Можно ли на SLM-принтере напечатать «что угодно» - деталь любой формы?
Да, радостно воскликнут техногики и в качеств доказательства приведут какие-либо рекламные фотографии, типа этой:
С одной стороны – да, другими способами, кроме 3D-печати, подобные детали изготовить сложно – приходится отливать или фрезеровать по частям, подгонять, сваривать – куча мороки, а на 3D-принтере печатается «за один присест», сокращая время изготовления в некоторых случаях в десятки раз.
С другой… А кто-нибудь из техногиков рассказывал об ограничениях по форме, которая накладывает 3D-печать методом выборочного лазерного плавления?
Я расскажу!
Первое. Ограничение по форме деталей: угол нависаний не менее 45 градусов для титана и алюминия (от горизонтальной оси) и не менее 50 градусов для стали. Меньший угол либо не пропечатается, либо будут сильные дефекты печати с нижней стороны.
Мосты (промежутки между опорами, на которых материал «висит» в воздухе) – не более 2-3 мм.
Эти ограничения действуют на любую геометрию – не только наружную, но и внутреннею – а значит, цилиндрические каналы охлаждения и полости диаметром более 2-3 мм мы просто не напечатаем – каналы охлаждения должны иметь форму, с радиусами закругления вверху не боле 1-1,5 мм, и углами схода стенок не более 90…75 градусов.
Внимательно посмотрите на деталь на фотографии в начале статьи – несмотря на сложность она спроектирована так, чтобы могда быть распечатана на SLM-принтере – углы нависаний более 50 градусов, каналы охлаждения – под острым углом к вертикали.
Соответственно, печатаемые детали необходимо дорабатывать под вышеуказанные требования – привет, технологическая проработка!
Второе. Деталь печатается на поддержках – иначе её будет трудно отрезать от платформы построения.
Примечание: в некоторых случаях платформу построения можно использовать как часть детали – например при построении крыльчаток или пресс-форм.
Поддержки должны подходить ко всем нависанием, мостам, началам построения. Поддержки металлические и их удаление трудно автоматизировать – удаление поддержек требует значительных трудозатрат времени, а удалить поддержки, подходящие к краям отверстий так, чтобы не повредить геометрию отверстий – задача нетривиальная.
В сложных случаях вся деталь может оказаться в поддержках.
Третье – при печати в процессе плавления-остывания металла возникают термические напряжения, которые искажаю геометрию детали, вызывая коробление, а в некоторых случаях – отрыв детали от поддержек или поддержек от платформы построения.
Чем больше длина сечения детали и больше площадь сечения детали – тем сильнее напряжения, и больше вероятность коробления детали.
Поэтому детали необходимо располагать так, чтобы уменьшить длину и площадь сечения – вертикально, или наклонно.
Четвертое – лазерный луч невозможно сфокусировать в точку – диаметр пятна составляет 250…50 мкм, в зависимости от мощности лазера. Поэтому минимальная толщина стенки/ребра составляет 0,6…0,1 мм исходя из диаметра пятна лазера, а если учитывать термические напряжения – то в некоторых случаях и больше (тонкие стенки и ребра могут порваться или покоробится из-за термических напряжений)
Точность… Точность позиционирования луча составляет 50…10 мкм. Но законы геометрии суровы – в середине области построения лазерный луч в поперечном сечении представляет собой круг, а по краям, и по углам – эллипс. Возникают перспективные искажения. На небольших установках искажения можно избежать при помощи “эф-тета» линзы, на больших – искажения учитываются программно. Но в любом случае точность печати по краям и углам ниже, чем в середине. Плюс погрешности, связанные с размером зерна порошка, неравномерностью спекания.
Точность геометрических размеров составляет примерно плюс-минус 200-100 мкм.
Точность формы зависит от множества факторов, но самый главный – искажения из-за термических напряжений.
Есть математические методы, позволяющие спрогнозировать искажения и спроектировать деталь так, чтобы она после печати приобрела нужную форму, но они пока в стадии разработки. Точность геометрической формы при этом может достигать плюс-минус 200 мкм (без учета влияния точности печати).
Дополнение от 4 апреля 2024 года.
Выше было сказано, что минимальный угол наклона при печати - не менее 45 градусов к горизонтали. Но это при использовании традиционных алгоритмов сканирования и сплавления порошка.
Но недавно на сайте компании Shenzhen KINGS 3D Printing Technology Co., Ltd появилась новость, что мсследователи из Южно-Китайского технологического университета и фирма Kings 3D (Китай) разработали новый алгоритм сканирования, который позволяет обеспечивать угол наклона до 15 градусов в горизонтали без поддержек. Анонс новости был 26 марта 2024 года, но сам алгоритм был внедрен в опытную эксплуатацию еще в 2023 году.
Об этом не говорится, но вероятно, при этом методе сканирования снижаются и термические напряжения в детали.
В качестве иллюстрации приведены напечатанные по данному алгоритму детали:
С использованием нового алгоритма сканирования возможно и 3D-печать деталей с внутренними каналами:
Суть алгоритма не разглашается, но судя по рисункам, он заключается в том, что по периметру детали на ширину трех длин нависания слоя мощность лазера снижается, что снижает термические напряжения и изгибающий момент в сплавляемом слое. Причем снижение мощности лазера начинается на много слоев ниже:
Насколько быстро данный алгоритм будет внедрен другими производителями SLM-машин – пока неизвестно.
Предыдущие статьи по теме
Следующая статья:
Обзорная статья на группу технологий «синтез на подложке»
Путеводитель по каналу
