Wytwarzanie przyrostowe SLM

Produkcja addytywna, znana również jako druk 3D, to transformacyjny sposób wytwarzania części i produktów. Jedną z najczęściej stosowanych technik wytwarzania przyrostowego jest selektywne topienie laserowe (SLM). SLM to metoda stapiania w złożu proszku, która wykorzystuje laser o dużej mocy do selektywnego stapiania proszku materiału w celu tworzenia części warstwa po warstwie.

SLM umożliwia tworzenie złożonych geometrii o skomplikowanych cechach wewnętrznych bezpośrednio z danych 3D CAD. Minimalizuje również straty materiału i oferuje elastyczność projektowania, która nie jest możliwa w przypadku tradycyjnej produkcji. SLM wymaga jednak specjalistycznego sprzętu, zoptymalizowanych parametrów przetwarzania i zrozumienia właściwości materiału.

Ten kompleksowy przewodnik obejmuje wszystko, co musisz wiedzieć o selektywnym laserowym topieniu przyrostowym. Wyjaśnia technologię, typowe stosowane materiały, zastosowania, zalety i ograniczenia, specyfikacje, dostawców, koszty, porównania z innymi metodami druku 3D i nie tylko. Czytaj dalej, aby zostać ekspertem SLM!

Jak działa druk 3D w technologii SLM

SLM wykorzystuje skupioną wiązkę lasera do topienia i stapiania ze sobą metalicznego proszku. Części są budowane addytywnie warstwa po warstwie w oparciu o cięcie danych modelu 3D CAD. Oto kluczowe aspekty procesu SLM:

Przegląd procesu wytwarzania przyrostowego SLM

Warstwowe podejście pozwala na tworzenie złożonych, organicznych kształtów ze skomplikowanymi wewnętrznymi wnękami i tunelami, których nie można wykonać tradycyjnymi metodami, takimi jak odlewanie lub obróbka skrawaniem z litych bloków.

SLM jest również określane podobnymi nazwami, w tym selektywne spiekanie laserowe (SLS), bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS) i fuzja złoża proszku (PBF). Podstawowe aspekty tych procesów opartych na proszku są zasadniczo identyczne z niewielkimi różnicami w wyposażeniu.

Materiały SLM

Szeroka gama metali, stopów i ceramiki może być przetwarzana za pomocą technologii produkcji addytywnej SLM. Do najczęściej stosowanych należą stale nierdzewne, kobaltowo-chromowe, tytanowe, aluminiowe i nadstopy na bazie niklu. Możliwości materiałowe stale rosną wraz z rozwojem technologii.

Typowe materiały i zastosowania SLM

Najpopularniejszą opcją jest Proszek ze stali nierdzewnej 316L ze względu na swoją wytrzymałość, odporność na korozję, wysoką jakość wykończenia i niższy koszt w porównaniu do stopów egzotycznych.

Materiały do SLM przechodzą ścisłą kontrolę jakości, a kuliste cząstki proszku mają średnicę średnio 15-100 mikronów. Drobniejsze proszki poprawiają rozdzielczość, podczas gdy grubsze budują szybciej, ale z mniejszą dokładnością.

Aplikacje SLM

SLM jest ceniona za prototypy, niestandardowe oprzyrządowanie i produkcję małoseryjną złożonych, wysokowydajnych elementów metalowych o ulepszonych właściwościach mechanicznych. Oto niektóre z wiodących zastosowań w głównych branżach:

Obszary zastosowań wytwarzania przyrostowego SLM

Zdolność do konsolidacji zespołów w pojedyncze części, szybkiego dostosowywania projektów, skracania czasu realizacji z miesięcy do dni w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji leży u podstaw rosnącego wykorzystania SLM w zastosowaniach produkcyjnych w tych branżach.

Producenci drukarek SLM

Wiele firm produkuje urządzenia SLM zwane również drukarkami 3D. Do głównych graczy na rynku profesjonalnych drukarek 3D do metalu klasy przemysłowej należą:

Wiodący dostawcy maszyn SLM

Podczas gdy początkowe koszty sprzętu dla przemysłowej maszyny SLM wahają się od $150,000 do ponad $1 miliona, kluczowy jest wybór odpowiedniego systemu dla dostępnej przestrzeni, potrzeb materiałowych, wymagań dotyczących dokładności i rozważań budżetowych. Wiodący producenci oferują różne rozmiary konstrukcji, konfiguracje wielolaserowe zapewniające szybkość, specjalistyczne parametry jakości i powtarzalności dla różnych stopów, poziomy funkcji automatyzacji oprogramowania i wiele innych.

Właściwości materiału SLM

Części drukowane na maszynach SLM wykazują unikalne właściwości w porównaniu z tradycyjnymi metodami odlewania i obróbki skrawaniem ze względu na warstwową produkcję i szybkie krzepnięcie.

Porównanie właściwości mechanicznych - SLM a produkcja tradycyjna

Wysokie szybkości chłodzenia w procesie SLM, przekraczające 106 °C/s, tworzą drobniejsze mikrostruktury z fazami metastabilnymi. Zapewnia to maksymalną gęstość po konsolidacji proszku oraz doskonałe właściwości mechaniczne, takie jak zwiększona plastyczność i wytrzymałość na rozciąganie. Wydłużenie jest zwykle niższe w przypadku części SLM, ponieważ wysoka twardość i obecność naprężeń wewnętrznych ograniczają plastyczność.

Odpowiednia obróbka cieplna i prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP) mogą zmniejszyć naprężenia wewnętrzne i dodatkowo zoptymalizować właściwości fizyczne, jednocześnie poprawiając spójność. Ogólnie rzecz biorąc, SLM może osiągnąć gęstość ponad 99,5%, aby uzyskać funkcjonalne części metalowe zasadniczo identyczne z tradycyjną produkcją.

SLM a inne rodzaje druku 3D

Porównanie SLM z innymi metodami wytwarzania przyrostowego

SLM różni się od innych metod syntezy w złożu proszkowym, takich jak topienie wiązką elektronów (EBM), pod względem szybszych prędkości skanowania w celu tworzenia części o niższych naprężeniach szczątkowych i wyższej rozdzielczości. SLM produkuje w pełni zwarte, funkcjonalne części metalowe, podczas gdy druk 3D z wykorzystaniem strumienia spoiwa oferuje szybkość, ale z większymi wymaganiami dotyczącymi obróbki końcowej. Systemy FDM i SLA znacznie ustępują urządzeniom SLM i EBM pod względem dostępnej wytrzymałości materiałów.

Specyfikacja SLM

Drukarki 3D wykorzystujące technologię selektywnego topienia laserowego charakteryzują się kilkoma kluczowymi parametrami, które określają materiały, precyzję i rozmiary części, które można wyprodukować.

Kluczowe specyfikacje maszyn SLM

Te podstawowe parametry maszyny oraz czynniki, takie jak wbudowane ogrzewanie do wstępnego podgrzewania proszku i kontrolowanie szybkości chłodzenia, umożliwiają dostrojenie właściwości mechanicznych. Środowisko komory z gazem obojętnym zapobiega również utlenianiu, podczas gdy lasery rasteryzują złoże proszku metalowego tysiące razy na budowę części.

Dokładność i wykończenie powierzchni

Dokładność wymiarowa i wykończenie powierzchni dla części drukowanych w technologii SLM mieszczą się w stosunkowo szerokich zakresach specyfikacji w zależności od wybranych parametrów, złożoności geometrii, obróbki końcowej i techniki operatora.

Dokładność i wykończenie powierzchni SLM

Odpowiednia orientacja, konstrukcje wsporcze, wstępne podgrzewanie płyty konstrukcyjnej, zoptymalizowane strategie skanowania i etapy przetwarzania końcowego, takie jak obróbka CNC i polerowanie, mogą poprawić wykończenie. Dokładność wymiarowa zależy również w dużej mierze od odpowiednio skalibrowanego sprzętu.

Wymagania dotyczące przetwarzania końcowego

Po zakończeniu produkcji komponentu przez system SLM, przed oddaniem części do użytku zwykle konieczne jest dodatkowe przetwarzanie końcowe. Kroki te mogą obejmować:

• Usuwanie części z ciasta proszkowego
• Eliminacja struktur wsparcia
• Obróbka cieplna zmniejszająca naprężenia
• Prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP)
• Szlifowanie powierzchni, piaskowanie, śrutowanie, polerowanie
• Kontrola nieniszcząca

Obróbka końcowa ma na celu zmniejszenie chropowatości powierzchni, zmniejszenie naprężeń szczątkowych, zamknięcie wszelkich mikroporowatości oraz poprawę precyzji wymiarowej i estetyki.

Konkretne procedury są określane na podstawie rodzaju materiału, przeznaczenia produkcyjnego (prototyp vs. część funkcjonalna), wymagań dotyczących wydajności i wymaganych tolerancji krytycznych.

Analiza kosztów

Określenie zwrotu z inwestycji w nabycie i obsługę własnych zdolności produkcyjnych SLM zależy od wielu zmiennych.

Rozważania dotyczące kosztów SLM

Rozważ całkowite koszty operacyjne w odniesieniu do czynników wpływających na wartość, takich jak

- Swoboda projektowania w celu zmniejszenia masy, dostosowania, konsolidacji części

- Skrócenie czasu realizacji z miesięcy do dni/godzin

- Uproszczenie łańcucha dostaw dzięki produkcji na żądanie

- Ulepszenia wydajności, takie jak zwiększona wytrzymałość i twardość

- Zrównoważona produkcja z minimalną ilością odpadów a metody odejmowania

- Zwiększona żywotność części o wysokiej wartości, takich jak części lotnicze i medyczne

Kluczowe znaczenie ma ilościowe określenie wzrostu produktywności i innowacyjności. Dzięki doświadczeniu, całkowity koszt jednej części wyprodukowanej za pomocą SLM może dorównać obróbce CNC w przypadku mniejszych serii produkcyjnych.

Standardy branżowe

Jako stosunkowo nowa technologia, wciąż trwają prace nad wdrożeniem ogólnobranżowych specyfikacji, kodeksów i standardów w zakresie produkcji addytywnej SLM.

Krajobraz standaryzacji SLM

Certyfikacja zgodności z tymi normami zapewnia powtarzalność i niezawodność podczas kontraktowania części AM w całym łańcuchu dostaw. Zgodność odblokowuje również szersze zastosowanie w sektorach regulowanych, takich jak lotnictwo i kosmonautyka oraz urządzenia medyczne.

Studia przypadków

Niezliczone firmy wykorzystują swobodę projektowania SLM i krótki czas realizacji w celu uzyskania lżejszych i mocniejszych komponentów w różnych branżach, od rakiet lotniczych po samochody Formuły 1.

Przykłady zastosowań wytwarzania przyrostowego SLM

Zastosowania te pokazują, że części SLM przewyższają tradycyjne ograniczenia produkcyjne. W miarę jak coraz więcej firm wdraża technologie AM, możliwości innowacji stale rosną.

Wytwarzanie przyrostowe SLM - najczęściej zadawane pytania

Często zadawane pytania dotyczące SLM

FAQ zawiera odpowiedzi na najczęściej zadawane pytania dotyczące produkcji addytywnej metodą selektywnego stapiania laserowego. SLM odblokowuje nowe standardy wydajności dzięki całkowitej swobodzie projektowania.

Przyszłość SLM

Wdrażanie technologii SLM nadal przyspiesza, ponieważ coraz więcej branż przesuwa granice produkcji addytywnej. Postępy w zakresie sprzętu, oprogramowania, materiałów i procesów jakości będą napędzać rozszerzone zastosowania.

Należy spodziewać się szerszej dostępności specjalistycznych maszyn wielostopowych i parametrów przetwarzania od wiodących producentów drukarek. Systemy hybrydowe obejmujące procesy uzupełniające, takie jak frezowanie, wiercenie, inspekcja, również pojawiają się w zintegrowanej produkcji. Zautomatyzowane usuwanie i odzyskiwanie proszku obniży koszty.

Monitorowanie w czasie rzeczywistym umożliwi jeszcze ściślejszą kontrolę procesu i zapewnienie jakości w zamkniętej pętli. Algorytmy uczenia maszynowego mogą zoptymalizować wydajność budynku. Wraz z umacnianiem się standardów dotyczących najlepszych praktyk, użytkownicy zyskają również większą przewidywalność.