Что такое селективное лазерное плавление (SLM)?

Селективное лазерное плавление (SLM) — это технология аддитивного производства, которая начинается с металлического порошка и использует мощный лазер для селективного плавления и послойного сплавления частиц порошка, в результате чего получаются высокоплотные, полностью функциональные трехмерные металлические детали.

Технология селективного лазерного плавления — одна из самых передовых технологий 3D-печати металлом, доступных сегодня. Она была разработана и запатентована в начале 1990-х годов, опираясь на более ранние разработки. Селективное лазерное спекание Технология. В этой статье мы объясним, что такое SLM 3D-печать, для каких материалов она подходит и каковы ее области применения.

Обзор селективного лазерного плавления

Селективное лазерное плавление (SLM) — это метод 3D-печати металлических деталей. Он использует порошки отдельных металлов или смеси металлов для непосредственного изготовления деталей с металлургической связью, плотностью, близкой к 100%, высокой точностью размеров и хорошей шероховатостью поверхности. После простой постобработки детали можно использовать сразу.

Технология селективного лазерного плавления (SLM) использует лазер высокой плотности энергии для послойного селективного расплавления металлического порошка в соответствии с заданными контурными данными. После быстрого затвердевания образуются металлические детали с металлургической связью.

Традиционные методы изготовления металлических деталей включают литье, ковку, сварку и обработку на станках с ЧПУ. Эти методы имеют длительные технологические циклы и высокие затраты, а также не подходят для мелкосерийного производства сложных деталей. 3D-печать методом селективного лазерного спекания (SLM) позволяет напрямую и быстро изготавливать металлические детали со сложной структурой.

Процесс селективного лазерного плавления

Процесс селективного лазерного плавления можно кратко описать следующими этапами:

1. Разбейте и дискретизируйте трехмерную CAD-модель и спланируйте траекторию сканирования, чтобы получить информацию о пути, необходимую для управления лазерным лучом.
2. Компьютер послойно загружает информацию о траектории. Сканирующий гальванометр управляет лазерным лучом для избирательного расплавления металлического порошка. Порошок в областях, не облученных лазером, остается рыхлым.
3. После обработки одного слоя порошковый цилиндр поднимается, формовочный цилиндр опускается на толщину слоя, а горизонтальный скребок распределяет порошок по формовочной платформе.
4. Лазер расплавляет только что нанесенный порошок, который сплавляется с затвердевшим металлом предыдущего слоя. Этот процесс повторяется до завершения формования, в результате чего получается металлическая деталь, идентичная трехмерной твердотельной модели.

Преимущества селективной лазерной плавки

Метод селективного лазерного плавления обладает следующими преимуществами:

(1) Широкий спектр формовочных материалов: Теоретически, любой металлический порошок может быть расплавлен высокоэнергетическим лазерным лучом. Если металлический материал подготовлен в виде качественного металлического порошка, селективное лазерное плавление позволяет напрямую формировать функциональные металлические детали. Помимо обычных нержавеющих сталей, алюминиевых сплавов, титановых сплавов и высокотемпературных сплавов, сообщалось также о SLM-формовке вольфрамовых и танталовых сплавов.

(2) Не зависит от сложности детали: Традиционное производство сложных металлических деталей требует множества процессов. В отличие от этого, селективное лазерное плавление напрямую формирует готовую деталь из металлического порошка за один этап. Оно не зависит от сложности детали. Это упрощает процесс производства сложных металлических деталей, сокращает время производства и повышает эффективность производства.

(3) Высокий коэффициент использования материала: Традиционная обработка металлических деталей в основном приводит к удалению избыточного материала из заготовки. При использовании технологии SLM расход материала практически равен расходуемой детали. Неиспользованный порошок может быть использован повторно, что позволяет достичь коэффициента использования материала более 90%.

(4) Превосходное общее качество деталей: Селективное лазерное плавление использует небольшое лазерное пятно с высокой плотностью энергии, а металлический порошок имеет очень малый размер частиц. Сформированные детали обладают высокой точностью размеров и хорошей шероховатостью поверхности. Внутренняя структура деталей, напечатанных методом селективного лазерного плавления, формируется в условиях быстрого плавления и затвердевания. Микроструктура часто обладает преимуществами малого размера зерен, мелкозернистой структуры и дисперсных упрочняющих фаз. Относительная плотность может достигать почти 100%, что обеспечивает деталям превосходные комплексные механические свойства. В большинстве случаев их механические характеристики превосходят характеристики литых изделий и могут достигать уровня кованых.

По сравнению с другими методами 3D-печати, селективное лазерное плавление имеет следующие недостатки:

1. Дорогостоящее оборудование для 3D-печати: мощные лазеры стоят дорого, подвижные компоненты требуют высокой точности управления, а оборудование должно быть герметичным. Эти факторы делают оборудование для SLM-печати, как правило, очень дорогим. SLM-машина, оснащенная волоконным лазером мощностью 500 Вт и имеющая размер формования 100 мм, стоит около 1 миллиона юаней, в то время как крупноформатное SLM-оборудование с несколькими лазерами стоит десятки миллионов юаней.
2. Низкие показатели усталостной прочности и другие механические свойства: Хотя селективное лазерное плавление (SLM) позволяет напрямую формировать сложные металлические детали, отвечающие требованиям к механическим характеристикам, а традиционные механические свойства могут достигать или превосходить показатели ковки, селективное лазерное плавление все еще находится на ранних стадиях исследований. Оно не может устранить внутренние пустоты, анизотропию и проблемы, связанные с микроструктурой литых изделий. В результате долговременные механические свойства (такие как усталость, износостойкость и ползучесть) материалов, полученных методом SLM, остаются нестабильными.

Распространенные материалы для 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLM).

Качество металлического порошка напрямую определяет конечное качество деталей, напечатанных методом селективного лазерного плавления (SLM). Подготовка металлического порошка — одна из важнейших технологических задач. При селективном лазерном плавлении обычно используется сферический металлический порошок диаметром 10–53 мкм. Для сравнения, диаметр человеческого волоса обычно составляет 40–70 мкм. В настоящее время наиболее часто используемые металлические порошки включают сплавы на основе железа, меди, алюминия и титана.

Стальные сплавы

Материалы на основе железа — это то, что обычно называют сталью. Они широко используются в повседневной жизни. Традиционно их изготавливают методом литья под давлением, ковки, сварки и т. д. CNC-обработкаИх главные характеристики — хорошие механические свойства, хорошая технологичность и низкая стоимость материала. Порошки на основе железа для 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLM) получают из традиционных материалов на основе железа химическими методами, включая нержавеющую сталь 304L, нержавеющую сталь 316L, инструментальную сталь H13, инструментальную сталь 18Ni300 и др. Порошковые материалы на основе железа относительно недороги, а их механические свойства близки к свойствам исходных материалов.

Титановые сплавы

Титановые сплавы обладают такими преимуществами, как высокая термостойкость, высокая коррозионная стойкость, высокая прочность, низкая плотность и хорошая биосовместимость. Они широко используются в аэрокосмической и медицинской промышленности. Традиционно их формируют методом ковки. Среди металлов, используемых для восстановления твердых тканей человека, модуль упругости титана близок к модулю упругости твердых тканей человека (80–110 ГПа), что позволяет уменьшить механическое несоответствие между металлическими имплантатами и костной тканью. В настоящее время к титановым сплавам, формируемым методом SLM 3D-печати, относятся TA2, TA15, TC2, TC4, TB6 и др. Среди них TC4 (Ti6Al4V) является наиболее широко используемым титановым сплавом. В медицине он в основном используется для имплантатов и зубов человека. В аэрокосмической отрасли он в основном применяется для решения проблем снижения веса деталей.

Никелевые сплавы

Сплавы на основе никеля — это тип высокотемпературных сплавов, содержащих большое количество Ni, Nb, Mo, Ti и других элементов. Обычно они используются при температурах выше 540 °C и могут длительное время эксплуатироваться при температурах выше 650 °C. Они широко применяются в аэрокосмической отрасли, двигателях и ядерных реакторах. Высокотемпературные сплавы на основе никеля имеют сложный химический состав, серьезную сегрегацию при плавке и плохую обрабатываемость. В настоящее время к сплавам на основе никеля, используемым в 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLM), относятся Inconel 625, Inconel 718, GH4169 и др.

Алюминиевые сплавы

Алюминиевые сплавы обладают такими характеристиками, как низкая плотность, высокая удельная прочность, высокая коррозионная стойкость и хорошая обрабатываемость. Они широко используются в аэрокосмической, автомобильной и других отраслях промышленности и являются одними из наиболее часто используемых цветных металлов. 3D-печать алюминиевых сплавов методом селективного лазерного спекания (SLM) относительно сложна, главным образом из-за плохой текучести порошка, высокой отражательной способности и теплопроводности алюминия, а также склонности к образованию оксидных пленок, что значительно снижает качество формования. Алюминиевые сплавы серии Al-Si-Mg больше подходят для 3D-печати методом SLM. В настоящее время наиболее широко используемым в промышленности является сплав AlSi10Mg.

Таблица характеристик материалов и параметров 3D-печати методом SLM.

Требования к материалам для 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLM).

Хотя теоретически любой металлический материал может быть превращен в порошок и сформирован с помощью SLM-3D-печати, SLM-3D-печать предъявляет строгие требования к составу, морфологии, размеру частиц и другим свойствам порошкового материала. Основные параметры, которые необходимо проверить для SLM-металлического порошка, включают распределение частиц по размерам, форму/морфологию, удельную площадь поверхности, кажущуюся плотность, насыпную плотность, текучесть, содержание кислорода/азота/водорода/углерода/серы и т. д. Среди них пятью ключевыми показателями являются химический состав, распределение частиц по размерам, кажущаяся плотность, текучесть и насыпная плотность.

Химический состав

Исследования показывают, что сплавы легче поддаются формовке методом SLM-3D-печати, чем чистые металлы, главным образом потому, что определенные легирующие элементы улучшают смачиваемость или стойкость к окислению расплавленной ванны и предотвращают такие дефекты, как растрескивание. Химический состав исходных материалов часто необходимо перепроектировать для соответствия требованиям SLM. Это одна из причин, почему в настоящее время для SLM-3D-печати доступно относительно немного материалов. Кроме того, некоторые легирующие элементы выгорают в процессе SLM-3D-печати, что приводит к различиям в химическом составе до и после печати. ​​Поэтому химический состав порошка необходимо повторно проверять для обеспечения окончательных механических свойств.

Распределение частиц по размерам

Распределение частиц по размерам относится к общему распределению диаметров отдельных частиц порошка. Мелкие частицы, как правило, разбрызгиваются во время печати, тогда как слишком крупные частицы приводят к низкой плотности конечного изделия. Распределение частиц по размерам обычно классифицируется с помощью стандартного просеивания. Экспериментальные исследования показывают, что оптимальный размер частиц для металлического порошка, полученного методом селективного лазерного спекания (SLM), составляет 15–53 мкм.

Кажущаяся плотность

Кажущаяся плотность — это насыпная плотность, измеренная при свободном заполнении порошком стандартного контейнера в заданных условиях. Это масса на единицу объема, когда порошок находится в рыхлом состоянии. Она является комплексным отражением множества свойств порошка, включая плотность, форму частиц, состояние поверхности, размер частиц и распределение частиц по размерам. Она оказывает важное влияние на стабильность производственного процесса и контроль качества продукции. Как правило, чем правильнее форма частиц, чем гладче поверхность и чем плотнее частицы, тем выше кажущаяся плотность. Более высокая кажущаяся плотность помогает в настройке и оптимизации процесса аддитивного производства и гарантирует, что плотность конечного продукта соответствует требованиям.

текучесть

Сыпучесть выражается как время, необходимое для прохождения определенного количества порошка через стандартную воронку с заданным отверстием, обычно в единицах с/50 г. Чем меньше значение, тем лучше сыпучесть. Это показатель технологических характеристик порошка. Сыпучесть порошка зависит от многих факторов, таких как размер частиц, форма, шероховатость и удельная площадь поверхности. Сферические частицы, как правило, обладают наилучшей сыпучестью, в то время как частицы неправильной формы, малого размера и шероховатой поверхности приводят к плохой сыпучести. Кроме того, на сыпучесть порошка влияет межчастичная адгезия. Адсорбция влаги и газов на поверхности частиц снижает сыпучесть.

Плотность плотности

Насыпная плотность — это плотность порошка, достигаемая после механической вибрации в контейнере для получения более идеального состояния упаковки. По сравнению с кажущейся плотностью, она является комплексным отражением множества физических и технологических свойств порошка, таких как распределение частиц по размерам, форма частиц, шероховатость поверхности и удельная площадь поверхности. Как правило, чем выше насыпная плотность, тем лучше текучесть порошка.

Перед покупкой и выбором металлического порошка необходимо связаться с производителем, чтобы получить основные параметры порошкового материала и определить, соответствует ли он требованиям к конструкции детали. Например, на рисунке ниже показаны параметры порошка инструментальной стали 18Ni300, предоставленные производителем. Соответствующие параметры приобретаемого порошка необходимо перепроверить, а многократно используемый металлический порошок также требует регулярного тестирования, чтобы гарантировать соответствие сырья требованиям SLM-формования.

Применение SLM 3D-печати

Технология селективного лазерного плавления (SLM) позволила осуществить переход от разработки прототипов к серийному производству во многих отраслях промышленности, создав множество применений, недоступных традиционным производственным процессам. От аэрокосмической отрасли до здравоохранения, от автомобилестроения до энергетического оборудования, технология SLM меняет подход к проектированию и производству продукции. Ниже приведены некоторые типичные примеры применения технологии SLM в различных отраслях.

Аэрокосмическая индустрия

Топливная форсунка в авиационных двигателях — это классический пример применения технологии SLM-3D-печати. ​​Традиционное производство требует обработки множества деталей, а затем их сборки и сварки. SLM-3D-печать позволяет создавать цельную форсунку со сложными внутренними каналами потока, что не только снижает вес, но и повышает надежность и срок службы. После того, как компания GE Aviation применила технологию SLM для производства топливных форсунок для двигателя LEAP, количество деталей сократилось с 20 до 1, вес уменьшился на 25%, а срок службы увеличился в 5 раз.

Снижение веса конструктивных элементов самолетов — еще одно важное применение технологии SLM 3D-печати в авиации. Благодаря оптимизации топологии и проектированию решетчатой ​​структуры, SLM 3D-печать позволяет производить авиационные конструктивные элементы со значительно уменьшенным весом, при этом сохраняя соответствие требованиям к механическим характеристикам. Например, кронштейны из титанового сплава на самолете Airbus A350XWB, изготовленные с использованием SLM 3D-печати, позволили снизить вес более чем на 30%, полностью соответствуя требованиям к механическим характеристикам. Это снижение веса напрямую приводит к повышению топливной эффективности и сокращению выбросов углекислого газа, что имеет большое значение для экономической эффективности авиакомпаний и экологической устойчивости.

Основные требования к технологии SLM-3D-печати в аэрокосмической отрасли — это сертификация и стандартизация. Ввиду важности безопасности полетов, детали, напечатанные методом SLM, должны пройти строгую сертификацию качества и испытания на эксплуатационные характеристики. В настоящее время Международная организация по стандартизации (ISO) и Американское общество по испытанию материалов (ASTM) выпустили ряд технических стандартов для аддитивного производства металлов, предоставляющих спецификации для отрасли.

Медицина и здравоохранение

Создание пористых структур является важной особенностью SLM-3D-печати в медицинских приложениях. Путем проектирования специфических пористых структур и морфологии поверхности можно регулировать модуль упругости имплантатов (во избежание экранирования напряжений) и стимулировать врастание костной ткани. Исследования показывают, что пористые структуры из сплава Ti6Al4V, напечатанные методом SLM, могут достигать пористости 70-80%, при этом модуль упругости регулируется до уровней, близких к естественной кости (около 10-30 ГПа), сохраняя при этом достаточную прочность. Исследовательская группа Южно-Китайского технологического университета успешно разработала и непосредственно изготовила персонализированные имплантаты с помощью SLM-3D-печати, предоставив новые решения для сложных ортопедических операций.

Стоматологические применения — еще одно важное направление 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLM) в медицине. С помощью SLM-печати можно изготавливать коронки, мосты и каркасы зубных протезов из кобальто-хромового и титанового сплавов. Они обеспечивают высокую точность и значительно повышают эффективность производства. По сравнению с традиционными процессами литья, зубные протезы, изготовленные методом SLM, обладают более высокой точностью, позволяют избежать проблем, связанных с усадкой и деформацией при литье, и обеспечивают лучшие характеристики материала. Цифровая стоматологическая технология (сканирование полости рта — CAD-проектирование — SLM-производство) меняет индустрию стоматологических протезов, значительно сокращая циклы лечения и повышая качество реставраций.

Производство хирургических инструментов и медицинского оборудования с использованием SLM-3D-печати также становится все более популярным. SLM-3D-печать позволяет создавать сложные инструменты, которые трудно изготовить традиционными методами, такие как хирургические направляющие с внутренними каналами и персонализированные анатомические модели. Эти приложения в полной мере используют преимущества свободы проектирования и быстрого формования, предоставляя мощные инструменты для прецизионной медицины. Согласно исследовательскому отчету Guoxin Securities, ожидается, что к 2024 году мировой рынок 3D-печати в медицинской сфере составит 13.7% от всех приложений 3D-печати, демонстрируя огромный потенциал роста.

В медицинской сфере основными требованиями являются биосовместимость и стерилизация. Имплантационные материалы должны соответствовать стандартам биосовместимости, таким как ISO 10993, и предъявляются строгие требования к состоянию поверхности и чистоте. Кроме того, хотя пористые структуры способствуют интеграции с костной тканью, они также затрудняют очистку и стерилизацию.

Автомобили и транспорт

Гоночные и высокопроизводительные автомобильные компоненты являются эталонными примерами применения SLM-3D-печати в автомобильной промышленности. Стремление к максимальной производительности в автоспорте создает высокий спрос на облегченные конструкции и сложные элементы с относительно низкой чувствительностью к стоимости. Облегченные компоненты подвески, оптимизированные по топологии элементы шасси и тормозные системы со встроенными каналами охлаждения, изготовленные методом SLM, уже применяются в таких престижных соревнованиях, как Формула-1 и Ле-Ман. Например, кронштейны подвески из титанового сплава, изготовленные методом SLM, позволяют снизить вес, сохраняя при этом необходимую прочность и жесткость, что способствует улучшению гоночных характеристик.

В мелкосерийном производстве функциональных деталей для автомобилей все чаще используется технология SLM 3D-печати. ​​Персонализированные компоненты для автомобилей класса люкс и спортивных автомобилей, а также специальные компоненты для моделей ограниченного выпуска, которые традиционно требовали сложных пресс-форм и высоких затрат на мелкосерийное производство, теперь могут быть экономично изготовлены с помощью SLM 3D-печати. ​​Производители автомобилей премиум-класса, такие как Porsche, используют SLM 3D-печать для производства дефицитных запасных частей для классических моделей, решая проблемы технического обслуживания старых автомобилей, с которыми традиционные цепочки поставок с трудом справляются.

Производство автомобильной оснастки и приспособлений — еще одно важное применение технологии SLM 3D-печати в автомобильной промышленности. Приспособления и измерительные приборы, используемые на автомобильных производственных линиях, традиционно изготавливаются механической обработкой, что сопряжено с длительными циклами и высокими затратами. Технология SLM 3D-печати позволяет быстро изготавливать легкие, функционально интегрированные инструменты и приспособления, значительно сокращая время подготовки производственной линии. Такие компании, как Ford, уже применяют эту технологию. Приспособления, изготовленные методом SLM-печати. на производственных линиях и обеспечили хорошую экономическую выгоду.

Энергия

Главная проблема SLM-3D-печати в энергетической отрасли — обеспечение долгосрочной надежности в экстремальных условиях. Энергетическое оборудование, как правило, должно работать десятилетиями при высоких температурах, высоком давлении, коррозионных средах или радиационном облучении.

Компоненты газовых турбин, такие как камеры сгорания, сопла и теплообменники, должны работать при высоких температурах и высоком давлении. Традиционное производство сталкивается со многими проблемами. Технология SLM-3D-печати позволяет изготавливать компоненты турбин со сложными внутренними каналами охлаждения, значительно повышая эффективность охлаждения и срок службы компонентов. Такие компании, как Siemens, уже внедрили в практическое применение камеры сгорания газовых турбин, изготовленные методом SLM, повысив эффективность и одновременно сократив выбросы.

Нефтегазовая отрасль также постепенно внедряет технологию SLM 3D-печати для производства специальных коррозионностойких и высоконапорных компонентов. Технология SLM 3D-печати позволяет изготавливать детали из коррозионностойких сплавов, которые трудно обрабатывать традиционными методами, например, клапаны и корпуса насосов из сплава Inconel 625. Эти детали должны надежно работать в течение длительного времени в чрезвычайно агрессивных средах, содержащих сероводород.

Интерес к SLM-3D-печати растет и в атомной энергетике. Некоторые специальные компоненты ядерных реакторов, такие как опоры топливных элементов и корпуса датчиков, требуют высокоточной обработки радиационно-стойких материалов, таких как сплавы циркония. SLM-3D-печать открывает новые возможности. Кроме того, дефицитные запасные части для технического обслуживания атомных электростанций могут быть быстро изготовлены с использованием технологии SLM, что сокращает время простоя.

Потребительская электроника:

Стремление индустрии потребительской электроники к точности, снижению веса и функциональной интеграции сделало её перспективной областью применения 3D-печати методом селективного лазерного спекания (SLM). Согласно отчёту Guoxin Securities, в 2024 году на потребительскую электронику приходилось 14% мирового рынка 3D-печати, что сопоставимо с показателями медицинской и автомобильной отраслей. Шарнир складного экрана телефона является типичным примером в сфере потребительской электроники. Например, шарнир «Sky Dome» смартфона OPPO Find N5 был изготовлен компанией BLT с использованием 3D-печати металлом, что позволило добиться более высокой степени интеграции и заметного снижения веса. Apple также изучает возможность использования технологии 3D-печати для компонентов Apple Watch и будущих складных устройств.

Производство высококачественных часов — еще одна нишевая, но высокодоходная область применения 3D-печати методом SLM. К часам предъявляются высокие требования к изысканному внешнему виду и сложным внутренним структурам, что хорошо сочетается с их преимуществами. 3D-печать методом SLM позволяет создавать сложные корпуса и браслеты часов, которые трудно получить традиционными методами обработки, одновременно обеспечивая снижение веса. Некоторые бренды часов премиум-класса выпустили лимитированные серии моделей, изготовленных с помощью 3D-печати методом SLM, демонстрируя слияние технологий и искусства.

Допуски и возможности

В Getzshape мы индивидуальные услуги 3D-печати Мы используем четыре основные технологии: SLA, SLS, SLM и FDM. Допуски и возможности нашей 3D-печати методом SLM указаны ниже.