В статье – разбор метода 3D-печати фирмы Velo3D, позволяющий изготавливать металлические изделия методом селективного лазерного плавления (SLM) почти без ограничений на геометрию изделий.
Введение
При 3D-печати методом селективного лазерного сплавления (SLM) слой металлического порошка выборочно спекается за счет энергии сфокусированного лазерного луча. Подробнее о технологии – здесь и здесь
При этом возникают сильные термические напряжения, которые вызывают искажения геометрии изделия и требуют использования многочисленных опорных структур (поддержек) и накладывают ограничение на геометрию изделий (минимальный размер моста, невозможность печати цилиндрических отверстий горизонтально, угол нависаний не менее 45 градусов и т.п.). Подробнее – здесь.
Китайские исследователи уже на практике доказали, что за счет изменений алгоритма управления лазерным лучам можно уменьшить эти напряжения и снизить ограничения.
Но американская фирма из Калифорнии Velo3D пошла еще дальше и разработала технологию 3D-печати селективным лазерным сплавлением практически без ограничения геометрии. Ниже – сравнение традиционного SLM и технологии Velo3D:
И примеры печати от Velo3D
Ноу-хау и технические решения Velo3D
При «традиционной» SLM 3D-печати возникают две проблемы:
1. Плохое уплотнение слоя порошка. Для повышения точности 3D-печати необходимо печать тонкими слоями, но тонки слой сложно нанести равномерно и сложно уплотнить – при уплотнении слоя есть риск повредить или сдвинуть уже напечатанную часть изделия. Выравнивание слоя ракелем или подвижным бункером не обеспечивает равномерность слоя, а уплотнение валиком или иным способом неравномерно нанесенного слоя неэффективно. Неравномерный, плохоуплотненный слой порошка при плавлении дает сильную усадку, стремиться принять форму не сплавленных шариков, плохоуплотненные слои порошка не обеспечивают четкую фиксацию выращиваемой детали, и приходится использовать опорные структуры, которые фиксируют деталь, не давая ей смещаться при печати.
2. Неконтролируемый циклы нагрева-остывания при наплавлении очередного слоя приводят к сильным термическим напряжениям.
Технология Velo3D использует три технических решения для уменьшения данных проблем:
1. Сложный цикл нанесения порошка:
А) вначале наносится толстый слой порошка, многократно превосходящий по толщине слой печати, нанесение производится из подвижного бункера при помощи пневмоподачи порошка.
Б) потом нанесенный слой разравнивается и уплотняется. Уплотнение толстого слоя может проводится при помощи валика и вибротрамбовки, за счет лощины слоя и хорошего уплотнения предыдущих слоев напечатанная часть детали не смещается и не повреждается.
В) уплотненный слой бесконтактно, за счет пневмоотсоса частично снимается, так, чтобы остался только рабочий слой порошка для сплавления.
Столь сложная схема нанесения рабочего слоя порошка больше никем не используется.
2. Сложный цикл сплавления порошка с контролем температуры на каждом этапе бесконтактными датчиками.
А) напечатанная деталь и слои порошка нагреваются до заданной температуры. Прогрев порошка перед печатью – не новость и предусмотрена во многих SLM-принтерах для снижения мощности лазера и снижения термических напряжений.
Б) слой порошка, подлежащий сплавлению, выборочно нагревается мощным лазерным лучом выше температуры плавления, остальной слой порошка, не подлежащий сплавлению – подогревается расфокусированным излучением до заданной температуры.
В) после сплавления слоя и прогрева порошка следует цикл охлаждения слоя до начальной температуры.
Г) Контроль температуры и отсутствие геометрических искажений контролируется 2МП CCD видеокамерами. Для обеспечения одинаковой температуры по всей площади используется зональный нагрев расфокусированным излучением лучом и зональное охлаждение специальными радиаторами.
Если предварительный нагрев порошка – используется часто, то охлаждение и постоянный бесконтактный контроль температуры – крайне редко. Зональный нагрев и точное поддержание температуры – тоже крайне редко.
3. Использование специального программного обеспечения Velo3D Flow и «умной» технологии Intelligent Fusion, которая обеспечивает сквозной интегрированный рабочий процесс. При этом контролируются все этапы процесса - процесс размещения детали, заранее указывая, на необходимость изменения геометрии детали, установку опор, возможные проблемы при печати, рассчитывает параметры печати, управляет 3D-принтером, контролируя процесс печати, включая контроль за отсутствием сбоев при печати.
Технология позволяет печатать разные участки детали с разной толщиной слоя, но насколько это востребовано в реальном процессе – неизвестно, но в патенте эта возможность описывается.
Специализированное ПО – норма для профессиональных аддитивных установок, но такого обширного функционала пока нет ни у кого из конкурентов.
Все эти секреты, технические решения и ноу-хау подробно расписаны в патенте США US20150367415A1 на 100 страниц текста и 28 рисунков. Я первый раз в жизни вижу столь подробный и большой патент. В нем описаны многие нюансы технологии и рассмотрены различные варианты нанесения порошка. Трудно сказать – в чем смысл такого объемного патента, то ли в привлечении инвесторов, то ли в необходимости запатентовать все варианты конструкции, чтобы исключить появление конкурентов.
А каковы результаты? При печати 200-ватным лазером с длиной волны 1060 нм толщиной слоя 35…75 мкм из стали 316L максимальная длина «моста» составила 25 мм, пластина «моста» опиралась только на двух поддержках. Заявлено возможность печати нависаний с углом 15 градусов для инконеля и титана и 5 градусов для более технологичных металлов. Возможно печать выступов наружу под углом 5 градусов высотой до 5мм, и внутренних полостей с написаниями 10 градусов и более.
Заявлена возможность печати длинных деталей вертикально с соотношением длины к толщине 1 к 500.
Заявлена принципиальная возможность «плавающей» печати – когда деталь не связана с платформой поддержками. Правда, на практике, это используется крайне редко.
Это, безусловно, не полная свобода – до свободы SLS-принтеров, спекающих пластиковый порошок, далеко, но намного меньше ограничений, чем у традиционных SLM-машин.
Финансовая судьба Velo3D
Все началось в 2015 году, когда Velo3D привлекла 22 миллиона долларов и начала опыты. Опыты продолжались три года и только в 2018 году компания анонсировала выпуск первого 3D-принтера в линейке Sapphire.
Выпуск требует значительных вложений, привлечение квалифицированных кадров для обеспечения серийного выпуска, а это деньги. И компания находила эти деньги – к концу 2020 года суммарный объем инвестиций в компанию достиг 150 миллионов долларов.
В том же 2020 году был отгружен первый 3D-принтер заказчику – компании Knust-Godwin (США, штат Техас, Кэти).
Стоимость принтеров – почти два миллиона долларов за младшую модель, более продвинутые – стоят, соответственно больше. Дорого! Но возможности… Принтеры с такими возможностями разбирали достаточно активно – в 2022 году, на пике продаж, объем продаж достиг 48 аддитивных систем в год, что для такого оборудования – очень много. Но большие операционные затраты делают компанию хронически убыточной.
Показатели компании
2020 – выручка 18,9 миллиона долларов, убыток 22 миллиона долларов
2021 – выручка 27,4 миллиона долларов, убыток 107 миллиона долларов
2022 – выручка 81 миллион долларов
2023 – убыток 138 миллионов долларов
В 2024 году была проведена масштабная оптимизация с сокращением штата, в 2025 году – еще одна. Но это не помогло. 2024 год – многомиллионный убыток, 2025 год – текущий убыток, по итогам года тоже будет много миллионный убыток.
Каждый год – традиционные обещания, что следующий год будет безубыточным. В 2024 году кредиторы рассматривали вопрос банкротства – но ликвидационная стоимость компании составила 180…200 миллионов долларов, что не могло покрыть всех долгов. Поэтому было решено подождать – вдруг случится чудо и Velo3D сможет расплатиться с долгами.
Тем более, что в продолжении деятельности Velo3D заинтересована аэрокосмическая отрасль США и «Департамент Войны», а банкротство в США не обязательно означает прекращение деятельности.
Заключение
Пример Velo3D поучителен.
Во-первых, тем, что показывает, чего можно достичь правильными техническими решениями.
Во-вторых, тем, что объясняет, почему у нас такого нет и никогда не будет. Компания создана в 2015 году, объем инвестиций превысил 200 миллионов долларов, объем долгов – не разглашается, но исчисляется сотнями миллионов долларов, накопленный убыток за 10 лет деятельности приближается к полмиллиарду долларов. А компания до сих пор работает, платит налоги и зарплату, акции торгуются на бирже.
У нас нет людей, который вкладывать полмиллиарда долларов в убыточное предприятие десятки лет подряд, у нас нет рынка сбыта для такого объема машин стоимостью от 2 миллионов долларов и больше…
На такие технологические прорывы есть деньги и воля десятилетиями покрывать убытки только в США и Китае….
Вводная статья по группу технологий:
Предыдущие статьи на тему селективного лазерного плавления