Селективное лазерное плавление — полное руководство по SLM

Селективное лазерное плавление (SLM) — это главная технология 3D-печати металлов, которая произвела революцию в аддитивном производстве металлических деталей, но как она работает, и какие 3D-принтеры делают это лучше всего?

Большинство металлических 3D-принтеров используют технологию селективного лазерного плавления, которая предполагает использование лазера, расплавляющего порошкообразный металл. Фактически, на этот метод приходится более 80% рынка металлических 3D-принтеров, и десятки производителей по всему миру предлагают машины самых разных размеров с различными характеристиками.

Доминирование технологии SLM может быть неочевидным на первый взгляд, поскольку в отрасли существует различная терминология для обозначения одной и той же технологии. Помимо SLM, существует прямое лазерное спекание металлов (DMLS), прямое лазерное плавление металлов (DMLM), лазерное сплавление металлов (LMF), лазерный кьюзинг, лазерное сплавление в порошковом слое (LPBF) и другие. Такое разнообразие терминов порождает вопрос: В чем разница между ними?

Вы можете быть удивлены, узнав, что никакой разницы нет.

Что такое SLM?

Чтобы получить окончательное представление об этой технологии, мы обратились к одному из изобретателей процесса, Вильгельму Майнерсу.

Чуть более 20 лет назад Майнерс и его коллеги Курт Виссенбах и Андрес Гассер разработали и запатентовали эту технологию, работая в Институте Фраунгофера в Германии.

По словам Майнерса, официальное название технологии — лазерная плавка в порошковом слое или LPBF.

«Различные названия процесса LPBF объясняются историческими причинами», — говорит он. «В первые годы каждый поставщик оборудования создал свое собственное название для одного и того же процесса и сохранил его до сегодняшнего дня». Все эти другие термины — просто фирменные названия для стандартизированной технологии, называемой лазерным сплавлением в порошковом слое.

Действительно, немецкий производитель 3D-принтеров EOS придумал термин «прямое лазерное спекание металлов» и использует его до сих пор. Это немного неправильное название, поскольку металлический порошок плавится, а не спекается, но это могло быть упущено при переводе. SLM, более популярный термин, на самом деле является торговой маркой, принадлежащей производителю принтеров SLM Solutions. Компания Concept Laser, с другой стороны, называла свой процесс лазерным кьюзингом, но после того, как в 2016 году компания GE Additive приобрела ее, они изменили название на прямое лазерное плавление металлов (DMLM). Производитель принтеров Trumpf предпочитает использовать термин «лазерная плавка металла», а 3D Systems — «прямая печать металлом».

Хотя в названии этой статьи мы использовали самый популярный термин — селективное лазерное плавление, для остального мы будем использовать официальное название, используемое компанией Meiners и организацией по стандартизации ASTM: лазерное сплавление в порошковом слое (LPBF).

Несмотря на запутанную терминологию, LPBF — одна из самых интересных технологий 3D-печати на сегодняшний день. Она используется в различных отраслях промышленности для быстрого создания прототипов, специальных высокопроизводительных деталей и массового производства с использованием широкого спектра металлов. Давайте посмотрим!

 

Как работает система LPBF?

В 3D-принтерах LPBF используются мощные лазеры для выборочного плавления металлического порошка. Расплавленные детали сплавляются друг с другом слой за слоем на молекулярной основе, пока не получится однородная модель.

Операторы принтеров могут использовать «чистые» металлические материалы, хотя сплавы также регулярно используются. Для процесса LPBF доступны десятки металлов, но некоторые из наиболее распространенных материалов включают:

• Алюминий
• кобальт хром
• Медь
• Никель (инконель)
• Нержавеющая и инструментальная сталь
• Титан
• Драгоценные металлы

Теоретически, LPBF — как и родственное и аналогично функционирующее селективное лазерное спекание (SLS) для пластмасс — это технология AM без поддержки. Упакованный порошок на печатном слое обеспечивает поддержку модели во время процесса печати.

Однако из-за высоких тепловых градиентов между расплавленной деталью и окружающим порошком могут возникать напряжения, вызывающие коробление и деформацию. Поэтому часто требуются поддерживающие конструкции для отвода тепла от критических зон и надежной фиксации детали на печатной форме. Общее эмпирическое правило гласит, что свесы или полые конструкции, наклоненные под углом от 0 до 45 градусов, должны иметь опору.

В 3D-принтере LPBF находится металлический сырьевой порошок. Принтер подает порошок в камеру, где лопатка (как стеклоочиститель) или валик наносит его тонким слоем на подложку или пластину.

Затем мощный лазер сплавляет двухмерный фрагмент детали путем выборочного плавления порошкового материала. Затем строительная пластина опускается на высоту одного небольшого слоя, и наносящий покрытие наносит на поверхность еще один слой свежего порошка. Принтер повторяет эти действия до тех пор, пока не получится готовая деталь.

Некоторые принтеры оснащены двунаправленными устройствами нанесения покрытий, которые могут подавать порошок на станину в обоих направлениях, ускоряя процесс нанесения покрытия на 40%. Еще один способ, с помощью которого производители принтеров LPBF делают печать быстрее, — это использование более мощных или нескольких лазеров.

Небольшой компактный принтер LPBF может иметь один 30-ваттный лазер. Когда машины становятся больше, они могут начать использовать более мощные лазеры или несколько лазеров в одном массиве. Например, AddUp FormUp 350 оснащен четырьмя 500-ваттными лазерами, а SLM Solutions NXG XII 600 — 12 лазерами, каждый мощностью 1000 Вт.

Увеличение мощности или количества лазеров означает, что принтер может более эффективно расплавлять металлический порошок. Это напрямую приводит к ускорению темпов сборки и увеличению пропускной способности, и, как правило, к более высокой цене. Например, компания SLM Solutions утверждает, что принтер NXG XII 600 может обеспечить в 20 раз более высокую скорость сборки, чем однолазерные системы, до 1 000 см3/ч.

В зависимости от ваших задач, при выборе 3D-принтера LPBF вы будете обращать внимание на уровень мощности лазера, диаметр лазерного луча, скорость сканирования, возможную толщину слоя (от 20 до 120 мкм), стратегию сканирования, стратегию охлаждения деталей и другие характеристики, которые отличают разные бренды и разные модели внутри брендов.

Процесс печати LPBF происходит в контролируемой атмосфере внутри машины, что означает, что инертный газ (азот или аргон) заполняет камеру построения.

После того как деталь построена, ее можно извлечь из машины после охлаждения. Большие детали могут остывать в течение многих часов, прежде чем с ними можно будет работать. Металлический порошок, который не сплавился, затем собирается и повторно используется для дальнейших проектов LPBF. Напечатанные детали первоначально крепятся к сборочной пластине, от которой они обычно отделяются путем резки или механической обработки, или с помощью проволочной эрозии.

Если деталь нуждалась в опорах, их также необходимо удалить. Поскольку в принтерах LPBF не используются отдельные поддерживающие материалы, это может быть сложным и длительным процессом.

Поверхность окончательно выплавленной детали получается грубой, и, в зависимости от ваших требований, может потребоваться последующая обработка для получения гладкого и блестящего результата. Также относительно часто требуется дополнительная обработка деталей для достижения более жестких допусков и отделки тонких элементов, поверхностей и отверстий.

LPBF в сравнении с традиционным производством

LPBF, как и любая технология производства, имеет свои сильные и слабые стороны. Плюсы и минусы производства модели с помощью LPBF включают:

 

LPBF по сравнению с традиционным производством

Один из самых распространенных вопросов, когда речь заходит о 3D-печати металлов, — это вопрос о том, насколько прочность и долговечность 3D-печатных деталей с использованием LPBF сравнима с традиционными методами производства металлов.

Ник Эсток, менеджер по продукции французского производителя металлических 3D-принтеров AddUp, объяснил, что с помощью LPBF можно получать детали с механическими свойствами, аналогичными традиционному производству. Однако, добавляет он, есть некоторые предостережения.

«Традиционное производство является субтрактивным и начинается с базового материала с известными механическими свойствами с помощью очень контролируемых и зрелых процессов. В любом процессе аддитивного производства, включая ЛПБФ, материал создается одновременно с деталью. Процесс принципиально отличается и поэтому не эквивалентен», — говорит Эсток.

Дональд Годфри, глобальный директор по развитию бизнеса в области авиации и обороны компании SLM Solutions, согласен с ним. Он также объясняет, что процесс SLM создает детали с меньшей микроструктурой, чем литые металлические компоненты. Это придает им более высокие свойства на растяжение, но литые детали в настоящее время все еще прочнее.

«Как правило, технология LPBF используется для замены литых компонентов. В уникальных случаях печатные компоненты могут заменить штамповки», — добавляет он.

Когда мы спросили Майнерса, эквивалентны ли отпечатки, полученные в результате процесса LPBF, традиционным производственным процессам, он ответил, что это зависит от ситуации.

«Свойства деталей LPBF могут соответствовать или даже превосходить свойства традиционных деталей, но это зависит от нескольких условий, таких как материал металла (сталь, алюминий, титан и т.д.), процесс обработки (термообработка, горячее изостатическое прессование и т.д.), традиционный процесс производства, с которым вы сравниваете (литье, ковка и т.д.), и конкретные свойства детали (прочность при статической нагрузке, высокоцикловая усталость, ползучесть и т.д.)».

В конечном итоге, общего ответа нет, говорит Майнерс. «Во многих случаях детали из LPBF приобретают те же свойства, но не как общий стандарт».

Давайте посмотрим на некоторые реальные примеры 3D-печатных деталей из LPBF в действии.

 

КТО ИСПОЛЬЗУЕТ LPBF СЕГОДНЯ?

LPBF сегодня используется практически во всех отраслях промышленности, где применяется традиционное производство металлов, включая аэрокосмическую, автомобильную, медицинскую, энергетическую и обрабатывающую.

Все эти отрасли объединяет потребность в более эффективном и качественном производстве металлических деталей, быстрее и с меньшими затратами. Хотя LPBF также широко используется для более быстрого и дешевого производства запасных и сменных деталей, технология проявляет себя в производстве сложных форм и инновационных усовершенствований дизайна продукции, которые невозможны при использовании других методов производства металлов. С помощью LPBF можно 3D-печатать многокомпонентные детали на одной детали, изделия могут иметь внутренние решетчатые структуры для снижения веса, а также сложные внутренние каналы, которые невозможно было бы изготовить машинным способом.

Металлическая 3D-печать, в целом, также устраняет необходимость поддерживать постоянные запасы и доставлять детали на большие расстояния, к тому же она более экологична, поскольку использует и выбрасывает меньше сырья.

Давайте рассмотрим некоторые конкретные, реальные применения LPBF в действии.

 

Аэрокосмическая промышленность: Посадочное устройство

Safran Landing Systems и SLM Solutions совместно работали над усовершенствованием ранее штампованной носовой части шасси для частных самолетов.

При размерах 455 x 295 x 805 мм деталь шасси является первой в мире деталью, напечатанной методом LPBF, такого размера, сообщает SLM Solutions. Поскольку деталь является частью системы, передающей нагрузку от колеса к конструкции самолета, она была изготовлена из титана. Выбор материала придает детали прочные механические свойства и в то же время устойчивость к коррозии без нанесения покрытий.

Она была напечатана с помощью четырехлазерной машины SLM 800. Мало того, что напечатанная деталь LPBF на 15% легче традиционно кованой детали, технология также сократила время выполнения заказа.

«Аддитивное производство помогает сэкономить время на этапах квалификации и сертификации, быстро предоставляя детали для испытаний. Мы смогли изготовить главный фитинг за несколько дней против нескольких месяцев при штамповке», — говорит Герхард Бьерлейтгеб, EVIP отдела глобальных услуг и решений компании SLM Solutions.

Автомобильная промышленность: Инструменты

 

Во многих случаях LPBF может заменить традиционные методы производства, но они также могут работать вместе. Традиционные методы производства больше не используются для создания сегментов инструментов для горячей штамповки деталей автомобилей, поэтому компания Audi полностью заменила их на 3D-печатные альтернативы.

«Всякий раз, когда традиционные методы производства достигают своего предела, мы используем аддитивное производство, которое позволяет нам соответствовать стандартам качества и соблюдать сроки производства», — говорит руководитель проекта Центра 3D-печати металлов Audi Маттиас Херкер.

Компания Audi использует принтер EOS M 400 для производства сегментов горячей штамповки и инструментальных вставок для литья под высоким давлением. Длина отдельных сегментов может достигать 400 мм, а вес — до 120 кг.

3D-печать LPBF позволяет Audi создавать топологически оптимизированные, очень сложные каналы охлаждения, точно настроенные под потребности конкретных компонентов. В результате производитель автомобилей премиум-класса смог сократить время цикла и добиться более равномерного охлаждения, что повышает качество деталей.

 

Медицина: Титановые имплантаты

Устройства для сращения поясничных межтеловых тел — или спинальные кейджи — широко используются для лечения пациентов, страдающих от проблем со спиной, таких как дегенеративное заболевание дисков.

Компания GE Additive производит аддитивно изготовленный вариант из титанового порошка с помощью LPBF-печати. По словам компании, эти новые спинномозговые кейджи имеют ряд преимуществ перед механически обработанными вариантами.

Благодаря большей свободе проектирования в аддитивном производстве, спинальные каркасы можно делать более легкими, с большими окнами и решетчатыми структурами. Это не только снижает производственные затраты, но и делает кейджи более эффективными, поскольку врачи могут имплантировать в кейдж дополнительный костный трансплантат. Также можно создавать индивидуальные пористые структуры, имитирующие человеческую кость, что может способствовать дальнейшему формированию костной ткани.

Новые клетки не требуют никакого покрытия, что полностью исключает риск расслаивания. Они также изготовлены из титана, который является биосовместимым и уменьшает миграцию сепаратора и деградацию кости.

Энергия: Парораспределительный блок

Orano, французская многонациональная компания ядерного топливного цикла, боролась с длительными сроками изготовления и высокой стоимостью устаревших запасных частей. В начале 2021 года компания заключила партнерство с AddUp для оценки технической и экономической целесообразности использования LPBF в своей работе.

Используя принтер FormUp 350, Orano и AddUp создали несколько копий 3D-печатного моста для передачи материала и блока распределения пара, которые имеют особенно длительное время изготовления при производстве традиционными методами. Конструкция и механические характеристики деталей были идентичны оригинальным.

Благодаря использованию мелкого порошка из нержавеющей стали 3D-печатные детали имели высокую геометрическую точность и чистоту поверхности, особенно в их внутренних каналах. Кроме того, при стоимости трех обработанных деталей, компания Orano смогла напечатать 16 аддитивно изготовленных компонентов.

«Результат получился неожиданным: та же конструкция со сложной геометрией, те же механические характеристики и, прежде всего, снижение производственных затрат на 50% по сравнению с механической обработкой». Благодаря аддитивному производству металлов компания Orano теперь имеет дополнительную, маневренную, надежную и экономичную цепочку поставок запасных частей», — говорит Ана-Паула Серонд, менеджер по инновациям компании Orano.

ПОЛУЧАЙТЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ДЕТАЛИ: КОНТРАКТНЫЕ ПРОИЗВОДИТЕЛИ

Если вы не готовы приобрести собственный станок LPBF, существуют услуги по изготовлению деталей для вас. Как правило, они бывают двух разных видов: производители 3D-печати по требованию и производители принтеров.

ЛУЧШИЕ 3D-ПРИНТЕРЫ С ЛАЗЕРНЫМ ПОРОШКОВЫМ НАПЫЛЕНИЕМ

3D-принтеры с лазерным порошковым напылением бывают разных размеров и мощности. Здесь представлены «стартовые» решения от ведущих производителей, но многие компании также предлагают более крупные и многофункциональные машины, предназначенные для решения конкретных производственных задач и отраслевых сегментов.

При выборе 3D-принтера LPBF учитывайте следующее:

• Масштабируемость. Если вы перерастете машину начального уровня, есть ли возможность перейти на другой уровень?
• Скорость сборки: сколько кубических сантиметров в час может производить машина?
• Скорость лазерного сканирования: Это не единственный показатель скорости сборки, но он вносит свой вклад.
• Высота слоя и разрешение: Насколько детальными могут быть конечные детали?
• Потребление газа и электроэнергии: Некоторые машины потребляют больше, чем другие. Как это влияет на конечную стоимость?
• Расход материала: Машины с хорошей технологией подачи и просеивания порошка могут расходовать меньше порошка.
• Открытые или запатентованные материалы: Если вы вынуждены использовать материалы производителя принтера, это может повлиять на гибкость производства и затраты.

Farsoon FS273M

Компания Farsoon Technologies со штаб-квартирой в Чанша, Хунань, Китай, представила на мировом рынке для коммерческих заказов установку для аддитивного производства металлов FS273M — следующее поколение FS271M.

FS273M, машина для АМ с лазерным пучком и порошковым напылением (PBF-LB), разработана для решения проблем производительности, экономической эффективности и промышленного рабочего процесса в области АМ с металлом и имеет размеры 275 x 275 x 355 мм. Машина имеет множество обновлений, которые, как надеются, позволят оптимизировать рабочий процесс производства металлов с широким спектром промышленных металлических материалов.

Усовершенствованная стратегия двухлазерного сканирования и алгоритм калибровки обеспечивают повышение скорости создания объемов до двух раз по сравнению с однолазерной конфигурацией. Улучшенное управление коммуникационными сигналами и новая конструкция устройства повторного покрытия обеспечивают высокую скорость работы и стабильную подачу порошка в течение всего производственного процесса.

Кроме того, FS273M оснащен встроенной долговечной системой фильтрации, которая позволяет увеличить время работы для более длительного изготовления изделий и снизить затраты на замену фильтров. Такие функции, как предварительно нагретая опорная плита, надежные операции повторного покрытия, съемные переливные контейнеры и запас порошка, достаточный для полной сборки, обеспечивают простоту эксплуатации и хорошую ремонтопригодность.

MPrint+ для металла в один клик

 

Принтер: One Click Metal MPrint+

Объем сборки: 150 x 150 x 150 мм

Тип лазера: 200 Вт волоконный лазер

Материалы: Инструментальная сталь, нержавеющая сталь

Приблизительная цена: $55,000 — $60,000

One Click Metal — это ответвление от хорошо известного производителя принтеров Trumpf. Компания утверждает, что она производит доступную, простую в использовании систему металлической 3D-печати, идеально подходящую для компаний, только начинающих работать с LPBF. One Click Metal MPrint+ работает с картриджами, устраняя беспорядок с металлическим порошком, и предназначен для развертывания с меньшими требованиями к аксессуарам и пространству.

Он имеет объем сборки 150 x 150 x 150 и поставляется с программным обеспечением MPrep.

MPrint+ предназначен для работы в паре с MPure, которая представляет собой станцию распаковки «3 в 1» компании, которая обезжиривает детали, отсеивает порошок и выдает переработанный порошок для повторного использования. Система картриджей как принтера, так и станции депоудера обеспечивает простое и безопасное обращение с порошком, так что контакт с ним ограничен. С помощью бокового соединения для пылесоса вы можете эффективно удалить излишки порошка из камеры распаковки.

 

Xact Metal XM200G

 

Принтер: Xact Metal XM200G

Объем заготовки: 150 x 150 x 150 мм

Тип лазера: Одинарный или двойной 100 Вт, 200 Вт или 400 Вт Yb волоконный лазер

Материалы: Алюминий, нержавеющая сталь, кобальт-хром, никель, хастеллой, медь, бронза, титан,

Приблизительная цена: $90,000 — $100,000

Компания Xact Metal хочет донести 3D-печать до широкой аудитории с помощью своей гибкой серии XM200G, доступной с одной или двумя мощностями волоконного лазера.

XM200G основан на металлическом 3D-принтере Xact Metal XM200C. В него интегрирована высокопроизводительная гальванометрическая система для перемещения лазерного луча над слоем порошка. По словам компании, такая архитектура позволяет ускорить время печати и поддерживает несколько лазеров.

XM200G предназначен для клиентов, которые начинают свой путь в металлической 3D-печати в различных областях, включая разработку продукции, производство оснастки, исследование металлического порошкового слоя и развитие рабочей силы. Он предлагает возможность одновременного использования двух лазеров либо со 100% перекрытием рабочей области при размере пятна 100 мкм, либо с 66% перекрытием рабочей области при размере пятна 50 мкм. Эта многолазерная система еще больше увеличивает скорость печати.

XM300C предлагает больший объем заготовки (254 x 330 x 330 мм) и возможность выбора двух или четырех независимых мультилазеров. Он оснащен двумя камерами подачи, что сокращает время сборки и повышает производительность, сообщает компания.

3D Systems DMP Flex 100

 

Принтер: 3D Systems DMP Flex 100

Объем заготовки: 100 x 100 x 90 мм

Тип лазера: 100 Вт лазер

Материалы: Нержавеющие стали 316L и 17-4PH, кобальтовый хром

Приблизительная цена: $250,000

Металлический 3D-принтер начального уровня DMP Flex 100 от 3D System имеет объем сборки 100 x 100 x 90 мм и возможность печати деталей с наклоном до 20 градусов без опор. Тонкость поверхности до 5 микрон означает минимальную необходимость в последующей обработке. 3D Systems называет свою технологию прямой печатью металлом, где каждый слой наплавляется на предыдущий, создавая прочную и плотную деталь (до 99,9%).

100-ваттный волоконный лазер системы, хотя и менее мощный, чем у более крупных решений для металлической 3D-печати в линейке 3D System, достаточно мощный, чтобы работать с широким выбором библиотеки металлических порошков компании, включая различные сорта титана.

Предназначенный для нишевых применений, требующих тонкой детализации, DMP Flex 100 использует специальные газовые линии для достижения вакуума, необходимого для печати порошками 3D System, оптимизированными для аддитивного производства. Для этого требуется необходимая строительная инфраструктура.

Если вы готовы перейти от машин начального уровня, 3D Systems предлагает пять других, более крупных производственных установок, а также решение для сетевой фабрики.

 

Trumpf TruPrint 1000

Принтер: Trumpf TruPrint 1000

Объем заготовки: 100 × 100 × 100 мм

Тип лазер: 200 Вт волоконный лазер

Материалы: Нержавеющие стали, инструментальные стали, алюминий, никелевые сплавы, кобальт-хром, медь, титан, драгоценные металлы

Приблизительная цена: $180,000

Компания Trumpf, расположенная в Дитцингене, Германия, предлагает металлический 3D-принтер TruPrint 1000 для производства небольших промышленных деталей. Компактная машина с быстрой установкой обеспечивает высокую производительность и отличную детализацию, минимальная толщина слоя составляет 10 микрон. Компания Trumpf называет свою версию SLM лазерной обработкой металла.

Два 200-ваттных волоконных лазера принтера одновременно сканируют зону построения, что, по утверждению компании, позволяет увеличить производительность на 80% по сравнению с аналогичными машинами. Система контроля порошкового слоя анализирует каждый слой для обеспечения максимального качества детали. Наклонное повторное покрытие делает процесс нанесения порошка более быстрым, что еще больше увеличивает скорость производства и снижает стоимость деталей.

Уникальной особенностью является то, что TruPrint 1000 может обрабатывать аморфные металлы. Эти материалы позволяют производить детали с высокой эластичностью и коррозионной стойкостью, одновременно уменьшая толщину стенок. Это сокращает время производства и вес конечной детали.

В марте 2021 года компания Trumpf представила новую систему 3D-печати TruPrint 3000, которая использует лазерное плавление на основе порошкового слоя для производства металлических деталей диаметром до 300 миллиметров и высотой до 400 миллиметров. Машина может работать со всеми свариваемыми материалами, включая сталь, сплавы на основе никеля, титан и алюминий.

В ассортименте компании Trumpf есть еще семь металлических 3D-принтеров. TruPrint 1000 Green Edition оснащен зеленым лазером, что позволяет ему выполнять 3D-печать высокоотражающих материалов, таких как медь и ее сплавы. Другие машины в каталоге компании увеличивают мощность и производственные мощности для более крупносерийного применения. Установки лазерного осаждения металла компании Trumpf сочетают аддитивное производство с двух- и трехмерной резкой и сваркой.