Аддитивное производство стало важной частью общего процесса разработки и производства изделий. И в последнее время произошло несколько интересных усовершенствований в этом процессе, которые помогли улучшить эффективность в целом.
Как и многие другие процессы, аддитивное производство имеет различные типы. И, для разработчиков продукции, стремящихся оптимизировать эффективность, выбор селективного лазерного плавления, безусловно, является одним из лучших путей. В этой статье мы рассмотрим, как использование плавящего порошка используется для оптимизации этого процесса, его приложения и все, что вам необходимо знать о селективном лазерном плавлении.
Понимание аддитивного производства
Прежде чем мы перейдем к различным типам металлического аддитивного производства, стоит понять сам процесс и то, что он помогает достичь:
Что такое аддитивное изготовление?
За последние несколько лет аддитивное производство действительно стало популярным. Этот метод, который также известен некоторым как 3D-печать, доказал свою революционность, поскольку включает создание объектов путем наслоения слоев – обычно из компьютерных трехмерных моделей (САПР).
В отличие от традиционных процессов, аддитивное производство включает поэтапное нанесение слоев для создания идеального трехмерного объекта.
Процесс обычно начинается с этапа проектирования, где выполняется 3D-модель или 3D-скан текущего объекта. Затем вы используете специализированное программное обеспечение для разрезания модели на тонкие горизонтальные поперечные сечения. Каждое сечение будет представлять определенную толщину, причем само программное обеспечение генерирует правильные инструкции для металлического 3D-принтера SLM.
После этого изображение печатается от одного слоя к другому на основе дизайна. И в зависимости от используемой технологии этот процесс печати также может включать другие этапы, такие как отверждение и плавление.
После процесса нанесения слоя головка 3D-принтера SLM продолжает наносить один слой на другой, и затем начинается послепроцессинг для завершения процесса. Таким образом, завершается аддитивное производство.
За годы аддитивное производство получило значительное признание как надежный метод производства. И легко понять почему. Некоторые из причин широкого принятия этого процесса включают в себя следующее:
- Свобода дизайна: С помощью аддитивного производства вы можете создавать сложные и сложные дизайны, которые в противном случае было бы трудно реализовать другими традиционными методами производства. Это открывает путь к новым формам инноваций продукции в целом.
- Быстрое прототипирование: Этот процесс также отлично подходит, если вам нужно быстро создать прототип вашего дизайна. Практически инженеры могут создавать и тестировать эти прототипы, внося изменения при необходимости.
- Эффективность цепи поставок: Благодаря достижениям в 3D-печати мы видели значительные разработки в возможностях производства по требованию. Это существенно уменьшает необходимость в больших запасах и сокращает отходы в долгосрочной перспективе. Эффективность цепи поставок является важной частью производства, и 3D-печать позволяет это.
- Сокращение сроков выполнения: Следует отметить, что аддитивное производство помогает существенно сократить сроки выполнения. Будь то изготовление деталей DMLS по требованию или внедрение печати LPBF для обеспечения производства по требованию, эти шаги существенно увеличивают эффективность работы.
- Экономия затрат: Честно говоря, любой из этапов аддитивного производства потребует значительных внерендных затрат. Однако инновации в технологиях привели к существенной экономии затрат в целом.
- Инновации в различных отраслях:Сегодня вы можете найти аддитивное производство в различных отраслях – будь то авиационная промышленность, здравоохранение или другие. Благодаря его способности стимулировать инновации и сокращать отходы, аддитивное производство применяется в различных областях. И достижения в технологиях означают, что оно будет только развиваться.
Что такое селективное лазерное плавление (SLM)?
Селективное лазерное плавление (SLM) стало одним из наиболее популярных вариантов аддитивного производства. Как и многие другие варианты, этот процесс использует мощный лазерный луч и направлен на плавление материалов и их спекание для формирования определенных форм.
Как и печать 3D LPBF, селективное лазерное плавление работает путем спекания материалов через слои, создавая трехмерные металлические детали, которые подходят для различных функциональных целей. Этот процесс относится к более широкой категории лазерного плавления порошка и может быть применен для производства высококачественных деталей и прототипов.
На сегодняшний день процесс селективного лазерного плавления может применяться в различных отраслях, где производители используют его гибкость и эффективность для разработки деталей.
Основные компоненты системы селективного лазерного плавления
Как и любой другой вариант аддитивного производства, SLM требует надежной системы для работы. И в эту систему в основном входит сложный станок, предназначенный для производства на высоком уровне. Конкретные компоненты системы могут варьироваться, хотя в KDM Fabrication мы фокусируемся на включении следующего:
Строительная камера
Возможно, самая важная часть всей системы – это строительная камера. Здесь вы имеете контролируемую среду, где разрешается весь процесс.
Строительные камеры в основном закрыты, позволяя поддерживать стабильность температуры во время всего процесса и также гарантировать, что никакая форма загрязнения не допускается. С инертными газами и системой контроля температуры вы можете создать атмосферу без кислорода, чтобы предотвратить окисление в процессе.
Система распределения порошка
Эта система отвечает за плавное и равномерное распределение тонкого слоя металлического плавящего порошка на платформе. И помогает обеспечить простой цикл нанесения слоя. Также он способствует однородности начальных точек на каждом слое во время процесса.
Платформа сборки
Платформа сборки действует как подвижный компонент, на котором удерживается изготавливаемая деталь. По завершении производства каждого слоя платформу медленно опускают, чтобы освободить место для следующего слоя, который предстоит создать.
Некоторые платформы сборки также могут включать функции нагрева для обеспечения правильного контроля температуры, особенно во время печати детали.
Лазерная система
Лазер является одним из ключевых компонентов всей системы SLM. В конце концов, ведь без лазера невозможно создать или расплавить компоненты. Его целью является направление энергии на металлический порошок с последующим выборочным спеканием или плавлением для создания нужной детали.
В большинстве систем вы получаете как минимум один высокопроизводительный лазер – обычно волоконный лазер. Также необходимо внедрение системы управления.
Система сканирования
Вам понадобится система сканирования для управления движением лазерного луча во всех направлениях. Как правило, ее задача заключается в обеспечении точного позиционирования лазера для следования заданным вами путям в дизайне.
Подача и восстановление порошка
Для того чтобы гарантировать, что металлический порошок для плавления не закончится и не будет потерян, каждая система SLM требует механизма для подачи свежего порошка в зону сборки. Оптимизация этого процесса крайне важна, и этот компонент помогает в этом.
Система управления
Управляющая система включает в себя аппаратное и программное обеспечение, которое помогает контролировать весь процесс. Все, начиная от выхода лазера до шаблонов сканирования и других, контролируется, и програмное обеспечение в конечном итоге интерпретирует данные модели для создания правильных инструкций, за которыми следует система.
Охлаждение и вентиляция
После завершения процесса требуется охлаждение. Это критично для обеспечения стабильной рабочей температуры, особенно в пределах камеры сборки.
Средства безопасности:
Каждый процесс производства требует эффективных средств безопасности. От аварийных кнопок останова до межблочных устройств и защитных кожухов – все это важно, чтобы гарантировать, что операторы всегда остаются в безопасности на каждом этапе.
Полный процесс селективного лазерного плавления
Как одна из наиболее продвинутых форм лазерной печати на металле, селективная лазерная печать представляет собой относительно сложный процесс. Однако в конечном итоге результат оправдывает его, поскольку вы получаете высококачественный металлический продукт, который может работать в соответствии с вашими требованиями. Ниже представлен разбор процесса шаг за шагом, таким образом, как мы проводим его на KDM Fabrication:
Подготовка модели в CAD
Типичный процесс SLM начинается с создания детального компьютерного дизайна (CAD). Дизайн выполняется в 3D и является идеальной моделью желаемой детали. С помощью цифровой модели вы можете создать правильный чертеж объекта самого по себе.
Разрезание модели
Затем модель режется с использованием специализированной модели на сечения и слои. Каждый слой будет иметь свою собственную толщину, и вы сможете увидеть, совместимы ли они и могут ли быть сплавлены вместе.
Подготовка камеры ислоя порошка
Встроенная в машину SLM управляемая камера для сборки, поддерживающая стабильное окружающее пространство. Эта камера оснащена инертным газом, таким как азот или аргон, который помогает предотвратить образование кислорода.
Затем вам необходим слой металлического порошка, равномерно распределенного по всей платформе сборки.
Сканирование лазером
Следующим шагом является один из наиболее важных – лазер используется для нагрева и плавления металлического порошка в соответствии с вашим заданным паттерном.
Лазерный луч управляется как зеркалами, так и гальванометрами, следуя путям, определенным для каждого слоя. При движении по слою порошка лазер спекает частицы.
Построение слой-за-слоем
После того, как первый слой спекается, переходят к другим слоям построчно. Платформу сборки медленно опускают, и на предыдущий слой равномерно распределяется новый слой металлического порошка. Лазер продолжает сканировать каждый новый слой, плавя и соединяя частицы по мере продвижения.
Процесс продолжается до завершения всего объекта.
Охлаждение и затвердевание
Воздействие лазера на каждый слой вызывает затвердевание и охлаждение. Это позволяет слою соединиться с предыдущим, при этом нетронутые металлические порошки служат опорными конструкциями.
Восстановление порошка
Нормально иметь избыток порошка, который не используется. Таким образом, вы можете собрать этот избыток порошка и переработать его для будущего использования. Помните, что оптимизация важна на протяжении всего этого процесса.
Постобработка
После завершения процесса печати вы можете провести дополнительные этапы постобработки, такие как обработка и качественная термическая обработка. Это не так важно, но может помочь убедиться, что деталь действительно соответствует вашим требуемым стандартам.
Инспекция и контроль качества
Важно осуществлять правильные этапы контроля качества на протяжении всего пути SLM. Проверяйте детали на наличие дефектов, обеспечивайте размерную точность и исследуйте деталь, чтобы убедиться, что она соответствует вашим требуемым свойствам.
Термическая обработка
Если вы обнаружите, что начальный процесс включает в себя напряжение, то вам может понадобиться добавить некоторую термическую обработку для оптимизации свойств материала и улучшения общей производительности деталей.
Обработка и отделка поверхности
В некоторых случаях детали могут потребовать дополнительной отделки поверхности и обработки для достижения ваших требований. Так что не стесняйтесь делать это.
Почему выборочное лазерное плавление блестит как процесс
Выборочное лазерное плавление – это процесс, предлагающий несколько преимуществ, которые делают его особенно ценным как разновидность аддитивного производства. Некоторые из этих особенностей включают:
- Свобода дизайна: С SLM вы можете свободно производить несколько сложных и замысловатых продуктов, которые могут быть недоступны при использовании нескольких других методов производства.
- Снижение отходов материалов: Этот процесс также известен своей эффективностью. Вы используете только необходимое количество материала для создания желаемой детали и в конечном итоге не тратите много лишних материалов. Когда вы учитываете тот факт, что вы также сможете переработать избыток материала, вы увидите, насколько эффективен этот процесс в целом.
- Настройка: Массовая настройка – еще одно преимущество, которое вы получаете с этим процессом. Вы можете производить персонализированные и заказные продукты, независимо от отрасли, в которой вы работаете.
- Быстрое создание прототипов: Мы также должны упомянуть преимущество быстрого создания прототипов и разработки итеративных конструкций. Благодаря SLM инженеры могут быстро создавать и тестировать прототипы продуктов, внося изменения там, где это необходимо, и оптимизируя рабочие области.
- Сложные внутренние структуры: Помимо внешних рам, SLM также полезен для создания деталей с замысловатыми внутренними структурами. Это относится к продуктам, таким как соты и решетки.
- Разнообразие материалов: Как и с другими процессами аддитивного производства, SLM также обеспечивает значительное разнообразие материалов, с которыми вы можете работать. Это означает, что производители могут выбрать идеальный материал и применить к нему этот процесс.
- Высокая точность: Есть несколько способов улучшить точность и размерную точность при работе с SLM. Если вам нужно изготовить детали с тесными допусками, будьте уверены, что этот процесс идеально подходит для вас.
- Сокращение лидирующих сроков: Благодаря возможности производить детали по требованию и на местном уровне, вы значительно сокращаете лидирующие сроки. Таким образом, SLM облегчает вам адаптироваться к изменениям в спросе там, где это необходимо.
- Создание прототипов и производство малых партий: Вы также можете получить выгоду связанную с издержками от SLM, если вы пытаетесь производить небольшие количества деталей и продукции.
- Контроль свойств материалов: С точным контролем параметров процесса и техниками производства SLM позволяет вам настраивать свойства материалов деталей, чтобы удовлетворить ваши конкретные потребности.
- Эффективность цепи поставок: Все преимущества, о которых мы упомянули – включая сокращение запасов и производство по требованию – означают, что вы сможете оптимизировать эффективность цепочек поставок, сокращая расходы на логистику.
Где выборочное лазерное плавление пригодно в использовании
В качестве процесса производства выборочное лазерное плавление предоставляет множество функциональности в различных отраслях. Вот некоторые области, где процесс особенно полезен:
- Авиационная промышленность: В авиационной отрасли SLM используется для производства компонентов, объединяющих легкие функциональные характеристики с высокой прочностью. К ним относятся кронштейны, лопатки турбины и многое другое.
- Медицина и здравоохранение: Этот процесс также используется для изготовления протезов, имплантатов для тела и даже зубных компонентов. Эти продукты должны быть адаптированы под тела и потребности пользователей, и процесс помогает сделать их реальностью.
- Автозапчасти: В производстве транспортных средств SLM также помогает создавать легкие, прочные детали – будь то детали двигателя или детали подвески. Некоторые прототипы транспортных средств также изготавливаются с использованием этого процесса, что помогает инженерам проводить правильные испытания.
- Изготовление инструментов и штампов: SLM пригоден, когда требуется создание сложных форм и инструментов, оптимизирующих различные производственные процессы. Благодаря своей гибкости и быстрому созданию прототипов, вы получаете значительное преимущество в производительности.
- Энергетика и производство энергии: SLM используется в энергетическом секторе для производства компонентов для газовых турбин, паровых турбин и другого оборудования для производства энергии. Возможность технологии создавать детали с замысловатыми охлаждающими каналами и оптимизированной структурой повышает эффективность турбин.
- Оборона и космическая отрасль: Помимо использования в коммерческой авиации, SLM также помогает производить критически важные компоненты, которые могут использоваться в беспилотниках, военных самолетах и других областях. Поскольку она оптимизирует эффективность легких материалов, она особенно заметна в этой области.
- Промышленное оборудование: SLM используется для создания специализированных инструментов для промышленного оборудования. Сюда входят сенсоры, насосы и многое другое. Благодаря использованию замысловатых геометрий и высокопроизводительных материалов SLM помогает гарантировать их эффективную работу.
- Авиационная и космическая отрасль: Как и следовало ожидать, этот процесс также пригоден в авиационной отрасли, помогая производить детали двигателей, компоненты спутников и многое другое.
- Нефть и газ: Специализированные компоненты, такие как буровое оборудование и инструменты для буровых скважин, изготавливаются с использованием SLM, обычно с использованием термостойких и некоррозионных материалов.
- Потребительские товары: Эта функция может быть не такой распространенной, но она пригодна. С помощью SLM вы можете производить несколько высококачественных потребительских товаров, которые пользователи могут применять в повседневной жизни.
Избирательное лазерное плавление: устранение возможных проблем процесса
Несомненно, избирательное лазерное плавление – очень полезный процесс. Однако, работая с параметрами обработки в лазерной аддитивной металлической печати с порошковым засыпанием, необходимо также учитывать наличие типичных проблем, связанных с этим процессом.
В этом контексте необходимо обращать внимание на следующие потенциальные проблемы:
Пористость и проблемы плотности
В случае неполной сварки или запертого газа можно обнаружить повышенный уровень пористости и уменьшенную плотность деталей. Мы рекомендуем оптимизировать атмосферу камеры, чтобы минимизировать загрязнение кислородом.
Также необходимо вносить коррективы в скорость лазера и расстояние между “шагами” для оптимизации энергетического входа на правильный уровень сварки.
Деформация и искажение
Быстрое охлаждение, особенно после большого температурного градиента, может привести к деформации материала. Поэтому следует настраивать ориентацию создания и опорные конструкции, чтобы уменьшить термальные градиенты.
Сбои в процессе создания и неполные слои
Сбой в конструкции создания может привести к тому, что несколько слоев не будут соответствовать вашим конкретным требованиям. В результате получатся неполные детали.
Поэтому рекомендуем проверить точность и чистоту всех компонентов перед началом процесса SLM. При необходимости внести коррективы в толщину слоя порошка и другие параметры для последующего нанесения слоя.
Трещины и дефекты
Существует возможность образования трещин в материале из-за неправильной термической обработки или наличия остаточных напряжений. Поэтому необходимо оптимизировать все параметры создания. Это поможет уменьшить напряжение и получить правильный результат от материала.
Недостаточная отделка поверхности
Если вы обнаружите шероховатую поверхность в деталях SLM, вам придется провести несколько дополнительных этапов постобработки. Однако можно предотвратить необходимость в этом, обеспечив правильный уровень скорости сканирования и мощности лазера.
Удаление опорных конструкций
В конечном итоге вам нужно будет удалить опорные структуры из материала. Однако процесс может занять много времени и даже привести к повреждению детали.
Поэтому рекомендуем оптимизировать конструкцию опорных структур для уменьшения точек контакта и обеспечения максимальной легкости удаления.
Деформация деталей при охлаждении
В ходе процесса охлаждения существует риск деформации деталей. Этому можно предотвратить путем внедрения контролируемого охлаждения и изменения конструкции детали с включением фасок, уменьшающих количество острых углов, которые особенно подвержены деформации.
Обращение с порошком и предотвращение загрязнения
Неправильное обращение с порошком может привести к загрязнению продукции и, таким образом, вызвать дефекты как в металлическом порошке, так и в произведенной продукции. Поэтому мы рекомендуем поддерживать контролируемую, чистую среду обращения с порошком.
Калибровка и обслуживание оборудования
Возможно, не сразу, но со временем оборудование потребует правильной калибровки и обслуживания, чтобы гарантировать его постоянную производительность. Мы рекомендуем вести график калибровки и обслуживания, а также внедрить культуру обслуживания на станции, чтобы гарантировать сохранение деталей в отличном состоянии.
Как селективное лазерное плавление сравнивается с другими методами аддитивного производства
Как уже было объяснено ранее, селективное лазерное плавление не является единственной формой доступного аддитивного производства. И когда речь идет о производстве, важно выбрать правильный вариант.
Так как же SLM сравнивается с другими этапами аддитивного производства?
Селективное Лазерное Плавление против Моделирования с Плавлением Плавленых Складок (FDM)
Прежде всего, у нас есть моделирование с плавлением плавленых складок. В целом, этот процесс не имеет многих сходств с SLM. Итак, вот некоторые вещи, которые следует учитывать при сравнении этих двух методов:
Принцип работы
С SLM вы получаете опцию слияния порошкового слоя, которая использует лазер для плавления и слияния материалов. С другой стороны, FDM в основном приводит к экструзии термопластичного филамента через нагретый насадок на создание платформы. В конечном итоге материал наносится слоем и затвердевает, когда на него действует воздух.
Материалы
В основном, SLM применяется к металлам, таким как титан, алюминий и сталь. Однако FDM обычно работает с гораздо более широким списком материалов – даже до композитов, таких как усиленные углеволокном инструменты.
Разрешение и отделка поверхности
SLM обеспечивает высокое разрешение и безупречный уровень отделки поверхности, отлично работая для замысловатых и сложных металлических деталей. Разрешение для FDM гораздо ниже, и следы слоев остаются видимыми, если не использовать послепроцессинг.
Сложность и свобода дизайна
Мы уже отметили, что разработка сложных деталей легко осуществима благодаря SLM. С другой стороны, FDM не предоставляет того же уровня свободы дизайна, так как в основном ограничивает вас геометрически более простыми деталями.
Прочность и свойства материалов
Материалы, произведенные с использованием SLM, обычно демонстрируют впечатляющие механические свойства в целом – от прочности до прочности и более. В то время как материалы, полученные с помощью FDM, также являются прочными, они, возможно, не смогут сопоставиться с теми же показателями, которые произведены через SLM.
Стоимость оборудования
Как и в случае других процессов аддитивного производства, и SLM, и FDM, как правило, требуют значительных вложений в начале. Однако, скорее всего, вы обнаружите, что у последнего общая стоимость склонна быть выше. Это не удивительно, конечно, если учесть общие преимущества процесса.
Селективное Лазерное Плавление против Стереолитографии (SLA)
Далее у нас стереолитография – аддитивное свойство, которое также работает довольно по-разному от селективного лазерного плавления. Вот как сравниваются оба концепта:
Принцип работы
SLM работает как концепция технологии слияния порошкового слоя, которая сконцентрирована на печати 3D металлических структур. С SLA у вас есть техника 3D-печати на основе смолы, которая использует УФ-лазер или источник света для затвердения жидкой фотополимерной смолы от одного слоя к другому.
Материалы
Оба процесса работают с похожими материалами. Как и детали DMLS, вы сможете работать с металлами различных типов. Однако SLA обычно работает с более широким ассортиментом материалов, включая такие вещи, как фотополимерные смолы и биосовместимые смолы.
Разрешение и отделка поверхности
Материалы SLM предлагают впечатляющую отделку поверхности и отличное разрешение, особенно для металлических деталей. То же самое можно сказать и о SLA, хотя стоит помнить, что, в отличие от принтеров SLM, используемые здесь инструменты скорее сконцентрированы на смолах и деталях.
Сложность и свобода дизайна
Вы можете использовать SLM для производства сложных, полностью функциональных металлических деталей, которые также предлагают замысловатые внутренние решетки и структуры. То же самое применимо к SLA, хотя процесс более сконцентрирован на смолистых деталях и обеспечивает возможность создания высокодетализированных и сложных моделей.
Прочность и свойства материалов
Здесь победу забирает SLM, поскольку он предлагает внушительную прочность в отношении изготавливаемых материалов и используемых процессов. В то время как SLA производит детали с такой же внушительной прочностью, они, возможно, не смогут сравниться с теми, что изготовлены через SLM.
Послепроцессинг
Если вам нужно включить послепроцессинг с помощью SLM, вы будете говорить о процессах, таких как обработка, термическая обработка и отделка поверхности. С SLA вам не обязательно нужно вводить столь много обширных шагов послепроцессинга – минимальные процессы, такие как промывка и удаление поддержки, более чем достаточны.
Селективное Лазерное Плавление против Селективного Лазерного Спекания (SLS)
Что касается популярности, возможно, нет варианта аддитивного производства, который сравнивается со селективным лазерным плавлением, как селективное лазерное спекание. Оба также довольно похожи, поскольку они используют лазеры. Так в чем различие между процессами SLS и SLM?
Принцип работы
Оба процесса работают довольно похожим образом – они берут металл и используют его для слияния материалов вместе от одного слоя к другому. Это то же самое, если учесть прямое лазерное спекание металла против селективного лазерного плавления.
Материалы
Основное различие в сравнении процессов SLS и SLM заключается в материалах, с которыми они работают. SLM использует металлические порошки, такие как никель и алюминий, в то время как SLS работает с гораздо более широким ассортиментом материалов, включая опции такие как керамика и полиамид.
Прочность и свойства материалов
Оба процесса приводят к развитию материалов, которые легко оптимизируют механические свойства и прочность. Однако для SLS у вас больше контроля над свойствами вашего материала.
И, возможно, вам следует отметить, что продукция SLS не обязательно такая же прочная, как у SLM.
Отделка поверхности
С SLM, вы обычно получаете более гладкий материал с лучшей отделкой поверхности. Материалы, изготовленные с помощью SLS, обычно бывают шероховатыми, но они все равно в целом приемлемы для функциональных целей.
Стоимость оборудования
Если вы хотите сэкономить, вам вероятно стоит больше внимания уделить SLS. Когда вы работаете с плавлением в слое, вы обнаружите, что 3D-принтер SLS имеет разные ценовые категории и более доступен как для промышленных, так и для профессиональных функций, чем 3D-принтер SLM.
Тем не менее, вам следует больше обращать внимание на качество материалов и оборудования, чем на общую стоимость в целом.
Вывод
Селективное лазерное плавление стало одним из наиболее впечатляющих этапов доступного аддитивного производства. И когда вы это проводите, вы хотите, чтобы у вас были правильные параметры для производства в целом.
В KDM Fabrication у нас есть специалисты, которые знают, как идеально управлять этим процессом. Обратитесь к нам сегодня, и посмотрим, как мы можем вам помочь.
