Selective Laser Melting (druk 3D SLM) – Kompletny przewodnik

Większość drukarek 3D do metalu wykorzystuje technologię selektywnego topienia laserowego, która polega na wykorzystaniu lasera do topienia sproszkowanego metalu. W rzeczywistości metoda ta stanowi ponad 80% rynku drukarek 3D do metalu, a dziesiątki producentów na całym świecie oferują maszyny w szerokim zakresie rozmiarów o różnych funkcjach.

Dominacja technologii SLM może nie być widoczna na pierwszy rzut oka, ponieważ w branży istnieje różna terminologia odnosząca się do tej samej technologii. Oprócz SLM istnieje między innymi bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS), bezpośrednie topienie laserowe metali (DMLM), laserowe stapianie metali (LMF), laserowe stapianie i laserowe stapianie proszkowe (LPBF). Ta różnorodność terminów nasuwa pytanie: Jaka jest między nimi różnica?

Możesz być zaskoczony, gdy dowiesz się, że nie ma żadnej różnicy.

Czym jest SLM?

Nieco ponad 20 lat temu Meiners i jego koledzy Kurt Wissenbach i Andres Gasser opracowali i opatentowali tę technologię podczas pracy w Instytucie Fraunhofera, największej niemieckiej organizacji badawczej zajmującej się naukami stosowanymi.

Według Meinersa, oficjalna nazwa tej technologii to laserowa fuzja w złożu proszkowym lub LPBF.

„Różne nazwy procesu LPBF wynikają z przyczyn historycznych” – mówi. „We wczesnych latach każdy dostawca maszyn stworzył własną nazwę dla tego samego procesu i zachował ją do dziś”. Wszystkie te inne terminy to po prostu nazwy marek dla ustandaryzowanej technologii zwanej laserową syntezą proszków.

Niemiecki producent drukarek 3D EOS ukuł termin „direct metal laser sintering” i używa go do dziś. Jest to nieco błędna nazwa, ponieważ proszek metalowy jest topiony, a nie spiekany, ale mogło to zostać utracone w tłumaczeniu. SLM, bardziej popularny termin, jest w rzeczywistości znakiem towarowym należącym do producenta drukarek SLM Solutions. Concept Laser, z drugiej strony, nazwał swój proces laserowym stapianiem, ale po przejęciu firmy przez GE Additive w 2016 roku, zmienili nazwę na direct metal laser melting (DMLM). Producent drukarek Trumpf lubi używać terminu laserowe stapianie metalu, podczas gdy 3D Systems stosuje bezpośrednie drukowanie metalu.

Chociaż w tytule tego artykułu użyliśmy najbardziej popularnego terminu, selective laser melting, w pozostałej części będziemy posługiwać się oficjalną nazwą używaną przez Meiners i organizację normalizacyjną ASTM: laser powder bed fusion.

Pomimo mylącej terminologii, LPBF jest jedną z najbardziej ekscytujących dostępnych obecnie technologii druku 3D. Jest ona wykorzystywana w wielu branżach do szybkiego prototypowania, produkcji specjalistycznych części o wysokiej wydajności oraz masowej produkcji z szerokiej gamy metali. Przyjrzyjmy się jej bliżej!

Jak działa LPBF?

Drukarki 3D LPBF wykorzystują lasery o dużej mocy do selektywnego topienia proszku metalowego. Stopione części łączą się ze sobą warstwa po warstwie na zasadzie molekularnej, aż do uzyskania jednorodnego modelu.

Operatorzy drukarek mogą używać „czystych” materiałów metalowych, choć stopy są również regularnie używane. Istnieją dziesiątki metali dostępnych w procesie LPBF, niektóre z najpopularniejszych materiałów obejmują:

• Aluminium
• Chrom kobaltowy
• Miedź
• Nikiel (Inconel)
• Stale nierdzewne i narzędziowe
• Tytan
• Metale szlachetne

W teorii LPBF – podobnie jak pokrewne i podobnie działające selektywne spiekanie laserowe (SLS) dla tworzyw sztucznych – jest technologią AM bez podpór. Upakowany proszek na platformie zapewnia wsparcie dla modelu podczas procesu drukowania.

Jednak ze względu na wysokie różnice temperatur między stopioną częścią a otaczającym ją proszkiem, mogą powstać naprężenia powodujące wypaczenia i odkształcenia. Podpory są zatem często potrzebne do odprowadzania ciepła z krytycznych obszarów i bezpiecznego mocowania części na platformie. Ogólna zasada mówi, że nawisy lub puste struktury nachylone pod kątem od 0 do 45 stopni powinny być podparte.

Drukarka wpycha proszek do komory, gdzie ostrze powlekające (przypominające wycieraczkę do szyb) lub wałek rozprowadza go w cienką warstwę na podłożu lub platformie.

Następnie laser o dużej mocy łączy dwuwymiarowy wycinek części poprzez selektywne topienie sproszkowanego materiału. Następnie platforma obniża się o wysokość jednej małej warstwy, a powlekarka rozprowadza kolejną warstwę świeżego proszku na powierzchni. Drukarka powtarza te kroki, aż do uzyskania gotowej części.

Niektóre drukarki są wyposażone w dwukierunkowe powlekarki, które mogą przesuwać proszek w obie strony, przyspieszając proces powlekania nawet o 40%. Innym sposobem, w jaki producenci drukarek LPBF przyspieszają drukowanie, jest zastosowanie większej mocy lub kilku laserów.

Mała, kompaktowa drukarka LPBF może mieć pojedynczy 30-watowy laser. W miarę jak maszyny stają się większe, mogą zacząć wykorzystywać mocniejsze lasery lub wiele laserów w jednym układzie. Na przykład AddUp FormUp 350 posiada cztery 500-watowe lasery, podczas gdy SLM Solutions NXG XII 600 wykorzystuje łącznie 12 laserów, każdy o mocy 1000 watów.

Zwiększenie mocy lub liczby laserów oznacza, że drukarka może skuteczniej topić proszek. Bezpośrednio przekłada się to na szybsze tempo produkcji i zwiększoną przepustowość, a także zazwyczaj wyższą cenę. Przykładowo, SLM Solutions twierdzi, że NXG XII 600 może zapewnić 20-krotnie szybsze tempo produkcji niż systemy z jednym laserem, do 1000 cm3/h.

W zależności od zastosowania, rozważając drukarkę 3D LPBF, należy zwrócić uwagę na poziom mocy lasera, średnicę wiązki laserowej, prędkość skanowania, możliwą grubość warstwy (od 20 do 120 μm), strategię skanowania, strategię chłodzenia części i inne cechy, które wyróżniają różne marki i różne modele w ramach marek.

Proces drukowania LPBF odbywa się w kontrolowanej atmosferze wewnątrz maszyny, co oznacza, że gaz obojętny (azot lub argon) wypełnia komorę roboczą.

Po wydrukowaniu części można ją wyjąć z maszyny po schłodzeniu. Chłodzenie dużych części może trwać wiele godzin, zanim możliwe będzie ich przenoszenie. Metalowy proszek, który nie został stopiony, jest następnie zbierany i ponownie wykorzystywany w kolejnych projektach LPBF. Wydrukowane części są początkowo mocowane do platformy, od której są zwykle oddzielane przez cięcie lub obróbkę skrawaniem.

Jeśli część wymagała podpór, należy je również usunąć. Ponieważ drukarki LPBF nie używają oddzielnych materiałów podporowych, może to być trudny i czasochłonny proces.

Wykończenie powierzchni stopionej części jest chropowate i, w zależności od wymagań, może wymagać post-processingu w celu uzyskania gładkiego i błyszczącego rezultatu. Stosunkowo powszechne jest również dalsze obrabianie części w celu uzyskania ściślejszych tolerancji i wykończenia drobnych elementów, powierzchni i otworów.

LPBF vs. tradycyjna produkcja

LPBF, jak każda technologia produkcji, ma swoje mocne i słabe strony. Zalety i wady produkcji modelu za pomocą LPBF obejmują:

ZALETY

• Duży zakres dostępnych metali
• Możliwość realizacji złożonych kształtów lub struktur wewnętrznych, w miarę możliwości bez podpór
• Skrócenie całkowitego czasu realizacji, ze względu na brak konieczności stosowania oprzyrządowania
• Konsolidacja części, umożliwiająca operatorom tworzenie wcześniej wieloskładnikowych części w ramach jednego wydruku
• Zmniejszona ilość odpadów dzięki produkcji addytywnej i odzyskiwaniu proszku
• Możliwość zmniejszenia zapasów magazynowych dzięki szybkiej produkcji na żądanie
• Możliwość masowej personalizacji części

WADY

• Brak dolnej granicy wejścia. Wszystkie drukarki 3D LPBF kosztują dziesiątki tysięcy dolarów.
• Koszt pojedynczej części może być znacznie wyższy w porównaniu do tradycyjnych metod produkcji.
• Części wymagają obróbki końcowej, takiej jak odpylanie, usuwanie podpór i szlifowanie powierzchni.
• Rozmiar ograniczony obecnie do jednego metra
• Lasery wymagają dużo energii

Jednym z najczęstszych pytań dotyczących druku 3D z metalu jest to, jak wytrzymałość i trwałość części drukowanych 3D przy użyciu LPBF wypada w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji metalu.

Nick Estock, menedżer produktu w AddUp, francuskim producencie drukarek 3D do metalu, wyjaśnia All3DP, że LPBF może wytwarzać części o właściwościach mechanicznych podobnych do tradycyjnej produkcji. Dodaje jednak, że istnieją pewne zastrzeżenia.

„Tradycyjna produkcja jest subtraktywna i zaczyna się od materiału bazowego o znanych właściwościach mechanicznych poprzez bardzo kontrolowane i dojrzałe procesy. W każdym procesie produkcji addytywnej, w tym LPBF, materiał jest tworzony jednocześnie z częścią. Proces jest zasadniczo inny i dlatego nie jest równoważny” – mówi Estock.

Donald Godfrey, globalny dyrektor ds. rozwoju biznesu w branży lotniczej i obronnej w SLM Solutions, zgadza się z tą opinią. Wyjaśnia on również, że proces SLM tworzy części, które mają mniejsze mikrostruktury niż odlewane elementy metalowe. Daje im to wyższe właściwości rozciągające, ale części odlewane są obecnie nadal mocniejsze.

„Zazwyczaj technologia LPBF jest wykorzystywana do zastępowania komponentów odlewanych. W wyjątkowych przypadkach drukowane komponenty mogą zastąpić odkuwki” – dodaje.

Kiedy zapytaliśmy Meinersa, czy wydruki powstałe w procesie LPBF są równoważne z tradycyjnymi procesami produkcyjnymi, odpowiedział, że to zależy.

„Właściwości części LPBF mogą osiągać lub nawet przewyższać właściwości tradycyjnie wytwarzanych części, ale zależy to od kilku warunków, takich jak materiał metalowy (stal, aluminium, tytan itp.), proces końcowy (obróbka cieplna, prasowanie izostatyczne na gorąco itp.), tradycyjny proces produkcyjny, z którym jest porównywany (odlewanie, kucie itp.) oraz specyficzne właściwości części (wytrzymałość przy obciążeniu statycznym, zmęczenie wysokocyklowe, pełzanie itp.)”.

Ostatecznie, nie ma ogólnej odpowiedzi, mówi Meiners. „W wielu przypadkach części LPBF uzyskują te same właściwości, ale nie jako ogólny standard”.

Rzućmy okiem na kilka przykładów części drukowanych LPBF 3D w akcji.

KTO DZIŚ KORZYSTA Z LPBF?

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) to zaawansowana technika wytwarzania addytywnego, która wykorzystuje potężny laser do selektywnego spiekania warstw proszku metalowego, tworząc trójwymiarowe obiekty. Ta metoda rewolucjonizuje różne branże, a jej wszechstronność sprawia, że znajduje zastosowanie w wielu dziedzinach ¹. Oto kilka konkretnych obszarów, w których LPBF jest obecnie stosowany:

1. Przemysł lotniczy: W tej dziedzinie LPBF doskonale sprawdza się w produkcji skomplikowanych łopatek turbin, co przyczynia się do zwiększenia efektywności paliwowej ².
2. Motoryzacja: Technologia LPBF pozwala na tworzenie lekkich struktur, które poprawiają efektywność paliwową pojazdów ².
3. Medycyna: W medycynie LPBF jest wykorzystywane do produkcji implantów dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjentów ².
4. Przemysł energetyczny: LPBF może być używane do wytwarzania części złożonych kształtów, które są trudne do uzyskania innymi metodami ².
5. Obróbka skrawaniem: Druk 3D z metalu pozwala na tworzenie wewnętrznych struktur kratowych oraz złożonych kanałów, których nie da się uzyskać tradycyjnymi metodami obróbki ¹.

Warto podkreślić, że LPBF umożliwia produkcję wysokoprecyzyjnych części przy minimalnym marnotrawstwie materiału, co przekłada się na korzyści takie jak redukcja wagi i zoptymalizowane łańcuchy dostaw. Dzięki temu stanowi ona ważny element w przyszłości produkcji metalowych komponentów. Przyjrzyjmy się teraz bliżej kilku konkretnym zastosowaniom tej technologii w praktyce!

Lotnictwo i kosmonautyka: Podwozie

Safran Landing Systems i SLM Solutions współpracowały nad ulepszeniem wcześniej kutej części podwozia dla prywatnych odrzutowców.

Element podwozia, o wymiarach 455 x 295 x 805 mm, jest pierwszą na świecie drukowaną częścią LPBF (Laser Powder Bed Fusion) tego rozmiaru. Został on wyprodukowany z tytanu i stanowi kluczowy element systemu przenoszenia obciążeń z koła na konstrukcję samolotu. Wybór materiału zapewnia części silne właściwości mechaniczne oraz odporność na korozję bez konieczności stosowania dodatkowych powłok.

Część została wydrukowana przy użyciu czterolaserowej maszyny SLM 800. Dzięki technologii LPBF, wydrukowany element jest nie tylko o 15% lżejszy od tradycyjnie kutego odpowiednika, ale także skrócił czas realizacji zamówienia.

Gerhard Bierleutgeb, wiceprezes ds. globalnych usług i rozwiązań w SLM Solutions, podkreśla, że produkcja addytywna przyczynia się do oszczędności czasu w fazach kwalifikacji i certyfikacji, umożliwiając szybkie dostarczanie części do testów. W tym przypadku główny łącznik został wyprodukowany w ciągu kilku dni, w porównaniu do kilku miesięcy w tradycyjnym procesie kucia .

Motoryzacja: Narzędzia

Laser Powder Bed Fusion (LPBF) może w wielu przypadkach zastąpić tradycyjne metody produkcji, ale równie dobrze mogą one ze sobą współpracować. W przemyśle produkcji części samochodowych, tradycyjne metody nie są już wykorzystywane do tworzenia segmentów narzędzi do formowania na gorąco. Audi całkowicie zastąpiło je alternatywami drukowanymi w 3D.

„Ilekroć konwencjonalne metody produkcji osiągają swój limit, stosujemy produkcję addytywną – co pozwala nam spełniać standardy jakości i dotrzymywać terminów produkcji” – powiedział kierownik projektu Audi Metal 3D Printing Center, Matthias Herker.

Audi wykorzystuje drukarkę EOS M 400 do produkcji segmentów formowanych na gorąco oraz wysokociśnieniowych wkładek narzędziowych do odlewania ciśnieniowego. Poszczególne segmenty mogą mieć długość do 400 mm i ważyć nawet do 120 kg.

Dzięki technologii druku 3D LPBF, Audi może tworzyć zoptymalizowane topologicznie, wysoce złożone kanały chłodzące, które są precyzyjnie dostosowane do potrzeb określonych komponentów. W rezultacie producent samochodów klasy premium był w stanie skrócić czas cyklu produkcji i uzyskać bardziej równomierne chłodzenie, co znacząco poprawia jakość części

Medycyna: Implanty tytanowe

Urządzenia do fuzji międzytrzonowej odcinka lędźwiowego – lub klatki kręgosłupa – są szeroko stosowane w leczeniu pacjentów cierpiących na schorzenia kręgosłupa, takie jak choroba zwyrodnieniowa dysku. GE Additive produkuje opcję wytwarzaną addytywnie z proszku tytanowego przy użyciu druku LPBF. Firma twierdzi, że te nowe klatki kręgosłupa oferują kilka korzyści w porównaniu z wersjami obrabianymi maszynowo. Ze względu na większą swobodę projektowania w produkcji addytywnej, klatki kręgosłupa mogą być lżejsze, z większymi oknami i strukturami kratowymi. Nie tylko obniża to koszty produkcji, ale sprawia, że klatki są bardziej skuteczne, ponieważ lekarze mogą wszczepiać do nich dodatkowe przeszczepy kostne. Możliwe jest również tworzenie niestandardowych porowatych struktur, które naśladują ludzką kość, co może dodatkowo promować tworzenie kości. Nowe klatki nie wymagają żadnych powłok, co całkowicie eliminuje ryzyko rozwarstwienia. Są one również wykonane z tytanu, który jest biokompatybilny i zmniejsza migrację klatki oraz degradację kości.

Energia: Blok dystrybucji pary

Orano, francuska międzynarodowa firma zajmująca się jądrowym cyklem paliwowym, zmagała się z długimi czasami realizacji i wysokimi kosztami przestarzałych części zamiennych. Na początku 2021 r. firma nawiązała współpracę z AddUp w celu oceny technicznej i ekonomicznej wykonalności LPBF dla swojej działalności.

Korzystając z drukarki FormUp 350, Orano i AddUp stworzyły kilka kopii drukowanego w 3D mostu do przenoszenia materiałów i bloku dystrybucji pary, który ma szczególnie długi czas realizacji w przypadku produkcji tradycyjnymi metodami. Części miały identyczną konstrukcję i właściwości mechaniczne jak oryginały.

Dzięki zastosowaniu drobnego proszku ze stali nierdzewnej, wydrukowane w 3D części charakteryzowały się wysoką dokładnością geometryczną i wykończeniem powierzchni, szczególnie w kanałach wewnętrznych. Dodatkowo, kosztem trzech części obrabianych maszynowo, firma Orano była w stanie wydrukować 16 komponentów wytwarzanych addytywnie.

„Rezultat jest nieoczekiwany: ten sam projekt o złożonej geometrii, te same właściwości mechaniczne, a przede wszystkim 50% redukcja kosztów produkcji w porównaniu do obróbki skrawaniem. Dzięki produkcji addytywnej Orano ma teraz dodatkowy, zwinny, niezawodny i ekonomiczny łańcuch dostaw części zamiennych” – mówi Ana-Paula Serond, kierownik ds. innowacji w Orano.

Żródło: https://all3dp.com