Slm технология. SLM-технология – неотъемлемый компонент Фабрики будущего

SLM или Selective laser melting - инновационная технология производства сложных изделий посредством лазерного плавления металлического порошка по математическим CAD-моделям (3D-печать металлом). С помощью SLM создают как точные металлические детали для работы в составе узлов и агрегатов, так и неразборные конструкции, меняющие геометрию в процессе эксплуатации.

Технология является методом аддитивного производства и использует мощные лазеры для создания трехмерных физических объектов. Данный процесс успешно заменяет традиционные методы производства, так как физико-механические свойства изделий, построенных по технологии SLM, зачастую превосходят свойства изделий, изготовленных по традиционным технологиям.

Установки SLM помогают решать сложные производственные задачи промышленных предприятий, работающих в авиакосмической, энергетической, машиностроительной и приборостроительной отраслях. Установки также применяются в университетах, конструкторских бюро, используются при проведении научно-исследовательских и экспериментальных работ.

Официальным термином для описания технологии является «лазерное спекание», хотя он несколько не соответствует действительности, так как материалы (порошки) подвергаются не спеканию, а плавлению до образования гомогенной (густой, пастообразной) массы.

Преимущества

Решение сложных технологических задач

Производство изделий со сложной геометрией, с внутренними полостями и каналами конформного охлаждения

Сокращение цикла НИОКР

Возможность построения сложных изделий без изготовления дорогостоящей оснастки

Уменьшение массы изделий

Построение изделий с внутренними полостями

Экономия материала при производстве

Построение происходит с помощью послойного добавления в «тело» изделия необходимого количества материала. 97-99% незадействованного при построении порошка после просеивания пригодно к повторному использованию. 3-9% материала, задействованного на построение поддержек, утилизируется вместе с некондиционным несплавленным порошком, не прошедшим операцию просеивания.
Сокращение затрат на производство сложных изделий, т.к. нет необходимости в изготовлении дорогостоящей оснастки.

Области применения

Изготовление функциональных деталей для работы в составе различных узлов и агрегатов
Изготовление сложных конструкций, в том числе неразборных, меняющих в процессе эксплуатации геометрию, а также имеющих в своем составе множество элементов
Производство формообразующих элементов пресс-форм для литья термопластов и легких материалов
Изготовление технических прототипов для отработки конструкции изделий
Создание формообразующих вставок для кокильного литья
Производство индивидуальных стоматологических протезов и имплантатов
Изготовление штампов.

Как это работает

Процесс печати начинается с разделения цифровой 3D-модели изделия на слои толщиной от 20 до 100 мкм с целью создания 2D-изображения каждого слоя изделия. Отраслевым стандартным форматом является STL- файл. Этот файл поступает в специальное машинное ПО, где происходит анализ информации и ее соизмерение с техническими возможностями машины.

На основе полученных данных запускается производственный цикл построения, состоящий из множества циклов построения отдельных слоев изделия.

Цикл построения слоя состоит из типовых операций:

нанесение слоя порошка заданной толщины (20-100 мкм) на плиту построения, закрепленную на подогреваемой платформе построения;
сканирование лучом лазера сечения слоя изделия;
опускание платформы вглубь колодца построения на величину, соответствующую толщине слоя построения.

Процесс построения изделий происходит в камере SLM машины, заполненной инертным газом аргон или азот (в зависимости от типа порошка, из которого происходит построение), при ламинарном его течении. Основной расход инертного газа происходит в начале работы, при продувке камеры построения, когда из нее полностью удаляется воздух (допустимое содержание кислорода менее 0,15%).

После построения изделие вместе с плитой извлекается из камеры SLM машины, после чего изделие отделяется от плиты механическим способом. От построенного изделия удаляются поддержки, производится финишная обработка построенного изделия.

Практически полное отсутствие кислорода позволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан.

Материалы

Наиболее популярными материалами являются порошковые металлы и сплавы, включая нержавеющую сталь , инструментальную сталь , кобальт-хромовые сплавы , титановые сплавы, титан , алюминий , золото, платина и др.

Изделия, изготовленные 3D-машинами SLM Solutions

Изделия, изготовленные 3D-машинами Realizer

Видео: использование SLM-технологии

Похожа на SLS, их иногда даже путают, но все же есть кардинальные отличия. В то время как в SLS частицы порошка спекаются друг с другом, то здесь металлические частицы доводятся до состояния расплавления и свариваются друг с другом, образуя жесткий каркас.

Метод берет свои корни из Института Лазерных Технологий Фраунгофера, Германия (Fraunhofer-InstitutfürLasertechnik). В 1995 году там родился исследовательский проект, который возглавляли Вильгельм Майнерс и Курт Виссенбах. Позже эти ученые объединили свои усилия с Диетором Шварцем и Маттиасом Фокеле из компании F&S StereolithographietechnikGmbH, после чего метод был официально запатентован. В начале 2000-х годов F&S стала сотрудничать с другой немецкой компанией, MCP HEK Gmbh. В конце концов, упомянутые выше ученые возглавили компании SLM SolutionsGmbh и RealizerGmbh, унаследовавшие все предыдущие наработки.

Построение модели начинается с подготовки уже известного нам stl файла. Программа рассчитывает 2D модель каждого слоя с шагом обычно от 20 до 100 микрон, добавляя при необходимости структуры поддержки. Возведение каждого слоя начинается с равномерного распределения металлического порошка по всей площади подложки, на которой будет “расти” модель. Эту работу выполняет либо валик, либо щетка, похожая на автомобильный стеклоочиститель. Каждому слою соответствует 2D схема. Весь процесс происходит в специальной герметичной камере, наполненной инертным газом, например, аргоном, либо азотом со сверхмалыми примесями кислорода. Система фокусировки направляет высокомощный лазер на металлические частицы, расплавляя и сваривая их между собой. По контурам сечения проходит сплошная сварка, а внутренности стенок объекта могут свариваться в соответствии с паттерном заполнения. Кстати, остатки порошка, оставшегося от изготовления детали, могут повторно использоваться для печати следующей модели.

Применяемые материалы включают в себя нержавеющую сталь, инструментальную сталь, сплавы хрома и кобальта, титан, алюминий. Могут применяться и другие сплавы - главное, чтобы они, будучи измельченными до состояния частиц, имели определенные характеристики сыпучести.

3D моделирование методом SLM прочно вошло в нашу жизнь. Оно в разы сократило время, которое требуется на изготовление детали по сравнению с традиционными способами. Некоторые области авиастроения, нефтедобычи и медицины нуждаются в таких сложных компонентах, которые просто невозможно изготовить по-другому. Особенно это касается объектов с большой площадью поверхности и одновременно малым объемом. Представьте себе радиатор какой-либо системы охлаждения.

Выборочная лазерная плавка незаменима в аэрокосмической отрасли , где идет борьба за каждый грамм - деталь должна выполнять свои функции и быть прочной, но вместе с тем иметь материал только в тех местах, где без него не обойтись.

Мы продолжаем знакомить вас с различными технологиями трехмерной печати. Следующая на очереди - SLM.

SLM, или Selective laser melting - это уникальный аддитивный метод, который заключается в создании различных изделий с помощью лазерного плавления металлического порошка по заданным CAD-моделям. В процессе работы используются только лазеры высокой мощности.

SLM-машины способствуют решению сложных задач на промышленных предприятиях, специализирующихся на производстве машин в авиакосмической, энергетической, машиностроительной и приборостроительной сферах.

Помимо этого, подобные установки используются в институтах, конструкторских бюро, а также в процессе научно-исследовательских и экспериментальных работ.

Технология

Процесс 3D-принтинга начинается следующим образом: трехмерная цифровая модель разделяется на слои, чтобы для каждого можно было создать двухмерное изображение. Толщина слоя варьируется от 20 до 100 мкм.

Файл, в котором указаны все параметры, отправляют в специальное машинное ПО, которое анализирует данные с техвозможностями аппарата. В результате начинается запуск построения изделия.

Цикл создания каждого слоя состоит из трех этапов:

нанесение слоя из порошка на рабочую плиту;
сканирование лазером сечения слоя;
опускание плиты на глубину колодца, которая соответствует толщине слоя.

Построение любого предмета происходит в рабочей камере SLM-принтера. Она полностью заполнена инертным газом: аргоном или азотом. Выбор газа зависит от материала, из которого изготовлен порошок.

По завершении построения изделие достают с рабочей плитой из машины, отделяют его механическим способом и проводят постобработку.

Преимущества селективного лазерного плавления

Этот метод настолько универсален, что сильных сторон в нем больше, чем может показаться сначала:

создание предметов сложных геометрических форм с внутренними полостями и каналами конформного охлаждения;
производство изделий без дорогой оснастки;
на выходе изделия получаются легкими;
экономия расходников при печати;
возможность повторного использования порошка после этапа просеивания.

Применение

Метод селективного лазерного плавления может использоваться в процессе производства изделий для работы в составе различных узлов и агрегатов, построения сложных геометрический конструкций и формообразующих элементов пресс-форм для литья термопластов, индивидуальных протезов и имплантатов для стоматологии, а также производства штампов.

Расходный материал

Наиболее часто в качестве расходников используются порошки из таких металлов и сплавов, как нержавейка, инструментальная сталь, сплавы из кобальта, хрома и титана, алюминий, золото, серебро, платина.

Подписывайтесь на новости 3D Print Expo 2017 в

Технология LBM/SLM используется для изготовления функциональных изделий, эксплуатация которых происходит при высоких нагрузках, экстремальных температурах и в агрессивных средах. Данная технология позволяет работать с широким ассортиментом металлопорошковых композиций: нержавеющими и инструментальными сталями, алюминием, титаном, никелевыми, кобальт-хромовыми, медными сплавами, и многими другими.

Выборочное лазерное сплавление металлического порошка происходит посредством воздействия мощного лазера (опционально оборудование может комплектоваться 2-4 лазерами), способного расплавлять сферические гранулы в месте его проецирования. Управляет работой установки и всего процесса компьютер, на котором загруженная математическая модель проходит несколько стадий подготовки с созданием поддерживающих структур, траекторий и методик сканирования лучом каждого сгенерированного слоя модели, настройки технологического процесса для работы с тем или иным выбранным материалом, и т.п.

Ракель или ролик принтера наносит порошок на поверхность платформы, а встроенный лазер выборочно осуществляет плавку по заранее определенной траектории. Когда завершается полный цикл печати, изделие с платформой помещают в печь для снятия внутренних напряжений, после этого аккуратно отделяют платформу и поддержки от изделия, виброгалтовочными или пескоструйными операциями придают поверхности сглаженный вид (устраняются огрехи технологии, связанные со слоистой структурой и шероховатостью), слесарно или с помощью металлообрабатывающего оборудования с ЧПУ доводят ответственные поверхности до требуемого по чертежной документации качества.

Лидер в области разработки новейших технологий 3D-печати металлами, выполнила проект по изготовлению титанового изделия для авиакосмической отрасли размером 31 x 22,2 и диаметром 21,9 см.

На сегодняшний день это самая крупная деталь, изготовленная на аддитивной установке SLM 280 с двумя 400-ваттными лазерами. Именно эта машина позволила напечатать изделие такого размера в относительно короткий срок по сравнению с традиционной технологией изготовления.

Стандартный размер платформы построения в 3D-принтерах этого класса составляет 250 мм х 250 мм. Однако SLM 280 имеет увеличенную платформу размером 280 мм х 280 мм, что дает возможность печатать изделия большего размера.

Благодаря разработкам в области 3D-печати металлами по технологии селективного лазерного плавления (в том числе титаном) для нужд авиакосмической промышленности, учитывая высокую прочность и малый вес данного металла, SLM Solutions стала одной из ведущих компаний, выполняющих заказы для производителей комплектного оборудования. SLM Solutions сумела преодолеть ограничения, связанные с размером камеры построения, и другие сложности, возникающие при изготовлении крупных изделий из титана, и продолжает совершенствовать свои технологии в этой области.

Процесс 3D-печати из титанового порошка

Как объясняет Майк Хансен, инженер по внедрению североамериканского подразделения SLM Solutions, успехи в области 3D-печати титаном особенно важны: титан – металл очень твердый и подверженный растрескиванию из-за высоких остаточных напряжений, что стало серьезной проблемой. «Геометрия детали была не особенно сложной, однако трудность заключалась в том, чтобы с использованием аддитивной технологии изготовить из титана столь крупное изделие», – отметил инженер.

Эту задачу помогла решить разработанная и запатентованная SLM Solutions система, состоящая из двух лазеров. Обработка изделия в зоне перекрытия одновременно двумя лазерами позволила не только ускорить процесс печати, но и изготовить изделие большего размера. SLM Solutions провела испытания материала в зоне перекрытия, которые подтвердили отсутствие какой-либо разницы в качестве материала между участками, напечатанными одним лазером, и участками в зоне перекрытия, на которую два лазера воздействовали попеременно. Инженеры SLM Solutions выполнили несколько итераций, чтобы подготовить файл и напечатать несколько пробных образцов с целью убедиться, что задача будет выполнена. Клиенту нужен был способ производства данного изделия, обеспечивающий экономию затрат и времени, а также снижение веса .

«Это изделие примечательно своими размерами и тем фактом, что оно было изготовлено из титана за шесть с половиной дней без перерывов в процессе печати, – говорит Хансен. – То, что 3D-принтер SLM способен работать в течение столь длительного времени, не требуя чистки или иного обслуживания, само по себе чрезвычайно важно».

Хотя обычно технология 3D-печати привлекает к себе внимание своей способностью воспроизводить уникальную геометрию, данное изделие для авиакосмической отрасли не было особенно сложным с этой точки зрения. Однако получить титановую деталь такого размера за столь короткое время едва ли было бы возможно с использованием традиционной технологии механической обработки.

Процесс изготовления средствами традиционной механической обработки занял бы несколько недель

«Технология аддитивного производства не связана ограничениями традиционных станков и инструментов, поэтому мы можем создавать более органичные формы, а весь цикл проектирования и разработки критически важных изделий для авиакосмической промышленности значительно сокращается», – пояснил Хансен.

Ричард Гриллс, доктор наук в области металлургии, руководитель отдела внедрения и технический директор SLM Solutions в Северной Америке, дал следующий комментарий: «Учитывая размеры изделия, процесс изготовления средствами традиционной механической обработки занял бы несколько недель; при этом потребовалось бы четыре или пять переналадок. Иными словами, это было бы очень дорогостоящим процессом. На изготовление изделия по технологии литья ушло бы еще больше времени, поскольку потребовалась бы оснастка, а процесс ее изготовления может занять до шести месяцев. Кроме того, традиционная оснастка имеет высокую стоимость. Мы выполнили задачу намного быстрее, хотя стоимость изделия оказалась выше. Тем не менее, учитывая сэкономленное время, такие затраты оправданы для критически важного изделия такого размера».

Лопатка турбины, напечатанная на аддитивной установке SLM 280HL

SLM Solutions добилась впечатляющих результатов с точки зрения скорости изготовления, качества и плотности конечного изделия. Хансен отметил, что «выполнение строгих требований к качеству и технических условий на материалы при использовании титана в жестко регулируемых отраслях, таких как авиакосмическая и автомобильная промышленность, требует многочисленных испытаний материалов и оптимизации параметров, чтобы убедиться, что заказчик получит именно то, что ему нужно».

Требования к контролю качества в авиакосмической отрасли довольно обширны: для проверки изделия на пустоты или пористость, как правило, применяется такой метод неразрушающего контроля, как компьютерная томография, однако клиент может выбрать разрушающий контроль и разрезать изделие. «Мы сперва провели неразрушающий контроль изделия, а затем испытания в условиях, приближенных к реальным, установив изделие на двигатель и выработав ресурс до разрушения», – говорит Хансен.

По мере развития технологий аддитивного производства компания SLM Solutions наблюдает все больший спрос на свои решения. Однако материалы и процессы изготовления совершенствуются настолько быстро, что стандарты не успевают за ними. «К нам все чаще обращаются компании, которые применяют традиционные технологии, но стремятся к увеличению скорости производства при сохранении качества и хотят воспользоваться преимуществами аддитивного производства, – добавил Хансен. - Эта отрасль меняется буквально каждый день и развивается очень быстро, однако мы наблюдаем разрыв между темпами развития технологий аддитивного производства и способностью некоторых отраслей, в частности авиакосмической и автомобильной, столь же быстро сертифицировать новые материалы и технологии».

Размеры изделия: 31 x 22,2 см, диаметр 21,9 см
Материал: Ti64
Продолжительность печати: 6,5 дней
Аддитивная установка: SLM 280 с двумя лазерами по 400 Вт