Ko pravi slm na metalu. SLM tehnologija je sastavni dio Tvornice budućnosti

Nastavljamo da razmatramo postojeće tehnologije 3D štampanja i njihove karakteristike. Sledeće na redu su sledeće metode 3D štampanja:

Direktno lasersko sinteriranje metala (DMLS)

Umjesto DMLS (Direct Metal Laser Sintering), možete vidjeti i naziv SLM (Selective Laser Melting). Ova tehnologija svoje drugo ime duguje njemačkoj kompaniji EOS. Kompanija je jedan od lidera u izradi prototipa sloj po sloj. Nedavno smo pisali o njihovom najnovijem razvoju - mikrolaserskom sinterovanju ().

Glavni potrošači tehnologije su oblasti medicine, mikroelektronske industrije i djelimično.

Kada se proizvode pomoću DMLS tehnologije, proizvodi imaju impresivnu debljinu sloja od 1 - 5 nm sa maksimalnom veličinom proizvoda od 60 mm u prečniku i 30 mm u visini.
Proces proizvodnje proizvoda zasniva se na protoku taline-veziva u šupljine između čestica praha pod dejstvom kapilarnih sila. Da bi se poboljšao proces tečenja, mešavini praha se dodaju jedinjenja sa fosforom, čime se smanjuje površinski napon, viskozitet i stepen oksidacije taline. Čestice vezivnog praha su uglavnom manje veličine od čestica osnovnog praha. Ovo pomaže da se poveća nasipna gustina praškaste mješavine i ubrza proces formiranja taline.

Do danas postoje sljedeći materijali za 3D štampanje pomoću DMLS tehnologije:

• DirectMetal 20 (metalni prah na bazi bronze)
• EOS StainlessSteel GP1 (Nerđajući čelik, sličan evropskom 1.4542)
• EOS MaragingSteel MS1 (Maraging Steel)
• EOS CobaltChrome MP1 (super legura kobalt-hrom-molibden)
• EOS CobaltChrome SP2
• EOS Titanium Ti64 / Ti64ELI (Legura titana)
• EOS NickelAlloy IN625 (Legura nikla)
• EOS NickelAlloy IN718 (Legura nikla)
• EOS aluminijum AlSi10Mg (legura aluminijuma)

Topljenje elektronskih zraka (EBM)

Metoda topljenja elektronskih zraka nastala je unutar zidova avio-svemirske industrije. Nakon toga je počeo da osvaja i civilnu sferu. Početni materijal u proizvodnji je metalni prah. Obično su to legure titana.

Proizvodnja proizvoda odvija se na sljedeći način: potrebna količina praha se sipa u vakuumsku komoru, zatim kontrolirani tok elektrona "zaobilazi" konturu modela sloj po sloj i topi prah na tim mjestima. Ovo rezultira snažnom strukturom. Zbog prisustva vakuuma i ukupne visoke temperature, konačni proizvod dobiva čvrstoću sličnu čvrstoći kovanih legura.

U poređenju sa DMLS i SLS tehnologijom, topljenje elektronskim snopom ne zahteva naknadnu toplotnu obradu da bi se postigla visoka čvrstoća. Takođe, ova metoda je brža i preciznija zbog velike gustine energije elektronskog snopa.

Lider u ovoj oblasti je švedska kompanija Arcam.

Selektivno lasersko topljenje (SLM)

SLM tehnologija je slična SLS-u, čak su i zbunjeni, jer. a tu i tamo se koristi metalni prah i laser. Ali ove tehnologije imaju kardinalne razlike. U SLS metodi, čestice praha se sinteruju zajedno, dok se u SLM metodi, čestice metalnog praha tope, a zatim zavare zajedno da formiraju čvrsti okvir.

Proces izrade modela sličan je SLS tehnologiji. Ovdje se također sloj metalnog praha nanosi na radnu površinu i ravnomjerno namota preko njega. Ovaj rad se izvodi valjkom ili četkom. Visina svakog sloja odgovara datom obliku proizvoda. Ceo proces se odvija u zatvorenoj komori sa inertnim gasom. Laser velike snage fokusira se na topljenje metalnih čestica i njihovo zavarivanje. Proizvod se dobija slično FDM tehnologiji, spoljni i unutrašnji zidovi su čvrsti, zavareni zid, a prostor između zidova je ispunjen prema šablonu.

SLM tehnologija koristi različite metale i legure. Glavni zahtjev je da kada se zgnječe do stanja čestica, moraju imati određene karakteristike tečenja. Na primjer, koriste se materijali kao što su nehrđajući čelik, alatni čelik, legure hroma i kobalta, titanijum i aluminij.

Metoda se koristi tamo gdje je potrebno imati dio minimalne težine, a da pri tome zadrži svoje karakteristike.

Tehnologiju je patentirao Stratasys. U poređenju sa ostalim tehnologijama 3d štampe, PolyJet je jedini koji vam omogućava da napravite model od različitih materijala. Ovo se postiže upotrebom jedinstvene tehnologije za unos više materijala u jednom prolazu za ispis. Ovo vam omogućava da selektivno postavite različite materijale unutar istog proizvoda ili kombinujete dva materijala, čime se dobijaju kompozitni digitalni materijali sa karakterističnim predvidljivim svojstvima.

Proces PolyJet štampanja sličan je konvencionalnom inkjet štampi. Umjesto nanošenja mastila na papir, 3D štampači emituju mlazove tečnog fotopolimera, koji formira slojeve u radnom području i fiksira se ultraljubičastim zračenjem. Stvrdnuti proizvodi mogu se odmah uzeti i koristiti, jer. nije potrebno dodatno naknadno očvršćavanje, kao na primjer u SLA tehnologiji.

Jer Štampanje se vrši u slojevima, delovi koji se nalaze iznad zahtevaju potporni materijal. Za to se koristi pomoćni materijal sličan gelu, koji se lako uklanja vodom ili ručno.

Tehnologija vam omogućava da kreirate proizvode visoke preciznosti. A zahvaljujući kombinaciji različitih materijala, prototip se dobija što je moguće bliže konačnom proizvodu po karakteristikama.

Tehnologije 3D štampanja o kojima se govori u dva dijela članka nisu jedine, već najčešće. U sljedećem članku ćemo razmotriti materijale koji se koriste u ovim tehnologijama, njihove razlike i karakteristike.

3D štampa na metalu - aditivna proizvodnja metalnih proizvoda, što je s pravom jedno od najperspektivnijih i najbrže razvijajućih područja u 3D štampi kao takvoj. Sama tehnologija proizlazi iz konvencionalnog sinterovanja materijala koji se koriste u metalurgiji praha. Ali sada je postalo savršenije, preciznije i brže. I danas vam SPRINT3D nudi metalna štampa na 3D štampač po zaista povoljnim uslovima. Ali prvo, malo informacija o samom proizvodnom procesu i njegovim mogućnostima.

Tehnologija selektivne laserske fuzije

SLM ili tehnologija selektivne fuzije je vrsta direktnog metalnog štampe koja postiže gustinu od 99,5%. Razlika je posebno uočljiva u poređenju sa modelima dobijenim konvencionalnim livenjem. Ovaj pokazatelj je postignut zahvaljujući uvođenju najnovijih tehnologija u hardverskom dijelu:

• Upotreba specijalnih valjaka za sabijanje praha i, kao rezultat, mogućnost upotrebe praha veličine čestica od 5 mikrona.
• Povećanje nasipne gustine, doprinoseći sabijanju finalnih proizvoda.
• Stvaranje razrijeđene atmosfere inertnih plinova, pri kojoj se postiže maksimalna čistoća materijala, nema oksidacije, a eliminišu se rizici od ulaska stranih hemijskih jedinjenja u sastav.

Ali što je najvažnije, moderno 3 D metalni štampač omogućava vam da lako odaberete individualnu konfiguraciju za štampu sa određenim metalnim prahom. Tako, čak i uz jeftin materijal, možete dobiti prvoklasne rezultate. Ali samo ako koristite modernu opremu visokog kvaliteta. A evo i mi smo spremni da vas iznenadimo!

3D štampa metala IN SPRINT 3D

Postavke za 3 D štampanje metala, koje koristimo

Kvalitet proizvodnje je ključni zahtjev koji sami sebi postavljamo. Stoga u svom radu koristimo samo profesionalnu opremu sa širokim mogućnostima za metalnu štampu. Pogledajmo pobliže svaku od proizvodnih jedinica.

Proizvodni pogon SLM 280HL

SLM 280HL je razvoj njemačke kompanije SLM Solutions GmbH, koja koristi tehnologiju sloj-po-slojnog laserskog topljenja metalnih materijala u prahu. Instalacija je opremljena velikom radnom komorom i omogućava kreiranje 3D objekata dimenzija 280x280x350 mm. Među glavnim prednostima štampe sa ovom instalacijom su:

• Mala minimalna debljina nanesenog sloja - 20 mikrona.
• Punjenje radne komore inertnim plinom, što vam omogućava rad s različitim reaktivnim metalima.
• Brzina štampe je do 35 cm/sat.
• Debljina građevinskog sloja je 30 i 50 mikrona.
• Snaga - 400 vati.

Posebno izdvajamo patentirani sistem opskrbe praškastim materijalom, zahvaljujući kojem je brzina ispisa znatno veća nego na većini proizvodnih pogona u istoj cjenovnoj kategoriji. U proizvodnji koristimo sljedeće materijale:

• Nerđajući čelik (domaći 07X18H12M2 (Polema) i uvozni 316L).
• Alatni čelik (uvezen 1.2709).
• Legure otporne na toplinu 08KhN53BMTYu (slično Inconel 718, proizvođača Polem) i EP 741 (proizvodnja VILS).
• kobalt-hrom (COCR)

3D štampač SLM 280HL može se koristiti za kreiranje svih vrsta metalnih komponenti, prototipova i krajnjih proizvoda. Po potrebi možemo obezbijediti proizvodnju u malom obimu.

Proizvodni pogon ProX 100

ProX 100 je kompaktna jedinica za 3 D štampanje metala, koju je razvila američka kompanija 3D Systems. Koristi tehnologiju direktnog laserskog sinterovanja, što osigurava veliku brzinu i preciznost proizvodnje. Među glavnim karakteristikama vrijedi istaknuti:

• Veličina radne komore je 100x100x80 mm.
• Debljina konstrukcijskog sloja je 20 i 30 µm.
• Snaga - 50 vati.

ProX 100 vam omogućava da kreirate prototipove koji se ne mogu razviti standardnim metodama, obezbeđuje kratko vreme isporuke, garantuje odsustvo poroznosti materijala i veliku gustinu delova. Osim toga, bilježimo standardizirani kvalitet svih proizvoda, bez obzira na njihovu strukturu. Trenutno se model aktivno koristi u stomatologiji pri izradi visoko preciznih proteza, ali je pronašao široku primjenu u drugim industrijama:

• Proizvodnja motora i njihovih pojedinačnih dijelova.
• Razvoj medicinske opreme.
• Štampanje nakita, pa čak i savremene umjetnosti.

U štampi koristimo leguru kobalt-hrom KX28M6 (proizvođač Polem), originalno razvijenu za aditivne tehnologije pri izradi endoproteza.

3D štampa metala- trenutna aplikacija

Mnogi stručnjaci tvrde da 3D štampa kao takva još uvijek nije u potpunosti otkrila svoj potencijal. Na primjer, Elon Musk planira koristiti tehnologiju u kolonizaciji Marsa za izgradnju administrativnih i stambenih zgrada, opreme i mašina na licu mjesta. I to je sasvim realno, jer se već sada tehnologija trodimenzionalnog štampanja metala aktivno koristi u različitim industrijama:

• U medicini: proizvodnja medicinskih implantata, proteza, krunica, stubova itd. Visoka preciznost izrade i relativno pristupačna cijena učinili su 3D printanje veoma relevantnim u ovoj industriji.
• U industriji nakita: mnoge kompanije za izradu nakita koriste tehnologiju 3D štampanja za izradu kalupa i šablona, ​​kao i direktno kreiranje proizvoda za nakit. Na primjer, štampanje titanijumom omogućava vam da kreirate proizvode koji su se ranije činili nemogućim.
• U mašinskoj, pa čak i vazduhoplovnoj industriji: koriste se BMW, Audi, FCA i druge kompanije 3 D štampa na metalu u izradi prototipa i ozbiljno razmatraju njegovu upotrebu u masovnoj proizvodnji. A italijanska kompanija Ge-AvioAero već štampa komponente za LEAP mlazne motore na 3D štampačima.

Lider u razvoju najnovijih tehnologija 3D štampanja metala, završio je projekat proizvodnje proizvoda od titanijuma za vazduhoplovnu industriju veličine 31 x 22,2 i prečnika 21,9 cm.

Do danas, ovo je najveći dio proizveden na SLM 280 aditivnoj mašini sa dva lasera od 400 W. Upravo je ova mašina omogućila štampanje proizvoda ove veličine u relativno kratkom vremenu u poređenju sa tradicionalnom tehnologijom proizvodnje.

Standardna veličina platforme za izradu u ovoj klasi 3D štampača je 250 mm x 250 mm. Međutim, SLM 280 ima uvećani krevet od 280 mm x 280 mm, što omogućava štampanje većih predmeta.

Zahvaljujući razvoju u oblasti 3D štampe metalima primenom tehnologije selektivnog laserskog topljenja (uključujući titanijum) za potrebe vazduhoplovne industrije, s obzirom na veliku čvrstoću i malu težinu ovog metala, SLM Solutions je postala jedna od vodećih kompanija koje narudžbe za proizvođače originalne opreme. SLM Solutions je prevazišao ograničenja veličine komore za izgradnju i druge izazove u proizvodnji velikih proizvoda od titanijuma i nastavlja da unapređuje svoju tehnologiju u ovoj oblasti.

Proces 3D štampanja titanijum praha

Kako objašnjava Mike Hansen, inženjer implementacije u SLM Solutions North America, napredak u 3D štampi od titanijuma je posebno važan: titanijum je veoma tvrd metal i sklon pucanju usled visokih zaostalih napona, što je postalo ozbiljan problem. „Geometrija dijela nije bila posebno složena, ali teškoća je bila napraviti tako veliki proizvod od titanijuma koristeći aditivnu tehnologiju“, napomenuo je inženjer.

Ovaj problem je riješen sistemom koji je razvio i patentirao SLM Solutions, koji se sastoji od dva lasera. Obrada proizvoda u zoni preklapanja istovremeno sa dva lasera omogućila je ne samo ubrzavanje procesa štampe, već i proizvodnju većeg proizvoda. SLM Solutions je testirao materijal u zoni preklapanja, što je potvrdilo da nema razlike u kvaliteti materijala između površina otisnutih jednim laserom i površina u zoni preklapanja, koje su naizmjenično bile izložene dvama laserima. Inženjeri SLM Solutions prošli su nekoliko iteracija kako bi pripremili datoteku i odštampali neke testne uzorke kako bi bili sigurni da je zadatak završen. Kupac je želio način proizvodnje ovog proizvoda koji bi uštedio troškove, vrijeme i težinu.

„Ovaj komad je prepoznatljiv po svojoj veličini i činjenici da je proizveden od titanijuma za šest i po dana bez prekida u procesu štampanja“, kaže Hansen. “Činjenica da SLM 3D štampač može da radi tako dugo bez potrebe za čišćenjem ili drugim održavanjem izuzetno je važna sama po sebi.”

Iako tehnologija 3D štampe obično privlači pažnju svojom sposobnošću da reprodukuje jedinstvene geometrije, ovaj vazduhoplovni proizvod nije bio posebno izazovan u tom pogledu. Međutim, teško da bi bilo moguće dobiti titanijski dio ove veličine u tako kratkom vremenu upotrebom konvencionalne tehnologije obrade.

Proces proizvodnje tradicionalnom mašinskom obradom trajao bi nekoliko sedmica

“Tehnologija aditivne proizvodnje nije ograničena ograničenjima tradicionalnih mašina i alata, tako da možemo stvoriti više organskih oblika, a cijeli ciklus dizajna i razvoja za kritične avio-svemirske proizvode je značajno smanjen”, objasnio je Hansen.

Richard Grylls, doktor metalurgije, šef implementacije i CTO za SLM Solutions Sjeverna Amerika, komentirao je: „S obzirom na veličinu proizvoda, tradicionalni proces strojne obrade bi trajao nekoliko sedmica; ovo bi zahtevalo četiri ili pet prilagođavanja. Drugim rečima, to bi bio veoma skup proces. Za proizvodnju proizvoda tehnologijom livenja bilo bi potrebno još više vremena, jer bi bila potrebna alatka, a proces proizvodnje može potrajati i do šest mjeseci. Osim toga, tradicionalna oprema ima visoku cijenu. Zadatak smo obavili mnogo brže, iako je cijena proizvoda bila veća. Međutim, s obzirom na ušteđeno vrijeme, cijena se isplati za kritičan proizvod ove veličine.”

Lopatica turbine štampana na SLM 280HL mašini za dodatke

SLM Solutions je postigao impresivne rezultate u pogledu brzine proizvodnje, kvaliteta i gustine finalnog proizvoda. Hansen je napomenuo da „ispunjavanje strogih specifikacija kvaliteta i materijala za titanijum u strogo reguliranim industrijama kao što su zrakoplovstvo i automobilska industrija zahtijeva opsežna testiranja materijala i optimizaciju parametara kako bi se osiguralo da kupac dobije upravo ono što im je potrebno.

Zahtjevi za kontrolu kvalitete u zrakoplovnoj industriji prilično su opsežni: za provjeru proizvoda na šupljine ili poroznost u pravilu se koristi metoda ispitivanja bez razaranja kao što je kompjuterska tomografija, ali kupac može odabrati destruktivno ispitivanje i izrezati proizvod . “Prvo smo izvršili ispitivanje proizvoda bez razaranja, a zatim ga testirali u uvjetima bliskim stvarnim, ugradnjom proizvoda na motor i iscrpljivanjem resursa prije uništenja”, kaže Hansen.

Kako tehnologija aditivne proizvodnje napreduje, SLM Solutions vidi sve veću potražnju za svojim rješenjima. Međutim, materijali i proizvodni procesi se poboljšavaju tako brzo da standardi ne mogu pratiti korak. “Sve više nam se obraćaju kompanije koje koriste tradicionalne tehnologije, ali žele povećati brzinu proizvodnje uz zadržavanje kvalitete i žele iskoristiti prednosti aditivne proizvodnje”, dodao je Hansen. “Ova industrija se mijenja doslovno svaki dan i raste vrlo brzo, ali vidimo jaz između tempa razvoja aditivnih proizvodnih tehnologija i sposobnosti nekih industrija, posebno zrakoplovne i automobilske, da jednako brzo certificiraju nove materijale i tehnologije. .”

Dimenzije proizvoda: 31 x 22,2 cm, prečnik 21,9 cm
Materijal: Ti64
Vrijeme štampe: 6,5 dana
Dodatna instalacija: SLM 280 sa dva lasera od 400 W

SLM ili Selektivno lasersko topljenje je inovativna tehnologija za proizvodnju složenih proizvoda laserskim topljenjem metalnog praha pomoću matematičkih CAD modela (3D štampanje metala). Uz pomoć SLM-a stvaraju se i precizni metalni dijelovi za rad kao dio jedinica i sklopova, kao i neodvojive strukture koje mijenjaju geometriju tokom rada.

Tehnologija je aditivna metoda proizvodnje i koristi moćne lasere za stvaranje trodimenzionalnih fizičkih objekata. Ovaj proces uspješno zamjenjuje tradicionalne metode proizvodnje, budući da fizička i mehanička svojstva proizvoda izrađenih korištenjem SLM tehnologije često premašuju svojstva proizvoda proizvedenih tradicionalnim tehnologijama.

SLM instalacije pomažu u rješavanju složenih proizvodnih problema industrijskih poduzeća koja posluju u zrakoplovnoj, energetskoj, mašinogradnji i industriji instrumenata. Instalacije se koriste i na univerzitetima, projektantskim biroima, koriste se u istraživačkom i eksperimentalnom radu.

Zvanični izraz za opisivanje tehnologije je „lasersko sinterovanje“, iako je donekle netačan, jer se materijali (praškovi) ne sinteruju, već se tope da bi se formirala homogena (gusta, pastozna) masa.

Prednosti

1. Rješavanje složenih tehnoloških problema

• Proizvodnja proizvoda složene geometrije, sa unutrašnjim šupljinama i konformnim kanalima za hlađenje

Skraćivanje ciklusa istraživanja i razvoja

• Sposobnost izrade složenih proizvoda bez proizvodnje skupih alata

Smanjenje težine

• Izrada proizvoda sa unutrašnjim šupljinama

Ušteda materijala u proizvodnji

• Konstrukcija se odvija dodavanjem sloj po sloj potrebne količine materijala na “tijelo” proizvoda. 97-99% praha koji se ne koristi u konstrukciji nakon prosijavanja može se reciklirati. 3-9% materijala uključenog u konstrukciju nosača odlaže se zajedno sa podstandardnim nerastopljenim prahom koji nije prošao operaciju prosijavanja.
• Smanjenje troškova za proizvodnju složenih proizvoda, tk. nema potrebe za proizvodnjom skupe opreme.

Područja upotrebe

• Izrada funkcionalnih dijelova za rad u sastavu raznih jedinica i sklopova
• Izrada složenih konstrukcija, uključujući i one koje se ne odvajaju, koje menjaju geometriju tokom rada, kao i sa mnogo elemenata u svom sastavu
• Izrada elemenata za oblikovanje kalupa za brizganje termoplasta i lakih materijala
• Izrada tehničkih prototipova za testiranje dizajna proizvoda
• Izrada formirajućih umetaka za hlađenje livenja
• Izrada individualnih zubnih proteza i implantata
• Izrada maraka.

Kako radi

Proces štampanja počinje podjelom 3D digitalnog modela proizvoda na slojeve debljine 20 do 100 mikrona kako bi se stvorila 2D slika svakog sloja proizvoda. Industrijski standardni format je STL datoteka. Ovaj fajl ulazi u poseban softver mašine, gde se informacije analiziraju i porede sa tehničkim mogućnostima mašine.

Na osnovu dobijenih podataka pokreće se proizvodni ciklus izgradnje koji se sastoji od više ciklusa izgradnje pojedinačnih slojeva proizvoda.

Ciklus izgradnje sloja sastoji se od tipičnih operacija:

1. nanošenje sloja praha unaprijed određene debljine (20-100 µm) na ploču za građenje pričvršćenu na zagrijanu platformu za građenje;
2. lasersko skeniranje dijela sloja proizvoda;
3. spuštanje platforme duboko u građevinski bunar za količinu koja odgovara debljini građevinskog sloja.

Proces građenja proizvoda odvija se u komori SLM mašine, punjenoj inertnim gasom argonom ili azotom (u zavisnosti od vrste praha od kojeg je konstrukcija napravljena), sa svojim laminarnim tokom. Glavna potrošnja inertnog gasa se javlja na početku rada, kada se građevinska komora pročišćava, kada se iz nje potpuno ukloni vazduh (dozvoljeni sadržaj kiseonika je manji od 0,15%).

Nakon izgradnje, proizvod se zajedno sa pločom uklanja iz komore SLM mašine, nakon čega se proizvod mehanički odvaja od ploče. Nosači se uklanjaju sa izgrađenog proizvoda, a gotov proizvod je gotov.

Gotovo potpuno odsustvo kisika izbjegava oksidaciju potrošnog materijala, što omogućava štampanje na materijalima kao što je titan.

materijala

Najpopularniji materijali su metali i legure u prahu, uključujući nerđajući čelik, alatni čelik, legure kobalta i hroma, legure titana, titanijum, aluminijum, zlato, platinu itd.

Proizvodi napravljeni od SLM Solutions 3D mašina

Proizvodi koje prave Realizer 3D mašine

Video: korištenje SLM tehnologije

U ovoj recenziji pokušao sam u popularnoj formi predstaviti osnovne podatke o proizvodnji metalnih proizvoda laserskom aditivnom proizvodnjom, relativno novoj i zanimljivoj tehnološkoj metodi koja je nastala krajem 80-ih, a danas je postala obećavajuća tehnologija za male razmjere. ili pojedinačna proizvodnja u oblasti medicine, aviona i raketne nauke.

Ukratko opisati princip rada instalacije za aditivnu proizvodnju pomoću laserskog zračenja može biti kako slijedi. Uređaj za nanošenje i izravnavanje sloja praha uklanja sloj praha sa hranilice i ravnomjerno ga raspoređuje po površini podloge. Nakon toga, laserska zraka skenira površinu ovog sloja praha i formira proizvod topljenjem ili sinteriranjem. Na kraju skeniranja sloja praha, platforma sa proizvedenim proizvodom se spušta za debljinu nanesenog sloja, a platforma sa prahom se podiže, a proces nanošenja sloja praha i skeniranja se ponavlja. Nakon što je proces završen, platforma sa proizvodom se podiže i čisti od neiskorištenog praha.

Jedan od glavnih dijelova u instalacijama za aditivnu proizvodnju je laserski sistem koji koristi CO 2 , Nd:YAG, iterbijum vlaknaste ili disk lasere. Utvrđeno je da je za zagrevanje metala i karbida poželjna upotreba lasera talasne dužine 1-1,1 μm, jer apsorbuju zračenje koje generiše laser za 25-65%. Istovremeno, upotreba CO 2 lasera s talasnom dužinom od 10,64 µm je najprikladnija za materijale kao što su polimeri i oksidna keramika. Veći kapacitet apsorpcije omogućava povećanje dubine prodiranja i variranje parametara procesa u širem rasponu. Obično laseri koji se koriste u aditivnoj proizvodnji rade kontinuirano. U usporedbi s njima, korištenje lasera koji rade u pulsnom i Q-switched modu zbog njihove velike energije impulsa i kratkog trajanja impulsa (nanosekunde) omogućava poboljšanje čvrstoće veze između slojeva i smanjenje topline. zahvaćena zona. U zaključku se može napomenuti da se karakteristike laserskih sistema koji se koriste leže u sledećim granicama: snaga lasera - 50-500 W, brzina skeniranja do 2 m/s, brzina pozicioniranja do 7 m/s, prečnik fokusirane tačke - 35-400 μm.

Pored lasera, kao izvor zagrevanja praha može se koristiti i grejanje elektronskim snopom. Ovu opciju je predložio Arcam i implementirao u svoje instalacije 1997. Instalaciju sa elektronskim snopom topom karakteriše odsustvo pokretnih delova, budući da se elektronski snop fokusira i usmerava pomoću magnetnog polja i deflektora, te stvaranje vakuum u komori pozitivno utiče na kvalitet proizvoda.

Jedan od važnih uslova u proizvodnji aditiva je stvaranje zaštitnog okruženja koje sprečava oksidaciju praha. Za ispunjavanje ovog uslova koristi se argon ili dušik. Međutim, upotreba dušika kao zaštitnog plina je ograničena, što je povezano s mogućnošću stvaranja nitrida (na primjer, AlN, TiN u proizvodnji proizvoda od aluminijskih i titanovih legura), koji dovode do smanjenja plastičnost materijala.

Prema karakteristikama procesa zbijanja materijala, metode proizvodnje laserskih aditiva mogu se podijeliti na selektivno lasersko sinteriranje (Selective Laser Sintering (SLS)), indirektno lasersko sinteriranje metala (Indirect Metal Laser Sintering (IMLS)), direktno lasersko sinteriranje metala (Direct Lasersko sinterovanje metala (DMLS) i selektivno lasersko topljenje (Selective Laser Melting (SLM)). U prvoj varijanti dolazi do zbijanja sloja praha zbog sinterovanja u čvrstoj fazi. U drugom slučaju, zbog impregnacije poroznog okvira prethodno formiranog laserskim zračenjem vezivom. Direktno lasersko sinterovanje metala zasniva se na zbijanju mehanizmom tečnofaznog sinterovanja usled topljenja topljive komponente u praškastoj mešavini. U potonjoj verziji do zbijanja dolazi zbog potpunog topljenja i širenja taline. Vrijedi napomenuti da ova klasifikacija nije univerzalna, budući da jedna vrsta procesa aditivne proizvodnje može pokazati mehanizme zbijanja koji su karakteristični za druge procese. Na primjer, DMLS i SLM mogu doživjeti sinterovanje u čvrstom stanju, što se dešava sa SLS, dok SLM može doživjeti sinterovanje u tečnoj fazi, što je više karakteristično za DMLS.

Selektivno lasersko sinterovanje (SLS)

Čvrstofazno selektivno lasersko sinterovanje nije postalo široko rasprostranjeno, jer je za potpuniji tok volumetrijske i površinske difuzije, viskoznog toka i drugih procesa koji se javljaju tokom sinterovanja praha potrebno relativno dugo izlaganje laserskom zračenju. To dovodi do dugotrajnog rada lasera i niske produktivnosti procesa, što ovaj proces čini ekonomski neizvodljivim. Pored toga, postoje poteškoće u održavanju temperature procesa u rasponu između tačke topljenja i temperature sinterovanja čvrstog stanja. Prednost selektivnog laserskog sinterovanja u čvrstoj fazi je mogućnost upotrebe šireg spektra materijala za izradu proizvoda.

Indirektno lasersko sinterovanje metala (IMLS)

Proces nazvan "indirektno lasersko sinterovanje metala" razvio je DTMcorp iz Austina 1995. godine, koji je u vlasništvu 3D Systems-a od 2001. godine. IMLS proces koristi mješavinu praha i polimera ili prah obložen polimerom, gdje polimer djeluje kao vezivo i pruža potrebnu čvrstoću za daljnju toplinsku obradu. U fazi termičke obrade polimer se destilira, okvir se sinterira, a porozni okvir impregnira vezivnim metalom, čime se dobiva gotov proizvod.

Za IMLS se mogu koristiti prahovi i metala i keramike ili njihove mješavine. Priprema mješavine praha sa polimerom vrši se mehaničkim miješanjem, pri čemu je sadržaj polimera oko 2-3% (težinski), a u slučaju korištenja praha obloženog polimerom debljina sloja na površini čestice je oko 5 μm. Kao vezivo koriste se epoksidne smole, tečno staklo, poliamidi i drugi polimeri. Temperatura destilacije polimera određena je temperaturom njegovog topljenja i raspadanja i iznosi u prosjeku 400-650 o C. Nakon destilacije polimera, poroznost proizvoda prije impregnacije je oko 40%. Tokom impregnacije, peć se zagrijava za 100-200 0 C iznad tačke topljenja materijala za impregnaciju, jer se s povećanjem temperature smanjuje ugao vlaženja i smanjuje viskozitet taline, što povoljno utiče na proces impregnacije. Obično se impregnacija budućih proizvoda vrši u zatrpavanju od aluminijevog oksida, koji igra ulogu nosećeg okvira, jer u periodu od destilacije polimera do stvaranja jakih međučestičnih kontakata postoji opasnost od uništenja ili deformacije proizvoda. Zaštita od oksidacije organizirana je stvaranjem inertne ili redukcijske sredine u peći. Za impregnaciju možete koristiti dosta različitih metala i legura koje zadovoljavaju sljedeće uvjete. Materijal za impregnaciju treba da se odlikuje potpunim odsustvom ili neznatnom međufaznom interakcijom, malim uglom vlaženja i tačkom taljenja nižom od baze. Na primjer, ako komponente međusobno djeluju jedna na drugu, tada se tijekom procesa impregnacije mogu pojaviti neželjeni procesi, kao što je stvaranje više vatrostalnih spojeva ili čvrstih otopina, što može dovesti do zaustavljanja procesa impregnacije ili negativno utjecati na svojstva i dimenzije. proizvoda. Obično se bronza koristi za impregniranje metalnog okvira, dok je skupljanje proizvoda 2-5%.

Jedan od nedostataka IMLS-a je nemogućnost regulacije sadržaja vatrostalne faze (baznog materijala) u širokom rasponu. Budući da je njegov postotak u gotovom proizvodu određen nasipnom gustinom praha, koja u zavisnosti od karakteristika praha može biti tri ili više puta manja od teorijske gustine praškastog materijala.

Materijali i njihova svojstva korišteni za IMLS

Direktno lasersko sinteriranje metala (DMLS)

Proces direktnog laserskog sinterovanja metala sličan je IMLS-u, ali se razlikuje po tome što se umjesto polimera koriste legure ili spojevi s niskom tačkom taljenja, a također ne postoji takva tehnološka operacija kao što je impregnacija. DMLS koncept je baziran na njemačkoj kompaniji EOS GmbH, koja je 1995. godine kreirala komercijalnu instalaciju za direktno lasersko sinteriranje sistema praha čelik-nikl bronza. Proizvodnja različitih proizvoda DMLS metodom zasniva se na strujanju formirane taline veziva u šupljine između čestica pod dejstvom kapilarnih sila. Istovremeno, za uspješan završetak procesa, mješavini praha se dodaju spojevi sa fosforom koji smanjuju površinski napon, viskozitet i stepen oksidacije taline, čime se poboljšava kvašenje. Prašak koji se koristi kao vezivo obično je manji od osnovnog praha, jer to povećava nasipnu gustinu praškaste mješavine i ubrzava proces formiranja taline.

Materijali i njihova svojstva koje EOS GmbH koristi za DMLS

Selektivno lasersko topljenje (SLM)

Daljnje unapređenje kapaciteta aditivne proizvodnje povezano je s pojavom mogućnosti upotrebe snažnijeg lasera, manjeg promjera fokusne tačke i nanošenja tanjeg sloja praha, što je omogućilo korištenje SLM-a za izradu proizvoda od različitih metala i legure. Obično proizvodi dobijeni ovom metodom imaju poroznost od 0-3%.
Kao iu metodama o kojima se raspravljalo (IMLS, DMLS), kvašenje, površinski napon i viskozitet taline igraju važnu ulogu u procesu proizvodnje proizvoda. Jedan od faktora koji ograničavaju upotrebu različitih metala i legura za SLM je efekat "formiranja kugle" ili sferoidizacije, koji se manifestuje u obliku formiranja kapljica koje leže odvojeno jedna od druge, a ne kontinuiranog puta taljenja. Razlog tome je površinska napetost pod čijim djelovanjem talina teži smanjenju slobodne površinske energije formiranjem kalupa s minimalnom površinom, tj. lopta. U ovom slučaju se u traci taline uočava Marangonijev efekat koji se manifestira u obliku konvektivnih strujanja zbog gradijenta površinske napetosti u funkciji temperature, a ako su konvektivna strujanja dovoljno jaka, tada se traka taline dijeli. u odvojene kapi. Takođe, kap taline, pod dejstvom površinskog napona, uvlači u sebe obližnje čestice praha, što dovodi do formiranja rupice oko kapi i, na kraju, do povećanja poroznosti.

Sferoidizacija čelika M3/2 u suboptimalnim SLM uslovima

Efekat sferoidizacije je takođe olakšan prisustvom kiseonika, koji, otapanjem u metalu, povećava viskozitet taline, što dovodi do pogoršanja rasprostiranja i vlaženja taline ispod sloja ispod. Iz gore navedenih razloga nije moguće dobiti proizvode od metala kao što su kalaj, bakar, cink i olovo.

Treba napomenuti da je formiranje visokokvalitetne trake taline povezano s potragom za optimalnim rasponom parametara procesa (snaga laserskog zračenja i brzina skeniranja), koji je obično prilično uzak.

Utjecaj parametara SLM zlata na kvalitetu formiranih slojeva

Drugi faktor koji utječe na kvalitetu proizvoda je pojava unutrašnjih naprezanja, čija prisutnost i veličina zavise od geometrije proizvoda, brzine zagrijavanja i hlađenja, koeficijenta toplinskog širenja, te faznih i strukturnih promjena u metalu. Značajna unutrašnja naprezanja mogu dovesti do deformacije proizvoda, stvaranja mikro- i makropukotina.

Djelomično smanjite negativan utjecaj gore navedenih faktora korištenjem grijaćih elemenata koji se obično nalaze unutar instalacije oko podloge ili dodavača praha. Zagrijavanjem praha također je moguće ukloniti adsorbiranu vlagu sa površine čestica i na taj način smanjiti stupanj oksidacije.

Kod selektivnog laserskog topljenja metala kao što su aluminijum, bakar, zlato, njihova visoka reflektivnost nije nevažno pitanje, što zahteva upotrebu moćnog laserskog sistema. Ali povećanje snage laserskog snopa može negativno utjecati na točnost dimenzija proizvoda, jer ako se prašak pretjerano zagrije, on će se otopiti i sinterovati izvan laserske točke zbog prijenosa topline. Velika snaga lasera također može dovesti do promjene kemijskog sastava kao rezultat isparavanja metala, što je posebno karakteristično za legure koje sadrže komponente niskog taljenja i imaju visok tlak pare.

Mehanička svojstva materijala dobijenih SLM metodom (EOS GmbH)

Ako proizvod dobiven jednom od gore navedenih metoda ima zaostalu poroznost, tada se, ako je potrebno, koriste dodatne tehnološke operacije za povećanje njegove gustoće. U tu svrhu koriste se metode metalurgije praha - sinterovanje ili vruće izostatičko prešanje (HIP). Sinterovanjem je moguće eliminisati zaostalu poroznost i poboljšati fizička i mehanička svojstva materijala. Istovremeno, treba naglasiti da su formirana svojstva materijala tokom sinterovanja određena sastavom i prirodom materijala, veličinom i brojem pora, prisustvom defekata i brojnim drugim faktorima. HIP je proces u kojem se radni komad smješten u plinsku prešu sabija pod djelovanjem visoke temperature i sveobuhvatne kompresije inertnim plinom. Radni pritisak i maksimalna temperatura koju postiže gasostat zavisi od njegovog dizajna i zapremine. Na primjer, plinski stat s radnom komorom veličine 900x1800 mm može razviti temperaturu od 1500 o C i pritisak od 200 MPa. Upotreba HIP-a za otklanjanje poroznosti bez upotrebe zatvorenog omotača moguća je ako poroznost nije veća od 8%, jer će pri višoj vrijednosti plin ulaziti u proizvod kroz pore, čime se sprječava zbijanje. Moguće je isključiti prodiranje plina u proizvod izradom čelične hermetičke ljuske koja ponavlja oblik površine proizvoda. Međutim, proizvodi dobiveni aditivnom proizvodnjom općenito imaju složen oblik, što onemogućuje izradu takve školjke. U ovom slučaju za zaptivanje se može koristiti evakuisana zatvorena posuda u kojoj se proizvod stavlja u rastresiti medij (Al 2 O 3 , BN hex, grafit) koji prenosi pritisak na stijenke proizvoda.

Nakon aditivne proizvodnje SLM metodom, materijale karakterizira anizotropija svojstava, povećana čvrstoća i smanjena duktilnost zbog prisutnosti zaostalih naprezanja. Za uklanjanje zaostalih naprezanja, postizanje uravnoteženije strukture, povećanje viskoznosti i plastičnosti materijala, provodi se žarenje.

Prema niže navedenim podacima može se primijetiti da su proizvodi dobiveni selektivnim laserskim topljenjem u nekim slučajevima jači od livenih proizvoda za 2-12%. To se može objasniti malom veličinom zrna i mikrostrukturnim komponentama, koje nastaju kao rezultat brzog hlađenja taline. Brzo prehlađenje taline značajno povećava broj jezgara čvrste faze i smanjuje njihovu kritičnu veličinu. U tom slučaju, kristali koji brzo rastu na embrionima, u kontaktu jedni s drugima, počinju sprječavati njihov daljnji rast, formirajući tako fino zrnatu strukturu. Jezgra kristalizacije su obično nemetalne inkluzije, mjehurići plina ili čestice koje se oslobađaju iz taline sa svojom ograničenom topljivošću u tečnoj fazi. A u opštem slučaju, prema Hall-Petch relaciji, sa smanjenjem veličine zrna, čvrstoća metala raste zbog razvijene mreže granica zrna, što je efikasna prepreka kretanju dislokacija. Treba napomenuti da se, zbog različitog hemijskog sastava legura i njihovih svojstava, kao i uslova SLM, navedene pojave koje se javljaju tokom hlađenja taline manifestuju različitim intenzitetom.

Mehanička svojstva materijala dobivenih SLM i livenjem

Naravno, to ne znači da su proizvodi dobiveni selektivnim laserskim topljenjem bolji od proizvoda dobivenih tradicionalnim metodama. Zbog velike fleksibilnosti tradicionalnih metoda dobijanja proizvoda, moguće je varirati svojstva proizvoda u širokom rasponu. Na primjer, primjenom metoda kao što su promjena temperaturnih uslova kristalizacije, legiranje i uvođenje modifikatora u rastop, termički ciklus, metalurgija praha, termomehanička obrada itd., može se postići značajno povećanje svojstava čvrstoće metala i legura.

Posebno je zanimljiva upotreba ugljičnog čelika za aditivnu proizvodnju, kao jeftinog materijala visokog kompleksa mehaničkih svojstava. Poznato je da se povećanjem sadržaja ugljika u čeliku poboljšava njegova fluidnost i kvašenje. Zahvaljujući tome, moguće je dobiti jednostavne proizvode koji sadrže 0,6-1% C sa gustinom od 94-99%, dok je u slučaju korišćenja čistog gvožđa gustina oko 83%. U procesu selektivnog laserskog topljenja ugljičnog čelika, staza taline pri brzom hlađenju se kaljuje i temperira na troostitnu ili sorbitnu strukturu. Istovremeno, zbog toplinskih naprezanja i strukturnih transformacija, u metalu mogu nastati značajna naprezanja koja dovode do povodca proizvoda ili do stvaranja pukotina. Geometrija proizvoda je također važna, jer su oštri prijelazi duž presjeka, mali polumjeri zakrivljenosti i oštri rubovi uzrok pucanja. Ako nakon “štampanja” čelik nema zadati nivo mehaničkih svojstava i treba ga podvrgnuti dodatnoj toplinskoj obradi, tada će biti potrebno uzeti u obzir prethodno navedena ograničenja u obliku proizvoda kako bi se kako bi se izbjegla pojava defekata stvrdnjavanja. Ovo donekle smanjuje izglede za korištenje SLM-a za ugljične čelike.
Prilikom dobijanja proizvoda tradicionalnim metodama, jedan od načina da se izbjegnu pukotine i uzice pri otvrdnjavanju proizvoda složenog oblika je upotreba legiranih čelika, u kojima prisutni legirajući elementi, pored povećanja mehaničkih i fizičko-hemijskih svojstava, odlažu transformacija austenita pri hlađenju, što rezultira smanjenjem kritične brzine stvrdnjavanja i povećanjem kaljivosti legiranog čelika. Zbog niske kritične brzine gašenja, čelik se može kaliti u ulju ili na zraku, čime se smanjuje razina unutrašnjih naprezanja. Međutim, zbog brzog odvođenja topline, nemogućnosti kontrole brzine hlađenja i prisustva ugljika u legiranom čeliku, ova tehnika ne dozvoljava da se izbjegne pojava značajnih unutrašnjih naprezanja tijekom selektivnog laserskog topljenja.

U vezi sa navedenim karakteristikama, za SLM se koriste martenzitni čelici (MS 1, GP 1, PH 1), kod kojih se otvrdnjavanje i povećanje tvrdoće postiže taloženjem dispergovanih intermetalnih faza tokom termičke obrade. Ovi čelici sadrže malu količinu ugljika (stotine procenta), zbog čega se martenzitna rešetka formirana tijekom brzog hlađenja odlikuje niskim stupnjem izobličenja i, shodno tome, ima nisku tvrdoću. Niska tvrdoća i visoka duktilnost martenzita osiguravaju relaksaciju unutrašnjih naprezanja tokom kaljenja, a visok sadržaj legirajućih elemenata omogućava žarenje čelika do velike dubine pri skoro svakoj brzini hlađenja. Kao rezultat toga, složeni proizvodi se mogu proizvoditi i termički obrađivati ​​SLM-om bez straha od pucanja ili savijanja. Pored marage čelika, mogu se koristiti i neki austenitni nerđajući čelici kao što je 316L.

U zaključku, može se napomenuti da su sada napori naučnika i inženjera usmjereni na detaljnije proučavanje utjecaja parametara procesa na strukturu, mehanizam i karakteristike zbijanja različitih materijala pod djelovanjem laserskog zračenja kako bi se poboljšati mehanička svojstva i povećati raspon materijala pogodnih za proizvodnju laserskih aditiva.