічні напруги і структурні перетворення, в металі можуть виникати значні напруги, які призводять до повідання виробу або до утворення тріщин. Також важливе значення має геометрія виробу, оскільки різкі переходи по перерізу, малі радіуси заокруглення та гострі кромки є причиною утворення тріщин. Якщо після «друку» сталь не має заданого рівня механічних властивостей і її необхідно піддати додаткової термообробці, то при цьому необхідно буде зважати на раніше зазначені обмеження за формою виробу, щоб уникнути появи дефектів загартування. Це певною мірою знижує перспективність використання SLM для вуглецевих сталей.
При отриманні виробів традиційними способами одним із шляхів уникнути тріщин і повідання при загартуванні виробів складної форми є використання легованих сталей, в яких присутні легуючі елементи крім підвищення механічних і фізико-хімічних властивостей, затримують перетворення аустеніту при охолодженні, в результаті чого зменшується критична швидкість збільшується прожарювання легованої сталі. Завдяки малій критичній швидкості загартування, сталь можна розжарювати в маслі або на повітрі, що знижує рівень внутрішніх напруг. Однак унаслідок швидкого відведення тепла, неможливості регулювання швидкості охолодження та наявності вуглецю в легованій сталі цей прийом не дозволяє уникнути появи значної внутрішньої напруги при селективному лазерному плавленні.

У зв'язку з вище зазначеними особливостями, для SLM використовуються мартенситно-страючі сталі (MS 1, GP 1, PH 1), в яких зміцнення та підвищення твердості досягається за рахунок виділення дисперсних інтерметалідних фаз при термообробці. Ці сталі містять малу кількість вуглецю (соті відсотки), в результаті чого решітка мартенситу, що утворилася при швидкому охолодженні, характеризується малим ступенем спотвореності і отже має низьку твердість. Мала твердість і висока пластичність мартенситу забезпечує релаксацію внутрішніх напруг при загартуванні, а високий вміст легуючих елементів дозволяє прожарювати сталь на велику глибину майже за будь-яких швидкостей охолодження. Завдяки цьому за допомогою SLM можна виготовляти та піддавати термообробці складні вироби без побоювання утворення тріщин чи короблення. Крім мартенситно-старіючих сталей можуть використовуватися деякі аустенітні нержавіючі сталі, наприклад, 316L.

На закінчення можна відзначити, що зараз зусилля вчених та інженерів спрямовані на більш детальне вивчення впливу параметрів процесу на структуру, механізм та особливості ущільнення різних матеріалів під дією лазерного випромінювання з метою покращення механічних властивостей та збільшення номенклатури придатних матеріалів для лазерного адитивного виробництва.

Цей метод адитивного прототипування ґрунтується на використанні волоконного лазера високої потужності. Основний витратний матеріал – металевий порошковий сплав.

Розробники цієї технології – співробітники Інституту лазерної техніки Вільгельм Майнерс, Конрад Віссенбах та співробітники компанії F&S Stereolithographietechnik GmbH Дітер Шварц та Маттіас Фокеле. Цікавий факт – Шварц і досі працює у колишній F&S, яка згодом перетворилася на SLM Solutions GmbH, а Фокеле створив головного конкурента цієї компанії – ReaLizer GmbH.

Але повернемось до технології. SLM дозволяє друкувати об'єкти з точністю в межах 20-100 мкм, як креслення майбутнього виробу використовується макет у форматі STL. На робочу поверхню, яка знаходиться у заповненій інертним газом (переважного аргоном) камері, наноситься тонкий шар порошку. Повна відсутність контакту металу з киснем перешкоджає його окисленню, що дозволяє працювати навіть зі складними з погляду обробки титановими сплавами. Кожен новий шар сплавляється з попереднім під впливом лазерного променя, що направляється в координатній площині.

В якості витратного матеріалу використовується нержавіюча та інструментальна сталь, золото, срібло, алюміній, титан та сплави на основі кобальту та хрому. Ця технологія вважається найкращою для виготовлення тонкостінних об'єктів зі складною геометрією, які успішно застосовуються в машинобудівній, авіакосмічній галузі промисловості, автопромі, медицині.

Найбільш схожі технології – пряме лазерне спікання металів (DMLS) та електронно-променеве плавлення (EBM).

Технологія друку SLM - ціна обладнання кращої якості

SLM – це сучасна технологія 3D друку складних конструкцій або деталей шляхом лазерного плавлення металевих порошків. Спосіб отримання 3D об'єктів дозволяє видавати особливо точні результати як окремих елементів, так і готових великогабаритних виробів. Наша компанія пропонує клієнтам оформити замовлення на отримання послуг зі створення виробів, де використовується технологія друку SLM. Ціна на сайті вас приємно здивує. Також ви знайдете величезний вибір 3D принтерів, що працюють за технологією друку SLM, у доступній ціновій категорії. Ми працюємо з офіційними дилерами, тому можемо дозволити знизити вартість товарів та послуг до мінімального значення не на шкоду якості.

Переваги у використанні технології друку SLM

За допомогою SLM виробники виробів зі складною геометричною формою мають можливість вирішити будь-яке технологічне завдання. Технологія ідеально підходить для виготовлення деталей та конструкцій з непростою конфігурацією, множинними порожнинами та каналами з внутрішньої сторони.

Також SLM дозволяє суттєво економити на витратних матеріалах, оскільки побудова здійснюється шляхом пошарового додавання необхідної кількості філаменту. Залишки матеріалів проходять просіювання та готуються до повторного використання.

Так як за допомогою технології виготовляють складні вироби, відсутня необхідність купівлі додаткового дорогого обладнання.

Технологія SLM знайшла широке застосування у різних галузях:

• на промислових підприємствах;
• авіакосмічної промисловості;
• машинобудування;
• приладобудівної галузі;
• в освітніх закладах;
• для науково-дослідних та експериментальних робіт.

Як вибудовується 3D об'єкт із технологією SLM?

Спочатку робочий процес запускається поділом моделі у цифровому форматі на шари для отримання зображення у 2D. Далі отриманий файл аналізується ПЗ, а після обробки інформації запускається цикл побудови:

• На платформу наноситься шар металевого порошку.
• Потім відбувається сканування поверхні лазерним променем.
• Платформа опускається вниз на величину відповідно до товщини шару побудови.

Після завершення робочого процесу майданчик виймається, а виріб відокремлюють від платформи механічним способом.