Как работают 3D-принтеры по металлу

SLM или DMLS: в чем разница?

Селективное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металла (DMLS) — это два аддитивных производственных процесса, которые относятся к семейству 3D-печати с использованием метода нанесения слоя порошка.

У этих двух технологий много общего: обе они используют лазер для селективного плавления (или расплавления) частиц металлического порошка, связывания их вместе и создания рисунка слой за слоем. Кроме того, материалы, используемые в обоих процессах, представляют собой металлы в гранулированной форме.

Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса связывания частиц: SLM использует металлические порошки с одной температурой плавления и полностью расплавляет частицы, тогда как в DMLS порошок состоит из материалов с переменной температурой плавления.

Как происходит 3D печать металлом SLM  или DMLS.

1. Камера высокого давления сначала заполняется инертным газом (например, аргоном), чтобы свести к минимуму окисление металлического порошка. Затем он нагревается до оптимальной рабочей температуры.
2. На платформу наносится слой порошка, мощный лазер делает проходы по заданному в программе пути, сплавляя частицы металла и создавая следующий слой.
3. Когда процесс спекания завершен, платформа опускается на 1 слой. Затем наносится еще один тонкий слой металлического порошка. Процесс повторяется до тех пор, пока вся модель не будет напечатана.

Когда процесс печати завершен, металлический порошок уже имеет прочные связи в своей структуре. В отличие от процесса SLS, детали крепятся к платформе с помощью опорных конструкций. Опора в металлической 3D-печати изготавливается из того же материала, что и основная часть.

Это условие необходимо для уменьшения деформаций, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки.
Когда камера 3D-принтера остывает до комнатной температуры, излишки порошка удаляются вручную, например кистью. Затем детали обычно подвергаются термообработке, пока они еще прикреплены к платформе.

Это делается для снятия остаточных напряжений. Затем их можно обрабатывать дальше. Деталь снимается с платформы при помощи распиловки.

Схема работы 3D принтера по металлу.

В SLM и DMLS практически все параметры процесса устанавливаются производителем. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлом, варьируется от 20 до 50 микрон и зависит от свойств металлического порошка (текучесть, гранулометрический состав, форма и т д).

Базовый размер области печати на металлических 3D-принтерах составляет 200 х 150 х 150 мм, но бывают и большие размеры рабочей области. Точность печати от 50 до 100 микрон. По состоянию на 2020 год 3D-принтеры по металлу начинаются от $150 000. Например, наша компания предлагает 3D-принтеры по металлу от BLT.

Металлические 3D-принтеры можно использовать для мелкосерийного производства, но возможности 3D-печати таких систем больше похожи на массовое производство на FDM- или SLA-машинах.

Металлический порошок в SLM и DMLS пригоден для вторичной переработки: обычно расходуется менее 5%. После каждого оттиска неиспользованный порошок собирают и просеивают, а затем досыпают свежий материал до уровня, необходимого для следующего производства.

Отходами в печати по металлу являются саппорты (опорные конструкции, без которых добиться успешного результата не получится). При слишком большой поддержке изготовленных деталей затраты на все производство соответственно возрастут.

Адгезия между слоями.

Металлические детали SLM и DMLS имеют почти изотропные механические и термические свойства. Они твердые и имеют очень небольшую внутреннюю пористость (менее 0,2% в состоянии 3D-печати и практически отсутствуют после обработки).

Металлические печатные детали обладают более высокой прочностью и твердостью и часто более гибки, чем традиционные детали. Однако такой металл быстрее «устает».

Читайте также: 3D-принтер: что это такое и как он работает?

Структура поддержки 3D модели и ориентация детали на рабочей платформе.

При печати металлом всегда требуются опорные конструкции из-за очень высоких температур обработки. Обычно они строятся по сетке.
Опоры в 3D-печати металлом выполняют 3 функции:
• Они составляют основу для создания первого слоя детали.
• Фиксируют деталь на платформе и предотвращают ее деформацию.
• Они действуют как теплоотвод, отводящий тепло от модели.

Детали часто ориентированы под углом. Однако это увеличит объем требуемой поддержки, время печати и, в конечном счете, общую стоимость.

Деформацию также можно свести к минимуму с помощью шаблонов для лазерного спекания. Эта стратегия предотвращает накопление остаточных напряжений в определенном направлении и придает детали характерную текстуру поверхности.

Поскольку стоимость печати металлом очень высока, часто используются программные симуляторы, чтобы предсказать, как деталь поведет себя во время обработки. В остальном эти алгоритмы оптимизации топологии используются не только для повышения механических характеристик и создания облегченных деталей, но и для сведения к минимуму потребности в опорах и вероятности деформации детали.

Полые секции и легкие конструкции.

В отличие от процессов плавления полимерного порошка, таких как SLS, большие полые секции обычно не используются в металлической печати, так как подложку будет очень трудно удалить, если это вообще возможно.

Для внутренних воздуховодов больше Ø 8 мм рекомендуется использовать ромбовидные или каплевидные сечения вместо круглых, так как они не требуют сооружения опор. Более подробные рекомендации по проектированию SLM и DMLS можно найти в других статьях на эту тему.

В качестве альтернативы полым профилям детали могут быть изготовлены с оболочкой и сердцевиной, которые, в свою очередь, обрабатываются с использованием различной мощности лазера и скорости перемещения, что приводит к различным свойствам материала.

Использование оболочки и стержня очень полезно при изготовлении деталей с большими сплошными сечениями, так как значительно сокращает время печати и снижает вероятность коробления.

Использование решетчатой ​​структуры является распространенной стратегией в 3D-печати металлом для уменьшения веса детали. Алгоритмы оптимизации топологии также могут помочь в разработке органических облегченных форм.

Расходные материалы для 3D печати металлом.

Технологии SLM и DMLS позволяют производить детали из широкого спектра металлов и металлических сплавов, включая алюминий, нержавеющую сталь, титан, кобальт, хром и инконель.

Эти материалы удовлетворяют потребности большинства промышленных применений, от аэрокосмической до медицинской. Драгоценные металлы, такие как золото, платина, палладий и серебро, также могут быть обработаны, но их использование носит второстепенный характер и в основном ограничивается изготовлением ювелирных изделий.

Стоимость металлического порошка очень высока. Например, килограмм порошка из нержавеющей стали 316 стоит около 350-450 долларов. По этой причине минимизация объема деталей и потребности в опорах является ключом к поддержанию оптимальных производственных затрат.

Основным преимуществом 3D-печати металлом является его совместимость с высокопрочными материалами, такими как никелевые или кобальт-хромовые суперсплавы, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами.

Значительная экономия средств и времени может быть достигнута за счет использования 3D-печати металлом для создания почти чистой детали пресс-формы. Такая деталь затем может быть обработана до очень высокого качества поверхности.

Постобработка металла.

Для улучшения механических свойств, точности и внешнего вида металлических полиграфических изделий используются различные методы обработки инкрустации.

К обязательным этапам отделки относится удаление рыхлого порошка и опорных структур, а термическая обработка (термический отжиг) обычно используется для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств детали.

Обработка с ЧПУ может использоваться для критически важных элементов (таких как отверстия или резьба). Пескоструйная обработка, нанесение покрытия, полировка и микрообработка могут улучшить качество поверхности и усталостную прочность металлической печатной детали.

Преимущества и недостатки металлической 3D печати.

Преимущества:

1. Металлическая 3D-печать может использоваться для изготовления сложных нестандартных деталей с геометрией, которую не могут обеспечить традиционные методы производства.
2. Металлические 3D-печатные детали можно оптимизировать для повышения производительности при минимальном весе.
3. Металлические 3D-печатные детали обладают отличными физическими свойствами, металлические 3D-принтеры могут печатать из широкого спектра металлов и сплавов. Включает труднообрабатываемые материалы и металлические суперсплавы.

Минусы:

1. Производственные затраты, связанные с 3D-печатью металла, высоки. Стоимость расходных материалов от 500 долларов за 1 кг.
2. Размер рабочей области в металлических 3D-принтерах ограничен.