Селективное лазерное плавление (SLM) – технология 3D-печати, относящаяся к группе технологий «синтез на подложке» (PBF).
Смысл технологии прост и понятен – слой металлического порошка выборочно сплавляют лазерным лучом в единую деталь.
Сложности начинаются при попытке реализовать.
1. При сплавлении порошка он «усаживается», возникают большие напряжения – необходимо первый слой буквально «приваривать» к платформе построения.
2. Как сформировать слой порошка? Для этого используют бункер с подвижным дном. Дно опускается на высоту слоя печати и сверху насыпается слой порошка.
Как его насыпать? Да еще сформировать тонкий слой? Для этого используют либо длинное тупое лезвие – ракель, либо вращающийся валик. Ракель или валик для перемещения порошка называется рекоутер. Рекоутером мы перемещаем порошок и равномерно распределяем по отсеку (бункеру) построения детали.
Откуда берется порошок для перемещения рекоутером? Тут несколько вариантов:
- используется бункер с подвижным дном. Дно поднимается и ракелем или валиком захватывается необходимая порция порошка.
- используется площадка, откуда из бункера сверху насыпается слой порошка. Насыпали порцию порошка, захватили ракелем или валиком и переместили на область построения.
3. Куда девать излишки порошка? Рассчитать количество порошка, чтобы хватило на слой – сложно. Не хватит порошка – плохо. тут используется несколько вариантов:
- бункер для излишков порошка с опускаемым дном. По мере заполнения дно опускается
- глубокий бункер с дверце на дне. Излишки порошка сбрасываются в бункер, по мере накопления через дверцу на дне порошок собирается и отправляется на повторное использование.
- площадка, куда просто двигаются излишки порошка и накапливаются в виде «горки»
4. Как обеспечить перемещение лазерного луча? Используюется система из неподвижного лазера и подвижных зеркал – одного или двух. Подвижные зеркала управляются по принципу зеркального гальванометра и такая система называется гальваносканатором.
5. По каким алгоритмам засвечивать? У каждого производителя свои алгоритмы.
- простое сканирование, когда лазерный луч перемещается плотным зигзагом и периодически включается-выключается
- обход вначале контура сечения детали, потом сплавления порошка внутри контура, при этом может использоваться меньшая мощность, более расфокусированный луч или более редкое сканирование.
Так же может использоваться предварительный прогрев слоя расфокусированным лазерным лучом для уменьшения напряжений.
6. При сплавлении порошок надо нагреть до высокой температуры, потом он начнет нагревать соседние слои порошка. Надо обеспечивать эффективное охлаждение камеры построения и поддержание постоянной температуры порошка – иначе изменится режим сплавления. При небольших объемах вопрос решается сам собой, при печати групногабаритных деталей необходимо использовать мощные системы охлаждения и термостатирования объема печати.
7. Лазерный луч имеет достаточно большой диаметр, чем больше мощность лазера – тем больше диаметр луча – от 300 до 50 мкм. Поэтому при точности позиционирования луча 10…50 мкм минимальная толщина стенки/ребра составляет 0,6…0,1 мм в зависимости от мощности лазера.
8. Для управления лазерным лучом, рекоутером, подвижным дном, стабилизацией температуры, и т.п. требуется система управления. Практически любой SLM-принтер имеет встроенный компьютер и несколько ПЛК для упралвения «всем этим барахлом».
Вроде бы все?
Увы нет. Металлический порошок имеет большую площадь соприкосновения с атмосферой и при нагреве легко загорается (а взвесь – может взорваться). Поэтому сплавление должно производится в нейтральной или неактивной атмосфере – углекислый газ, азот, аргон (в зависимости от сплавляемого металла). Чаще всего применяется аргон, как наиболее универсальный газ (не реагирует ни с какими металлами).
Теперь все? С точки зрения конструкции – да. Теперь посмотрим, как все это умещается в одном устройства на примере SLM-принтера EP-M250 производства компании E-Plus 3D, входящего в концерн Shining3D:
Сложно? И особо не упростишь.
С конструкцией закончили. Что дальше?
После печати напечатанное нужно очистить от порошка. Порошок имеет очень мелкие размеры, поэтому очищать надо в спецодежде с защитой органов дыхания. Некоторые порошки (алюминий, титан) активно реагируют с влагой воздуха, поэтому очистку приходится производить в закрытых боксах в атмосфере аргона.
Все? Опять нет…
Металлы активно отражают свет, и если мы возьмем лазер, который хорошо сплавляет нержавеющую сталь, титан, алюминий – то мы не сможем сплавить медь – порошок меди хорошо отражает лазерный луч.
Поэтому фактически материалы, доступные для SLM – это сталь (углеродистая и нержавейка), титан и его сплавы, алюминий, никель, кобальт, хром и их сплавы. Список выглядит внушительно?
Увы, и тут не так просто. Нельзя просто взять и нашкрябать опилки, а потом их сплавить – порошок должен быть очень мелкой фракции – от 4 до 50…80 мкм, и, обязательно, сферической формы. Порошок неправильной формы будет цепляться друг за друга, за ракель, за стенки бункера и его будет невозможно распределить тонким слоем. И даже порошок сферической формы будет плохо распределяться, если состоит из одной фракции – крупные «песчинки» должны сочетаться с мелкими, - иначе он будет слипаться и не будет распределяться правильным слоем. Порошок должен обладать текучестью, что проверяется на приборе Холла – воронки с небольшим отверстием. Для разных способов подачи порошка нужна разная текучесть – при использовании бункера с подвижным дном текучесть не так важна, при насыпании порошка из верхнего бункера текучесть очень важна.
Сферический порошок получают на специальных установках – атомизаторах. Перенастройка установки на другой металл – достаточно дорогой и затратный процесс, поэтому производители металлического порошка предпочитают выпускать только самую «ходовую» номенклатуру – обычно нержавеющие стали, интрументальные стали, титан, никелевые сплавы, алюминиевые сплавы, бронза – номенклатура выпускаемых порошков достаточно обширна, но не бесконечна.
Заказ «нестандартного» порошка, не входящего в номенклатуру выпускаемой продукции обойдется «в копеечку» и выполнение заказа займет несколько месяце.
Примерный перечень выпускаемых порошков для SLM-принтеров (немного не полный):
Нержавеющие стали 17-4PH, 410, 420, 304L, 316L,I 904L
Инструментальные стали 1.2343, 1.2367, 1.2709
Никелевые сплавы Inconel 625, Inconel 718, Hasteloy X
Сплав CoCr, CoCrMo, CoCrMoW, CoCrW
Бронзовые порошки CuSn6 и CuSn10
Алюминиевые сплавы AlSi12, AlSi10Mg, AlSi7Mg
Титановые сплавы Ti6Al4V, Ti6Al7Nb, ВТ6, ВТ22, ВТ20, ВТ9
Повторю риторическийвопрос – теперь ВСЁ?
С точки зрения принтера и печати – да. Есть еще особенности и подводные камни, о них – в следующей статье.
А пока – примеры напечатанных изделий по этой технологии:
Основные достоинства данной технологии:
- возможность печати очень сложных деталей, которые невозможно изготовить другими методами.
- быстрота изготовления по сравнению с другими технологиями – литьем, фрезерованием
- возможность мелкосерийного и единичного производства – себестоимость печати единичного изделия практически не отличима от себестоимости при серийной печати
- возможность использолвания бионического и генеративного дизайнов
Главный недостаток технологии SLM – цена порошков и цена оборудования. Цена отечественного оборудования начинается от 10…20 миллионов рублей.
Второй недостаток – сложность обслуживания, отсутствие специалистов и отсутствие системы подготовки специалистов. В большинстве учебных заведений SLM-принтеры отсутствуют, и единственный способ подготовки специалистов – обучения у производителя или на рабочем месте на предприятии.
Следующие статьи по теме:
Обзорная статья про группу технология "синтез на подложке"
Статья про мультиматериальную печать:
