Меню Рубрики

Установка лазерного спекания металлических порошков

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Технология DMLS

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) – технология аддитивного производства металлических изделий, разработанная компанией EOS из Мюнхена. DMLS зачастую путают со схожими технологиями выборочного лазерного спекания («Selective Laser Sintering» или SLS) и выборочной лазерной плавки («Selective Laser Melting» или SLM).

Процесс включает использование трехмерных моделей в формате STL в качестве чертежей для построения физических моделей. Трехмерная модель подлежит цифровой обработке для виртуального разделения на тонкие слои с толщиной, соответствующей толщине слоев, наносимых печатным устройством. Готовый «построечный» файл используется как набор чертежей во время печати. В качестве нагревательного элемента для спекания металлического порошка используются оптоволоконные лазеры относительно высокой мощности – порядка 200Вт. Некоторые устройства используют более мощные лазеры с повышенной скоростью сканирования (т.е. передвижения лазерного луча) для более высокой производительности. Как вариант, возможно повышение производительности за счет использования нескольких лазеров.

DMLS позволяет создавать цельные металлические детали сложной геометрической формы

Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал из камеры, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения вычерчивания слоя, процесс повторяется: валик подает свежий материал и лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати – в среднем около 20 микрон. Для сравнения, типичная толщина слоя в любительских и бытовых принтерах, использующих технологию FDM/FFF, составляет порядка 100 микрон.

Другой интересной особенностью процесса является отсутствие необходимости построения опор для нависающих элементов конструкции. Неспеченный порошок не удаляется во время печати, а остается в рабочей камере. Таким образом, каждый последующий слой имеет опорную поверхность. Кроме того, неизрасходованный материал может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован заново. DMLS производство можно считать фактически безотходным, что немаловажно при использовании дорогих материалов – например, драгоценных металлов.

Технология практически не имеет ограничений по геометрической сложности построения, а высокая точность исполнения минимизирует необходимость механической обработки напечатанных изделий.

Преимущества и недостатки

Технология DMLS обладает несколькими достоинствами по сравнению с традиционными производственными методами. Наиболее очевидным является возможность быстрого производства геометрически сложных деталей без необходимости механической обработки (т.н. «субтрактивных» методов – фрезеровки, сверления и пр.). Производство практически безотходно, что выгодно отличает DMLS от субтрактивных технологий. Технология позволяет создавать несколько моделей одновременно с ограничением лишь по размеру рабочей камеры. Построение моделей занимает порядка несколько часов, что несоизмеримо более выгодно, чем литейный процесс, который может занимать до нескольких месяцев с учетом полного производственного цикла. С другой стороны, детали, произведенные лазерным спеканием, не обладают монолитностью, а потому не достигают тех же показателей прочности, что и отлитые образцы, или детали, произведенные субтрактивными методами.

На данный момент установки DMLS применяются только в профессиональной среде из-за высокой стоимости

DMLS активно используется в промышленности ввиду возможности построения внутренних структур цельных деталей, недоступных по сложности традиционным методам производства. Детали с комплексной геометрией могут быть выполнены целиком, а не из составных частей, что благоприятно влияет на качество и стоимость изделий. Так как DMLS не требует специальных инструментов (например, литейных форм) и не производит большого количества отходов (как в случае с субтрактивными методами), производство мелкосерийных партий с помощью этой технологии намного выгодней, чем за счет традиционных методов.

Применение

Технология DMLS применяется для производства готовых изделий малого и среднего размера в различных отраслях, включая аэрокосмическую, стоматологическую, медицинскую и др. Типичный размер области построения существующих установок составляет 250х250х250мм, хотя технологических ограничений на размер не существует – это лишь вопрос стоимости устройства. DMLS используется для быстрого прототипирования, снижая время разработки новых продуктов, а также в производстве, позволяя сокращать себестоимость мелких партий и упрощать сборку изделий сложной геометрической формы.

Фотографии деталей ракетного двигателя Super Draco, опубликованные основателем компании Space X Илоном Маском

Северо-западный политехнический университет Китая использует DMLS системы для производства элементов конструкции самолетов. Исследования, проведенные EADS, также указывают на снижение себестоимости и отходов при использовании технологии DMLS для производства сложных конструкций в единичных экземплярах или мелкими партиями.

5 сентября 2013 года Илон Маск опубликовал фотографии детали ракетного двигателя Super Draco, созданной из никель-хромового жаропрочного сплава Inconel с помощью принтера EOS.

Материалы

В качестве расходных материалов могут использоваться практически любые металлы и сплавы в порошковой форме. На сегодняшний день успешно применяется нержавеющая сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан и прочие материалы.

источник

3D-принтеры по металлу, технологии и стоимость

В этом подробном гиде мы рассмотрим основные принципы технологий 3D-печати металлами, расскажем о разнице между ними и приведем примеры применения. Прочитав эту статью, вы узнаете об их преимуществах и ограничениях. Читайте статью и смотрите видео о 3D-печати металлами.

Читайте также:  Установка газоанализаторов в аккумуляторной

SLM & DMLS: в чем разница

Выборочное лазерное плавление (SLM) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS) являются двумя процессами аддитивного производства, которые относятся к семейству трехмерной печати порошковым слоем. Эти две технологии имеют много общих черт: обе используют лазер для спекания или выборочного плавления частиц металлического порошка, связывая их вместе и создавая слои изделия, один за другим.

Различия между SLM и DMLS сводятся к основам процесса склеивания частиц (а также к патентам): в SLM лазер расплавляет металлический порошок, а в DMLS частицы порошка нагреваются меньше и спекаются между собой, не переходя в жидкую фазу.

Основное отличие DMLS от традиционных технологий производства металлических деталей в том, что DMLS-принтер создает объекты без остаточных внутренних напряжений, которые могут снижать качество металлических компонентов изготовленных литьем и штамповкой. Это важно для деталей производимых для автомобильной и аэрокосмической отрасли, так как они должны выдерживать высокие нагрузки.

В SLM лазер расплавляет каждый слой металлического порошка, и перепады температур могут приводить к возникновению внутренних напряжений в детали, что потенциально может сказаться на ее качестве, хоть и в меньшей степени чем, например, при литье. В этом вопросе преимущество SLM перед традиционными технологиями меньше, чем преимущество DMLS. С другой стороны, спеченные по технологии DMLS детали уступают в монолитности и запасе прочности деталям напечатанным по методу SLM.

Технологии похожи до степени смешения, как по принципу действия, так и по используемым техническим решениям, потому некоторые 3D-принтеры способны печатать по обеим методикам.

Обе технологии, SLM и DMLS, используются в промышленности для создания деталей для различных областей машиностроения. В этой статье мы используем термин «3D-печать металлами» для обозначения обоих процессов в целом, и описываем их основные механизмы, что поможет инженерам и дизайнерам в понимании преимуществ и ограничений технологии.

Расскажем и о других технологиях 3D-печати металлами, менее распространенных, таких как электронно-лучевое плавление (EBM) и ультразвуковое аддитивное производство (UAM).

Более подробно о методе SLM Вы можете прочитать в нашей статье.

Как работает 3D-печать металлами

Процессы изготовления деталей по технологиям SLM и DMLS очень схожи.
Основные этапы:

Камеру построения сначала заполняют инертным газом (например, аргоном) для минимизации окисления металлического порошка, а затем нагревают до оптимальной температуры производства.

Тонкий слой металлического порошка распределяется по платформе построения, а высокомощный лазер сканирует поперечное сечение компонента, плавя или спекая вместе металлические частицы и создавая следующий слой. Вся область модели подвергается обработке, поэтому деталь сразу твердая.

После завершения формирования слоя, платформа построения опускается на толщину слоя и рекоутер наносит следующий слой порошка. Процесс повторяется до завершения всей детали.

Когда процесс печати завершается, детали полностью находятся в металлическом порошке. В отличие от процесса спекания полимерного порошкового слоя (такого как SLS), детали прикрепляются к платформе построения с помощью области поддержки. Области поддержки строятся с использованием того же материала, что и деталь, их необходимо использовать для избегания деформации и искажений, которые могут возникнуть из-за высоких температур обработки.

Когда камера построения остывает до комнатной температуры, неизрасходованный порошок вручную удаляется, а детали обычно подвергаются дополнительной термической обработке для снятия остаточных напряжений, затем удаляют поддержки. Детали отделяются от платформы построения и готовы к использованию или последующей обработке.

Характеристики SLM & DMLS

Параметры принтера

В SLM и DMLS почти все параметры процесса устанавливаются производителем принтера. Высота слоя, используемого в 3D-печати металлами, колеблется обычно от 20 до 50 микрон и зависит от свойств материала.

Стандартная область 3D-печати металлами варьируется около 250 x 150 x 150 мм, доступны принтеры и с большей областью печати, около 500 x 280 x 360 мм. Точность размеров, которую может достичь 3D-принтер для печати металлами, составляет приблизительно ± 0,1 мм.

Металлический порошок в SLM и DMLS используются повторно: обычно менее 5% уходит в отходы. После каждой печати неиспользованный порошок собирают, просеивают и затем смешивают с новым материалом, до состава необходимого для следующей печати.
В отходы идут, в основном, поддержки.

Небольшое серийное производство рамы велосипеда с использованием SLM. Предоставлено: Renishaw и Empire Cycles.

Адгезия между слоями

Металлические детали, изготовленные методами SLM и DMLS, имеют почти изотропные механические и термические свойства. Они твердые, с очень небольшой внутренней пористостью (менее 0,2-0,5%).

Металлические 3D-печатные детали имеют более высокую прочность и твердость и часто более гибкие, чем детали, изготовленные традиционным способом. Однако они более склонны к усталости.

Например, посмотрите в таблице ниже на механические свойства 3D-печатного сплава AlSi10Mg EOS и литого сплава A360. Эти два материала имеют очень похожий химический состав, с высоким содержанием кремния и магния. 3D-печатные детали имеют превосходные механические свойства и более высокую твердость по сравнению с литым материалом.

Читайте также:  Установка радиатора гур на волгу

Из-за гранулированной формы порошка, шероховатость поверхности (Ra) металлической 3D-печатной детали составляет примерно 6-10 мкм. Эта относительно высокая шероховатость поверхности может частично объяснить более низкую усталостную прочность сплава.

Сравнение механических свойств отдельных разновидностей 3D-печатных и литых деталей:

AlSi10Mg (3D-печатный сплав)

Предел текучести (деформация на 0,2%)

Область поддержки и ориентация деталей

Области поддержки при 3D-печати металлами требуются всегда, из-за очень высокой температуры обработки, и они обычно строятся с использованием решетчатой ​​структуры.

Область поддержки в 3D-печати металлами выполняет три функции:

Обеспечивает подходящую платформу для следующего слоя;

Прикрепляет деталь к платформе построения и предотвращает ее деформацию;

Отводит тепло от детали и позволяет ей остывать с контролируемой скоростью.

Детали часто ориентированы под углом, чтобы минимизировать вероятность деформации и максимизировать прочность в критических направлениях. Однако это увеличивает объем необходимой области поддержки, время печати, количество материала и общую стоимость.

Деформация также может быть сведена к минимуму с использованием бессистемных/случайных шаблонов сканирования, т.е. последовательности прохода лазером участков слоя. Эта стратегия сканирования предотвращает накопление остаточных напряжений в каком-либо конкретном направлении.

Поскольку стоимость 3D-печати металлами очень высока, часто используются симуляции, для прогнозирования поведения детали во время печати. Алгоритмы непрерывной оптимизации также используются не только для максимизации механических характеристик и создания легких деталей, но и для минимизации необходимой области поддержки и вероятности деформации.

Кронштейн перед снятием с области поддержки, ориентированной под углом 45 °. Предоставлено: Concept Laser.

Полые секции и облегченные конструкции

В отличие от процессов спекания полимерных порошковых слоев, таких как в SLS, большие полые секции обычно не используются в 3D-печати металлами, так как области поддержки нельзя легко удалить.

В качестве альтернативы полым сечениям, детали могут быть спроектированы с оболочкой и ядром. Оболочка и ядро обрабатываются с использованием различной мощности лазера и скорости сканирования, что приводит к различным свойствам областей детали. Использование оболочки и ядра очень полезно при изготовлении деталей с большим сплошным сечением, поскольку оно значительно сокращает время печати и вероятность деформации, а также гарантирует производство деталей с высокой стабильностью и отличным качеством поверхности.

Использование решетчатой ​​структуры также является общей стратегией в 3D-печати металлами, для уменьшения массы детали. Алгоритмы оптимизации топологии также могут помочь в разработке органически легкой формы.

Удаление порошка вокруг деталей, изготовленных методом 3D-печати SLM:

Расходные материалы для SLM и DMLS

SLM и DMLS могут производить детали из большого количества металлов и металлических сплавов, включая алюминий, нержавеющую сталь, титан, кобальтовый хром и инконель. Эти материалы охватывают потребности большинства промышленных применений, от аэрокосмической до медицинской. Драгоценные металлы, такие как золото, платина, палладий и серебро также могут быть использованы, но их применение ограничено, в основном, изготовлением ювелирных изделий.

Стоимость металлического порошка очень высока. Например, килограмм порошка из нержавеющей стали 316L стоит примерно 350 — 450 долларов. По этой причине минимизация объема детали и области поддержки являются ключом к тому, чтобы максимально снизить затраты.

Основным преимуществом 3D-печати металлами является ее способность печатать высокопрочными материалами, такими как никелевые или кобальт-хромовые суперсплавы, которые очень трудно обрабатывать традиционными методами производства. Значительную экономию средств и времени можно получить, используя 3D-печать металлами для создания деталей с почти чистой поверхностью, которая впоследствии может быть финально обработана традиционными способами.

● Хорошие механические и термические свойства

Нержавеющая сталь и инструментальная сталь

● Хорошая пластичность и свариваемость

● Отличное соотношение прочности и веса

● Низкое тепловое расширение

Суперсплавы из кобальта-хрома

● Отличная стойкость к износу и коррозии

● Отличные свойства при повышенных температурах

Никелевые суперсплавы (Инконель)

● Отличные механические свойства

● Высокая коррозионная стойкость

● Используются в экстремальных условиях

● Используются в ювелирной промышленности

● Не имеют широкого распространения

Другие технологии

Осаждение материала путем направленного энергетического воздействия (Directed Energy Deposition)

Можно подумать, что среди технологий печатью металлом отсутствует похожая на обычную FDM, однако, это не совсем так. Вы не сможете плавить металлическую нить в своем настольном 3D-принтере, а вот крупные производители владеют такой технологией и пользуются ею. Есть два основных способа печатать цельнометаллическим материалом.

Один из них называется Directed Energy Deposition (DED) или лазерное наплавление (LMD). Он использует лазерный луч для сплавления металлического порошка, который медленно высвобождается и осаждается из экструдера, формируя слои объекта с помощью промышленного манипулятора.

Обычно это делается внутри закрытой камеры, однако, на примере компании MX3D, мы видим возможность реализации подобной технологии в сооружении настоящего полноразмерного моста, который был изготовлен в октябре 2018 года в Амстердаме.

Читайте также:  Установка пингвин и дельфинов

Изображение моста из металла, напечатанного MX3D в Амстредаме.

Еще одна технология наплавления называется Electron Beam Additive Manufacturing (EBАM), это процесс формирования слоев очень мощным электронным лучом, с его помощью расплавляют титановую проволоку толщиной 3 мм и создают крупные конструкции.

Послойное нанесение связующего материала (Binder Jetting)

Изображение работы принтера ExOne:

Технология 3DP от ExOne — еще один профессиональный метод с послойным соединением. Слои образуются путем склеивания металлических частиц и их последующего спекания (или плавления) в высокотемпературной печи, как и при производстве керамических изделий.

Еще один метод, похожий на технологию производства керамики, замешивание металлического порошка в металлическую пасту. 3D-принтер выдавливает ее с помощью пневматической экструзии, подобно тому, как строительный 3D-принтер делает это с бетоном, чтобы сформировать 3D-объекты. После того, как нужная форма напечатана, объекты также спекают в печи.

Постобработка

Различные методы последующей обработки используются для улучшения механических свойств, точности и внешнего вида 3D-печатных деталей.

Обязательные этапы последующей обработки включают удаление остатков порошка и области поддержки, в то время как термообработка (термический отжиг) обычно используется для снятия остаточных напряжений и улучшения механических свойств детали.

Обработка на станках с ЧПУ может быть использована для получения сложных геометрических форм (например, отверстий или резьбы). Обработка давлением, металлизация, полировка и микро-обработка могут улучшить качество поверхности и усталостную прочность металлической 3D-печатной детали.

Спутниковая антенна, изготовленная с помощью технологии DMLS. Предоставлено: Concept Laser and Optisys LLC.

3D-принтеры для печати металлами:

Markforged

Markforged — еще одна компания 3D-печати, которая фокусируется на том, чтобы сделать эту недоступную технологию более открытой для масс.

Markforged Metal X — это 3D-принтер для печати металлами, который предлагает комплексное производственное решение. Компания заявляет, что ее 3D-принтер для печати металлами в десять раз дешевле, чем альтернативные 3D-системы печати металлами, что означает — менее 100 000 долларов.

Metal X имеет размер камеры 250 x 220 x 200 и высоту слоя 50 микрон. Подобно Desktop Studio Studio, этот 3D-принтер для печати металлами работает, расплавляя металлический порошок, который покрыт синтетическим связующим веществом, которое удаляется после печати, позволяя металлу соединиться в единое целое.

На веб-сайте компании Markforged демонстрирует различные типы металлических деталей, которые могут быть напечатаны в формате 3D, а также рассказывает о том, как пользователи могут сэкономить в производстве, используя собственную 3D-печать металлами.

Характеристики Markforged Metal X:

Температура в области печати

ADAM (Atomic Diffusion Additive Manufacturing)

нержавеющая сталь 17-4 и 316L, алюминий 6061 и 7075, В 625, инструментальная сталь A-2 и D-2, титан Ti-6Al-4V,

по запросу, поставляется под заказ

HP Metal Jet

Примеры изделий, напечатанные на принтере HP Metal Jet printer

Еще одна компания, которая осваивает 3D-печать металлами — HP. На международной выставке IMTS 2018 технологический гигант представил HP Metal Jet, печатающий по технологии похожей на Binder Jetting.

HP утверждает, что новая аддитивная система обеспечит пользователям в 50 раз большую производительность по значительно меньшей цене, по сравнению с другими методами 3D-печати.

Подобно технологии HP Multi Jet Fusion, HP Metal Jet использует послойное соединение с нанесением соединительного раствора на порошковую подложку, как обычный принтер на листы бумаги, после чего изделие отправляется в обжиг. Metal Jet предлагает область печати 430 x 320 x 200 мм, в четыре раза больше сопел и в два раза больше печатающих головок. Эта система будет использовать значительно меньшее количество соединительного раствора, обеспечивая при этом исключительную производительность и надежность. HP также сотрудничает с GKN Powder Metallurgy и Parmatech, предлагая свои услуги производства Metal Jet. Это позволит предприятиям заказывать промышленные металлические детали без необходимости закупать оборудование.

HP Metal Jet использует и развивает разработки HP для 3D-печати пластиком в применении к металлу. Использование точной системы нанесения связующего вещества HP Thermal Inkjet, вместе с применением стандартных металлических порошков (используемых обычно литья под давлением), обеспечивают низкую стоимость.

HP Metal Jet — технология струйной обработки, которая предлагает:

  • Область печати 430 x 320 x 200 мм позволяет печатать несколько деталей за один сеанс (либо деталь большого размера).
  • Детали могут быть свободно размещены в нескольких уровнях в порошковом слое, с целью оптимизации использования пространства рабочей камеры, увеличения производительности и уменьшения стоимости производства.
  • Не требуется рабочая плита, по сравнению с селективной лазерной плавкой (SLM).
  • Недорогие и высококачественные конечные детали, при производства партиями до 100 000.
  • Лучшее в своем классе отношение цены к производительности.
  • 1200 x 1200 точек на дюйм в слое толщиной от 50 до 100 микрон.
  • Готовые детали с изотропными свойствами, которые соответствуют или превосходят стандарты ASTM и MPIF.
  • Повторное использование материалов может снизить стоимость печати без ущерба для качества деталей.
  • Плотность после спекания > 93%, аналогичная MIM.

источник