Úvod do přímého laserového spékání kovů (DMLS)

Kouzlo 3D tisku kovů

Představte si svět, kde se složité kovové díly materializují z lože prášku, vrstvu po vrstvě, s laserovou přesností. To není sci-fi; je to realita přímého laserového slinování kovů (DMLS), revoluční technologie 3D tisku, která transformuje způsob, jakým navrhujeme a vyrábíme kovové součásti.

DMLS, známý také jako selektivní laserové tavení (SLM) nebo fúze laserového práškového lože (LPBF), je proces aditivní výroby, který používá vysoce výkonný laser k selektivnímu tavení a spojování kovových částic dohromady a vytváří 3D objekt z digitálního návrhu. Tato technologie nabízí bezkonkurenční svobodu v designu, což umožňuje vytváření složitých geometrií a vnitřních prvků, které jsou nemožné tradičními technikami, jako je odlévání nebo obrábění.

Ale DMLS není jen o skvělých tvarech. Může se pochlubit řadou výhod, včetně:

• Výjimečná pevnost a přesnost: DMLS vyrábí díly s vynikajícími mechanickými vlastnostmi, které konkurují vlastnostem tradičně vyráběných součástí. Navíc přístup vrstva po vrstvě zajišťuje výjimečnou rozměrovou přesnost.
• Potenciál odlehčení: Zahrnutím vnitřních mřížek a dutých struktur umožňuje DMLS vytváření lehkých, ale robustních dílů, což je hlavní výhoda v odvětvích, jako je letectví a automobilový průmysl.
• Svoboda designu: Uvolněte svou kreativitu! DMLS odstraňuje omezení konvenčních metod a umožňuje výrobu složitých geometrií a vnitřních prvků, kterých by bylo jinak neuvěřitelně obtížné nebo dokonce nemožné dosáhnout.
• Rychlé prototypování: DMLS umožňuje rychlé a efektivní vytváření funkčních prototypů, což urychluje proces návrhu a vývoje.
• Hromadné přizpůsobení: DMLS umožňuje výrobu přizpůsobených dílů v malých dávkách, což je ideální pro aplikace s malým objemem nebo personalizované produkty.

Stavební kameny DMLS

Srdcem procesu DMLS jsou použité kovové prášky. Tyto jemné kovové částice, obvykle o velikosti 20 až 40 mikrometrů, jsou pečlivě vybírány na základě požadovaných vlastností konečného dílu. Zde je bližší pohled na některé z nejběžněji používaných kovových prášků v DMLS spolu s jejich jedinečnými vlastnostmi:

Běžné kovové prášky DMLS:

Kovový prášek	Popis	Vlastnosti	Aplikace
Slitiny titanu (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-4V ELI)	Pracovní kůň DMLS, který nabízí dobrou rovnováhu mezi pevností, hmotností a odolností proti korozi.	Vysoký poměr pevnosti k hmotnosti, vynikající biokompatibilita (stupeň ELI).	Letectví a kosmonautika, lékařské implantáty, sportovní zboží
Nerezová ocel (316L, 17-4PH)	Všestranný a nákladově efektivní, s dobrými mechanickými vlastnostmi a odolností proti korozi.	Vynikající odolnost proti korozi (316L), vysoká pevnost a tvrdost (17-4PH).	Průmyslové komponenty, zařízení pro chemické zpracování, šperky
Hliníkové slitiny (AlSi10Mg, AlSi7Mg0,3)	Lehké a nabízejí dobrou obrobitelnost pro následné zpracování.	Vynikající poměr pevnosti k hmotnosti, dobrá slévatelnost (AlSi7Mg0.3).	Automobilové díly, letecké a kosmické komponenty, výměníky tepla
Inconel (IN625, 718)	Superslitiny proslulé svou vysokoteplotní pevností a odolností proti korozi.	Výjimečný výkon při zvýšených teplotách, dobrá odolnost proti oxidaci.	Součásti plynových turbín, raketové motory, výměníky tepla
Kobalt-chrom (CoCr)	Biokompatibilní a odolné proti opotřebení, ideální pro lékařské implantáty.	Vynikající biokompatibilita, vysoká pevnost a odolnost proti opotřebení.	kloubní náhrady, zubní implantáty, chirurgické nástroje
měď (Cu)	Vysoce vodivé, takže jsou ideální pro elektrické aplikace.	Vynikající tepelná a elektrická vodivost.	Chladiče, elektronické součástky, vlnovody
nikl (Ni)	Čistý nikl nabízí kombinaci pevnosti, tažnosti a odolnosti proti korozi.	Vysoká pevnost, dobrá tažnost a odolnost proti korozi.	Elektrody, zařízení pro chemické zpracování, pájecí materiály
Nástrojová ocel (H13, M2)	Navrženy pro vysokou odolnost proti opotřebení a houževnatost.	Vynikající odolnost proti opotřebení, vysoká tvrdost (H13), dobrá houževnatost (M2).	Řezné nástroje, formy a matrice, otěruvzdorné desky
Drahé kovy (zlato, stříbro, platina)	Cenné pro svou estetickou přitažlivost a jedinečné vlastnosti.	Vysoká hodnota, vynikající elektrická vodivost (zlato, stříbro), vysokoteplotní stabilita (platina).	Šperky, dekorativní díly, elektrické kontakty
Žáruvzdorné kovy (wolfram, tantal)	Nabízejí výjimečnou vysokoteplotní pevnost a odolnost vůči drsným prostředím.	Velmi vysoké body tání, vynikající odolnost proti opotřebení (wolfram

Průběh procesu DMLS

Nyní, když jsme prozkoumali stavební kameny DMLS, pojďme se ponořit do samotného fascinujícího procesu. Zde je rozpis typického pracovního postupu při vytváření kovového dílu pomocí DMLS:

1. Digitální design: Cesta začíná 3D modelem (CAD) požadovaného dílu s počítačovou podporou. Tento model definuje přesnou geometrii, rozměry a vnitřní prvky konečné součásti. Software speciálně navržený pro aditivní výrobu se často používá k zajištění toho, aby byl model optimalizován pro 3D tisk DMLS.
2. Krájení dat: 3D CAD model je poté rozřezán na sérii extrémně tenkých průřezů, obvykle v tloušťce od 20 do 100 mikrometrů. Každý řez představuje jednu vrstvu, kterou bude stroj DMLS stavět. Představte si digitální stoh výkresů, z nichž každý podrobně popisuje konkrétní vrstvu dílu.
3. Příprava práškového lože: Uvnitř stroje DMLS se rovnoměrně nanese vrstva jemného kovového prášku na stavební plošinu. Tato vrstva odpovídá prvnímu řezu digitálního modelu. Plošina se může přesně pohybovat nahoru a dolů, což umožňuje vytváření následných vrstev.
4. Selektivní laserové tavení: Vysokoenergetický laserový paprsek, typicky vláknový laser, skenuje práškové lože podle dat z rozřezaného modelu. Laser roztaví kovové částice ve vyznačených oblastech, spojí je dohromady a vytvoří první pevnou vrstvu dílu.
5. Konstrukce vrstva po vrstvě: Proces se opakuje – nanese se čerstvá vrstva prášku a laser selektivně roztaví požadované části a spojí je s předchozí vrstvou. Tento cyklus pokračuje pečlivě, buduje díl vrstvu po vrstvě, dokud není celý objekt dokončen.
6. Odstranění podpory: Jakmile je proces tisku dokončen, stavební plošina se spustí a odhalí nově vytvořený kovový díl. Díl však může být obklopen podpůrnými strukturami, které byly vytištěny spolu s ním, aby se zabránilo prohýbání nebo deformaci během stavby. Tyto podpůrné struktury se pečlivě odstraňují pomocí technik, jako je obrábění nebo řezání vodním paprskem.
7. Následné zpracování: V závislosti na aplikaci a požadované povrchové úpravě může díl DMLS podstoupit další kroky následného zpracování, jako je tepelné zpracování, horké izostatické lisování (HIP) nebo pískování. Tyto procesy mohou zlepšit mechanické vlastnosti, zmírnit zbytková napětí a zlepšit kvalitu povrchu konečné součásti.

Technické charakteristiky DMLS

DMLS nabízí jedinečnou sadu technických charakteristik, které z něj činí výkonný nástroj pro různé aplikace. Zde je bližší pohled na některé z klíčových aspektů, které je třeba zvážit:

• Rozlišení a přesnost: DMLS se může pochlubit výjimečným rozlišením a rozměrovou přesností, typicky s tloušťkou vrstvy v rozmezí od 20 do 100 mikrometrů. To umožňuje vytváření vysoce složitých prvků a složitých geometrií.
• Povrchová úprava: Povrchová úprava dílů DMLS se může lišit v závislosti na použitém kovovém prášku a použitých technikách následného zpracování. Vlastní povaha procesu vrstva po vrstvě však může mít za následek poněkud stupňovitou povrchovou úpravu ve srovnání s tradičními metodami obrábění.
• Vlastnosti materiálu: Díly DMLS vykazují vynikající mechanické vlastnosti, často srovnatelné s vlastnostmi konvenčně vyráběných součástí. Faktory, jako je specifický kovový prášek, parametry stavby a následné zpracování, mohou ovlivnit konečné vlastnosti dílu.
• Objem sestavení: Stavební objem stroje DMLS určuje maximální velikost dílu, který lze vytisknout v jedné stavbě. Stavební objemy se mohou pohybovat od několika krychlových centimetrů až po několik krychlových metrů, což vyhovuje široké škále aplikací.
• Rychlost sestavení: Ve srovnání s některými dalšími technologiemi aditivní výroby může být DMLS relativně pomalý proces. Doba stavby závisí na velikosti a složitosti dílu, stejně jako na tloušťce vrstvy a nastavení výkonu laseru.
• Materiálový odpad: Na rozdíl od subtraktivních výrobních technik, které generují značný odpadní materiál, nabízí DMLS minimální odpad. Nepoužitý kovový prášek lze recyklovat a znovu použít v následných stavbách, čímž se minimalizuje spotřeba materiálu.

Oblasti použití DMLS

DMLS rychle transformuje rozmanitou škálu průmyslových odvětví díky svým jedinečným schopnostem. Zde jsou některé z významných oblastí použití, kde DMLS vyniká:

• Letectví: DMLS mění hru v letectví a kosmonautice a umožňuje vytváření lehkých, ale robustních součástí pro letadla a kosmické lodě. Složité vnitřní struktury a mřížkové návrhy mohou být začleněny pro optimalizaci výkonu a snížení hmotnosti, což je zásadní faktor pro palivovou účinnost.
• Lékařské implantáty: Biokompatibilní povaha určitých kovových prášků, jako je titan a kobaltový chrom, činí DMLS ideální pro výrobu přizpůsobených lékařských implantátů. Tyto implantáty lze přesně přizpůsobit anatomii pacienta a nabídnout tak dokonalé přizpůsobení a vylepšenou funkčnost.
• Automobilový průmysl: (Pokračování) Automobilový průmysl využívá DMLS k vytváření vysoce výkonných součástí, jako jsou písty, hlavy válců a části převodovky. Schopnost navrhovat lehké a složité struktury umožňuje snížení hmotnosti a zlepšení spotřeby paliva, což je hlavní výhoda na dnešním trhu šetrném k životnímu prostředí. DMLS navíc umožňuje vytváření přizpůsobených dílů pro závodní aplikace nebo vozidla v limitované edici.
• Výroba forem a matric: DMLS přináší revoluci ve výrobě forem a matric tím, že umožňuje výrobu složitých a konformních chladicích kanálů uvnitř forem. Tyto kanály zlepšují přenos tepla během procesu vstřikování, což vede k rychlejším dobám cyklu, lepší kvalitě dílů a sníženým výrobním nákladům.
• Spotřební zboží: DMLS se dostává na trh spotřebního zboží a umožňuje vytváření jedinečných a personalizovaných produktů, jako jsou šperky, brýle a sportovní zboží. Schopnost vyrábět složité geometrie otevírá nové možnosti designu, zatímco povaha DMLS na vyžádání vyhovuje trendu přizpůsobení.
• Vytváření prototypů: DMLS je výkonný nástroj pro rychlé prototypování, který umožňuje inženýrům a designérům rychle vytvářet funkční prototypy nových produktů. Tento cyklus rychlé iterace urychluje proces návrhu a vývoje, což vede k rychlejší inovaci produktů a uvedení na trh.

Omezení a úvahy DMLS

I když DMLS nabízí nepřeberné množství výhod, je nezbytné uznat jeho omezení a úvahy:

• Náklady: Stroje DMLS a kovové prášky mohou být drahé ve srovnání s tradičním výrobním zařízením a materiály. To může učinit DMLS méně vhodnou volbou pro velkoobjemovou výrobu jednoduchých dílů.
• Povrchová úprava: Jak již bylo zmíněno, povaha DMLS vrstva po vrstvě může mít za následek poněkud stupňovitou povrchovou úpravu. I když techniky následného zpracování mohou zlepšit kvalitu povrchu, dosažení dokonale hladké povrchové úpravy může vyžadovat další kroky obrábění, což zvyšuje náklady a složitost procesu.
• Doba výstavby: DMLS může být pomalý proces, zejména u velkých nebo složitých dílů. To je třeba zohlednit při zvažování dodacích lhůt a výrobních plánů.
• Podpůrné struktury: Požadavek na podpůrné struktury během procesu DMLS může přidat složitost a potenciálně zvýšit dobu následného zpracování. Pečlivé úvahy o návrhu mohou minimalizovat potřebu složitých podpůrných struktur.
• Kvalifikace dílů: Pro kritické aplikace v průmyslových odvětvích, jako je letectví a lékařství, mohou díly DMLS vyžadovat další testování a kvalifikační postupy, aby se zajistilo, že splňují přísné standardy výkonu a bezpečnosti.

DMLS vs. jiné technologie aditivní výroby

DMLS není jediným hráčem ve hře 3D tisku. Zde je rychlé srovnání DMLS s dalšími významnými technologiemi aditivní výroby, které vám pomohou vybrat ten správný nástroj pro danou práci:

• Stereolitografie (SLA): SLA používá laser k vytvrzování kapalné pryskyřice do pevného objektu, vrstvu po vrstvě. Ve srovnání s DMLS nabízí SLA vyšší rozlišení a hladší povrchovou úpravu, ale je omezena na menší rozsah materiálů, primárně plastů.
• Selektivní laserové slinování (SLS): SLS funguje podobně jako DMLS, ale používá laser ke slinování částic plastového prášku. SLS je obecně rychlejší a nákladově efektivnější než DMLS pro výrobu plastových dílů, ale nabízí nižší pevnost a omezené možnosti materiálů ve srovnání s DMLS pro kovové aplikace.
• Tavené depoziční modelování (FDM): FDM funguje vytlačováním roztaveného plastového vlákna pro stavbu objektu vrstvu po vrstvě. FDM je široce používaná a relativně levná technologie, ale nabízí nižší rozlišení a pevnost ve srovnání s DMLS.
• Tavení elektronovým svazkem (EBM): Podobně jako DMLS používá EBM elektronový paprsek k tavení kovového prášku. EBM vyniká při zpracování reaktivních kovů, jako je titan, ale vyžaduje vakuové prostředí, což z něj činí složitější a dražší proces ve srovnání s DMLS.

FAQ

Zde jsou některé z nejčastěji kladených otázek o DMLS:

Otázka: Jaké jsou výhody DMLS?

Odpověď: DMLS nabízí několik výhod, včetně výjimečné svobody designu, vysoké pevnosti a přesnosti dílů, potenciálu pro odlehčení, možností rychlého prototypování a minimálního odpadu materiálu.

Otázka: Jaká jsou omezení DMLS?

Odpověď: Omezení DMLS zahrnují jeho relativně vysoké náklady ve srovnání s tradiční výrobou, potenciální problémy s povrchovou úpravou, pomalejší doby stavby ve srovnání s některými dalšími technologiemi 3D tisku a potřebu dalších úvah, jako jsou podpůrné struktury a kvalifikace dílů pro určité aplikace.

Otázka: Jaké materiály lze použít s DMLS?

Odpověď: S DMLS lze použít širokou škálu kovových prášků, včetně slitin titanu, nerezové oceli, slitin hliníku, Inconelu, kobaltového chromu, mědi, niklu, nástrojové oceli, drahých kovů a žáruvzdorných kovů.

Otázka: Jaké jsou některé z aplikací DMLS? (Pokračování)

Odpověď: DMLS nachází uplatnění v různých průmyslových odvětvích, včetně letectví a kosmonautiky, lékařských implantátů, automobilového průmyslu, výroby forem a matric, spotřebního zbo

Otázka: Kolik stojí stroj DMLS?

Odpověď: Cena stroje DMLS se může značně lišit v závislosti na objemu výroby, schopnostech a značce. Ceny se mohou pohybovat od desítek tisíc dolarů u menších strojů až po miliony dolarů u špičkových průmyslových systémů.

Otázka: Mohu DMLS používat doma?

Odpověď: I když se objevují stolní 3D tiskárny pro kov, průmyslové stroje DMLS nejsou obvykle vhodné pro domácí použití kvůli jejich složitosti, nákladům, bezpečnostním hlediskům a specializovaným požadavkům na manipulaci s práškem.

Otázka: Jaká je budoucnost DMLS?

Odpověď: Budoucnost DMLS je slibná. S pokrokem technologie můžeme očekávat dostupnější stroje DMLS, širší škálu kompatibilních kovových prášků a ještě rychlejší rychlosti tisku. DMLS je připraven hrát stále důležitější roli ve výrobě a umožnit vytváření inovativních a vysoce výkonných dílů v různých průmyslových odvětvích.

Závěr

DMLS představuje revoluční skok vpřed ve výrobě, který nabízí bezkonkurenční svobodu designu a schopnost vytvářet složité kovové díly s výjimečnou pevností a přesností. Od lehkých leteckých komponentů až po zakázkové lékařské implantáty, DMLS mění způsob, jakým navrhujeme a vyrábíme širokou škálu produktů. I když je třeba zvážit omezení, jako jsou náklady a doba výroby, DMLS se neustále vyvíjí a stává se dostupnějším, což z něj činí výkonný nástroj pro inženýry, designéry a výrobce. S tím, jak technologie DMLS dospívá a její schopnosti se rozšiřují, můžeme očekávat, že se v nadcházejících letech objeví ještě více průlomových aplikací.

znát více procesů 3D tisku