Технология УУЗР: комплексное руководство

SLM (селективное лазерное плавление) — это передовая технология аддитивного производства металлических деталей. В этом руководстве представлен углубленный анализ систем, процессов, материалов, приложений, преимуществ и соображений УУЗР при внедрении этой технологии.

Введение в селективное лазерное плавление

Селективное лазерное плавление (SLM) — это процесс аддитивного производства методом плавления в порошковом слое, в котором используется мощный лазер для выборочного плавления и плавления частиц металлического порошка слой за слоем для создания полностью плотных металлических деталей непосредственно из данных 3D CAD.

Ключевые особенности УУЗР технология:

• Использует лазер для выборочного плавления порошкообразных металлов
• Добавляет материал только там, где это необходимо.
• Позволяет создавать сложные геометрические формы, недоступные литьем или механической обработкой.
• Создает плотные металлические компоненты без пустот.
• Общие материалы включают алюминий, титан, сталь, никелевые сплавы.
• Возможность обработки деталей малого и среднего размера.
• Идеально подходит для сложных деталей небольшого объема.
• Устраняет необходимость в твердых инструментах, таких как формы и штампы.
• Снижает количество отходов по сравнению с субтрактивными методами.
• Обеспечивает повышение производительности с помощью инженерных структур.

SLM предлагает революционные возможности для инновационного дизайна продукции и экономичного производства. Однако освоение этого процесса требует специальных знаний.

Как работает селективное лазерное плавление

Процесс УУЗР включает в себя:

1. Нанесение тонкого слоя металлического порошка на рабочую пластину
2. Сканирование сфокусированного лазерного луча для выборочного плавления порошка
3. Опускание рабочей пластины и повторение наслоения и плавления
4. Удаление готовых деталей из порошкового слоя
5. Постобработка деталей по мере необходимости.

Точный контроль потребляемой энергии, шаблонов сканирования, температуры и атмосферных условий имеет решающее значение для получения бездефектных и плотных деталей.

Системы SLM включают в себя лазер, оптику, систему подачи порошка, камеру сборки, систему подачи инертного газа и элементы управления. Производительность во многом зависит от конструкции системы и параметров сборки.

Технология SLM Поставщики

Ведущие производители систем SLM включают в себя:

Компания	Модели	Диапазон размеров сборки	Материалы	Диапазон цен
Решения SLM	Следующее поколение, NXG XII	250 х 250 х 300 мм <br> 800 х 400 х 500 мм	Ти, Ал, Ни, Стали	$400,000 – $1,500,000
EOS	М 300, М 400	250 х 250 х 325 мм <br> 340 х 340 х 600 мм	Ti, Al, Ni, Cu, стали, CoCr	$500,000 – $1,500,000
Трампф	ТруПринт 3000	250 х 250 х 300 мм <br> 500 х 280 х 365 мм	Ti, Al, Ni, Cu, стали	$400,000 – $1,000,000
Концептуальный лазер	Х-линия 2000Р	800 х 400 х 500 мм	Ti, Al, Ni, стали, CoCr	$1,000,000+
Renishaw	АМ400, АМ500	250 x 250 x 350 мм <br> 395 х 195 х 375 мм	Ti, Al, стали, CoCr, Cu	$500,000 – $800,000

Выбор системы зависит от требований к размеру конструкции, материалов, качества, стоимости и обслуживания. Рекомендуется сотрудничать с опытным поставщиком решений SLM, чтобы правильно оценить варианты.

Характеристики процесса УУЗР

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

Лазер – Мощность, длина волны, режим, скорость сканирования, расстояние штриховки, 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 необходимости, интерфейса, удаления

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

Понимание взаимосвязи между этими параметрами имеет важное значение для получения бездефектных деталей и оптимальных механических свойств.

Рекомендации по проектированию УУЗР

Правильная конструкция деталей имеет решающее значение для успеха SLM:

• Проектирование с учетом аддитивного производства по сравнению с традиционными методами
• Оптимизируйте геометрию для уменьшения веса, материала 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.
• Учитывать термическую усадку элементов
• Спроектируйте внутренние каналы для удаления нерасплавленного порошка.
• Учитывайте потенциальную деформацию выступов или тонких сечений.
• Проектирование отделки поверхности с учетом фактической шероховатости
• Учитывайте влияние линий слоев на усталостные характеристики.
• Проектирование интерфейса крепления для необработанных деталей
• Минимизируйте захваченные объемы неспеченного порошка

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

Варианты материалов SLM

С помощью SLM можно обрабатывать ряд сплавов, свойства материала зависят от используемых параметров.

Категория	Распространенные сплавы
Титан	Ти-6Ал-4В, Ти 6242, ТиАл, Ти-5553
Алюминий	AlSi10Mg, AlSi12, Скалмаллой
Нержавеющая сталь	316Л, 17-4ПХ, 304Л, 4140
Инструментальная сталь	H13, мартенситностареющая сталь, медная инструментальная сталь
Никелевые сплавы	Инконель 625, 718, Хейнс 282
Кобальтовый хром	КоКрМо, МП1, КоКрВ
Драгоценные металлы	Золото серебро

Выбор совместимых сплавов и подбор соответствующих параметров имеют важное значение для достижения требуемых характеристик материала.

Ключевые приложения УУЗР

УУЗР обеспечивает возможности трансформации во всех отраслях:

Промышленность	Типовые применения
Аэрокосмическая промышленность	Лопатки турбин, рабочие колеса, компоненты спутников и БПЛА
Медицина	Ортопедические имплантаты, хирургические инструменты, устройства для конкретного пациента.
Автомобильная промышленность	Облегченные компоненты, специальные инструменты
Энергия	Сложные нефтегазовые клапаны, теплообменники
Промышленность	Конформные охлаждающие вставки, приспособления, приспособления, направляющие
Оборона	Дроны, вооружение, компоненты транспортных средств и бронежилетов

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 Технология SLM

Преимущества:

• Свобода проектирования, обеспечиваемая аддитивным производством
• Сложность достигается без дополнительных затрат
• Устраняет необходимость в жестких инструментах
• Объединяет узлы в отдельные детали.
• Облегчение структур, оптимизированных по топологии.
• Персонализация и мелкосерийное производство
• Сокращение времени разработки по сравнению с литьем/механической обработкой.
• Высокое соотношение прочности и веса за счет мелкой микроструктуры
• Минимизирует отходы материала 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 размеров и чистота поверхности, чем при механической обработке.
• Ограниченный выбор квалифицированных сплавов по сравнению с литьем.
• Значительный метод проб и ошибок для оптимизации параметров сборки.
• Анизотропные свойства материала вследствие наслоения
• Возможность остаточного напряжения и растрескивания.
• Проблемы удаления порошка со сложной геометрии
• Часто требуется постобработка
• 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 технологии SLM

Реализация УУЗР сопряжена с проблемами, в том числе:

• 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 процедур и стандартов качества материалов.
• Освоение разработки и оптимизации параметров сборки
• Внедрение надежных методов постобработки
• Проверка механических свойств готовых компонентов

Методичный план внедрения, ориентированный на приложения с низким уровнем риска, сводит к минимуму ошибки. 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 металлопорошковое сырье
• Чистовая обработка деталей – механическая обработка, сверление, удаление заусенцев и т. д.
• Накладные расходы – помещения, инертный газ, коммунальные услуги, техническое обслуживание.
• Первоначальное время разработки методом проб и ошибок
• Снижение затрат благодаря оптимизации конструкции и опыту производства
• Становится экономичным при небольших объемах от 1 до 500 единиц.
• Обеспечивает максимальную экономию при работе со сложной геометрией.

Чтобы избежать дефектов, рекомендуется выбирать качественные сплавы от надежных поставщиков. Партнерство с поставщиком услуг может предложить более быстрый и менее рискованный путь внедрения.

УУЗР по сравнению с другими процессами

Процесс	Сравнение с УУЗР
Обработка с ЧПУ	SLM позволяет создавать сложные формы, которые невозможно обработать методом вычитания. Никакого жесткого инструмента не требуется.
Литье металлов под давлением	SLM исключает высокие затраты на инструменты. Лучшие свойства материала, чем MIM. Возможны меньшие объемы.
Литье под давлением	SLM имеет более низкие затраты на инструменты. Никаких ограничений по размеру. Возможна реализация очень сложной геометрии.
Ламинирование листов	SLM создает полностью плотный и изотропный материал по сравнению с ламинированными композитами.
Струйная обработка вяжущего	SLM позволяет получать полностью плотные неспеченные детали по сравнению с деталями, полученными методом струйной печати с пористым связующим, требующими спекания.
DMLS	SLM обеспечивает более высокую точность и лучшие свойства материала, чем полимерные системы DMLS.
EBM	Электронно-лучевое плавление имеет более высокую скорость наращивания, но более низкое разрешение, чем SLM.

Каждый процесс имеет преимущества, основанные на конкретных приложениях, размерах партий, материалах, целевых затратах и требованиях к 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.
• Улучшенное качество поверхности и допуски
• Повышенная надежность и производительность системы
• Новые гибридные системы, интегрирующие обработку
• Снижение затрат, улучшение масштабирования бизнес-кейса
• Дальнейшие алгоритмы оптимизации и моделирование
• Автоматизированная интеграция постобработки
• Рост производства качественных запчастей для регулируемых отраслей
• Постоянное развитие сложных конструкций

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

ЧАСТО ЗАДАВАЕМЫЕ ВОПРОСЫ

Какие материалы вы можете обрабатывать с помощью SLM?

Наиболее распространены титановые и алюминиевые сплавы. Обрабатываются также инструментальные стали, нержавеющая сталь, никелевые сплавы, кобальт-хром.

Насколько точен SLM?

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

Какова стоимость оборудования SLM?

Системы SLM варьируются от $300 000 до $1 000 000+ в зависимости от размера, возможностей и опций.

Какие виды постобработки необходимы?

Могут потребоваться такие постпроцессы, как термообработка, HIP, чистовая обработка поверхности и механическая обработка.

Какие отрасли используют УУЗР?

Аэрокосмическая, медицинская, автомобильная, промышленная и оборонная отрасли являются одними из первых, кто внедрил УУЗР.

С какими материалами SLM не работает?

Металлы с высокой отражающей способностью, такие как медь или золото, остаются проблематичными. Некоторые свойства материала все еще проявляются.

Какова типичная обработка поверхности?

Шероховатость поверхности SLM в заводском исполнении составляет 5-15 микрон Ra. Отделка может улучшить это.

Насколько большие детали вы можете изготовить с помощью SLM?

Типичными являются объемы до 500 x 500 x 500 мм. Более крупные машины вмещают более крупные детали.

Подходит ли SLM для производственного производства?

Да, SLM все чаще используется для производства деталей конечного использования, например, в аэрокосмической и медицинской промышленности.

Чем SLM отличается от EBM?

SLM позволяет добиться более мелкой детализации, в то время как EBM имеет более высокую скорость сборки. Оба поставляют полностью плотные металлические детали.

узнать больше о процессах 3D-печати