Введение в прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Магия 3D-печати металла

Представьте себе мир, в котором сложные металлические детали материализуются из слоя порошка, слой за слоем, с лазерной точностью. Это не научная фантастика, это реальность прямого лазерного спекания металлов (DMLS), революционная технология 3D-печати, которая меняет способы проектирования и производства металлических деталей.

DMLS, также известная как Selective Laser Melting (SLM) или Laser Powder Bed Fusion (LPBF), представляет собой процесс аддитивного производства, в котором используется мощный лазер для выборочного расплавления и сплавления металлических частиц между собой, создавая 3D-объект на основе цифрового чертежа. Эта технология обеспечивает беспрецедентную свободу проектирования, позволяя создавать сложные геометрические формы и внутренние элементы, которые невозможны при использовании традиционных методов, таких как литье или механическая обработка.

Но DMLS - это не только крутые формы. Он обладает целым рядом преимуществ, включая:

• Исключительная прочность и точность: DMLS позволяет получать детали с выдающимися механическими свойствами, не уступающими традиционным компонентам. Кроме того, послойный подход обеспечивает исключительную точность размеров.
• Потенциал облегчения: Благодаря внутренним решеткам и полым структурам DMLS позволяет создавать легкие, но прочные детали, что является важным преимуществом в таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная.
• Свобода дизайна: Раскройте свой творческий потенциал! DMLS устраняет ограничения традиционных методов, позволяя создавать сложные геометрические формы и внутренние элементы, которые было бы невероятно сложно или даже невозможно достичь иным способом.
• Быстрое прототипирование: DMLS позволяет быстро и эффективно создавать функциональные прототипы, ускоряя процесс проектирования и разработки.
• Массовая кастомизация: DMLS позволяет изготавливать детали по индивидуальному заказу небольшими партиями, что идеально подходит для малосерийного производства или персонализированных изделий.

Строительные блоки DMLS

Суть процесса DMLS заключается в используемых металлических порошках. Эти мелкие металлические частицы, размер которых обычно составляет от 20 до 40 микрометров, тщательно подбираются в зависимости от желаемых свойств конечной детали. Вот более подробный обзор некоторых из наиболее часто используемых в DMLS металлических порошков, а также их уникальных характеристик:

Распространенные металлические порошки для DMLS:

Технологический процесс DMLS

Теперь, когда мы изучили составные части DMLS, давайте углубимся в сам увлекательный процесс. Вот описание типичного рабочего процесса, связанного с созданием металлической детали с помощью DMLS:

1. Цифровой дизайн: Работа начинается с создания 3D-модели нужной детали с помощью автоматизированного проектирования (CAD). Эта модель определяет точную геометрию, размеры и внутренние особенности конечного компонента. Часто используется программное обеспечение, специально разработанное для аддитивного производства, чтобы убедиться, что модель оптимизирована для печати DMLS.
2. Нарезка данных: 3D CAD-модель затем нарезается на серию очень тонких сечений, толщина которых обычно составляет от 20 до 100 микрометров. Каждый срез представляет собой один слой, на который будет опираться машина DMLS. Представьте себе цифровую стопку чертежей, каждый из которых описывает определенный слой детали.
3. Подготовка порошкового слоя: В установке DMLS на платформу равномерно наносится слой тонкого металлического порошка. Этот слой соответствует первому фрагменту цифровой модели. Платформа может точно перемещаться вверх и вниз, позволяя создавать последующие слои.
4. Селективное лазерное плавление: Мощный лазерный луч, обычно волоконный лазер, сканирует порошковый слой в соответствии с данными, полученными от модели с нарезкой. Лазер расплавляет металлические частицы в заданных областях, сплавляя их вместе и создавая первый твердый слой детали.
5. Послойное строительство: Процесс повторяется - наносится новый слой порошка, и лазер выборочно расплавляет необходимые участки, приклеивая их к предыдущему слою. Этот цикл тщательно продолжается, создавая деталь один слой за другим, пока весь объект не будет завершен.
6. Удаление опоры: После завершения процесса печати платформа опускается, обнажая только что сформированную металлическую деталь. Однако деталь может быть окружена поддерживающими конструкциями, которые были напечатаны вместе с ней, чтобы предотвратить провисание или деформацию во время сборки. Эти опорные конструкции аккуратно удаляются с помощью таких методов, как механическая обработка или гидроабразивная резка.
7. Постобработка: В зависимости от области применения и желаемого качества поверхности детали DMLS могут подвергаться дополнительным этапам последующей обработки, таким как термообработка, горячее изостатическое прессование (HIP) или пескоструйная обработка. Эти процессы могут улучшить механические свойства, снять остаточные напряжения и повысить качество поверхности конечного компонента.

Технические характеристики DMLS

Технология DMLS обладает уникальным набором технических характеристик, которые делают ее мощным инструментом для различных применений. Вот более подробный обзор некоторых ключевых аспектов, которые следует учитывать:

• Разрешение и точность: DMLS отличается исключительным разрешением и точностью размеров, обычно толщина слоя составляет от 20 до 100 микрометров. Это позволяет создавать весьма замысловатые детали и сложные геометрические формы.
• Отделка поверхности: Качество поверхности деталей DMLS может варьироваться в зависимости от используемого металлического порошка и применяемых методов последующей обработки. Однако присущий этому процессу послойный характер может привести к несколько ступенчатой обработке поверхности по сравнению с традиционными методами обработки.
• Свойства материала: Детали, изготовленные методом DMLS, обладают превосходными механическими свойствами, часто сравнимыми с характеристиками деталей, изготовленных традиционным способом. На конечные свойства детали могут влиять такие факторы, как конкретный металлический порошок, параметры сборки и последующая обработка.
• Объем сборки: Объем сборки машины DMLS определяет максимальный размер детали, которая может быть напечатана за одну сборку. Объем сборки может варьироваться от нескольких кубических сантиметров до нескольких кубических метров, что позволяет решать широкий спектр задач.
• Скорость сборки: По сравнению с некоторыми другими технологиями аддитивного производства, DMLS может быть относительно медленным процессом. Время сборки зависит от размера и сложности детали, а также от толщины слоя и настроек мощности лазера.
• Отходы материалов: В отличие от субтрактивных технологий производства, при которых образуется большое количество брака, DMLS обеспечивает минимальное количество отходов. Неиспользованный металлический порошок может быть переработан и повторно использован в последующих сборках, что сводит к минимуму расход материалов.

Области применения DMLS

Благодаря своим уникальным возможностям DMLS быстро преобразует различные отрасли промышленности. Вот некоторые из наиболее важных областей применения DMLS:

• Аэрокосмическая промышленность: Технология DMLS стала переломным моментом в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать легкие, но прочные компоненты для самолетов и космических аппаратов. Сложные внутренние структуры и решетчатые конструкции могут быть использованы для оптимизации производительности и снижения веса, что является решающим фактором топливной эффективности.
• Медицинские имплантаты: Благодаря биосовместимости некоторых металлических порошков, таких как титан и кобальт-хром, технология DMLS идеально подходит для производства медицинских имплантатов по индивидуальным заказам. Эти имплантаты могут быть точно подогнаны под анатомию пациента, обеспечивая идеальную посадку и улучшенную функциональность.
• Автомобили: (Продолжение) Автомобильная промышленность использует DMLS для создания высокопроизводительных компонентов, таких как поршни, головки цилиндров и детали зубчатых передач. Возможность создавать легкие и сложные конструкции позволяет снизить вес и повысить топливную экономичность, что является важным преимуществом для современного рынка, заботящегося об экологии. Кроме того, DMLS позволяет создавать индивидуальные детали для гонок или автомобилей, выпущенных ограниченным тиражом.
• Изготовление пресс-форм и штампов: Технология DMLS совершает революцию в производстве пресс-форм и штампов, позволяя создавать сложные и конформные каналы охлаждения в пресс-формах. Эти каналы улучшают теплопередачу в процессе литья под давлением, что приводит к ускорению времени цикла, повышению качества деталей и снижению производственных затрат.
• Потребительские товары: Технология DMLS пробивает себе дорогу на рынок потребительских товаров, позволяя создавать уникальные и персонализированные изделия, такие как ювелирные украшения, очки и спортивные товары. Способность создавать сложные геометрические формы открывает новые возможности для дизайна, а возможность использования DMLS по требованию отвечает тенденции кастомизации.
• Создание прототипов: DMLS - это мощный инструмент для быстрого создания прототипов, позволяющий инженерам и дизайнерам быстро создавать функциональные прототипы новых изделий. Этот быстрый итерационный цикл ускоряет процесс проектирования и разработки, что приводит к ускорению процесса внедрения инноваций и вывода продукции на рынок.

Ограничения и соображения DMLS

Хотя DMLS обладает множеством преимуществ, необходимо признать его ограничения и особенности:

• Стоимость: Оборудование для DMLS и металлические порошки могут быть дорогими по сравнению с традиционным производственным оборудованием и материалами. Это может сделать DMLS менее подходящим вариантом для крупносерийного производства простых деталей.
• Отделка поверхности: Как уже упоминалось ранее, послойная технология DMLS может привести к некоторой ступенчатости поверхности. Хотя методы постобработки могут улучшить качество поверхности, для достижения идеально гладкой поверхности могут потребоваться дополнительные этапы обработки, что увеличивает стоимость и сложность процесса.
• Время сборки: DMLS может быть медленным процессом, особенно для больших или сложных деталей. Это необходимо учитывать при рассмотрении сроков изготовления и графиков производства.
• Поддерживающие структуры: Необходимость создания опорных конструкций в процессе DMLS может усложнить процесс и потенциально увеличить время последующей обработки. Тщательная проработка конструкции может свести к минимуму необходимость в сложных опорных конструкциях.
• Частичная квалификация: Для критически важных применений в таких отраслях, как аэрокосмическая и медицинская, детали DMLS могут потребовать дополнительных испытаний и квалификационных процедур, чтобы обеспечить их соответствие строгим стандартам производительности и безопасности.

DMLS в сравнении с другими технологиями аддитивного производства

DMLS - не единственный игрок в игре 3D-печати. Вот краткое сравнение DMLS с другими известными технологиями аддитивного производства, которое поможет вам выбрать подходящий инструмент для работы:

• Стереолитография (SLA): SLA использует лазер для полимеризации жидкой смолы в твердый объект, слой за слоем. По сравнению с DMLS, SLA обеспечивает более высокое разрешение и более гладкую поверхность, но ограничена меньшим диапазоном материалов, в основном пластмассами.
• Селективное лазерное спекание (SLS): SLS работает аналогично DMLS, но использует лазер для спекания частиц пластикового порошка. SLS обычно быстрее и экономичнее, чем DMLS, для производства пластиковых деталей, но обладает меньшей прочностью и ограниченным выбором материалов по сравнению с DMLS для металлических деталей.
• Моделирование методом наплавленного осаждения (FDM): FDM работает путем экструзии расплавленной пластиковой нити для создания объекта слой за слоем. FDM - широко распространенная и относительно недорогая технология, но она обладает меньшим разрешением и прочностью по сравнению с DMLS.
• Электронно-лучевое плавление (EBM): Подобно DMLS, EBM использует электронный луч для расплавления металлического порошка. EBM отлично подходит для обработки реактивных металлов, таких как титан, но требует вакуумной среды, что делает этот процесс более сложным и дорогим по сравнению с DMLS.

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Вот некоторые из наиболее часто задаваемых вопросов о DMLS:

В: Каковы преимущества DMLS?

О: DMLS обладает рядом преимуществ, включая исключительную свободу проектирования, высокую прочность и точность деталей, возможность облегчения веса, возможность быстрого создания прототипов и минимальные отходы материала.

В: Каковы ограничения DMLS?

О: Ограничения DMLS включают в себя относительно высокую стоимость по сравнению с традиционным производством, потенциальные проблемы с обработкой поверхности, более медленное время изготовления по сравнению с некоторыми другими технологиями 3D-печати, а также необходимость учитывать дополнительные факторы, такие как опорные конструкции и квалификация деталей для определенных приложений.

В: Какие материалы можно использовать в DMLS?

О: В DMLS можно использовать широкий спектр металлических порошков, включая титановые сплавы, нержавеющую сталь, алюминиевые сплавы, инконель, кобальт-хром, медь, никель, инструментальную сталь, драгоценные и тугоплавкие металлы.

В: Каковы некоторые области применения DMLS? (Продолжение)

О: DMLS находит применение в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, производство медицинских имплантатов, автомобилестроение, изготовление пресс-форм и штампов, производство потребительских товаров, создание прототипов и многое другое.

Вопрос: Сколько стоит станок DMLS?

О: Стоимость станка DMLS может сильно варьироваться в зависимости от объема производства, возможностей и бренда. Цены могут варьироваться от десятков тысяч долларов для небольших машин до миллионов долларов для высокотехнологичных промышленных систем.

В: Могу ли я использовать DMLS дома?

О: Несмотря на появление настольных 3D-принтеров для печати по металлу, машины промышленного класса DMLS обычно не подходят для домашнего использования из-за их сложности, стоимости, соображений безопасности и специальных требований к работе с порошком.

В: Каково будущее DMLS?

О: Будущее DMLS радужно. По мере развития технологий мы можем ожидать появления более доступных машин DMLS, более широкого спектра совместимых металлических порошков и еще более высоких скоростей печати. DMLS будет играть все более важную роль в производстве, позволяя создавать инновационные и высокопроизводительные детали в различных отраслях.

Заключение

DMLS - это революционный скачок в производстве, предоставляющий беспрецедентную свободу проектирования и возможность создавать сложные металлические детали с исключительной прочностью и точностью. От легких аэрокосмических компонентов до индивидуальных медицинских имплантатов - DMLS меняет способы проектирования и производства широкого спектра изделий. Несмотря на ограничения, которые необходимо учитывать, такие как стоимость и время изготовления, DMLS продолжает развиваться и становится все более доступной, что делает ее мощным инструментом для инженеров, дизайнеров и производителей. По мере развития технологии DMLS и расширения ее возможностей мы можем ожидать появления еще большего числа революционных приложений в ближайшие годы.

узнать больше о процессах 3D-печати