Aditivní výroba SLM

Selektivní laserové tavení (SLM) je proces aditivní výroby kovů, který využívá laser k tavení kovového prášku do plně hustých součástí. Tento průvodce se zabývá technologií SLM, systémy, materiály, aplikacemi, výhodami a úvahami při zavádění aditivní výroby pomocí SLM.

Úvod do Aditivní výroba SLM

Selektivní laserové tavení (SLM) je aditivní výrobní technika, která využívá vysoce výkonný laser k selektivnímu tavení a spojování kovových částic prášku po vrstvách, a vytváří tak plně husté 3D díly přímo z dat CAD.

Klíčové vlastnosti technologie SLM:

• Používá fokusovaný laserový paprsek k tavení práškových kovů.
• Přidává materiál pouze v případě potřeby v každé vrstvě
• Umožňuje vytvářet složité geometrie nedosažitelné odléváním nebo obráběním.
• Vytváří kovové součásti téměř síťového tvaru s vysokou hustotou
• Mezi materiály patří hliník, titan, nerezová ocel, slitiny
• Malé až střední objemy dílů
• Ideální pro složité díly s malým objemem.
• Odpadá potřeba tvrdých nástrojů, jako jsou formy nebo zápustky.
• Výrazně snižuje množství odpadu ve srovnání se subtraktivními metodami.
• Umožňuje lehké konstrukce a konsolidaci dílů
• Umožňuje funkční vylepšení pomocí inženýrských struktur

Díky svým schopnostem přináší SLM převratné výhody pro inovativní design výrobků a štíhlou výrobu. Zvládnutí tohoto procesu však vyžaduje odborné znalosti.

Jak funguje aditivní výroba SLM

Výrobní proces SLM se skládá z:

1. Nanášení a vyrovnávání tenké vrstvy kovového prášku na stavební desku
2. Selektivní skenování zaostřeného laserového paprsku za účelem roztavení prášku
3. Snížení stavební plošiny a opakované vrstvení a tavení
4. Vyjmutí hotových dílů z práškového lože
5. Následné zpracování dílů podle potřeby - čištění, tepelné zpracování atd.

Přesná kontrola laseru, skenovacích vzorů, atmosféry v komoře a dalších parametrů je rozhodující pro dosažení vysoce kvalitních a hustých kovových dílů pomocí SLM.

Systémy SLM jsou vybaveny laserovým generátorem, optikou pro přenos paprsku, systémem pro přenos prášku, stavební komorou, manipulací s inertním plynem a centrálním řízením. Výkon závisí do značné míry na konstrukci systému a vyladění parametrů sestavení.

Výrobci zařízení SLM

Mezi přední světové dodavatele systémů aditivní výroby SLM patří:

Výběr systému závisí na potřebách velikosti stavby, materiálech, kvalitě, nákladech a servisní podpoře. Pro správné vyhodnocení možností se doporučuje spolupracovat se zkušeným poskytovatelem řešení SLM.

Charakteristika procesu SLM

SLM zahrnuje komplexní interakce mezi různými parametry procesu. Zde jsou uvedeny klíčové charakteristiky:

Laser - Výkon, vlnová délka, režim, rychlost skenování, vzdálenost mezi šrafami, strategie

Prášek - Materiál, velikost částic, tvar, rychlost podávání, hustota, tekutost, opětovné použití

Teplota - Předehřívání, tavení, chlazení, tepelné namáhání

Atmosféra - Typ inertního plynu, obsah kyslíku, průtoky

Stavební deska - Materiál, teplota, povlak

Strategie skenování - Vzor šrafování, rotace, obrysy okrajů

Podporuje - Minimalizace, rozhraní, odstranění

Následné zpracování - Tepelné zpracování, HIP, obrábění, dokončovací práce

Pochopení vztahů mezi těmito parametry je zásadní pro dosažení dílů bez vad s optimalizovanými mechanickými vlastnostmi.

Pokyny pro navrhování dílů SLM

Pro úspěšnou aditivní výrobu pomocí SLM je zásadní správný návrh dílu:

• Návrh s ohledem na principy AM oproti konvenčním metodám
• Optimalizace geometrie za účelem snížení hmotnosti, snížení spotřeby materiálu a zlepšení výkonu
• Minimalizace potřeby podpěr pomocí samonosných úhelníků
• Umožnit v návrhu podporu oblastí rozhraní
• Orientujte díly tak, abyste snížili namáhání a předešli vadám.
• Zohlednění vlivu tepelného smrštění v prvcích
• Konstrukce vnitřních kanálků pro odstranění nerozpuštěného prášku
• Řešení možných deformací v převisech nebo tenkých profilech
• Návrh povrchové úpravy s ohledem na drsnost při stavbě
• Zohlednění vlivu vrstevnic na únavový výkon
• Návrh upevňovacího rozhraní pro vyjímání dílů z práškového lože
• Minimalizace zachycených objemů nespečeného prášku

Simulační software pomáhá vyhodnotit napětí a deformace ve složitých dílech SLM před tiskem.

Možnosti materiálů SLM

Technologií SLM lze zpracovávat celou řadu slitin, přičemž konečné vlastnosti materiálu závisí na parametrech:

Pro dosažení požadovaného výkonu materiálu je zásadní výběr kompatibilních slitin a nastavení kvalifikovaných parametrů sestavení.

Klíčové aplikace SLM

SLM umožňuje transformativní schopnosti napříč odvětvími:

Mezi výhody oproti konvenční výrobě patří:

• Možnost hromadného přizpůsobení
• Kratší doba vývoje
• Svoboda návrhu pro zvýšení výkonu
• Konsolidace a odlehčení dílů
• Eliminace nadměrného používání materiálu
• Konsolidace dodavatelského řetězce

Při použití dílů SLM v kritických aplikacích je třeba pečlivě ověřit mechanické vlastnosti.

Výhody a nevýhody Aditivní výroba SLM

výhody:

• Svoboda designu díky aditivnímu procesu
• Komplexnost dosažená bez zvýšených nákladů
• Odpadá potřeba tvrdých nástrojů, jako jsou formy nebo zápustky.
• Konsolidace dílčích sestav do jednotlivých komponentů
• Odlehčování z organických, topologicky optimalizovaných struktur
• Přizpůsobení a malosériová výroba
• Zkrácení doby vývoje oproti odlévání/obrábění
• Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti díky jemné mikrostruktuře
• Výrazně minimalizuje materiálový odpad oproti subtraktivním procesům.
• Just-in-time a decentralizovaná výroba
• Zkrácení dodací lhůty a skladových zásob

Omezení:

• Menší objemy sestavení než u jiných procesů AM s kovem
• Nižší přesnost a kvalita povrchu než u CNC obrábění
• Omezený výběr kvalifikovaných slitin ve srovnání s odléváním
• Významný počet pokusů a omylů pro optimalizaci parametrů sestavení
• Anizotropní vlastnosti materiálu z vrstvení po vrstvách
• Možnost vzniku zbytkových napětí a trhlin.
• Potíže s odstraňováním prášku ze složitých vnitřních geometrií
• Často vyžaduje následné zpracování pro dosažení konečných vlastností.
• Vyšší náklady na zařízení než u polymerního 3D tisku
• Potřeba speciálních zařízení a manipulace s inertním plynem

Při správné aplikaci umožňuje SLM dosáhnout průlomového výkonu, který je jinými prostředky nemožný.

Implementace aditivní výroby SLM

Klíčové kroky při zavádění technologie SLM zahrnují:

• Identifikace vhodných aplikací na základě potřeb
• Potvrzení proveditelnosti SLM pro vybrané návrhy
• Vývoj přísných protokolů pro kvalifikaci procesů
• Investice do vhodného zařízení SLM
• Zajištění odborných znalostí v oblasti procesů s kovovým práškovým ložem
• Zavedení přísných postupů kvality materiálu
• Zvládnutí vývoje a optimalizace parametrů
• Zavedení robustních metod následného zpracování
• Kvalifikace mechanických vlastností hotových součástí

Metodický plán zavádění zaměřený na nízkorizikové aplikace minimalizuje úskalí při přidávání aditivních funkcí SLM. Partnerství se zkušenými servisními kancelářemi SLM nebo výrobci OEM systémů poskytuje přístup k odborným znalostem.

Analýza nákladů na výrobu SLM

Ekonomika výroby SLM zahrnuje:

• Vysoké náklady na vybavení stroje
• Pracovní síla pro nastavení sestavy, následné zpracování a kontrolu kvality
• Materiálové náklady na vhodné kovové práškové suroviny
• Dokončování dílů - obrábění, vrtání, odstraňování otřepů atd.
• Režijní náklady - zařízení, inertní plyn, údržba
• Počáteční vývoj procesu metodou pokus-omyl
• Náklady klesají s rostoucími zkušenostmi a objemem výroby
• Hospodárnost se zvyšuje při objemech kolem 1-500 jednotek.
• Poskytuje nejvyšší nákladovou výhodu pro složité geometrie

Aby se předešlo závadám, doporučuje se vybírat kvalifikované slitiny od renomovaných dodavatelů. Partnerství s poskytovatelem služeb nabízí rychlejší a méně rizikovou cestu k přijetí.

SLM ve srovnání s jinými procesy

Každý proces nabízí specifické výhody v závislosti na požadavcích aplikace, velikosti dávky, materiálech a potřebách výkonu.

Budoucí výhled pro aditivní výrobu SLM

Společnost SLM je připravena v nadcházejících letech výrazně růst díky:

• Průběžné rozšiřování materiálů s větší dostupností slitin
• Větší výrobní objemy umožňující průmyslovou výrobu
• Vylepšená povrchová úprava a přísnější tolerance
• Zvýšená spolehlivost a produktivita systému
• Nové hybridní systémy integrující CNC obrábění
• Klesající náklady zlepšují životaschopnost obchodního případu
• Další optimalizační algoritmy a simulace
• Automatické odstraňování podpory a následné zpracování
• Nárůst kvalifikovaných dílů pro regulovaná odvětví
• Pokračující vývoj vysoce složitých návrhů

SLM se stane hlavním proudem pro rozšiřující se škálu aplikací, kde jeho schopnosti poskytují výraznou konkurenční výhodu.

Nejčastější dotazy

Jaké materiály můžete zpracovávat pomocí technologie SLM?

Běžně se zpracovává titan, hliník, nerezové oceli, nástrojové oceli, slitiny niklu a kobalt-chrom.

Jak přesné je SLM?

Typická přesnost je přibližně ±0,1-0,2% s minimálním rozlišením prvků ~100 mikronů.

Jaké jsou náklady na systémy SLM?

Zařízení SLM se pohybuje od $300 000 do $1 000 000+ v závislosti na velikosti, schopnostech a možnostech.

Jaké typy následného zpracování jsou nutné?

Lze použít tepelné zpracování, HIP, povrchovou úpravu a/nebo obrábění. Je také nutné odstranit podpěry.

V jakých odvětvích se používá aditivní výroba SLM?

Letecký, lékařský, automobilový, průmyslový a obranný průmysl jsou prvními uživateli SLM.

U jakých materiálů SLM nefunguje dobře?

Vysoce reflexní kovy, jako je měď nebo zlato, jsou stále náročné. Vlastnosti materiálů pro některé slitiny se teprve objevují.

Jaké povrchové úpravy lze dosáhnout?

Drsnost povrchu SLM se pohybuje v rozmezí 5-15 mikronů Ra. Povrchová úprava ji může dále zlepšit.

Jak velké díly lze pomocí SLM vyrábět?

Standardní stavební objemy jsou až 500 x 500 x 500 mm. Větší stroje pojmou větší komponenty.

Je SLM vhodné pro koncové výrobní díly?

Ano, SLM se stále častěji používá pro finální výrobní součásti, příkladem je letecký a lékařský průmysl.

znát více procesů 3D tisku