Wytwarzanie przyrostowe SLM

Selektywne topienie laserowe (SLM) to proces wytwarzania przyrostowego metali, który wykorzystuje laser do stapiania proszku metalicznego w całkowicie zwarte komponenty. Niniejszy przewodnik analizuje technologię SLM, systemy, materiały, zastosowania, korzyści i kwestie, które należy wziąć pod uwagę przy wdrażaniu produkcji addytywnej za pomocą SLM.

Wprowadzenie do Wytwarzanie przyrostowe SLM

Selektywne topienie laserowe (SLM) to technika wytwarzania przyrostowego wykorzystująca laser o dużej mocy do selektywnego topienia i stapiania cząstek proszku metalicznego warstwa po warstwie w celu tworzenia w pełni gęstych części 3D bezpośrednio z danych CAD.

Kluczowe atrybuty technologii SLM:

• Wykorzystuje skupioną wiązkę lasera do topienia sproszkowanych metali
• Dodaje materiał tylko tam, gdzie jest to wymagane w każdej warstwie
• Umożliwia uzyskanie złożonych geometrii, nieosiągalnych w przypadku odlewania lub obróbki skrawaniem.
• Tworzy metalowe komponenty o kształcie zbliżonym do siatki i wysokiej gęstości
• Materiały obejmują aluminium, tytan, stal nierdzewną, stopy
• Małe i średnie ilości budowanych części
• Idealny do złożonych części o małej objętości
• Eliminuje potrzebę stosowania twardych narzędzi, takich jak formy lub matryce
• Znacznie zmniejsza ilość odpadów w porównaniu do metod subtraktywnych
• Umożliwia projektowanie lekkich konstrukcji i konsolidację części
• Umożliwia ulepszenia funkcjonalne dzięki konstrukcjom inżynieryjnym

Dzięki swoim możliwościom SLM zapewnia przełomowe korzyści w zakresie innowacyjnego projektowania produktów i odchudzonej produkcji. Jednak opanowanie tego procesu wymaga specjalistycznej wiedzy.

Jak działa wytwarzanie przyrostowe SLM

Proces produkcji SLM składa się z:

1. Rozprowadzanie i wyrównywanie cienkiej warstwy proszku metalowego na płycie roboczej
2. Selektywne skanowanie skupionej wiązki lasera w celu stopienia proszku
3. Obniżenie platformy kompilacji i powtórzenie nakładania warstw i topienia
4. Usuwanie gotowych części z łoża proszkowego
5. W razie potrzeby obróbka końcowa części - czyszczenie, obróbka cieplna itp.

Precyzyjne sterowanie laserem, wzorcami skanowania, atmosferą komory i innymi parametrami ma kluczowe znaczenie dla uzyskania wysokiej jakości, gęstych części metalowych za pomocą SLM.

Systemy SLM obejmują generator laserowy, układ optyczny dostarczający wiązkę, system dostarczania proszku, komorę roboczą, obsługę gazu obojętnego i centralne elementy sterujące. Wydajność zależy w dużej mierze od inżynierii systemu i dostrajania parametrów budowy.

Producenci sprzętu SLM

Do wiodących globalnych dostawców systemów produkcji addytywnej SLM należą:

Wybór systemu zależy od potrzeb w zakresie wielkości konstrukcji, materiałów, jakości, kosztów i wsparcia serwisowego. Aby właściwie ocenić dostępne opcje, zaleca się współpracę z doświadczonym dostawcą rozwiązań SLM.

Charakterystyka procesu SLM

SLM obejmuje złożone interakcje między różnymi parametrami procesu. Oto kluczowe cechy:

Laser - Moc, długość fali, tryb, prędkość skanowania, odstępy między kreskami, strategia

Proszek - Materiał, rozmiar cząstek, kształt, szybkość podawania, gęstość, płynność, ponowne użycie

Temperatura - Podgrzewanie, topienie, chłodzenie, naprężenia termiczne

Atmosfera - Typ gazu obojętnego, zawartość tlenu, natężenie przepływu

Build Plate - Materiał, temperatura, powłoka

Strategia skanowania - Wzór kreskowania, obrót, kontury obramowania

Wsparcie - Minimalizacja, interfejs, usuwanie

Przetwarzanie końcowe - Obróbka cieplna, HIP, obróbka skrawaniem, wykańczanie

Zrozumienie zależności między tymi parametrami jest niezbędne do uzyskania wolnych od wad części o zoptymalizowanych właściwościach mechanicznych.

Wytyczne dotyczące projektowania części SLM

Właściwy projekt części ma kluczowe znaczenie dla udanej produkcji addytywnej SLM:

• Projektowanie z uwzględnieniem zasad AM a metody konwencjonalne
• Optymalizacja geometrii w celu zmniejszenia masy, zużycia materiałów i poprawy wydajności
• Zminimalizuj potrzebę stosowania podpór za pomocą samonośnych kątowników
• Umożliwienie obsługi regionów interfejsu w projekcie
• Orientacja części w celu zmniejszenia naprężeń i uniknięcia wad
• Uwzględnienie efektów skurczu termicznego w funkcjach
• Zaprojektowane kanały wewnętrzne do usuwania nieroztopionego proszku
• Rozwiązanie potencjalnego wypaczenia w zwisach lub cienkich sekcjach
• Projektowanie wykończenia powierzchni z uwzględnieniem chropowatości powykonawczej
• Rozważenie wpływu linii warstw na wydajność zmęczeniową
• Projekt interfejsu mocującego do usuwania części ze złoża proszku
• Minimalizacja uwięzionych ilości niespieczonego proszku

Oprogramowanie symulacyjne pomaga ocenić naprężenia i odkształcenia w złożonych częściach SLM przed drukowaniem.

Opcje materiałów SLM

Za pomocą technologii SLM można przetwarzać szereg stopów, przy czym ostateczne właściwości materiału zależą od parametrów:

Wybór kompatybilnych stopów i wybranie odpowiednich parametrów budowy są niezbędne do osiągnięcia wymaganej wydajności materiału.

Kluczowe zastosowania SLM

SLM zapewnia transformacyjne możliwości w różnych branżach:

Korzyści w porównaniu z konwencjonalną produkcją obejmują

• Możliwość masowej personalizacji
• Krótszy czas opracowywania
• Swoboda projektowania w celu zwiększenia wydajności
• Konsolidacja części i obniżanie wagi
• Eliminacja nadmiernego zużycia materiałów
• Konsolidacja łańcucha dostaw

Dokładna walidacja wydajności mechanicznej jest konieczna przy stosowaniu części SLM w krytycznych zastosowaniach.

Plusy i minusy Wytwarzanie przyrostowe SLM

Zalety:

• Swoboda projektowania dzięki procesowi przyrostowemu
• Kompleksowość osiągnięta bez zwiększania kosztów
• Eliminuje potrzebę stosowania twardych narzędzi, takich jak formy lub matryce
• Konsoliduje podzespoły w pojedyncze komponenty
• Lekkość dzięki organicznym, zoptymalizowanym topologicznie strukturom
• Personalizacja i produkcja małoseryjna
• Krótszy czas projektowania w porównaniu do odlewania/obróbki skrawaniem
• Wysoki stosunek wytrzymałości do masy dzięki drobnym mikrostrukturom
• Znacznie minimalizuje ilość odpadów materiałowych w porównaniu z procesami odejmowania
• Just-in-time i zdecentralizowana produkcja
• Krótszy czas realizacji zamówienia i mniejsze zapasy

Ograniczenia:

• Mniejsza objętość kompilacji niż w przypadku innych procesów AM
• Niższa dokładność i wykończenie powierzchni niż w przypadku obróbki CNC
• Ograniczony wybór kwalifikowanych stopów w porównaniu do odlewania
• Znaczna liczba prób i błędów w celu optymalizacji parametrów kompilacji
• Anizotropowe właściwości materiału powstające w wyniku nakładania warstwy po warstwie
• Potencjalne naprężenia szczątkowe i pęknięcia
• Trudności z usuwaniem proszku ze złożonych geometrii wewnętrznych
• Często wymaga obróbki końcowej w celu uzyskania ostatecznych właściwości.
• Wyższy koszt sprzętu niż w przypadku druku 3D z polimerów
• Wymagane specjalne urządzenia i obsługa gazu obojętnego

Przy odpowiednim zastosowaniu, SLM umożliwia osiągnięcie przełomowych wyników, niemożliwych do osiągnięcia innymi metodami.

Wdrażanie wytwarzania przyrostowego SLM

Kluczowe kroki przy wdrażaniu technologii SLM obejmują:

• Identyfikacja odpowiednich aplikacji na podstawie potrzeb
• Potwierdzenie wykonalności SLM dla wybranych projektów
• Opracowanie rygorystycznych protokołów kwalifikacji procesów
• Inwestowanie w odpowiedni sprzęt SLM
• Zapewnienie specjalistycznej wiedzy w zakresie procesów związanych z proszkami metali
• Ustanowienie rygorystycznych procedur jakości materiałów
• Opanowanie opracowywania i optymalizacji parametrów
• Wdrażanie niezawodnych metod przetwarzania końcowego
• Kwalifikacja właściwości mechanicznych gotowych komponentów

Metodyczny plan wprowadzenia skoncentrowany na zastosowaniach niskiego ryzyka minimalizuje pułapki podczas dodawania możliwości dodatków SLM. Współpraca z doświadczonymi biurami serwisowymi SLM lub producentami OEM systemów zapewnia dostęp do specjalistycznej wiedzy.

Analiza kosztów produkcji SLM

Ekonomia produkcji SLM obejmuje:

• Wysoki koszt wyposażenia maszyny
• Praca związana z konfiguracją kompilacji, przetwarzaniem końcowym, kontrolą jakości
• Koszty materiałowe odpowiedniego surowca w postaci proszku metalowego
• Wykańczanie części - obróbka skrawaniem, wiercenie, gratowanie itp.
• Koszty ogólne - urządzenia, gaz obojętny, konserwacja
• Wstępny rozwój procesu metodą prób i błędów
• Koszty maleją wraz z doświadczeniem i wielkością produkcji
• Staje się ekonomiczny przy wolumenach około 1-500 jednostek
• Zapewnia najwyższą przewagę kosztową dla złożonych geometrii

Aby uniknąć usterek, zaleca się wybieranie kwalifikowanych stopów od renomowanych dostawców. Współpraca z dostawcą usług oferuje szybszą i mniej ryzykowną ścieżkę wdrożenia.

SLM w porównaniu do innych procesów

Każdy proces oferuje określone korzyści w oparciu o wymagania aplikacji, wielkość partii, materiały i potrzeby w zakresie wydajności.

Perspektywy na przyszłość dla produkcji addytywnej SLM

SLM jest gotowy na znaczny wzrost w nadchodzących latach, napędzany przez:

• Ciągła ekspansja materiałów z większą dostępnością stopów
• Większe wolumeny produkcyjne umożliwiające produkcję na skalę przemysłową
• Ulepszone wykończenie powierzchni i ściślejsze tolerancje
• Zwiększona niezawodność i produktywność systemu
• Nowe systemy hybrydowe integrujące obróbkę CNC
• Spadające koszty zwiększające rentowność
• Dalsze algorytmy optymalizacji i symulacja
• Zautomatyzowane usuwanie podpór i przetwarzanie końcowe
• Wzrost liczby kwalifikowanych części dla branż regulowanych
• Ciągły rozwój projektów o wysokiej złożoności

SLM stanie się głównym nurtem dla coraz szerszego zakresu zastosowań, w których jego możliwości zapewniają wyraźną przewagę konkurencyjną.

Najczęściej zadawane pytania

Jakie materiały można przetwarzać za pomocą technologii SLM?

Tytan, aluminium, stale nierdzewne, stale narzędziowe, stopy niklu i kobaltu są powszechnie przetwarzane.

Jak dokładny jest SLM?

Typowa dokładność wynosi około ±0,1-0,2%, przy minimalnej rozdzielczości funkcji wynoszącej ~100 mikronów.

Jaki jest koszt systemów SLM?

Sprzęt SLM waha się od $300,000 do $1,000,000+ w zależności od rozmiaru, możliwości i opcji.

Jakie rodzaje przetwarzania końcowego są wymagane?

Można zastosować obróbkę cieplną, HIP, wykończenie powierzchni i/lub obróbkę skrawaniem. Konieczne jest również usunięcie podpór.

Jakie branże wykorzystują produkcję addytywną SLM?

Sektory lotniczy, medyczny, motoryzacyjny, przemysłowy i obronny są pierwszymi użytkownikami SLM.

W przypadku jakich materiałów SLM nie działa dobrze?

Metale o wysokim współczynniku odbicia, takie jak miedź lub złoto, nadal stanowią wyzwanie. Właściwości materiałowe niektórych stopów wciąż się kształtują.

Jakie wykończenia powierzchni można uzyskać?

Chropowatość powierzchni SLM wynosi od 5 do 15 mikronów Ra. Wykończenie może jeszcze bardziej poprawić ten wynik.

Jak duże części można wytwarzać za pomocą SLM?

Standardowe rozmiary konstrukcji wynoszą do 500 mm x 500 mm x 500 mm. Większe maszyny mogą pomieścić większe komponenty.

Czy SLM nadaje się do produkcji części końcowych?

Tak, SLM jest coraz częściej wykorzystywana do produkcji końcowych komponentów, z przykładami w przemyśle lotniczym i medycznym.

poznaj więcej procesów druku 3D