SLM Аддитивное производство

Обзор SLM Аддитивное производство

Селективное лазерное плавление (СЛП) - это технология аддитивного производства, в которой лазер избирательно расплавляет и послойно сплавляет металлический порошковый материал для создания трехмерных объектов. SLM подходит для обработки реактивных металлов, таких как титан, алюминий и нержавеющая сталь, для создания полностью плотных и функциональных деталей со сложной геометрией.

SLM обладает рядом преимуществ по сравнению с традиционным производством:

Преимущества аддитивного производства с использованием SLM

Выгода	Описание
Свобода проектирования	СЛМ позволяет получать сложные геометрические формы, такие как решетки, внутренние каналы и органические формы, невозможные при механической обработке
Персонализация	Детали могут быть легко настроены и оптимизированы с учетом функциональности, а не ограничений по технологичности
Облегчение	Органические формы и решетки позволяют придать деталям легкость при сохранении прочности
Экономия материалов	SLM использует только необходимое количество материала по сравнению с обработкой из цельных блоков
Быстрое создание прототипов	Детали могут быть непосредственно напечатаны на 3D-принтере из САПР по сравнению с изготовлением оснастки для прототипирования
Производство точно в срок	Печать по требованию, по мере необходимости, снижает затраты на складские запасы
Устойчивость цепей поставок	Распределенное производство снижает риски в цепочке поставок

Однако SLM имеет и некоторые ограничения:

Ограничения аддитивного производства с использованием SLM

Ограничение	Описание
Затраты на оборудование	Промышленные машины для СЛМ имеют высокие начальные капитальные затраты $100K-$1M+
Варианты материалов	В настоящее время ограничивается такими реактивными металлами, как титан, алюминий, инструментальные стали и сверхпрочные сплавы
Точность	Типовая точность 0,1-0,2 мм ниже допусков на механическую обработку
Обработка поверхности	Поверхность после печати получается шероховатой и требует последующей обработки
Размер конструкции	Максимальный размер детали ограничивается размером камеры принтера
Малосерийное производство	Наиболее экономичны при изготовлении мелких партий деталей и деталей по индивидуальным заказам по сравнению с серийным производством
Постобработка	Требуются дополнительные операции, такие как снятие опор, термообработка

Принцип работы SLM 3D-печати

SLM - это технология порошковой плавки, использующая сфокусированный лазерный луч для селективного расплавления и послойного сплавления металлического порошкового материала.

Основными этапами процесса SLM являются:

Процесс трехмерной печати SLM

Шаг	Описание
3D-модель	3D CAD-модель нарезается на слои в цифровом виде
Рассыпной порошок	Нож для повторного нанесения порошка распределяет тонкий слой порошка по рабочей платформе
Лазерное плавление	Лазерный луч прослеживает каждый слой, расплавляя порошок для его склеивания на основе нарезанных CAD-данных
Нижняя платформа	Платформа опускается, и сверху насыпается еще один слой порошка
Повторяющиеся шаги	Процесс послойного оплавления повторяется до тех пор, пока не будет создана полная деталь
Извлечение детали	Готовая 3D-печатная деталь извлекается из порошкового слоя
Постобработка	Деталь очищается и подвергается термообработке для снятия напряжений

Материалы SLM

SLM позволяет обрабатывать целый ряд реактивных металлов в полностью плотные детали, в том числе:

Материалы SLM

Материал	Основные свойства	Приложения
Титановые сплавы	Высокое соотношение прочности и массы, биосовместимость	Аэрокосмическая промышленность, медицинские имплантаты
Алюминиевые сплавы	Легкий вес, высокая прочность	Автомобильная промышленность, аэрокосмическая промышленность
Нержавеющие стали	Коррозионная стойкость, высокая прочность	Промышленная оснастка, морские суда
Инструментальные стали	Высокая твердость, термостойкость	Пресс-формы для литья под давлением, штампы
Никелевые суперсплавы	Термостойкость и коррозионная стойкость	Лопатки турбин, сопла ракет
Кобальтовый хром	Износостойкость, биосовместимость	Дентальные имплантаты, ортопедия

Наиболее распространенными материалами для СЛМ являются титановые и алюминиевые сплавы, а также инструментальные и нержавеющие стали. Более экзотические суперсплавы и металлокомпозиты также могут быть обработаны с помощью технологии SLM.

Рекомендации по проектированию УУЗР

Для успешного проектирования деталей для SLM 3D-печати инженеры должны следовать следующим рекомендациям:

Рекомендации по проектированию УУЗР

Руководство	Описание
Избегайте выступов	Минимизация выступов, требующих опор, которые необходимо демонтировать
Конструктивные якоря	Включите небольшие анкеры или выступы для фиксации детали на монтажной плите
Ориентируйтесь на прочность	Выравнивание детали для достижения максимальной прочности в функциональном направлении
Минимизация высоты детали	Ориентируйтесь на минимальную высоту по оси Z, чтобы избежать разрушения тонких элементов
Возможность последующей обработки	При необходимости обеспечения жестких допусков добавьте припуск 0,1-0,3 мм для последующей обработки
Оптимизация конструкций решеток	Настройка размеров ячеек и стоек в соответствии с нагрузками на деталь и ограничениями SLM
Включая вентиляционные отверстия	Добавление небольших отверстий для предотвращения образования дефектов от попадания порошка
Конформные каналы охлаждения	Создание сложных внутренних каналов охлаждения, невозможных при сверлении/обработке
Соедините части	Консолидация узлов в отдельные детали для снижения требований к сборке

Соблюдение этих рекомендаций позволяет избежать таких распространенных дефектов SLM-печати, как плохое качество поверхности, искажения, растрескивание или попадание порошка.

Производители SLM-принтеров

К основным производителям систем SLM относятся:

Производители SLM 3D-принтеров

Компания	Принтеры	Основные характеристики
EOS	EOS M290, EOS M300 x4	Пионер в области металлической 3D-печати, отличные свойства деталей
Решения SLM	SLM 280, SLM 500, SLM 800	Очень высокая мощность лазера для производительности и больших объемов сборки
3D Systems	DMP Factory 500	Масштабируемые системы для крупносерийного производства
GE Additive	Concept Laser M2, X Line 2000R	Входящие в состав GE, надежные рабочие машины с высокой производительностью
Renishaw	RenAM 500Q	Превосходная точность, интегрированная система управления качеством

При выборе системы SLM ключевыми факторами являются объем сборки, мощность лазера, возможности работы с материалами, точность и программное обеспечение. Ведущие производители предлагают хорошо зарекомендовавшие себя системы, но появляется и много новых участников из Китая и Индии.

Ценообразование на SLM-принтеры

Промышленные системы SLM имеют высокие начальные капитальные затраты - от $100 000 для машин начального уровня до $1 000 000+ для высокопроизводительных систем:

Ценообразование на SLM-принтеры

Производитель	Модель принтера	Строительный объем	Диапазон цен
EOS	EOS M100	95 x 95 x 95 мм	$100k - $150k
Решения SLM	SLM 125	125 x 125 x 125 мм	$175k - $250k
3D Systems	DMP Factory 500	500 x 500 x 500 мм	$500k - $800k
GE Additive	Concept Laser M2 Series 5	250 x 250 x 280 мм	$700k - $900k
Renishaw	RenAM 500M	250 x 250 x 350 мм	$950k - $1.2M

Увеличение объема сборки, повышение мощности лазера и производительности увеличивают стоимость системы. Однако выбор должен быть разумным, исходя из потребностей приложения и производственных требований.

Установки для УУЗР

Для успешного функционирования предприятия SLM необходимо учитывать следующие факторы:

Факторы, влияющие на работу установки SLM

Фактор	Описание
Затраты на оборудование	Учет затрат на принтер, материалы и строительство объекта
Обработка материалов	Установить оборудование для обработки порошка и обеспечить работников СИЗ
Постобработка	Оборудование для очистки, термообработки, HIP, обработки поверхности и т.д.
Программное обеспечение	Программное обеспечение Workflow для планирования, раскроя, мониторинга процессов
Обучение	Обучение инженеров проектированию и техников эксплуатации принтеров
Безопасность	Соблюдение процедур обращения с порошком и наличие систем пожаротушения
Техническое обслуживание	Планируйте регулярное техническое обслуживание и калибровку системы
Контроль качества	Измерение размеров и свойств материалов, проверка на повторяемость
Сертификация	Сертификация по ISO 9001, AS9100 для регулируемых отраслей промышленности

Выбор опытного поставщика услуг может помочь в организации производства, эксплуатации и сертификации оборудования для регулируемых областей применения, таких как аэрокосмическая промышленность или медицинское оборудование.

Преимущества аддитивного производства с использованием SLM

К основным преимуществам SLM 3D-печати относятся:

Преимущества аддитивного производства SLM

Преимущество	Описание
Сложные геометрии	СЛМ позволяет получать органические формы сложной формы и замысловатые внутренние решетки и каналы
Нестандартные детали	Простота создания индивидуальных деталей, отвечающих потребностям заказчика, при отсутствии ограничений на оснастку
Снижение веса	Решетчатые структуры и оптимизация топологии позволяют создавать легкие и прочные конструкции
Консолидированные сборки	Объединение нескольких компонентов в единые сложные детали
Быстрые сроки выполнения заказа	Печать деталей по требованию непосредственно из данных САПР вместо нескольких месяцев на механическую обработку
Сокращение отходов	Использование только необходимого количества материала по сравнению с обработкой из заготовки
Производство по требованию	Обеспечивает распределенное производство "точно в срок" в непосредственной близости от заказчика
Сокращение запасов	Печать деталей по мере необходимости позволяет сократить расходы на оснастку, складирование и инвентаризацию
Высокоэффективные материалы	Переработка современных металлов, таких как титан и сверхпрочные сплавы, в детали конечного потребления

Свобода проектирования, индивидуальный подход к деталям и возможности распределенного производства делают SLM идеальным решением для мало- и среднесерийного производства в аэрокосмической, медицинской, промышленной и автомобильной отраслях.

Ограничения аддитивного производства с использованием SLM

SLM имеет ряд ограничений, в том числе:

Ограничения аддитивного производства SLM

Ограничение	Описание
Стоимость оборудования	SLM-принтеры имеют высокие капитальные затраты, часто превышающие $500 000
Наличие материала	В настоящее время ограничивается реактивными конструкционными металлами и пластмассами
Точность	Типовая точность 0,1-0,2 мм ниже, чем при обработке на станках с ЧПУ
Отделка поверхности	Отпечатанная поверхность имеет относительно шероховатую поверхность с эффектом "ступеньки
Постобработка	Часто требуется удаление опор, обработка, полировка
Скорость печати	Скорость сборки, как правило, 5-100 куб. см/час ограничивает скорость по сравнению с массовым производством
Максимальный размер детали	Ограничен объемом сборки принтера, обычно не более 500 x 500 x 500 мм
Мониторинг процессов	Отсутствие натурного контроля может привести к необнаружению дефектов
Экспертиза операторов	Специалисты по УУЗР требуют значительного обучения процедурам
Материальные затраты	Порошковые металлы могут быть в 2-5 раз дороже необработанного сырья

Для очень высокой точности, очень больших деталей или массового производства субтрактивные методы, такие как обработка на станках с ЧПУ, как правило, подходят больше, чем аддитивные методы SLM.

Роль SLM в производстве

SLM лучше всего подходит для:

Лучшие роли для SLM в производстве

Производственная роль	Примеры
Быстрое прототипирование	Быстрые проектные итерации и пробные варианты деталей
Малосерийное производство	Аэрокосмические кронштейны, крыльчатки, медицинские имплантаты
Мостовая оснастка	Производство ранних образцов в период изготовления пресс-форм для литья под давлением
Объединение частей	Объединение нескольких компонентов в единую деталь
Массовая кастомизация	Индивидуальная продукция конечного использования, например, стоматологические корректоры
Распределенное производство	Производство по требованию в непосредственной близости от заказчика

Для очень больших объемов традиционное литье под высоким давлением или литье пластмасс под давлением, как правило, более рентабельно, чем SLM 3D-печать. Однако для мелкосерийного производства SLM подходит лучше.

Будущее аддитивного производства с использованием SLM

Ожидается, что в будущем SLM найдет более широкое применение:

Будущее SLM

Тренд	Описание
Более крупные принтеры	Построение объемов длиной и высотой более 1 метра
Мультилазерные системы	Мультилазерные станки повышенной мощности свыше 1 кВт
Более высокие скорости	Скорость печати до 500 куб. см/час благодаря сканирующим гальволазерам
Новые материалы	Высокотемпературные сплавы, ГМК, новые композиты
Гибридное производство	Комбинированные АМ и субтрактивные процессы в одной системе
Автоматизированная постобработка	Сокращение ручного труда при снятии опор, обработке поверхностей
Внутрипроизводственный контроль	Контроль дефектов в бассейне расплава, порошковом слое и на детали
Моделирование	Моделирование на основе физики для прогнозирования поведения и оптимизации сборки
Машинное обучение	ИИ для проектирования, оптимизации процессов, обеспечения качества
Цифровая цепочка поставок	Бесперебойный цифровой документооборот от разработки до производства

Выбор поставщика услуг SLM

При выборе поставщика услуг SLM покупатели должны оценить:

Выбор поставщика услуг SLM

Фактор	Описание
Полиграфическое оборудование	Ищите надежные промышленные принтеры для печати на металле с высокой мощностью луча и большими объемами сборки
Материалы	Возможность обработки таких сплавов, как титан, инструментальная сталь, нержавеющая сталь
Постобработка	Предлагается полный спектр послепечатной обработки, такой как HIP, механическая обработка, полировка
Процедуры качества	Сертификация по ISO 9001 или AS9100 со строгими процессами контроля качества
Опыт применения	Экспертиза и практические исследования в таких целевых областях, как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская
Поддержка проектирования	Возможность проектирования и оптимизации деталей для AM-производства
Lead Times	Способность поставлять образцы и серийные детали в установленные сроки
Подготовка файлов	Принимать стандартные форматы файлов CAD и полигонов с анализом проекта
Услуги после строительства	Услуги по очистке, термообработке, обработке поверхности, нанесению покрытий
Дополнительные услуги	Контроль, быстрое прототипирование, мостовая оснастка, литье, формовка
Ценообразование	Конкурентоспособные и масштабируемые цены для различных объемов строительства
Расположение	Близость для логистики и коммуникаций в цепочке поставок

Выбор поставщика услуг с комплексными возможностями - от проектирования до последующей обработки - гарантирует высокое качество результатов. Ознакомление с примерами из практики и посещение объектов помогает проверить опыт.

Вопросы и ответы

Вопрос: Какие материалы могут быть напечатаны с помощью технологии SLM?

О: СЛМ позволяет обрабатывать целый ряд реактивных металлов, таких как нержавеющая сталь, инструментальная сталь, титановые сплавы, никелевые суперсплавы, алюминиевые сплавы и кобальтохром. Наиболее популярными материалами для СЛМ являются титан Ti6Al4V и алюминий AlSi10Mg.

Вопрос: Насколько точна SLM 3D-печать?

Ответ: При SLM обычно достигается точность порядка 0,1-0,2 мм. Хотя этот показатель ниже, чем допуск при обработке на станках с ЧПУ, последующая обработка, такая как механическая обработка и полировка, может повысить точность. Не рекомендуется использовать детали размером менее 0,3 мм.

Вопрос: В каких отраслях используется аддитивное производство с применением SLM?

О: Аэрокосмическая, медицинская, стоматологическая, автомобильная и промышленная отрасли являются сегодня основными пользователями технологии SLM благодаря таким преимуществам, как облегчение веса, консолидация деталей, массовая кастомизация и быстрое время выполнения заказа.

Вопрос: Какая постобработка требуется после SLM-печати?

О: Обычная послепечатная обработка включает удаление опор, термообработку для снятия напряжений, горячее изостатическое прессование (HIP), механическую обработку с ЧПУ, полировку и нанесение покрытий. Требования зависят от области применения, материала и необходимости финишной обработки.

Вопрос: Насколько дорогостоящей является SLM-металлическая 3D-печать?

О: Стоимость промышленных систем SLM варьируется от $100 тыс. до более $1 млн. в зависимости от объема сборки, мощности лазера и характеристик. Стоимость материалов для металлического порошка может в 2-5 раз превышать стоимость исходного сырья. Однако общая стоимость снижается.

Вопрос: Может ли SLM печатать свесы и сложные формы?

О: Да, SLM позволяет печатать такие геометрические фигуры, как выступы, решетки и тонкие стенки, благодаря использованию опорных конструкций. При этом необходимо тщательно ориентироваться, чтобы избежать деформации и сбалансировать требования к опорам.

Вопрос: Какое программное обеспечение используется для SLM-печати?

Ответ: SLM-принтеры поставляются с собственным программным обеспечением для печати. Дополнительное программное обеспечение используется для проектирования, восстановления файлов, моделирования, подготовки к сборке, раскроя, управления сборкой и управления качеством.

Вопрос: Сколько времени занимает 3D-печать детали с помощью SLM?

Ответ: Время печати варьируется от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от размера детали, сложности геометрии и параметров печати. Для металлических деталей SLM-принтеры обычно работают со скоростью сборки от 5 до 100 куб. см/час. Более крупные детали требуют больше времени.

Вопрос: Позволяет ли SLM получать безопасные и функциональные металлические детали конечного использования?

О: Да, при правильном проектировании и обработке с помощью SLM можно получать полностью плотные металлические детали, отвечающие или превосходящие по своим свойствам материалы традиционно изготавливаемых деталей для конечного функционального использования в сложных условиях.

узнать больше о процессах 3D-печати