Аддитивное производство SLM

Селективное лазерное плавление (SLM) - это процесс аддитивного производства металлов, в котором используется лазер для сплавления металлического порошка в полностью плотные компоненты. В этом руководстве рассматриваются технология SLM, системы, материалы, области применения, преимущества и соображения при внедрении аддитивного производства с помощью SLM.

Введение в Аддитивное производство SLM

Выборочное лазерное плавление (SLM) - это технология аддитивного производства с использованием порошкового наплавления, при которой мощный лазер избирательно расплавляет и послойно сплавляет частицы металлического порошка для создания полностью плотных 3D-деталей непосредственно на основе данных CAD.

Ключевые атрибуты технологии SLM:

• Использует сфокусированный лазерный луч для расплавления порошкообразных металлов
• Добавляет материал только там, где это необходимо в каждом слое
• Позволяет создавать сложные геометрические формы, недоступные литьем или механической обработкой.
• Создает металлические детали с высокой плотностью, близкой к сетчатой форме
• Материалы включают алюминий, титан, нержавеющую сталь, сплавы
• Малые и средние объемы сборки деталей
• Идеально подходит для сложных, малосерийных деталей
• Отпадает необходимость в жесткой оснастке, такой как пресс-формы или штампы
• Значительное сокращение отходов по сравнению с субтрактивными методами
• Обеспечивает облегченные конструкции и консолидацию деталей
• Позволяет улучшить функциональность с помощью инженерных конструкций

Благодаря своим возможностям, SLM обеспечивает революционные преимущества для инновационного дизайна продукции и бережливого производства. Однако для освоения этого процесса требуется опыт.

Как работает аддитивное производство SLM

Производственный процесс SLM состоит из:

1. Нанесение и выравнивание тонкого слоя металлического порошка на монтажную пластину
2. Выборочное сканирование сфокусированного лазерного луча для расплавления порошка
3. Опускание платформы для сборки и повторное нанесение слоев и плавление
4. Извлечение готовых деталей из порошкового слоя
5. Последующая обработка деталей по мере необходимости - очистка, термообработка и т.д.

Точное управление лазером, шаблонами сканирования, атмосферой камеры и другими параметрами имеет решающее значение для получения высококачественных и плотных металлических деталей с помощью SLM.

Системы SLM включают в себя лазерный генератор, оптику для доставки луча, систему подачи порошка, камеру сборки, систему подачи инертного газа и центральное управление. Производительность в значительной степени зависит от проектирования системы и настройки параметров сборки.

Производители оборудования для SLM

Ведущие мировые поставщики систем аддитивного производства SLM включают в себя:

Выбор системы зависит от потребностей в размерах сборки, материалов, качества, стоимости и сервисной поддержки. Для правильной оценки вариантов рекомендуется сотрудничать с опытным поставщиком решений SLM.

Характеристики процесса УУЗР

УУЗР предполагает сложное взаимодействие между различными параметрами процесса. Вот ключевые характеристики:

Лазер - Мощность, длина волны, режим, скорость сканирования, расстояние между люками, стратегия

Порошок – Материал, размер частиц, форма, скорость подачи, плотность, сыпучесть, повторное использование.

Температура – Предварительный нагрев, плавление, охлаждение, термические нагрузки

Атмосфера – Тип инертного газа, содержание кислорода, скорость потока

Строительная пластина – Материал, температура, покрытие

Стратегия сканирования – Образец штриховки, вращение, контуры границ.

Поддерживает - Минимизация, интерфейс, удаление

Постобработка – Термическая обработка, HIP, механическая обработка, чистовая обработка

Понимание взаимосвязи между этими параметрами необходимо для получения бездефектных деталей с оптимальными механическими свойствами.

Руководство по проектированию деталей SLM

Правильное проектирование деталей имеет решающее значение для успешного аддитивного производства с применением SLM:

• Проектирование с учетом принципов AM по сравнению с традиционными методами
• Оптимизация геометрии для снижения веса, использования материалов и повышения производительности
• Сведите к минимуму потребность в опорах, используя самонесущие уголки.
• Разрешить поддержку областей интерфейса в дизайне.
• Ориентируйте детали, чтобы уменьшить напряжения и избежать дефектов.
• Учет эффекта термической усадки в характеристиках
• Спроектируйте внутренние каналы для удаления нерасплавленного порошка.
• Устранение возможных деформаций на свесах или тонких участках
• Проектирование отделки поверхности с учетом фактической шероховатости
• Учитывайте влияние линий слоев на усталостные характеристики.
• Разработка интерфейса крепления для извлечения деталей из порошкового слоя
• Минимизируйте захваченные объемы неспеченного порошка

Программное обеспечение для моделирования помогает оценить напряжения и деформации в сложных деталях SLM перед печатью.

Варианты материалов SLM

С помощью технологии SLM можно обрабатывать целый ряд сплавов, при этом конечные свойства материала зависят от параметров:

Выбор совместимых сплавов и настройка параметров сборки необходимы для достижения требуемых характеристик материала.

Ключевые приложения УУЗР

УУЗР обеспечивает возможности трансформации во всех отраслях:

Преимущества по сравнению с традиционным производством включают в себя:

• Возможность массовой настройки
• Сокращенное время разработки
• Свобода проектирования для повышения производительности
• Консолидация деталей и облегчение
• Устранение чрезмерного использования материалов
• Консолидация цепочки поставок

Тщательная проверка механических характеристик необходима при использовании деталей SLM в критически важных приложениях.

Плюсы и минусы SLM Аддитивное производство

Преимущества:

• Свобода дизайна благодаря аддитивному процессу
• Комплексность достигается без увеличения затрат
• Отпадает необходимость в жесткой оснастке, такой как пресс-формы или штампы
• Консолидация узлов в отдельные компоненты
• Облегчение органических структур, оптимизированных по топологии
• Персонализация и мелкосерийное производство
• Сокращение времени разработки по сравнению с литьем/обработкой
• Высокое соотношение прочности и веса благодаря тонкой микроструктуре
• Значительная минимизация отходов материалов по сравнению с субтрактивными процессами
• Своевременное и децентрализованное производство
• Сокращение времени выполнения заказа и количества запасов

Ограничения:

• Меньшие объемы сборки, чем у других процессов АП по металлу
• Более низкая точность и качество обработки поверхности по сравнению с обработкой с ЧПУ
• Ограниченный выбор квалифицированных сплавов по сравнению с литьем
• Значительный метод проб и ошибок для оптимизации параметров сборки.
• Анизотропные свойства материала при послойном наращивании
• Потенциал остаточных напряжений и дефектов растрескивания
• Трудности удаления порошка из сложных внутренних геометрических форм
• Часто требуется постобработка для достижения конечных свойств
• Более высокая стоимость оборудования, чем при полимерной 3D-печати.
• Необходимо специальное оборудование и обработка инертного газа.

При правильном применении SLM обеспечивает прорыв в производительности, невозможный другими способами.

Внедрение аддитивного производства SLM

Ключевые шаги при внедрении технологии SLM включают в себя:

• Определение подходящих приложений на основе потребностей
• Подтверждение осуществимости УУЗР для выбранных проектов
• Разработка строгих протоколов квалификации процессов
• Инвестирование в подходящее оборудование SLM
• Обеспечение опыта в процессах обработки слоев металлических порошков
• Установление строгих процедур контроля качества материалов
• Разработка и оптимизация параметров
• Внедрение надежных методов постобработки
• Проверка механических свойств готовых компонентов

Методичный план внедрения, ориентированный на приложения с низким уровнем риска, минимизирует "подводные камни" при добавлении аддитивных возможностей SLM. Партнерство с опытными сервисными бюро SLM или OEM-производителями систем обеспечивает доступ к экспертным знаниям.

Анализ затрат на производство УУЗР

Экономика производства УУЗР включает в себя:

• Высокая стоимость машинного оборудования
• Работа по настройке сборки, постобработке, контролю качества.
• Материальные затраты на подходящее металлическое порошковое сырье
• Чистовая обработка деталей – механическая обработка, сверление, удаление заусенцев и т. д.
• Накладные расходы - оборудование, инертный газ, техническое обслуживание
• Первоначальная разработка процесса методом проб и ошибок
• Затраты снижаются с увеличением опыта и объема производства
• Становится экономичным при объемах около 1-500 единиц
• Обеспечивает максимальную экономию при работе со сложной геометрией.

Для предотвращения дефектов рекомендуется выбирать квалифицированные сплавы от надежных поставщиков. Сотрудничество с поставщиком услуг обеспечивает более быстрый и менее рискованный путь внедрения.

УУЗР по сравнению с другими процессами

Каждый процесс обладает определенными преимуществами в зависимости от требований к применению, размера партии, материалов и производительности.

Перспективы развития аддитивного производства SLM

УУЗР готово к значительному росту в ближайшие годы благодаря:

• Постоянное расширение ассортимента материалов и увеличение доступности сплавов
• Большие объемы сборки, обеспечивающие производство в промышленных масштабах.
• Улучшенная обработка поверхности и более жесткие допуски
• Повышенная надежность и производительность системы
• Новые гибридные системы, интегрирующие обработку с ЧПУ
• Снижение затрат повышает жизнеспособность бизнес-проекта
• Дальнейшие алгоритмы оптимизации и моделирование
• Автоматическое удаление поддержки и постобработка
• Рост производства качественных запчастей для регулируемых отраслей
• Дальнейшее совершенствование конструкций высокой сложности

УУЗР станет основным направлением для расширяющегося спектра приложений, где его возможности обеспечивают явные конкурентные преимущества.

Вопросы и ответы

Какие материалы можно обрабатывать с помощью технологии SLM?

Обычно обрабатываются титан, алюминий, нержавеющие стали, инструментальные стали, никелевые сплавы и кобальт-хром.

Насколько точен SLM?

Типичная точность составляет около ±0,1–0,2%, минимальное разрешение объекта составляет ~100 микрон.

Какова стоимость систем SLM?

Оборудование для SLM варьируется от $300 000 до $1 000 000+ в зависимости от размера, возможностей и опций.

Какие виды постобработки необходимы?

Можно использовать термообработку, HIP, обработку поверхности и/или механическую обработку. Также необходимо удалить опоры.

В каких отраслях используется аддитивное производство SLM?

Аэрокосмическая, медицинская, автомобильная, промышленная и оборонная отрасли являются ранними последователями SLM.

С какими материалами SLM не работает?

Сложными остаются такие высокоотражающие металлы, как медь или золото. Свойства материалов для некоторых сплавов еще только формируются.

Какие виды отделки поверхности можно получить?

Шероховатость поверхности SLM в готовом виде составляет 5-15 микрон Ra. Финишная обработка может еще больше улучшить этот показатель.

Насколько большие детали вы можете изготовить с помощью SLM?

Стандартные объемы сборки составляют до 500 мм x 500 мм x 500 мм. На более крупных станках можно собирать более крупные детали.

Подходит ли SLM для изготовления деталей конечного потребления?

Да, SLM все чаще используется для производства конечных компонентов, примером тому служат аэрокосмическая и медицинская отрасли.

узнать больше о процессах 3D-печати