Wytwarzanie przyrostowe SLM

Przegląd Wytwarzanie przyrostowe SLM

Selektywne topienie laserowe (SLM) to technologia produkcji addytywnej, która wykorzystuje laser do selektywnego topienia i stapiania metalicznego materiału proszkowego warstwa po warstwie w celu tworzenia obiektów 3D. SLM nadaje się do przetwarzania metali reaktywnych, takich jak tytan, aluminium i stal nierdzewna, w pełni zwarte i funkcjonalne części o złożonej geometrii.

SLM oferuje kilka korzyści w porównaniu do tradycyjnej produkcji:

Korzyści z wytwarzania przyrostowego SLM

Korzyści	Opis
Swoboda projektowania	SLM może wytwarzać złożone geometrie, takie jak siatki, kanały wewnętrzne i kształty organiczne, które nie są możliwe w przypadku obróbki skrawaniem.
Personalizacja	Części można łatwo dostosować i zoptymalizować pod kątem funkcji, a nie ograniczeń produkcyjnych.
Lekkość	Organiczne kształty i kratownice sprawiają, że części są lekkie, a jednocześnie wytrzymałe.
Oszczędności materiałowe	SLM wykorzystuje tylko wymaganą ilość materiału w porównaniu do obróbki z litych bloków
Szybkie prototypowanie	Części mogą być drukowane bezpośrednio w 3D z CAD, a nie przy użyciu narzędzi do prototypowania.
Produkcja dokładnie na czas	Drukowanie na żądanie zmniejsza koszty magazynowe
Odporność łańcucha dostaw	Produkcja rozproszona zmniejsza ryzyko związane z łańcuchem dostaw

SLM wiąże się jednak z pewnymi ograniczeniami:

Ograniczenia wytwarzania przyrostowego SLM

Ograniczenie	Opis
Koszty maszyn	Przemysłowe maszyny SLM mają wysokie początkowe koszty kapitałowe rzędu $100K-$1M+.
Opcje materiałowe	Obecnie ograniczone do metali reaktywnych, takich jak tytan, aluminium, stale narzędziowe i superstopy.
Dokładność	Typowa dokładność 0,1-0,2 mm jest niższa niż tolerancje obróbki skrawaniem.
Wykończenie powierzchni	Powierzchnia po wydrukowaniu jest szorstka i wymaga obróbki końcowej
Rozmiar kompilacji	Maksymalny rozmiar części jest ograniczony przez rozmiar komory drukarki
Niska produkcja seryjna	Najbardziej ekonomiczne w przypadku małych partii i części niestandardowych w porównaniu z produkcją masową
Przetwarzanie końcowe	Wymagane są dodatkowe kroki, takie jak usuwanie podpór, obróbka cieplna

Jak działa druk 3D w technologii SLM

SLM to technologia stapiania w złożu proszkowym, która wykorzystuje skupioną wiązkę lasera do selektywnego topienia i stapiania metalicznego materiału proszkowego warstwa po warstwie.

Kluczowe etapy procesu SLM to:

Proces druku 3D w technologii SLM

Krok	Opis
Model 3D	Model 3D CAD jest cyfrowo dzielony na warstwy
Spread Powder	Ostrze reoatera rozprowadza cienką warstwę proszku na platformie roboczej
Topienie laserowe	Wiązka laserowa śledzi każdą warstwę topiącego się proszku, aby połączyć ją w oparciu o pocięte dane CAD
Dolna platforma	Platforma konstrukcyjna obniża się, a na jej powierzchni rozprowadzana jest kolejna warstwa proszku
Powtórz kroki	Proces stapiania warstw jest powtarzany aż do utworzenia pełnej części
Usuń część	Gotowa część wydrukowana w 3D jest usuwana ze złoża proszku
Post-Process	Część jest czyszczona i poddawana obróbce cieplnej w celu zmniejszenia naprężeń

Materiały SLM

SLM jest w stanie przetwarzać szereg metali reaktywnych na w pełni zwarte części, w tym:

Materiały SLM

Materiał	Kluczowe właściwości	Zastosowania
Stopy tytanu	Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi, biokompatybilność	Lotnictwo i kosmonautyka, implanty medyczne
Stopy aluminium	Lekkość i wysoka wytrzymałość	Motoryzacja, lotnictwo i kosmonautyka
Stale nierdzewne	Odporność na korozję, wysoka wytrzymałość	Oprzyrządowanie przemysłowe, morskie
Stale narzędziowe	Wysoka twardość, odporność na ciepło	Formy wtryskowe, matryce
Nadstopy niklu	Odporność na ciepło i korozję	Łopatki turbin, dysze rakiet
Chrom kobaltowy	Odporność na zużycie, biokompatybilność	Implanty dentystyczne, ortopedia

Najpopularniejszymi materiałami SLM są stopy tytanu i aluminium, a także stale narzędziowe i stale nierdzewne. Bardziej egzotyczne nadstopy i kompozyty metali mogą być również przetwarzane za pomocą technologii SLM.

Wytyczne projektowe SLM

Aby z powodzeniem projektować części do druku 3D w technologii SLM, inżynierowie powinni postępować zgodnie z poniższymi wskazówkami:

Wytyczne projektowe SLM

Wytyczne	Opis
Unikaj nawisów	Minimalizacja nawisów wymagających podpór, które należy usunąć
Kotwice projektowe	Dołącz małe kotwy lub zaczepy, aby przymocować część do płyty montażowej.
Orientacja na siłę	Wyrównaj część, aby zmaksymalizować siłę w kierunku funkcjonalnym
Minimalizacja wysokości części	Zorientuj się, aby zminimalizować wysokość Z, aby uniknąć zapadania się delikatnych elementów
Umożliwiają obróbkę końcową	Dodaj 0,1-0,3 mm naddatku na obróbkę końcową, jeśli wymagane są wąskie tolerancje.
Optymalizacja konstrukcji kratowych	Dostosowanie rozmiaru komórek i rozpórek do obciążeń części i ograniczeń SLM
Zawiera otwory wentylacyjne	Dodaj małe otwory, aby zapobiec uwięzieniu proszku powodującemu defekty
Konforemne kanały chłodzące	Projektowanie złożonych wewnętrznych kanałów chłodzących, które nie są możliwe w przypadku wiercenia/obróbki skrawaniem
Łączenie części	Konsolidacja zespołów w pojedyncze części w celu zmniejszenia wymagań montażowych

Przestrzeganie tych wytycznych pomaga uniknąć typowych wad druku SLM, takich jak słabe wykończenie powierzchni, zniekształcenia, pęknięcia lub uwięziony proszek.

Producenci drukarek SLM

Główni producenci systemów SLM to:

Producenci drukarek 3D SLM

Firma	Drukarki	Kluczowe cechy
EOS	EOS M290, EOS M300 x4	Pionier druku 3D z metalu, doskonałe właściwości części
SLM Solutions	SLM 280, SLM 500, SLM 800	Bardzo wysoka moc lasera zapewniająca produktywność i dużą objętość produkcji
3D Systems	DMP Factory 500	Skalowalne systemy do produkcji wielkoseryjnej
GE Additive	Concept Laser M2, X Line 2000R	Teraz część GE, niezawodne woły robocze o wysokiej produktywności
Renishaw	RenAM 500Q	Doskonała precyzja, zintegrowany system zarządzania jakością

Przy wyborze systemu SLM kluczowymi czynnikami są wielkość produkcji, moc lasera, możliwości materiałowe, precyzja i przepływ pracy oprogramowania. Wiodący producenci oferują systemy o ugruntowanej pozycji, ale na rynku pojawia się również wielu nowych graczy z Chin i Indii.

Ceny drukarek SLM

Przemysłowe systemy SLM mają wysokie początkowe koszty kapitałowe, od $100,000 dla maszyn klasy podstawowej do $1,000,000+ dla wysokiej klasy systemów produkcyjnych:

Ceny drukarek SLM

Producent	Model drukarki	Objętość kompilacji	Zakres cen
EOS	EOS M100	95 x 95 x 95 mm	$100k - $150k
SLM Solutions	SLM 125	125 x 125 x 125 mm	$175k - $250k
3D Systems	DMP Factory 500	500 x 500 x 500 mm	$500k - $800k
GE Additive	Concept Laser M2 Series 5	250 x 250 x 280 mm	$700k - $900k
Renishaw	RenAM 500M	250 x 250 x 350 mm	$950k - $1.2M

Większe objętości produkcyjne, wyższa moc lasera i funkcje zwiększające produktywność podnoszą koszty systemu. Kluczowy jest jednak mądry wybór w oparciu o potrzeby aplikacji i wymagania produkcyjne.

Rozważania dotyczące obiektu SLM

Aby z powodzeniem obsługiwać zakład SLM, firmy powinny wziąć pod uwagę:

Czynniki obiektu SLM

Czynnik	Opis
Koszty obiektu	Uwzględnienie kosztów drukarek, materiałów i budowy obiektu
Obsługa materiałów	Zainstaluj sprzęt do przenoszenia proszków i zapewnij pracownikom środki ochrony indywidualnej
Przetwarzanie końcowe	Sprzęt czyszczący, obróbka cieplna, HIP, wykańczanie powierzchni itp.
Oprogramowanie	Oprogramowanie Workflow do planowania, zagnieżdżania, monitorowania procesów
Szkolenie	Szkolenie inżynierów w zakresie projektowania i techników w zakresie obsługi drukarek.
Bezpieczeństwo	Przestrzeganie procedur obchodzenia się z proszkami i posiadanie systemów przeciwpożarowych.
Konserwacja	Zaplanuj regularną konserwację i kalibrację systemu
Kontrola jakości	Pomiar wymiarów i właściwości materiałów, testowanie powtarzalności
Certyfikacja	Certyfikacja ISO 9001, AS9100 dla branż regulowanych

Wybór doświadczonego dostawcy usług może pomóc w nawigacji po konfiguracji obiektu, operacjach i certyfikacji dla zastosowań regulowanych, takich jak przemysł lotniczy lub urządzenia medyczne.

Zalety wytwarzania przyrostowego SLM

Kluczowe zalety druku 3D w technologii SLM obejmują:

Zalety wytwarzania przyrostowego SLM

Przewaga	Opis
Złożone geometrie	SLM może wytwarzać bardzo złożone kształty organiczne oraz skomplikowane wewnętrzne siatki i kanały
Części niestandardowe	Łatwe tworzenie niestandardowych części dostosowanych do potrzeb klienta w porównaniu z ograniczeniami narzędziowymi.
Redukcja wagi	Struktury kratowe i optymalizacja topologii umożliwiają tworzenie lekkich i wytrzymałych konstrukcji
Skonsolidowane zespoły	Łączenie wielu komponentów w pojedyncze, złożone części
Szybkie czasy realizacji	Drukowanie części na żądanie bezpośrednio z danych CAD zamiast wielomiesięcznej obróbki skrawaniem
Zmniejszona ilość odpadów	Użycie tylko wymaganej ilości materiału w porównaniu do obróbki z kęsów
Produkcja na żądanie	Umożliwia rozproszoną produkcję just-in-time blisko klientów
Redukcja zapasów	Drukowanie części w razie potrzeby zmniejsza koszty narzędzi, magazynowania i zapasów.
Materiały o wysokiej wydajności	Przetwarzanie zaawansowanych metali, takich jak tytan i superstopy, na części końcowe

Swoboda projektowania, dostosowywanie części i możliwości produkcji rozproszonej sprawiają, że SLM jest idealna do produkcji nisko- i średnioseryjnej w zastosowaniach lotniczych, medycznych, przemysłowych i motoryzacyjnych.

Ograniczenia wytwarzania przyrostowego SLM

SLM ma pewne ograniczenia, w tym

Ograniczenia wytwarzania przyrostowego SLM

Ograniczenie	Opis
Koszt maszyny	Drukarki SLM mają wysokie koszty kapitałowe, często przekraczające $500,000
Dostępność materiałów	Obecnie ograniczone do reaktywnych metali strukturalnych i tworzyw sztucznych.
Dokładność	Typowa dokładność 0,1-0,2 mm jest niższa niż w przypadku obróbki CNC.
Wykończenie powierzchni	Zadrukowana powierzchnia jest stosunkowo szorstka z efektem schodków
Przetwarzanie końcowe	Często wymagane jest usuwanie podpór, obróbka, polerowanie
Prędkość druku	Szybkość produkcji zazwyczaj 5-100 cc/godz. ogranicza prędkość w stosunku do produkcji masowej.
Maksymalny rozmiar części	Ograniczona objętość drukarki, zazwyczaj poniżej 500 x 500 x 500 mm
Monitorowanie procesów	Brak monitorowania na miejscu może prowadzić do niewykrycia usterek.
Doświadczenie operatora	Technicy SLM wymagają znacznego przeszkolenia w zakresie procedur
Koszty materiałowe	Sproszkowane metale mogą być 2-5 razy droższe niż surowiec.

W przypadku bardzo wysokiej dokładności, bardzo dużych części lub masowej produkcji, metody subtraktywne, takie jak obróbka CNC, są zwykle bardziej odpowiednie niż metody addytywne SLM.

Rola SLM w produkcji

SLM najlepiej nadaje się do:

Najlepsze role SLM w produkcji

Rola w produkcji	Przykłady
Szybkie prototypowanie	Szybkie iteracje projektu i części sprawdzające koncepcję
Produkcja małoseryjna	Wsporniki lotnicze, wirniki, implanty medyczne
Oprzyrządowanie mostka	Produkcja wczesnych jednostek podczas wytwarzania form wtryskowych
Konsolidacja części	Łączenie wielu komponentów w pojedyncze części
Masowa personalizacja	Dostosowane produkty końcowe, takie jak nakładki na zęby
Produkcja rozproszona	Lokalna produkcja na żądanie blisko klientów

W przypadku bardzo dużych ilości, konwencjonalne odlewanie ciśnieniowe lub formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych są zwykle bardziej opłacalne niż druk 3D w technologii SLM. Jednak w przypadku produkcji krótkoseryjnej SLM przoduje.

Przyszłość wytwarzania przyrostowego SLM

Oczekuje się, że SLM rozszerzy się na szersze zastosowania w przyszłości poprzez:

Przyszłość SLM

Trend	Opis
Większe drukarki	Konstrukcja o długości i wysokości ponad 1 metra
Systemy z wieloma laserami	Maszyny wielolaserowe o większej mocy powyżej 1 kW
Szybsze prędkości	Prędkość druku do 500 cc/godz. za pomocą skanowanych laserów galvo
Nowe materiały	Stopy wysokotemperaturowe, MMC, nowe kompozyty
Produkcja hybrydowa	Połączone procesy AM i subtraktywne w jednym systemie
Zautomatyzowane przetwarzanie końcowe	Mniej pracy ręcznej przy usuwaniu podpór i wykańczaniu powierzchni
Monitorowanie w trakcie procesu	Monitorowanie in-situ jeziorka stopionego metalu, złoża proszku i wad części
Symulacja	Symulacje oparte na fizyce w celu przewidywania zachowania i optymalizacji kompilacji
Uczenie maszynowe	Sztuczna inteligencja do projektowania, optymalizacji procesów, zapewniania jakości
Cyfrowy łańcuch dostaw	Płynny cyfrowy przepływ pracy od projektu do produkcji

Wybór dostawcy usług SLM

Wybierając dostawcę usług SLM, kupujący powinni dokonać oceny:

Wybór dostawcy usług SLM

Czynnik	Opis
Sprzęt drukarski	Poszukaj renomowanych przemysłowych drukarek do metalu o dużej mocy wiązki i dużej objętości wydruku
Materiały	Możliwość przetwarzania pożądanych stopów, takich jak tytan, stal narzędziowa, stal nierdzewna
Przetwarzanie końcowe	Oferta pełnego zakresu obróbki po druku, takiej jak HIP, obróbka skrawaniem, polerowanie
Procedury jakości	Certyfikat ISO 9001 lub AS9100 z rygorystycznymi procesami kontroli jakości
Doświadczenie z aplikacjami	Doświadczenie i studia przypadków w docelowych zastosowaniach, takich jak lotnictwo, motoryzacja, medycyna
Wsparcie projektowe	Zdolność do projektowania i optymalizacji części pod kątem możliwości produkcji AM
Lead Times	Zdolność do dostarczania próbek i części produkcyjnych w wymaganych ramach czasowych
Przygotowanie pliku	Akceptowanie standardowych formatów plików CAD i wielokątów z analizą projektu
Usługi po zakończeniu budowy	Czyszczenie, obróbka cieplna, wykańczanie powierzchni, usługi powlekania
Usługi dodatkowe	Inspekcja, szybkie prototypowanie, oprzyrządowanie mostów, odlewy, formowanie
Wycena	Konkurencyjne i skalowalne ceny dla różnych wolumenów produkcji
Lokalizacja	Bliskość dla logistyki łańcucha dostaw i komunikacji

Wybór dostawcy usług z kompleksowymi możliwościami, od projektowania po przetwarzanie końcowe, zapewnia wysoką jakość wyników. Sprawdzanie studiów przypadku i odwiedzanie obiektów pomaga zweryfikować doświadczenie.

Najczęściej zadawane pytania

P: Jakie materiały można drukować w technologii SLM?

SLM jest w stanie przetwarzać szereg metali reaktywnych, takich jak stal nierdzewna, stal narzędziowa, stopy tytanu, nadstopy niklu, stopy aluminium i chrom kobaltowy. Najpopularniejszymi materiałami SLM są tytan Ti6Al4V i aluminium AlSi10Mg.

P: Jak dokładny jest druk 3D w technologii SLM?

O: SLM zazwyczaj zapewnia dokładność około 0,1-0,2 mm. Chociaż jest ona niższa niż tolerancja obróbki CNC, obróbka końcowa, taka jak obróbka skrawaniem i polerowanie, może poprawić dokładność. Rozmiary elementów poniżej 0,3 mm nie są zalecane.

P: Jakie branże wykorzystują produkcję addytywną SLM?

O: Sektory lotniczy, medyczny, dentystyczny, motoryzacyjny i przemysłowy są obecnie głównymi użytkownikami technologii SLM ze względu na korzyści, takie jak lekkość, konsolidacja części, masowa personalizacja i szybki czas realizacji.

P: Jaka obróbka końcowa jest wymagana po drukowaniu SLM?

Typowa obróbka po wydrukowaniu obejmuje usuwanie podpór, odprężającą obróbkę cieplną, prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP), obróbkę CNC, polerowanie i powlekanie. Wymagania zależą od zastosowania, materiału i wykończenia.

P: Jak drogi jest druk 3D z metalu w technologii SLM?

O: Przemysłowe systemy SLM wahają się od $100,000 do ponad $1 miliona, w zależności od wielkości produkcji, mocy lasera i funkcji. Koszty materiałowe proszku metalowego mogą być od 2 do 5 razy wyższe od kosztów surowca. Jednak całkowite koszty spadają.

P: Czy SLM może drukować zwisy i złożone kształty?

O: Tak, SLM może drukować geometrie takie jak zwisy, kratownice i cienkie ściany dzięki zastosowaniu konstrukcji wsporczych. Konieczna jest staranna orientacja, aby uniknąć deformacji i zrównoważyć wymagania dotyczące podparcia.

P: Jakie oprogramowanie jest używane do drukowania SLM?

O: Drukarki SLM są dostarczane z zastrzeżonym oprogramowaniem do drukowania. Dodatkowe oprogramowanie służy do projektowania, naprawy plików, symulacji, przygotowania konstrukcji, zagnieżdżania, zarządzania konstrukcjami i zarządzania jakością.

P: Jak długo trwa drukowanie 3D części za pomocą SLM?

O: Czas drukowania waha się od godzin do dni w zależności od rozmiaru części, złożoności geometrii i parametrów drukowania. W przypadku części metalowych, drukarki SLM zazwyczaj pracują z prędkością od 5 do 100 cc/godzinę. Większe części wymagają więcej czasu.

P: Czy SLM produkuje bezpieczne i funkcjonalne części metalowe do zastosowań końcowych?

O: Tak, przy odpowiednim projekcie i obróbce, SLM może wytwarzać w pełni gęste części metalowe spełniające lub przewyższające właściwości materiałowe tradycyjnie wytwarzanych części do funkcjonalnego użytku końcowego w wymagających zastosowaniach.

poznaj więcej procesów druku 3D