Selektywne topienie laserowe

Schemat selektywnego topienia laserowego i wymiany ciepła w roztopionym jeziorze

Selektywne stapianie laserowe ( SLM ) to jedna z wielu zastrzeżonych nazw technologii wytwarzania dodatków do metalu (AM), która wykorzystuje złoże proszku ze źródłem ciepła do tworzenia części metalowych. Znane również jako bezpośrednie spiekanie laserowe metali ( DMLS ), standardowym terminem ASTM jest stapianie w złożu proszkowym ( PBF ). PBF to technika szybkiego prototypowania, drukowania 3D lub wytwarzania addytywnego , zaprojektowana w celu wykorzystania lasera o dużej gęstości mocy do topienia i łączenia proszków metali.

Historia

Selektywne stapianie laserowe jest jedną z wielu zastrzeżonych technologii stapiania złoża proszkowego, zapoczątkowaną w 1995 roku w Instytucie Fraunhofera ILT w Aachen w Niemczech niemieckim projektem badawczym, którego efektem jest tzw. podstawowy patent ILT SLM. Już podczas jego pionierskiej fazy dr Dieter Schwarze i dr Matthias Fockele z firmy F&S Stereolithographietechnik GmbH z siedzibą w Paderborn współpracowali z badaczami ILT, dr. Wilhelmem Meinersem i dr. Konradem Wissenbachem. Na początku 2000 roku firma F&S nawiązała współpracę handlową z firmą MCP HEK GmbH (później nazwaną MTT Technology GmbH, a następnie SLM Solutions GmbH) z siedzibą w Lubeka w północnych Niemczech. Dzisiaj [ kiedy? ] Dr Dieter Schwarze jest z SLM Solutions GmbH, a dr Matthias Fockele założył Realer GmbH. [ potrzebne źródło ]

ASTM International F42 zgrupował selektywne stapianie laserowe w kategorii „spiekania laserowego”, chociaż jest to uznane błędne określenie, ponieważ proces ten całkowicie topi metal w stałą, jednorodną, ​​w pełni gęstą masę, w przeciwieństwie do selektywnego spiekania laserowego (SLS), które jest prawdziwy proces spiekania . Inną nazwą selektywnego topienia laserowego jest bezpośrednie spiekanie laserowe metali (DMLS), nazwa zdeponowana przez markę EOS, jednak myląca co do rzeczywistego procesu, ponieważ część jest topiona podczas produkcji, a nie spiekana, co oznacza, że ​​część jest w pełni zwarta. Proces ten jest we wszystkich punktach bardzo podobny do innych procesów SLM i często jest uważany za proces SLM. Wśród firm produkujących maszyny z technologią SLM znajdziemy rozwiązania SLM, właściciel marki SLM, EOS, Renishaw, DMG Mori, Concept laser, TRUMPF, Sisma, 3D Systems, 3D4MEC.

Podobnym procesem jest topienie wiązką elektronów (EBM), w którym jako źródło energii wykorzystuje się wiązkę elektronów.

Proces

Selektywne stapianie laserowe umożliwia obróbkę różnych stopów, dzięki czemu prototypy mogą być funkcjonalnym sprzętem wykonanym z tego samego materiału, co komponenty produkcyjne. Ponieważ komponenty są budowane warstwa po warstwie, możliwe jest projektowanie złożonych geometrii o dowolnym kształcie, cech wewnętrznych i trudnych przejść wewnętrznych, których nie można by wyprodukować przy użyciu konwencjonalnych technik produkcyjnych, takich jak odlewanie lub inna obróbka. SLM produkuje w pełni gęste, trwałe części metalowe, które sprawdzają się zarówno jako funkcjonalne prototypy, jak i części do produkcji końcowej.

Proces rozpoczyna się od pocięcia danych z pliku 3D CAD na warstwy, zwykle o grubości od 20 do 100 mikrometrów, tworząc przekrój 2D każdej warstwy; ten format pliku jest standardowym w branży .stl używanym w większości warstwowych technologii drukowania 3D lub stereolitografii . Ten plik jest następnie ładowany do pakietu oprogramowania do przygotowywania plików, który przypisuje parametry, wartości i fizyczne podpory, które umożliwiają interpretację i tworzenie pliku przez różne typy maszyn do wytwarzania addytywnego. [ potrzebne źródło ]

W przypadku selektywnego topienia laserowego cienkie warstwy rozpylonego proszku metalicznego są równomiernie rozprowadzane za pomocą mechanizmu ponownego powlekania na płycie podłoża, zwykle metalowej, która jest przymocowana do platformy indeksującej, która porusza się w osi pionowej (Z). Odbywa się to w komorze zawierającej ściśle kontrolowaną atmosferę gazu obojętnego , argonu lub azotu przy poziomach tlenu poniżej 1000 części na milion. Po rozłożeniu każdej warstwy każdy wycinek 2D geometrii części jest stapiany przez selektywne topienie proszku. Osiąga się to za pomocą wiązki laserowej o dużej mocy, zwykle lasera światłowodowego iterbowego z setkami watów. Wiązka laserowa jest kierowana w kierunkach X i Y za pomocą dwóch zwierciadeł skanujących o wysokiej częstotliwości i pozostaje skupiona wzdłuż warstwy z wykorzystaniem układu soczewek F-Theta. Energia lasera jest wystarczająco intensywna i skupiona, aby umożliwić całkowite stopienie (fuzję) cząstek i utworzenie stałej struktury. Proces jest powtarzany warstwa po warstwie, aż część zostanie ukończona.

laser światłowodowy Yb o dużej mocy i standardowej mocy lasera w zakresie od 100 do 1000 W. Wewnątrz obszaru komory roboczej znajduje się platforma do dozowania materiału oraz platforma robocza wraz z systemem ponownego powlekania (ostrza lub wałka) służącym do równomiernego rozprowadzania nowego proszku na platformie roboczej. . Części są budowane addytywnie warstwa po warstwie, zwykle przy użyciu warstw o ​​grubości 30-60 mikrometrów.

Materiały

Maszyny do selektywnego topienia laserowego (SLM) mogą pracować z przestrzenią roboczą do 1 m (39,37 cala) w osiach X, Y i Z. Niektóre z materiałów używanych w tym procesie mogą obejmować nadstopy na bazie niklu, miedź, aluminium, stal nierdzewną , stal narzędziowa, chrom kobaltowy, tytan i wolfram. SLM jest szczególnie przydatny do produkcji części wolframowych ze względu na wysoką temperaturę topnienia i wysoką temperaturę przejścia tego metalu w ciągliwość-kruchość. Aby materiał mógł być wykorzystany w procesie musi istnieć w formie zatomizowanej (sproszkowanej). Te proszki są na ogół prestopami atomizowanymi gazem, co jest najbardziej ekonomicznym sposobem otrzymywania kulistych proszków na skalę przemysłową. Kulistość jest pożądana, ponieważ gwarantuje wysoką sypkość i gęstość upakowania, co przekłada się na szybkie i powtarzalne rozprowadzanie warstw proszku. Aby jeszcze bardziej zoptymalizować sypkość, zwykle stosuje się wąskie rozkłady wielkości ziaren z niskim procentem drobnych cząstek, takich jak 15-45 µm lub 20-63 µm. Obecnie dostępne stopy stosowane w procesie to AISI 316L, AISI 304, C67, F53, H13, 17-4 PH i 15-5 stal nierdzewna , stal maraging , chrom kobaltowy , inconel 625 i 718, stopy na bazie miedzi (CW510 Brass, Ecobrass, Bronze), aluminium AlSi10Mg, tytan Ti6Al4V. Właściwości mechaniczne próbek wytworzonych metodą selektywnego spiekania metodą topienia laserowego różnią się od próbek wytworzonych metodą odlewania. wydajność wykazują wyższą niż te zbudowane z komercyjnie odlewanego stopu A360.0 o 43%, gdy są zbudowane wzdłuż płaszczyzny xy i 36% wzdłuż płaszczyzny z. Chociaż wykazano, że granica plastyczności AlSiMg wzrasta zarówno w płaszczyźnie xy, jak iw płaszczyźnie z, wydłużenie przy zerwaniu maleje wzdłuż kierunku budowy. Te ulepszenia właściwości mechanicznych próbek spiekanych laserowo bezpośrednio z metalem przypisuje się bardzo drobnej mikrostrukturze.

Ponadto presja przemysłu dodała więcej proszków nadstopów do dostępnego przetwarzania, w tym AM108. Nie tylko operacja i orientacja drukowania zapewnia zmianę właściwości materiału, ale także wymagana obróbka końcowa za pomocą obróbki cieplnej pod ciśnieniem izostatycznym (HIP) i śrutowania, które zmieniają właściwości mechaniczne do poziomu zauważalnej różnicy w porównaniu z równoosiowymi materiały odlewane lub kute. Na podstawie badań przeprowadzonych na Uniwersytecie Metropolitalnym w Tokio wykazano, że pęknięcie i plastyczność przy pełzaniu są zazwyczaj niższe w przypadku nadstopów na bazie niklu z nadrukiem addytywnym w porównaniu z materiałem kutym lub odlewanym. Kierunkowość druku jest głównym czynnikiem wpływającym wraz z wielkością ziarna. Dodatkowo, właściwości ścierne są zazwyczaj lepsze, jak widać w badaniach przeprowadzonych na dodatku Inconel 718 ze względu na stan powierzchni; badanie wykazało również wpływ mocy lasera na gęstość i mikrostrukturę. Gęstość materiału, która jest generowana podczas obróbki laserowej, może dodatkowo wpływać na zachowanie pęknięć, tak że zmniejsza się ponowne otwieranie pęknięć po procesie HIP, gdy zwiększa się gęstość. Bardzo ważne jest, aby mieć pełny przegląd materiału wraz z jego przetwarzaniem od druku do wymaganego post-printu, aby móc sfinalizować właściwości mechaniczne do użytku projektowego.

Przegląd i korzyści

SLM to szybko rozwijający się proces, który jest wdrażany zarówno w badaniach, jak iw przemyśle. Ten postęp jest bardzo ważny zarówno dla materiałoznawstwa, jak i dla przemysłu, ponieważ umożliwia nie tylko tworzenie niestandardowych właściwości, ale także może zmniejszyć zużycie materiału i zapewnić większy stopień swobody w projektach, których nie można osiągnąć technikami produkcyjnymi. Selektywne stapianie laserowe jest bardzo przydatne jako pełnoetatowy inżynier ds. Materiałów i procesów. Żądania, takie jak wymaganie szybkiego zwrotu materiałów produkcyjnych lub specyficzne zastosowania, które wymagają skomplikowanych geometrii, są częstymi problemami występującymi w przemyśle. Posiadanie SLM naprawdę usprawniłoby proces nie tylko tworzenia i sprzedaży części, ale także upewnienia się, że właściwości są zgodne z wszystkim, co jest potrzebne w terenie. Obecne wyzwania, które pojawiają się w przypadku SLM, to ograniczenie materiałów nadających się do obróbki, nierozwinięte ustawienia procesu i defekty metalurgiczne, takie jak pękanie i porowatość. Przyszłe wyzwania to brak możliwości tworzenia w pełni gęstych części ze względu na obróbkę stopów aluminium. Proszki aluminium są lekkie, mają wysoki współczynnik odbicia, wysoką przewodność cieplną i niską absorpcję lasera w zakresie długości fal laserów światłowodowych stosowanych w SLM.

Wyzwania te można rozwiązać, przeprowadzając więcej badań nad interakcjami materiałów podczas łączenia.

Powstawanie defektów

Schemat głównych defektów i zjawisk mikrostrukturalnych powstałych w wyniku drukowania 3D w odniesieniu do SLM, w szczególności w odniesieniu do przemian w stanie stałym, dynamiki płynów termicznych i dynamiki cząstek.

Pomimo dużych sukcesów, jakie SLM odniósł w produkcji addytywnej , proces topienia sproszkowanego ośrodka za pomocą skoncentrowanego lasera prowadzi do powstania różnych defektów mikrostrukturalnych poprzez liczne mechanizmy, które mogą niekorzystnie wpłynąć na ogólną funkcjonalność i wytrzymałość wytwarzanej części. Chociaż zbadano wiele defektów, w tej sekcji dokonamy przeglądu niektórych z głównych defektów, które mogą wynikać z SLM.

Dwie z najczęstszych wad mechanicznych to brak stopienia (LOF) lub pękanie w zestalonych obszarach. LOF polega na uwięzieniu gazu w strukturze, a nie spoistej bryle. Wady te mogą wynikać z nieużywania źródła lasera o odpowiedniej mocy lub zbyt szybkiego skanowania sproszkowanej powierzchni, co powoduje niewystarczające stopienie metalu i zapobiega powstawaniu silnego środowiska wiążącego w celu zestalenia. Pękanie to kolejna wada mechaniczna, w której występuje niska przewodność cieplna i wysokie współczynniki rozszerzalności cieplnej generować wystarczająco duże ilości naprężeń wewnętrznych, aby rozerwać wiązania w materiale, zwłaszcza wzdłuż granic ziaren , gdzie występują dyslokacje.

Dodatkowo, chociaż SLM zestala strukturę ze stopionego metalu , dynamika płynów termicznych systemu często powoduje niejednorodne kompozycje lub niezamierzoną porowatość , które mogą łącznie wpływać na ogólną wytrzymałość i trwałość zmęczeniową drukowanej struktury. Na przykład ukierunkowana wiązka laserowa może indukować prądy konwekcyjne po bezpośrednim uderzeniu w wąską strefę „dziurki od klucza” lub w całym częściowo stopionym metalu, co może wpłynąć na ogólny skład materiału. Podobnie stwierdzono, że podczas krzepnięcia dendrytyczny mikrostruktury poruszają się wzdłuż gradientów temperatury z różnymi prędkościami, tworząc w ten sposób różne profile segregacji w materiale. Ostatecznie te zjawiska dynamiki płynów termicznych generują niepożądane niespójności w drukowanym materiale i dalsze badania nad łagodzeniem tych efektów będą nadal konieczne.

Tworzenie się porów jest bardzo ważną wadą, gdy próbki są drukowane przy użyciu SLM. Ujawniono, że pory powstają podczas zmian prędkości skanowania laserowego z powodu szybkiego tworzenia się, a następnie zapadania się głębokich zagłębień w powierzchni, które zatrzymują obojętny gaz osłonowy w krzepnącym metalu.

Wreszcie efekty wtórne, które powstają w wyniku działania wiązki laserowej, mogą w sposób niezamierzony wpłynąć na właściwości konstrukcji. Jednym z takich przykładów jest powstawanie wytrąceń fazy wtórnej w strukturze objętościowej w wyniku powtarzalnego ogrzewania w zestalonych dolnych warstwach, gdy wiązka laserowa skanuje złoże proszku. W zależności od składu osadów, efekt ten może spowodować usunięcie ważnych pierwiastków z materiału sypkiego lub nawet kruchość drukowanej struktury. Mało tego, w złożach proszkowych zawierających tlenki moc lasera i wytwarzane prądy konwekcyjne mogą odparowywać i „rozpryskiwać” tlenki w innych lokalizacjach. Te tlenki gromadzą się i nie zwilżają, tworząc w ten sposób żużel, który nie tylko usuwa korzystny charakter tlenku w kompozycji, ale także zapewnia mechanistycznie korzystne mikrośrodowisko dla pękania materiału.

Właściwości mechaniczne

Wysokie gradienty temperatury występują podczas procesów selektywnego topienia laserowego (SLM), co powoduje nierównowagę na granicy faz ciało stałe/ciecz, prowadząc w ten sposób do szybkiego zestalenia, gdy jeziorko stopu przechodzi przemianę fazową z cieczy w ciało stałe. W konsekwencji może mieć miejsce szeroki zakres efektów, takich jak powstawanie faz nierównowagowych i zmiany w mikrostrukturze.

Z powyższych powodów właściwości mechaniczne stopów wytwarzanych przez SLM mogą znacznie odbiegać od tych wytwarzanych konwencjonalnie odpowiedników w stanie powykonawczym. Główną cechą stopów wytwarzanych metodą SLM jest duża anizotropia we właściwościach mechanicznych. Podczas gdy struktura ziarnowa odlewów metali charakteryzuje się zwykle z grubsza jednorodnymi, izotropowymi ziarnami, stopy wytwarzane przy użyciu SLM wykazują znaczne wydłużenie ziaren w kierunku budowy. Anizotropia struktury ziarnowej jest związana z anizotropią rozkładu defektów, kierunku propagacji pęknięć, a ostatecznie właściwości mechanicznych.

Z drugiej strony, ze względu na specjalne właściwości termokinetyczne związane z SLM, istnieje wiele nowatorskich architektur mikrostrukturalnych, unikalnych dla tego procesu. Jako nowa technika przetwarzania, SLM może wytworzyć unikalną mikrostrukturę, która jest trudna do osiągnięcia przy użyciu konwencjonalnych technik.

Nadstopy na bazie niklu

Mikrostruktury Ti6-Al-4V; kute (a), SLM poziome (b), SLM pionowe (c) i SLM poziome po obróbce cieplnej w 900 °C i 102 MPa (d)

W przypadku stopów niklu odnotowano poprawę odporności na pełzanie , maksymalną wytrzymałość na rozciąganie i udarność . Inconel IN625, utwardzany wydzieleniowo stop niklowo-chromowy, wykazywał równą lub nawet wyższą wytrzymałość na pełzanie w podwyższonych temperaturach 650 ̊C i 800 ̊C niż przerobiony plastycznie IN625. Jednak IN625 wyprodukowany w SLM wykazywał gorszą plastyczność w warunkach testu pełzania. Poprzez wdrożenie cyklicznej obróbki cieplnej , zarówno SLM, jak i kute IN625 uzyskały dodatkową wytrzymałość. Ilość dodatkowej wytrzymałości w stopach była generalnie proporcjonalna do udziału objętościowego matrycy fazy γ'' (w 650 ̊C) i fazy δ (w 800 ̊C).

Wytrzymałość zmęczeniowa i twardość stopów wytwarzanych metodą SLM podczas pracy z cyklicznymi obciążeniami w wysokiej temperaturze jest jednak znacznie gorsza niż w przypadku stopów odlewanych lub kutych. W przypadku innego superstopu, Inconel IN718, naukowcy odkryli, że materiał wytwarzany addytywnie wykazywał duże ziarna kolumnowe o orientacji równoległej do kierunku budowy, podczas gdy materiał kuty wykazywał drobnoziarnistą strukturę bez znaczącej tekstury.

Wytwarzanie addytywne nadstopów niklu w oparciu o SLM nadal stanowi poważne wyzwanie ze względu na złożony skład tych stopów. Z wieloma pierwiastkami stopowymi i wysoką zawartością aluminium/tytanu, materiały te, skonsolidowane przez SLM, tworzą różne fazy wtórne, które wpływają na przetwarzalność i prowadzą do osłabienia struktury.

Stopy na bazie żelaza (stale nierdzewne)

Obraz SEM obszaru w pobliżu mikropęknięcia w materiale SLM 316L. Widoczne są częściowo spękane granice ziaren (GB) i granice jeziorka stopu (MPB).

stali nierdzewnej 316L to austenityczny stop na bazie żelaza, który charakteryzuje się niską zawartością węgla (< 0,03%). Próby rozciągania i próby pełzania stali 316L przeprowadzone w 600°C i 650°C wykazały, że stal SLM osiągnęła minimalną szybkość pełzania przy znacznie niższych odkształceniach pełzania, o około jedną dekadę niższych, w porównaniu z kutym odpowiednikiem. Struktura komórkowa jest uważana za główną przyczynę różnic w zachowaniu się odkształceń, zwłaszcza w pierwszej fazie pełzania, przede wszystkim dlatego, że ogranicza zdolność utwardzania materiału. Najwyższa wytrzymałość na rozciąganie (UTS) jest również niższy dla próbek AM, ponieważ utwardzanie przez odkształcenie jest nieistotne.

Pęknięcie w materiale wytwarzanym za pomocą SLM występuje głównie między ziarnami. Uszkodzenie granic ziaren prowadzi do pękania, a następnie do zniszczenia materiału. Deformacja jest spowodowana i przyspieszana przez pojawienie się osadów na granicach ziaren. Wyższa energia błędu układania (SFE) stali SLM 316L prawdopodobnie również przyczyniła się do jej pełzania.

Aplikacje

Rodzaje zastosowań najbardziej odpowiednich dla procesu selektywnego topienia laserowego to złożone geometrie i struktury z cienkimi ścianami i ukrytymi pustkami lub kanałami z jednej strony lub małe partie z drugiej strony. Korzyści można uzyskać, wytwarzając formy hybrydowe, w których geometrie stałe i częściowo uformowane lub geometrie typu kratowego mogą być wytwarzane razem w celu utworzenia pojedynczego obiektu, takiego jak trzpień biodrowy lub panewka lub inny implant ortopedyczny, w którym geometria powierzchni poprawia osteointegrację . Wiele pionierskich prac z technologiami selektywnego topienia laserowego dotyczy lekkich części dla przemysłu lotniczego, gdzie tradycyjne ograniczenia produkcyjne, takie jak oprzyrządowanie i fizyczny dostęp do powierzchni do obróbki, ograniczają projektowanie komponentów. SLM umożliwia budowanie części w sposób addytywny do formy w pobliżu elementów o kształcie netto , a nie poprzez usuwanie odpadów.

Tradycyjne techniki produkcji na dużą skalę charakteryzują się stosunkowo wysokimi kosztami przygotowania (np. formowanie wtryskowe , kucie , odlewanie precyzyjne ). Podczas gdy SLM ma obecnie wysoki koszt części ze względu na wrażliwość czasową i ogólne koszty kapitałowe sprzętu. Jednak w przypadku ograniczonej ilości niestandardowych części, które można dostosować, proces pozostaje atrakcyjny dla wielu zastosowań. Dotyczy to np. części zamiennych/części zamiennych do przestarzałego sprzętu i maszyn (np. samochodów zabytkowych) lub produktów z możliwością dostosowania, takich jak implanty zaprojektowane dla indywidualnych pacjentów.

Testy przeprowadzone przez Centrum Lotów Kosmicznych im . słabsze niż części kute i frezowane, ale często unika się konieczności stosowania spoin, które są słabymi punktami.

Ta technologia jest wykorzystywana do produkcji bezpośrednich części dla różnych gałęzi przemysłu, w tym przemysłu lotniczego, dentystycznego, medycznego i innych gałęzi przemysłu, które mają małe i średnie, bardzo złożone części, oraz przemysłu narzędziowego do wykonywania bezpośrednich wkładek narzędziowych lub wymagających krótkich czasów realizacji. Technologia jest wykorzystywana zarówno do szybkiego prototypowania, ponieważ skraca czas opracowywania nowych produktów, jak i produkcji produkcyjnej jako metody oszczędzania kosztów w celu uproszczenia złożeń i złożonych geometrii.

Northwestern Polytechnical University of China używa podobnego systemu do budowy elementów konstrukcyjnych z tytanu do samolotów. Badanie EADS pokazuje, że zastosowanie tego procesu zmniejszyłoby zużycie materiałów i odpadów w zastosowaniach lotniczych.

5 września 2013 r. Elon Musk zamieścił na Twitterze zdjęcie chłodzonej regeneracyjnie komory silnika rakietowego SuperDraco firmy SpaceX wyłaniającej się z metalowej drukarki 3D EOS, zauważając, że składa się ona z nadstopu Inconel . W niespodziewanym posunięciu SpaceX ogłosił w maju 2014 r., że zakwalifikowana do lotu wersja silnika SuperDraco jest w pełni wydrukowana i jest pierwszym w pełni wydrukowanym silnikiem rakietowym . Wykorzystując Inconel, stop niklu i żelaza, wytwarzany addytywnie poprzez bezpośrednie spiekanie laserowe metali, silnik pracuje pod ciśnieniem w komorze 6900 kilopaskali (1000 psi) w bardzo wysokiej temperaturze. Silniki są umieszczone w drukowanej gondoli ochronnej, również z nadrukiem DMLS, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się usterek w przypadku awarii silnika. Silnik przeszedł pełny kwalifikacyjny w maju 2014 r., a pierwszy orbitalny lot kosmiczny ma odbyć się w kwietniu 2018 r.

Możliwość drukowania skomplikowanych części w 3D była kluczem do osiągnięcia celu, jakim była niska masa silnika. Według Elona Muska : „To bardzo złożony silnik i bardzo trudno było uformować wszystkie kanały chłodzące, głowicę wtryskiwacza i mechanizm dławiący. Możliwość drukowania zaawansowanych stopów o bardzo wysokiej wytrzymałości… była kluczowa dla możliwości stworzyć silnik SuperDraco takim, jakim jest”. Proces drukowania 3D silnika SuperDraco radykalnie skraca czas realizacji w porównaniu z tradycyjnymi częściami odlewanymi i „ma doskonałą wytrzymałość , plastyczność i odporność na pękanie , przy mniejszej zmienności właściwości materiałów ”.

Również w 2018 roku FDA zatwierdziła pierwszy w historii implant kręgosłupa wydrukowany w 3D, wykonany z tytanu przy użyciu SLM.

Zastosowania branżowe

  • Lotnictwo — kanały powietrzne, uchwyty lub mocowania zawierające określone instrumenty lotnicze, spiekanie laserowe pasuje zarówno do potrzeb lotnictwa komercyjnego, jak i wojskowego
  • Energia – topienie laserowe można wykorzystać do produkcji innowacyjnych wirników pomp, reaktorów wysokociśnieniowych i trudnych do znalezienia części zamiennych
  • Produkcja – spiekanie laserowe może służyć rynkom niszowym przy niewielkich ilościach po konkurencyjnych kosztach. Spiekanie laserowe jest niezależne od ekonomii skali, uwalniając w ten sposób od skupiania się na optymalizacji wielkości partii.
  • Medycyna – Urządzenia medyczne to złożone produkty o wysokiej wartości. Muszą dokładnie spełniać wymagania klientów. Wymagania te wynikają nie tylko z osobistych preferencji operatora: należy również przestrzegać wymogów prawnych lub norm, które różnią się znacznie w zależności od regionu. Prowadzi to do mnogości odmian, a tym samym niewielkich ilości oferowanych wariantów.
  • Prototypowanie – spiekanie laserowe może pomóc, udostępniając prototypy projektowe i funkcjonalne. W rezultacie testy funkcjonalne można rozpocząć szybko i elastycznie. Jednocześnie prototypy te można wykorzystać do oceny potencjalnej akceptacji ze strony klientów.
  • Oprzyrządowanie – bezpośredni proces eliminuje generowanie ścieżki narzędzia i wiele procesów obróbki, takich jak obróbka elektroerozyjna. Płytki narzędziowe są budowane z dnia na dzień lub nawet w ciągu zaledwie kilku godzin. Swoboda projektowania może być również wykorzystana do optymalizacji wydajności narzędzia, na przykład poprzez zintegrowanie konforemnych kanałów chłodzących z narzędziem.

Inne aplikacje

  • Części z wgłębieniami, podcięciami, kątami pochylenia
  • Modele dopasowania, formy i funkcji
  • Oprzyrządowanie, osprzęt i przyrządy
  • Konforemne kanały chłodzące
  • Wirniki i wirniki
  • Złożone nawiasy

Dzięki topieniu laserowemu można uzyskać struktury chemiczne (czyste metale, ich tlenki i węgliki ) oraz fizyczne (homogeniczne, stopy , kompozyty , stopy złoto-żelazo, złoto-kobalt, złoto-nikiel ).

Potencjał

Selektywne topienie laserowe lub wytwarzanie addytywne, czasami określane jako szybka produkcja lub szybkie prototypowanie , jest w powijakach ze stosunkowo niewielką liczbą użytkowników w porównaniu z konwencjonalnymi metodami, takimi jak obróbka skrawaniem, odlewanie lub kucie metali, chociaż ci, którzy korzystają z tej technologii, osiągnęli dużą biegłość [ słowa łasicy ] . Jak każdy proces lub metoda, selektywne stapianie laserowe musi być dostosowane do danego zadania. Rynki takie jak lotnictwo czy ortopedia medyczna oceniają technologię jako proces produkcyjny. Bariery akceptacji są wysokie, a problemy ze zgodnością skutkują długimi okresami certyfikacji i kwalifikacji. Zostało to zademonstrowane [ kiedy? ] przez brak w pełni ukształtowanych międzynarodowych standardów, za pomocą których można mierzyć wydajność konkurencyjnych systemów. Omawiana norma to ASTM F2792-10 Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies. [ potrzebne źródło ]

Różnica w stosunku do selektywnego spiekania laserowego (SLS)

Zastosowanie SLS odnosi się do procesu stosowanego do różnych materiałów, takich jak tworzywa sztuczne, szkło i ceramika, a także metale. Tym, co odróżnia SLM od innych procesów drukowania 3D, jest możliwość całkowitego stopienia proszku zamiast podgrzewania go do określonego punktu, w którym ziarna proszku mogą się ze sobą łączyć, co pozwala kontrolować porowatość materiału [ potrzebne źródło ] . Z drugiej strony, SLM może pójść o krok dalej niż SLS, wykorzystując laser do całkowitego stopienia metalu, co oznacza, że ​​proszek nie jest stapiany, ale w rzeczywistości upłynniany wystarczająco długo, aby stopić ziarna proszku w jednorodna część. Dlatego SLM może wytwarzać mocniejsze części dzięki zmniejszonej porowatości i większej kontroli nad strukturą krystaliczną, co pomaga zapobiegać awariom części [ potrzebne źródło ] . Ponadto niektóre rodzaje nanocząstek o zminimalizowanym niedopasowaniu sieci, podobnym upakowaniu atomowym wzdłuż dopasowanych płaszczyzn krystalograficznych i stabilności termodynamicznej można wprowadzić do proszku metalicznego, aby służyły jako zarodki rozdrabniania ziarna w celu uzyskania pozbawionych pęknięć, równoosiowych, drobnoziarnistych mikrostruktur. Jednak SLM jest wykonalny tylko przy użyciu jednego proszku metalicznego. [ potrzebne źródło ]

Korzyści

SLM ma wiele zalet w porównaniu z tradycyjnymi technikami wytwarzania. Możliwość szybkiego wyprodukowania unikalnej części jest najbardziej oczywista, ponieważ nie jest wymagane żadne specjalne oprzyrządowanie, a części można zbudować w ciągu kilku godzin.

SLM jest również jedną z nielicznych technologii wytwarzania przyrostowego stosowanych w produkcji. Ponieważ komponenty są budowane warstwa po warstwie, możliwe jest zaprojektowanie wewnętrznych elementów i przejść, których nie można odlać ani obrobić w inny sposób. Złożone geometrie i zespoły z wieloma komponentami można uprościć do lżejszych i mniejszej liczby części dzięki bardziej ekonomicznemu montażowi. DMLS nie wymaga specjalnego oprzyrządowania, takiego jak odlewy , dzięki czemu jest wygodny w przypadku krótkich serii produkcyjnych.

Wpływ środowiska

Istnieją różne komponenty, środowiska i względy materiałowe, które mogą wpływać na wpływ procesu SLM na środowisko. Po pierwsze, energia wykorzystana do wyprodukowania drukarki, która składa się z ponad 500 części, wynosi około 124 000 MJ dla standardowej drukarki Renishaw AM250. Należy zauważyć, że najbardziej widocznym materiałem jest stal, która w 100% nadaje się do recyklingu. Aby naprawdę skorzystać z możliwości recyklingu, należy zastosować podejście „od kołyski do kołyski”. można wdrożyć, aby zapewnić, że wszystkie części stalowe zostaną odpowiednio utylizowane po zakończeniu ich okresu eksploatacji poprzez demontaż. Zasilanie elektryczne jest często najbardziej energochłonną częścią drukarki, ponieważ przyczyniają się do tego lasery dużej mocy, agregaty chłodnicze, konfiguracje i separacja części. Mniejsza ilość części, więcej aktywnego czasu, bardziej aktywny czas bezczynności (działające chłodnice) i obróbka elektroerozyjna (EDM) wszystkie zwiększają zużycie energii. Górna granica energii na miejscu podczas użytkowania może wynosić około 640 MJ na część, podczas gdy bardziej efektywne wykorzystanie wynosi około 40 MJ na część. W tym przypadku głównym czynnikiem, który można zoptymalizować pod kątem przyjazności dla środowiska, jest wykorzystanie w pełni odnawialnej energii zamiast energii elektrycznej wytwarzanej z gazu lub węgla. Biorąc pod uwagę teraz ucieleśnioną energię całego cyklu życia, na energochłonnym końcu są mniej wydajne procesy drukowania, które wynoszą łącznie 2400+ MJ na część, podczas gdy bardziej wydajne procesy mogą wynosić zaledwie 140 MJ na część. Ostatecznie całkowita energia zawarta we wszystkich wykonanych częściach zależy od wielu czynników, ale prawie zawsze dominuje w fazie drukowania, a dokładniej podczas długich czasów bezczynności i usuwania części po obróbce elektroerozyjnej. Wyjątkiem są środowiska badawcze, w których maszyna nie jest stale używana, a użycie jest rzadsze, w tym przypadku dominuje energia ucieleśniona z pierwotnego przetwarzania i produkcji.

Koszty transportu będą się różnić w zależności od zakładów produkcyjnych i konsumentów, ale wartości te są często nieistotne (<1%) w porównaniu z innymi częściami cyklu życia SLM, które mają duży wpływ. Inne czynniki, które są pomijalne, ale czasami zróżnicowane, to: zużycie gazu obojętnego, odpady materiałowe (proszkowe), użyte materiały, rozpylanie i utylizacja elementów maszyn.

W zależności od wykonanej części i jej przeznaczenia, SLM może pomóc w wykonaniu lżejszych części o złożonych wymiarach, co zmniejsza zarówno energochłonną obróbkę końcową, taką jak EDM lub obróbka komputerowa (CNC), jak i zmniejsza wagę części . Często bezpośrednie porównanie można przeprowadzić tylko patrząc na części wykonane w dwóch różnych procesach. Przykładem jest łopatka turbiny wyprodukowana metodą odlewania precyzyjnego i metodą SLM, gdzie do wykonania tej samej części zużyto odpowiednio 10853,34 kWh i 10181,57 kWh. Również produkcja konwencjonalna przyczyniła się do 7325 kgCO 2 podczas gdy AM miał 7 027 kg CO 2 emisji. Oznacza to, że w tym konkretnym scenariuszu AM jest korzystna o 4%, co może być znaczące w stosunku do 25 578 samolotów na całym świecie. Innym przykładem jest redukcja masy o 1 kg dzięki hydraulicznemu korpusowi zaworu, który szacuje oszczędność 24 500 litrów paliwa do silników odrzutowych i 63 ton emisji CO 2 dzięki lekkiej konstrukcji i zmniejszeniu zużycia materiałów w porównaniu z tradycyjnymi metodami produkcji. SLM jest często bardziej zrównoważoną opcją ze względu na mniejsze zużycie surowców, mniej skomplikowane użycie narzędzi, potencjał lekkich części, niemal idealne geometrie końcowe i produkcję na żądanie.

Ograniczenia

Aspekty rozmiaru, szczegółów funkcji i wykończenia powierzchni, a także błąd wymiarowy wydruku [ wymagane wyjaśnienie ] na osi Z mogą być czynnikami, które należy wziąć pod uwagę przed użyciem tej technologii. [ według kogo? ] Jednakże, planując montaż na maszynie, gdzie większość elementów jest budowana w osi x i y podczas układania materiału, można dobrze zarządzać tolerancjami elementów. Powierzchnie zwykle muszą być polerowane, aby uzyskać lustrzane lub wyjątkowo gładkie wykończenie.

W przypadku oprzyrządowania produkcyjnego przed użyciem należy uwzględnić gęstość materiału gotowej części lub wkładki. [ według kogo? ] Na przykład we wkładkach do formowania wtryskowego wszelkie niedoskonałości powierzchni spowodują niedoskonałości części z tworzywa sztucznego, a wkładki będą musiały dopasować się do podstawy formy pod wpływem temperatury i powierzchni, aby zapobiec problemom. [ potrzebne źródło ]

Niezależnie od zastosowanego systemu materiałowego, proces SLM pozostawia ziarniste wykończenie powierzchni ze względu na „wielkość cząstek proszku, kolejność budowania warstw i [rozprowadzanie proszku metalicznego przed spiekaniem przez mechanizm rozprowadzania proszku]”.

Usuwanie metalowej konstrukcji nośnej i obróbka końcowa wygenerowanej części może być procesem czasochłonnym i wymagać użycia maszyn do obróbki skrawaniem , elektrodrążarki i/lub szlifierek o takim samym poziomie dokładności, jaki zapewnia maszyna RP. [ potrzebne źródło ]

Polerowanie laserowe za pomocą płytkiego topienia powierzchni części wyprodukowanych metodą SLM jest w stanie zmniejszyć chropowatość powierzchni za pomocą szybko poruszającej się wiązki laserowej, dostarczającej „tyle energii cieplnej, aby spowodować stopienie wierzchołków powierzchni. Stopiona masa przepływa następnie do dolin powierzchniowych przez napięcie powierzchniowe , grawitację i ciśnienie lasera , zmniejszając w ten sposób szorstkość.

W przypadku korzystania z maszyn do szybkiego prototypowania pliki .stl, które nie zawierają niczego poza surowymi danymi siatki w formacie binarnym (wygenerowanym z Solid Works , CATIA lub innych głównych programów CAD) wymagają dalszej konwersji do plików .cli i .sli (format wymagany dla maszyny niestereolitograficzne). Oprogramowanie konwertuje plik .stl na pliki .sli, podobnie jak w przypadku reszty procesu, ten krok może wiązać się z kosztami. [ potrzebne źródło ]

Elementy maszyn

Typowe komponenty maszyny SLM obejmują: źródło lasera, wałek, tłok platformy, wyjmowaną platformę roboczą, proszek zasilający, dawki zasilające (np. tłok) oraz optykę i lustra. Typowa koperta robocza dla większości platform to (np. dla EOS M 290) 250 x 250 x 325 mm i możliwość „wyhodowania” wielu części jednocześnie, [ wymagane wyjaśnienie ]

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Selective_laser_melting&oldid=1138679388 ”