Fusion av pulverbäddar

Översikt

Pulverbäddsfusion är en additiv tillverkningsprocess som använder termisk energi för att selektivt smälta samman regioner i en pulverbädd lager för lager för att bygga upp delar. Det är en av de mest använda 3D-utskriftsteknikerna för metall idag för produktionsapplikationer.

Några viktiga detaljer om pulverbäddsfusion:

• Det tillhör familjen vat-fotopolymerisering inom additiv tillverkning.
• En termisk energikälla, t.ex. en laser- eller elektronstråle, används för att smälta och smälta samman materialpulver.
• De pulver som används är vanligtvis metaller som rostfritt stål, titan, aluminium, nickellegeringar och kobolt-krom. Polymerer och keramer kan också användas i vissa processer.
• Pulverbäddfusion kan skapa helt täta metalldelar med mekaniska egenskaper som är jämförbara med traditionell tillverkning.
• Det möjliggör komplexa geometrier som inte är möjliga med konventionella subtraktiva tekniker.
• Användningsområdena omfattar flyg-, medicin-, dental-, fordons- och allmän industri.
• Populära tekniker för pulverbäddar är selektiv lasersmältning (SLM), direkt metallsintring (DMLS), elektronstrålesmältning (EBM) och bindemedelsstrålning.

Fusionsprocesser i pulverbädd

Det finns flera olika tekniker för pulverbäddsfusion som har utvecklats. De viktigaste är:

Process	Beskrivning
Selektiv lasersmältning (SLM)	Använder en högeffektslaser för att helt smälta och smälta metallpulver i bädden.
Direkt metallsintring med laser (DMLS)	Liknar SLM men syftar till att sintra pulver jämfört med fullständig smältning.
Smältning med elektronstråle (EBM)	Använder en elektronstråle som energikälla för att smälta pulvret. Görs i vakuum.
Multi Jet Fusion (MJF)	Bläckstråleutskrift av ett smältmedel på en polymerpulverbädd före sintring med en energikälla.
Binder Jetting	Flytande bindemedel som selektivt deponeras för att binda pulvermaterial följt av sintring.

Selektiv lasersmältning (SLM) är den vanligaste tekniken för pulverbäddsfusion som används idag. En högeffektslaser (t.ex. fiber, CO2, YAG) fokuseras på en pulverbädd för att skapa smältbassänger och smälta samman materialet. Pulverbädden sänks efter varje lager och nytt pulver sprids över den. SLM använder full smältning så att helt täta delar kan byggas. Material som rostfritt stål, titan, aluminium och Inconel används ofta.

Lasersintring av direktmetall (DMLS) fungerar på liknande sätt men syftar till att endast delvis smälta pulvret för att bilda halsar mellan partiklar för att producera en solid detalj. DMLS har lägre krav på lasereffekt jämfört med SLM.

Smältning med elektronstråle (EBM) använder en elektronstråle som energikälla som fokuseras under vakuum för att smälta metallpulvret lager för lager. EBM möjliggör högre bygghastigheter än laserbaserade processer eftersom strålen kan skanna snabbare. EBM används främst för titanlegeringar inom flyg- och rymdindustrin.

Multi jet fusion (MJF) använder bläckstråleskrivhuvuden för att selektivt deponera smältmedel på en polymerpulverbädd som sedan sintras med hjälp av en energikälla. MJF möjliggör höghastighetssintring av termoplaster.

Sprutning av bindemedel först deponeras ett flytande bindemedel i utvalda områden för att binda pulvermaterialet följt av sintring för att förtäta detaljen. Den kan användas med metaller, keramer och polymerer.

Pulverbäddsfusionsmaterial

En rad olika material kan användas vid additiv tillverkning med pulverbäddsfusion. De vanligaste är:

Material	Processer	Tillämpningar
Rostfritt stål	SLM, DMLS, Binder jetting	Medicinska implantat, verktyg, allmän verkstadsindustri
Titanlegeringar	SLM, EBM	Flyg- och rymdindustrin och medicinska implantat
Aluminiumlegeringar	SLM, EBM	Lättviktskonstruktion inom fordons- och flygindustrin
Superlegeringar av nickel	SLM, EBM	Turbinblad, raketmunstycken för extrema miljöer
Kobolt-krom	SLM, DMLS	Tandimplantat och tandproteser
Polymerer	MJF, Binder jetting	Plastdelar för prototyptillverkning och slutanvändning
Keramik	Sprutning av bindemedel	Medicinska implantat, flyg- och rymdindustrin

De mest använda är rostfritt stålsom har god korrosionsbeständighet och goda mekaniska egenskaper. Titanlegeringar som Ti6Al4V är populära inom flyg- och rymdindustrin eftersom de ger viktbesparingar jämfört med stål och nickellegeringar. Aluminiumlegeringar möjliggör lättviktsdelar för fordons- och flygindustrin.

Superlegeringar av nickel som Inconel används för turbinblad och raketmunstycken med höga temperaturer. Kobolt-krom-legeringar är biokompatibla och används ofta i tandfyllningar. Polymerer som nylon, PEEK och polyamider kan sintras till plastdetaljer. Keramik som zirkoniumoxid och aluminiumoxid har tillämpningar inom medicinska implantat.

Partikelstorleksfördelning, flytbarhet, packningsdensitet och smältpunkt är viktiga pulvermaterialegenskaper som avgör bearbetbarhet och slutliga detaljegenskaper.

Tillämpningar för pulverbäddsfusion

Additiv tillverkning med pulverbäddfusion används inom flyg-, medicin-, dental-, fordons- och verkstadsindustrin. Typiska tillämpningar är bland annat:

Industri	Tillämpningar
Flyg- och rymdindustrin	Turbinblad, raketmunstycken, flygblad, satelliter, drönare
Medicinsk	Ortopediska och dentala implantat, proteser, kirurgiska instrument
Fordon	Prototyper med låg vikt, anpassade verktyg
Industriell	Verktyg för metallbearbetning, gruvutrustning, vätskehantering
Arkitektur	Dekorativa detaljer, fasader, belysning, möbler

I flyg- och rymdindustrinpulverbäddsfusion är idealisk för engångskomponenter som satelliter och UAV:er. Den används för lättviktsdelar i titan- och nickellegeringar, t.ex. turbiner, munstycken och flygplansskrov.

För Medicinskär kundanpassade implantat och proteser i titan och koboltkrom ett viktigt användningsområde. Det möjliggör också personanpassade kirurgiska verktyg.

I fordonsindustrinpulverbädden används för lätta prototyper och specialverktyg samt fixturer som jiggar. För industriell utrustning, möjliggör det specialiserade verktyg, jiggar och metalldelar för slutanvändning.

I arkitekturpulverbäddsfusion möjliggör unika geometrier för dekorativa och funktionella element i byggnader och möbler.

Fördelar med pulverbäddsfusion

Några av de viktigaste fördelarna med pulverbäddsfusionsteknik är

• Komplexa geometrier – invecklade inre funktioner och gitter är möjliga.
• Anpassning – delar kan skräddarsys för att passa individuella applikationer.
• Lättvikt – minska komponentvikten genom att optimera konstruktionen.
• Konsolidering – sammanfoga enheter till enskilda delar.
• Hög hållfasthet – helt täta metaller jämförbara med smidda materials hållfasthet.
• Kortare ledtider – snabb omställning från digital fil till del.
• Massanpassning – kombinera stordriftsfördelar med kundanpassning.
• Hållbarhet – mindre spill jämfört med subtraktiva processer.

Möjligheten att tillverka täta metalldelar med anpassade komplexa geometrier gör pulverbäddsfusion idealisk för lätta, högpresterande komponenter i olika branscher. Tekniken möjliggör konsolidering av sammansättningar till enstaka delar, vilket minskar tillverknings- och lagerkostnaderna. Användningen av additiv tillverkning resulterar också i betydligt mindre materialspill än traditionella subtraktiva metoder som CNC-bearbetning.

Begränsningar av pulverbäddsfusion

Några av de nuvarande begränsningarna är följande:

• Begränsningar i storlek byggvolymerna är normalt mindre än 1 kubikmeter.
• Ytfinish – Trappstegseffekt som kräver efterbehandling.
• Bygg fart – långsammare än tillverkningsmetoder med höga volymer.
• Anisotropiska egenskaper – riktningsvariationer i materialegenskaper.
• Standarder – brist på koder och specifikationer för kvalificerade delar.
• Programvara – designregler och komplexitet vid beredning av filer.
• Kostnader kostnaderna för utrustning och material är fortfarande relativt höga.

Den maximala komponentstorleken begränsas av maskinernas byggvolym, som blir allt bättre men fortfarande vanligtvis är mindre än 1 kubikmeter. Lager-för-lager-processen kan resultera i dålig ytfinish som kräver utjämning och polering.

Den totala bygghastigheten är långsammare jämfört med tekniker för högvolymsproduktion som formsprutning. Delarna kan också uppvisa anisotropiska egenskaper beroende på byggriktningen. Bristen på standarder och specifikationer för kvalificering av tryckta delar är också en begränsning i starkt reglerade branscher som flyg- och medicinteknik. Att utforma optimala delar och förbehandla filer kräver avancerad mjukvaruexpertis.

System- och materialkostnaderna är fortfarande relativt höga jämfört med traditionell tillverkning. Kostnaderna sjunker dock i takt med ökad användning och många applikationer kan motivera kostnaderna tack vare komponenternas prestanda, kundanpassning och designflexibilitet.

Efterbearbetning

Med efterbearbetning avses de steg som krävs efter byggprocessen för att få fram en färdig detalj:

• Avlägsnande av pulver – Delarna separeras från det osmälta pulvret med hjälp av borstar.
• Stöder borttagning – Stödstrukturer skärs bort och ytan rengörs.
• Ytbehandling – Sandning, slipning, blästring för att förbättra

Processparametrar

Det finns flera viktiga processparametrar som kan ställas in för att optimera egenskaper, prestanda och produktivitet med pulverbäddfusion:

Parameter	Typiskt intervall	Effekt
Laserkraft	50-500W	Smälthastighet, smältbassängens storlek, penetrationsdjup
Skanningshastighet	100-10.000 mm/s	Stelningshastighet, kylningshastighet, mikrostruktur
Avstånd mellan luckor	50-200 μm	Överlappande spår, densitet, bindningsstyrka
Skiktets tjocklek	20-100 μm	Upplösning, ytjämnhet, byggtid
Skanningsstrategi	Öar, ränder, schackbräde	Restspänningar, distorsion, anisotropi
Processatmosfär	Vakuum, inert gas	Oxidering, kontaminering, porositet

Laserkraft påverkar energitillförseln, smälthastigheten, smältbassängens dimensioner och inträngningsdjupet. Skanningshastighet styr stelningshastigheten och kylningshastigheten, vilket påverkar kornmorfologin och defektbildningen.

Avstånd mellan luckor ställer in avståndet mellan skanningsspåren och påverkar överlappning, förtätning och limning mellan skikten. Skiktets tjocklek bestämmer upplösningen, ytjämnheten och den totala byggtiden.

Skanningsstrategi (skanningsmönster) påverkar restspänningar, distorsion och anisotropiska egenskaper baserat på tryckriktningen. Processatmosfär bestämmer nivåer av oxidation och kontaminering.

Återvinning av pulver

• Osmält pulver kan skördas och siktas för att avlägsna stora partiklar
• Återanvänds normalt i upp till 20 cykler
• Reduce i costi di a pulvure in modu significativu
• Färskt pulver tillsätts för att fylla på och bibehålla kemin
• Fastigheter som övervakas för tröskelvärden för återanvändning

I pulverbäddsfusionsprocesser återanvänds osmält pulver för ytterligare byggnationer. Efter depowdering skördas det lösa pulvret, siktas för att avlägsna stora partiklar och blandas med nytt pulver innan det återanvänds.

Typiska återanvändningshastigheter är upp till 20 cykler beroende på material, förändringar i partikelstorlek och föroreningsnivåer. Denna återvinning förbättrar avsevärt materialeffektiviteten och sänker de totala kostnaderna för detaljen. Det återanvända pulvrets förhållande och egenskaper övervakas för att bestämma uppdateringsgraden.

Kvalitetskontroll

Några viktiga kvalitetskontrollåtgärder som används vid pulverbäddfusion är

• Kemisk analys av pulver
• Analys av partikelstorleksfördelning
• Spårning av återanvändning av pulver
• Övervakning av smältbadet
• Inspektion av detaljgeometri
• Testning av mekaniska egenskaper
• Icke-förstörande provning (t.ex. röntgen)
• CT-skanning för inre defekter
• Mätning av ytjämnhet

Inmatningspulvrets kemi och partikelstorleksfördelning analyseras för att säkerställa hög kvalitet. Uppdateringshastigheter för pulver spåras. System för processövervakning, t.ex. melt pool monitoring, upptäcker defekter under tillverkningen.

Tryckta delar mäts med avseende på geometriska toleranser. Mekanisk provning utvärderar egenskaper baserat på processparametrar och byggorientering. Icke-destruktiv skanning och CT-skanning identifierar interna defekter. Ytbehandlingen utvärderas. Alla data analyseras för att kalibrera och optimera processerna.

Kostnadsanalys

Typiska delkostnader för pulverbäddfusion beror på:

• Maskinell avskrivning
• Materialkostnader
• Arbetskraft för för- och efterbearbetning
• Byggtid och energiförbrukning
• Mängd återanvändbart pulver
• Köp-till-flyg-förhållande

Kostnader för maskinutrustning skrivs av över förväntad livslängd baserat på användning. Materialkostnaderna beräknas utifrån detaljvolym och inköp-till-flyg-förhållande. Arbetstid inkluderar filberedning, inställning, avplockning och efterbehandling.

Energianvändningen beror på byggtid och effektnivåer. Återanvändbart pulver sänker de totala materialkostnaderna. Köp-till-flyg-förhållanden på 3:1 upp till 20:1 är vanliga för delar med högt värde.

Leverantörer

Några av de största leverantörerna av fusionssystem för pulverbäddar är

Leverantör	Nyckelteknik
EOS	DMLS (direkt metalllasersintring)
3D-system	DMP (Direct Metal Printing)
GE Additiv	DMLM (direkt metall-lasersmältning)
Trumpf	TruPrint 3D-skrivare för metall
Sisma	System för lasermetallfusion
AddUp	FormUp 3D-skrivare för metall

EOS och 3D-system var tidiga pionjärer inom pulverbäddsfusion och är ledande än idag. GE Additiv förvärvade Concept Laser och Arcam EBM för att kunna erbjuda både laser- och elektronstråleteknik. Trumpf och Sisma tillhandahåller också industriella SLM-system. AddUp är ett joint venture mellan Michelin och Fives med fokus på additiv tillverkning av metall.

Det finns också många leverantörer av material för pulverbäddfusion, bland annat Carpenter, Sandvik, Praxair, LPW Technology och AP&C.

Kostnadsjämförelse

Process	Kostnad för utrustning	Materialkostnad	Hastighet
Fusion av pulverbädd	$100 000 – $1 M+	$100-500/kg	5-100 cm3/h
CNC-bearbetning	$50 000 – $500 000	$5-50/kg	50-500 cm3/timme
Formsprutning	$100 000 – $1 M+	2-5 $/kg	100-1000 cm3/timme

Pulverbäddssystem har höga utrustningskostnader från 100.000 dollar för industriella skrivare upp till över 1 miljon dollar för stora produktionssystem. Materialkostnaderna varierar från 100-500 dollar/kg. Produktionshastigheterna varierar från 5-100 cm3/tim beroende på teknik.

CNC-bearbetning har lägre utrustningskostnader från cirka 50.000 USD. Kostnaderna för metallmaterial är billigare, 5-50 USD/kg. Hastigheterna varierar mellan 50-500 cm3/timme.

Formsprutningssystem kostar också över $ 100.000. Men plastmaterialet är mycket billigt, 2-5 dollar/kg. Hastigheterna är 100-1000 cm3/timme.

Pulverbäddsfusion är därför endast kostnadseffektivt för metalldelar i lägre volymer och med högt värde där prestandan motiverar de högre kostnaderna.

Pulverbäddsfusion vs. Binder Jetting

	Fusion av pulverbäddar	Binder Jetting
Material	Metaller, polymerer, keramik	Metaller, polymerer, keramik
Täthet	Helt täta delar	Porösa delar, infiltration behövs
Noggrannhet	Medium, ±0,1% med efterbearbetning	Medium, ±0,2%
Ytfinish	Måttlig, kräver efterbehandling	Rättvis, skiktad struktur kvarstår
Hastighet	Långsam, beroende på energikälla	Snabb, oberoende av energikälla
Tillämpningar	Metalldelar för slutanvändning	Verktyg, gjutmönster, prototyper

• Pulverbäddsfusion kan producera helt täta detaljer medan detaljer med bindemedelsstrålning är porösa och kräver infiltration.
• Noggrannheten vid jetning av bindemedel är måttlig medan pulverbäddsfusion kan uppnå högre noggrannhet med efterbearbetning.
• Ytfinishen för pulverbäddsfusion kräver efterbehandling medan bindemedelssprutning ger en skiktad, strukturerad finish.
• Bygghastigheterna för Binder Jetting är mycket snabbare än för pulverbäddsprocesser, men begränsas av energikällan.
• Pulverbädden används mer för slutanvändningsdetaljer medan bindemedelsstrålning är bättre för verktyg, gjutning och konceptmodeller.

Fusion i pulverbädd vs. deponering med riktad energi

	Fusion av pulverbäddar	DED
Material	Främst metaller	Metaller, polymerer
Geometri	Komplexitet aktiverad	Medelhög komplexitet
Noggrannhet	Medelhög till hög	Medium
Ytfinish	Måttlig, kräver efterbehandling	Grov, mer efterbehandling
Skalbarhet	Små till medelstora delar	Medelstora till stora delar
Depositionshastighet	Låg, beror på skanningshastighet	Hög, ökar med större munstycken

• Pulverbäddfusion används främst för metaller medan DED kan användas för metaller och polymerer.
• Pulverbäddfusion möjliggör högre komplexitet än DED, som har vissa geometriska begränsningar.
• Noggrannheten är högre med pulverbäddsfusion. DED-noggrannheten är medelhög.
• DED skapar grova ytor som kräver mer efterbearbetning på grund av additiva pärlor.
• Pulverbäddsfusion bygger mindre detaljer medan DED bygger medelstora till stora former nära nätet.
• DED har mycket högre deponeringshastigheter tack vare sin metod med blåst pulver.

Så pulverbäddsfusion ger i allmänhet mindre, komplexa geometrier i måttliga hastigheter. DED tillverkar större enkla former mycket snabbare, men med mer efterarbete.

Framtiden för pulverbäddsfusion

Några områden för framtida utveckling av pulverbäddfusion är

• Större byggvolymer på upp till flera kubikmeter
• Snabbare skanningsmetoder för att öka bygghastigheten
• Expanderande material som högtemperaturlegeringar, MMC, polymerer
• Hybridtillverkning som integrerar pulverbäddsfusion och CNC
• Automatiserad depowdering och efterbearbetning
• Avancerad övervakning och styrning i realtid
• Strängare kvalificerings- och certifieringsförfaranden

Större byggplattformar möjliggör större detaljer eller högre produktionsgenomströmning. Nya snabbare scanningstekniker kan drastiskt öka bygghastigheterna. Materialalternativen kommer att fortsätta att utökas, särskilt när det gäller högpresterande legeringar.