Selektivno lasersko taljenje (SLM). Tehnologija selektivnog laserskog taljenja (SLM) Slm tehnologija

Nastavljamo vas upoznavati s raznim tehnologijama 3D ispisa. Sljedeći na redu je SLM.

SLM, ili Selektivno lasersko taljenje je jedinstvena aditivna metoda koja se sastoji u stvaranju različitih proizvoda laserskim topljenjem metalnog praha prema određenim CAD modelima. U procesu se koriste samo laseri velike snage.

SLM strojevi doprinose rješavanju složenih problema u industrijskim poduzećima specijaliziranim za proizvodnju strojeva u zrakoplovnoj, energetskoj, strojogradnji i industriji instrumentacije.

Osim toga, takve se instalacije koriste u institutima, projektantskim biroima, kao iu procesu istraživanja i eksperimentalnog rada.

Tehnologija

Proces 3D ispisa počinje ovako: 3D digitalni model se odvaja u slojeve tako da se za svaki može stvoriti 2D slika. Debljina sloja varira od 20 do 100 mikrona.

Datoteka koja sadrži sve parametre šalje se posebnom strojnom softveru koji analizira podatke s tehničkim mogućnostima uređaja. Kao rezultat, počinje izgradnja proizvoda.

Ciklus stvaranja svakog sloja sastoji se od tri faze:

• nanošenje sloja praha na radnu ploču;
• lasersko skeniranje sloja;
• spuštanje ploče na dubinu bušotine, što odgovara debljini sloja.

Izgradnja bilo kojeg objekta odvija se u radnoj komori SLM pisača. Potpuno je ispunjen inertnim plinom: argonom ili dušikom. Izbor plina ovisi o materijalu od kojeg je prah izrađen.

Po završetku konstrukcije proizvod se s radnom pločom vadi iz stroja, mehanički se odvaja i naknadno obrađuje.

Prednosti selektivnog laserskog taljenja

Ova metoda je toliko svestrana da ima više prednosti nego što se na prvi pogled moglo činiti:

• stvaranje objekata složenih geometrijskih oblika s unutarnjim šupljinama i konformnim kanalima za hlađenje;
• proizvodnja proizvoda bez skupih alata;
• na izlazu su proizvodi lagani;
• ušteda potrošnog materijala pri ispisu;
• mogućnost ponovne upotrebe praha nakon koraka prosijavanja.

Primjena

Metoda selektivnog laserskog taljenja može se koristiti u proizvodnji proizvoda za rad u sastavu različitih komponenti i sklopova, konstrukciji složenih geometrijskih struktura i elemenata za oblikovanje kalupa za oblikovanje termoplasta, pojedinačnih proteza i implantata za stomatologiju, te izrada maraka.

Potrošni materijal

Najčešće korišteni potrošni materijali su prašci od metala i legura kao što su nehrđajući čelik, alatni čelik, legure kobalta, kroma i titana, aluminija, zlata, srebra, platine.

Pretplatite se na vijesti 3D Print Expo 2017 na

SLM ili Selektivno lasersko taljenje je inovativna tehnologija za proizvodnju složenih proizvoda laserskim taljenjem metalnog praha pomoću matematičkih CAD modela (3D metalni ispis). Uz pomoć SLM-a stvaraju se oba precizna metalna dijela za rad kao dio jedinica i sklopova, kao i neodvojive strukture koje mijenjaju geometriju tijekom rada.

Tehnologija je aditivna metoda proizvodnje i koristi snažne lasere za stvaranje trodimenzionalnih fizičkih objekata. Ovaj proces uspješno zamjenjuje tradicionalne metode proizvodnje, budući da fizikalna i mehanička svojstva proizvoda izrađenih korištenjem SLM tehnologije često premašuju svojstva proizvoda proizvedenih tradicionalnim tehnologijama.

SLM jedinice pomažu u rješavanju složenih proizvodnih problema industrijskih poduzeća koja djeluju u zrakoplovnoj, energetskoj, strojogradnji i industriji instrumenata. Instalacije se također koriste na sveučilištima, projektantskim biroima, koriste se u istraživačkom i eksperimentalnom radu.

Službeni izraz za opisivanje tehnologije je "lasersko sinteriranje", iako je donekle netočan, budući da se materijali (prašci) ne sinteriraju, već se tope da nastane homogena (gusta, pastozna) masa.

Prednosti

1. Rješavanje složenih tehnoloških problema

• Proizvodnja proizvoda složene geometrije, s unutarnjim šupljinama i konformnim kanalima za hlađenje

Skraćivanje ciklusa istraživanja i razvoja

• Sposobnost izrade složenih proizvoda bez proizvodnje skupih alata

Smanjenje težine

• Konstrukcija proizvoda s unutarnjim šupljinama

Ušteda materijala u proizvodnji

• Konstrukcija se odvija dodavanjem sloj po sloj potrebne količine materijala na “tijelo” proizvoda. 97-99% praha koji nije korišten u konstrukciji nakon prosijavanja može se reciklirati. 3-9% materijala uključenog u konstrukciju nosača odlaže se zajedno s podstandardnim nerastopljenim prahom koji nije prošao operaciju prosijavanja.
• Smanjenje troškova za proizvodnju složenih proizvoda, tk. nema potrebe za proizvodnjom skupe opreme.

Područja uporabe

• Izrada funkcionalnih dijelova za rad u sastavu raznih jedinica i sklopova
• Izrada složenih struktura, uključujući one koje se ne mogu odvojiti, koje mijenjaju geometriju tijekom rada, kao i da imaju mnogo elemenata u svom sastavu
• Izrada elemenata za oblikovanje kalupa za injekcijsko prešanje termoplasta i lakih materijala
• Izrada tehničkih prototipova za ispitivanje dizajna proizvoda
• Izrada umetaka za hlađenje
• Izrada individualnih zubnih proteza i implantata
• Izrada maraka.

Kako radi

Proces ispisa počinje dijeljenjem 3D digitalnog modela proizvoda u slojeve debljine 20 do 100 mikrona kako bi se stvorila 2D slika svakog sloja proizvoda. Industrijski standardni format je STL datoteka. Ova datoteka ulazi u poseban softver stroja, gdje se informacije analiziraju i uspoređuju s tehničkim mogućnostima stroja.

Na temelju dobivenih podataka pokreće se proizvodni ciklus izgradnje koji se sastoji od više ciklusa izgradnje pojedinih slojeva proizvoda.

Ciklus izgradnje sloja sastoji se od tipičnih operacija:

1. nanošenje sloja praha unaprijed određene debljine (20-100 µm) na građevnu ploču pričvršćenu na zagrijanu građevinsku platformu;
2. skeniranje laserskog snopa dijela sloja proizvoda;
3. spuštanje platforme duboko u građevinski bunar za iznos koji odgovara debljini građevinskog sloja.

Proces građenja proizvoda odvija se u komori SLM stroja, ispunjenoj inertnim plinom argonom ili dušikom (ovisno o vrsti praha od kojeg je konstrukcija izrađena), svojim laminarnim strujanjem. Glavna potrošnja inertnog plina događa se na početku rada, kada se građevinska komora pročišćava, kada se iz nje potpuno ukloni zrak (dopušteni sadržaj kisika je manji od 0,15%).

Nakon izgradnje, proizvod se zajedno s pločom uklanja iz komore SLM stroja, nakon čega se proizvod mehanički odvaja od ploče. Nosači se uklanjaju s izgrađenog proizvoda, a gotov proizvod je gotov.

Gotovo potpuna odsutnost kisika izbjegava oksidaciju potrošnog materijala, što omogućuje ispis s materijalima kao što je titan.

materijala

Najpopularniji materijali su metali i legure u prahu, uključujući nehrđajući čelik, alatni čelik, legure kobalta i kroma, legure titana, titan, aluminij, zlato, platinu itd.

Proizvodi izrađeni od strane SLM Solutions 3D strojeva

Proizvodi izrađeni od strane Realizer 3D strojeva

Video: korištenjem SLM tehnologije

I dalje razmatramo postojeće tehnologije 3D ispisa i njihove značajke. Sljedeće na redu su sljedeće metode 3D ispisa:

Izravno lasersko sinteriranje metala (DMLS)

Umjesto DMLS (Direct Metal Laser Sintering), možete vidjeti i naziv SLM (Selective Laser Melting). Svoje drugo ime ova tehnologija duguje njemačkoj tvrtki EOS. Tvrtka je jedna od vodećih u izradi prototipa sloj po sloj. Nedavno smo pisali o njihovom najnovijem razvoju - mikrolaserskom sinteriranju ().

Glavni potrošači tehnologije su područja medicine, mikroelektronička industrija i djelomično.

Kada su proizvedeni korištenjem DMLS tehnologije, proizvodi imaju impresivnu debljinu sloja od 1 - 5 nm s maksimalnom veličinom proizvoda od 60 mm u promjeru i 30 mm u visini.
Proces proizvodnje proizvoda temelji se na strujanju taline-veziva u šupljine između čestica praha pod djelovanjem kapilarnih sila. Kako bi se poboljšao proces protoka, smjesi praha se dodaju spojevi s fosforom, čime se smanjuje površinska napetost, viskoznost i stupanj oksidacije taline. Čestice praha veziva općenito su manje veličine od čestica osnovnog praha. To pomaže povećati nasipnu gustoću smjese praha i ubrzati proces stvaranja taline.

Do danas postoje sljedeći materijali za 3D ispis pomoću DMLS tehnologije:

• DirectMetal 20 (metalni prah na bazi bronce)
• EOS StainlessSteel GP1 (Nehrđajući čelik, sličan europskom 1.4542)
• EOS MaragingSteel MS1 (Maraging Steel)
• EOS CobaltChrome MP1 (super legura kobalt-krom-molibden)
• EOS CobaltChrome SP2
• EOS Titanium Ti64 / Ti64ELI (Legura titana)
• EOS NickelAlloy IN625 (Legura nikla)
• EOS NickelAlloy IN718 (Legura nikla)
• EOS Aluminij AlSi10Mg (aluminijska legura)

Taljenje elektronskih zraka (EBM)

Metoda taljenja elektronskih zraka nastala je unutar zidova zrakoplovne industrije. Nakon toga počeo je osvajati i civilnu sferu. Početni materijal u proizvodnji je metalni prah. Obično su to legure titana.

Proizvod se proizvodi na sljedeći način: potrebna količina praha se ulijeva u vakuumsku komoru, a zatim kontrolirani protok elektrona "zaobilazi" konturu modela sloj po sloj i topi prah na tim mjestima. To rezultira snažnom strukturom. Zbog prisutnosti vakuuma i ukupne visoke temperature, konačni proizvod dobiva čvrstoću sličnu čvrstoći kovanih legura.

U usporedbi s DMLS i SLS tehnologijom, taljenje elektronskim snopom ne zahtijeva naknadnu toplinsku obradu kako bi se postigla visoka čvrstoća. Također, ova metoda je brža i točnija zbog velike gustoće energije snopa elektrona.

Lider na ovom polju je švedska tvrtka Arcam.

Selektivno lasersko taljenje (SLM)

SLM tehnologija je slična SLS-u, čak su i zbunjeni, jer. a tu i tamo se koristi metalni prah i laser. Ali ove tehnologije imaju kardinalne razlike. U SLS metodi čestice praha se sinteriraju zajedno, dok se u SLM metodi čestice metalnog praha tope i zatim zavare zajedno kako bi se formirao kruti okvir.

Proces izrade modela sličan je SLS tehnologiji. Ovdje se također sloj metalnog praha nanosi na radni prostor i ravnomjerno namota preko njega. Ovaj rad se izvodi valjkom ili četkom. Visina svakog sloja odgovara zadanom obliku proizvoda. Cijeli se proces odvija u zatvorenoj komori s inertnim plinom. Laser velike snage fokusira se na metalne čestice koje se otapaju i zavaruju zajedno. Proizvod se dobiva slično FDM tehnologiji, vanjska i unutarnja stijenka su čvrsti, zavareni zid, a prostor između zidova je ispunjen prema šabloni.

SLM tehnologija koristi razne metale i legure. Glavni zahtjev je da kada se zgnječe do stanja čestica, moraju imati određene karakteristike protoka. Na primjer, koriste se materijali kao što su nehrđajući čelik, alatni čelik, legure kroma i kobalta, titan i aluminij.

Metoda se koristi tamo gdje je potrebno imati dio s minimalnom težinom, a istovremeno zadržati njegove karakteristike.

Tehnologiju je patentirao Stratasys. U usporedbi s ostalim tehnologijama 3D ispisa, PolyJet je jedini koji vam omogućuje izradu modela od različitih materijala. To se postiže korištenjem jedinstvene tehnologije za unos više materijala u jednom prolazu ispisa. To vam omogućuje selektivno postavljanje različitih materijala unutar istog proizvoda ili kombiniranje dva materijala, čime se dobivaju kompozitni digitalni materijali s karakterističnim predvidljivim svojstvima.

Proces PolyJet ispisa sličan je konvencionalnom inkjet ispisu. Umjesto nanošenja tinte na papir, 3D printeri emitiraju mlazove tekućeg fotopolimera koji stvara slojeve u radnom području i fiksira se ultraljubičastim zračenjem. Stvrdnuti proizvodi mogu se odmah uzeti i koristiti, jer. nije potrebno dodatno naknadno stvrdnjavanje, kao na primjer u SLA tehnologiji.

Jer tisak se vrši u slojevima, a dijelovi koji se nalaze iznad zahtijevaju potporni materijal. Za to se koristi pomoćni materijal sličan gelu, koji se lako uklanja vodom ili ručno.

Tehnologija vam omogućuje stvaranje proizvoda visoke preciznosti. A zahvaljujući kombinaciji različitih materijala, prototip se po karakteristikama dobiva što bliže konačnom proizvodu.

Tehnologije 3D ispisa o kojima se govori u dva dijela članka nisu jedine, već najčešće. U sljedećem članku razmotrit ćemo materijale koji se koriste u ovim tehnologijama, njihove razlike i značajke.

Izgleda kao SLS, ponekad su čak i zbunjeni, ali ipak postoje kardinalne razlike. Dok se u SLS-u čestice praha sinteriraju zajedno, ovdje se metalne čestice dovode u stanje taljenja i zavaruju zajedno da tvore čvrsti okvir.

Metoda ima svoje korijene u Fraunhofer institut za lasersku tehnologiju, Njemačka(Fraunhofer-InstitutfürLasertechnik). 1995. ondje je rođen istraživački projekt koji su vodili Wilhelm Meiners i Kurt Wissenbach. Kasnije su ovi znanstvenici udružili snage s Dietorom Schwarzom i Matthiasom Fokeleom iz F&S StereolithographietechnikGmbH, nakon čega je metoda službeno patentirana. Početkom 2000-ih F&S je počeo surađivati ​​s još jednom njemačkom tvrtkom, MCP HEK Gmbh. Na kraju su gore spomenuti znanstvenici predvodili tvrtke SLM SolutionsGmbh i RealizerGmbh, koje su naslijedile sve dosadašnje razvoje.

Izrada modela počinje pripremom već poznate stl datoteke. Softver izračunava 2D model svakog sloja u koracima od obično 20 do 100 mikrona, dodajući po potrebi potporne strukture. Konstrukcija svakog sloja počinje ravnomjernom raspodjelom metalnog praha po cijeloj površini podloge na kojoj će model „rasti“. Ovaj posao obavlja se valjkom ili četkom, slično brisaču vjetrobrana automobila. Svaki sloj odgovara 2D shemi. Cijeli se proces odvija u posebnoj zatvorenoj komori ispunjenoj inertnim plinom, kao što je argon, ili dušikom s ultra-niskim nečistoćama kisika. Sustav fokusiranja usmjerava laser velike snage na metalne čestice, topi ih ​​i zavari. Čvrsto zavarivanje odvija se po konturama presjeka, a unutarnje strane zidova predmeta mogu se zavariti prema uzorku punjenja. Usput, ostaci praha koji su ostali od proizvodnje dijela mogu se ponovno upotrijebiti za ispis sljedećeg modela.

Korišteni materijali uključuju nehrđajući čelik, alatni čelik, legure kroma i kobalta, titan, aluminij. Mogu se koristiti i druge legure - glavna stvar je da one, kada se zgnječe do stanja čestica, imaju određene karakteristike protoka.

3D modeliranje SLM metodom čvrsto je ušlo u naše živote. To je značajno smanjilo vrijeme potrebno za izradu dijela u usporedbi s tradicionalnim metodama. Neka područja proizvodnje zrakoplova, proizvodnje nafte i medicine zahtijevaju tako složene komponente koje se jednostavno ne mogu napraviti na drugi način. To se posebno odnosi na objekte s velikom površinom i istovremeno malim volumenom. Zamislite radijator bilo kojeg sustava hlađenja.

Selektivno lasersko taljenje je nezamjenjivo u zrakoplovnoj industriji gdje postoji borba za svaki gram - dio mora ispunjavati svoje funkcije i biti izdržljiv, ali istovremeno imati materijala samo na onim mjestima gdje se ne može bez njega.

U ovom osvrtu pokušao sam u popularnom obliku predstaviti osnovne podatke o proizvodnji metalnih proizvoda laserskom aditivnom proizvodnjom, relativno novoj i zanimljivoj tehnološkoj metodi koja se pojavila krajem 80-ih, a danas je postala perspektivna tehnologija za male razmjere. ili jednodijelna proizvodnja u području medicine, zrakoplovstva i raketne znanosti.

Ukratko opisati princip rada instalacije za aditivnu proizvodnju pomoću laserskog zračenja može biti kako slijedi. Uređaj za nanošenje i izravnavanje sloja praha uklanja sloj praha s hranilice i ravnomjerno ga raspoređuje po površini podloge. Nakon toga, laserska zraka skenira površinu ovog sloja praha i formira proizvod taljenjem ili sinteriranjem. Na kraju skeniranja sloja praha platforma s proizvedenim proizvodom se spušta za debljinu nanesenog sloja, a platforma s prahom se podiže te se ponavlja proces nanošenja sloja praha i skeniranja. Nakon što je proces završen, platforma s proizvodom se podiže i čisti od neiskorištenog praha.

Jedan od glavnih dijelova u instalacijama za aditivnu proizvodnju je laserski sustav koji koristi CO 2 , Nd:YAG, iterbijeva vlakna ili disk lasere. Utvrđeno je da je za zagrijavanje metala i karbida poželjna uporaba lasera valne duljine 1-1,1 μm, jer apsorbiraju zračenje koje stvara laser za 25-65%. Istodobno, korištenje CO 2 lasera valne duljine 10,64 µm najprikladnije je za materijale kao što su polimeri i oksidna keramika. Veći kapacitet apsorpcije omogućuje povećanje dubine prodiranja i variranje parametara procesa u širem rasponu. Obično laseri koji se koriste u aditivnoj proizvodnji rade kontinuirano. U usporedbi s njima, korištenje lasera koji rade u pulsnom i Q-switched modu zbog njihove velike energije impulsa i kratkog trajanja impulsa (nanosekunde) omogućuje poboljšanje čvrstoće veze između slojeva i smanjenje zona zahvaćena toplinom. Zaključno, može se primijetiti da karakteristike korištenih laserskih sustava leže u sljedećim granicama: snaga lasera - 50-500 W, brzina skeniranja do 2 m/s, brzina pozicioniranja do 7 m/s, promjer fokusirane točke - 35-400 μm.

Osim lasera, kao izvor zagrijavanja praha može se koristiti i zagrijavanje elektronskim snopom. Ovu opciju je predložio Arcam i implementirao u svoje instalacije 1997. Instalaciju s topom s elektronskom snopom karakterizira odsutnost pokretnih dijelova, budući da je snop elektrona fokusiran i usmjeren pomoću magnetskog polja i deflektora, te stvaranje vakuum u komori ima pozitivan učinak na kvalitetu proizvoda.

Jedan od važnih uvjeta u aditivnoj proizvodnji je stvaranje zaštitnog okruženja koje sprječava oksidaciju praha. Za ispunjavanje ovog uvjeta koristi se argon ili dušik. Međutim, upotreba dušika kao zaštitnog plina je ograničena, zbog mogućnosti stvaranja nitrida (npr. AlN, TiN u proizvodnji proizvoda od aluminijskih i titanovih legura), koji dovode do smanjenja plastičnosti materijal.

Prema značajkama procesa zbijanja materijala, metode proizvodnje laserskih aditiva mogu se podijeliti na selektivno lasersko sinteriranje (Selective Laser Sintering (SLS)), indirektno lasersko sinteriranje metala (Indirect Metal Laser Sintering (IMLS)), izravno lasersko sinteriranje metala (Direct Lasersko sinteriranje metala (DMLS) ) i selektivno lasersko taljenje (Selective Laser Melting (SLM)). U prvoj varijanti dolazi do zbijanja sloja praha uslijed sinteriranja u čvrstoj fazi. U drugom slučaju, zbog impregnacije poroznog okvira prethodno formiranog laserskim zračenjem vezivom. Izravno lasersko sinteriranje metala temelji se na zbijanju mehanizmom sinteriranja tekuće faze zbog taljenja topljive komponente u praškastoj smjesi. U potonjoj verziji dolazi do zbijanja zbog potpunog taljenja i širenja taline. Vrijedi napomenuti da ova klasifikacija nije univerzalna, budući da jedna vrsta procesa proizvodnje aditiva može pokazati mehanizme zbijanja koji su karakteristični za druge procese. Na primjer, DMLS i SLM mogu doživjeti sinteriranje čvrste faze, što se događa kod SLS-a, dok SLM može doživjeti sinteriranje tekuće faze, što je češće kod DMLS-a.

Selektivno lasersko sinteriranje (SLS)

Čvrstofazno selektivno lasersko sinteriranje nije postalo široko rasprostranjeno, budući da je za potpuniji protok volumetrijske i površinske difuzije, viskoznog toka i drugih procesa koji se javljaju tijekom sinteriranja praha potrebno relativno dugo izlaganje laserskom zračenju. To dovodi do dugotrajnog rada lasera i niske produktivnosti procesa, što ovaj proces čini ekonomski neizvedivim. Osim toga, postoje poteškoće u održavanju temperature procesa u rasponu između točke taljenja i temperature sinteriranja u čvrstom stanju. Prednost selektivnog laserskog sinteriranja u čvrstoj fazi je mogućnost korištenja šireg spektra materijala za izradu proizvoda.

Indirektno lasersko sinteriranje metala (IMLS)

Proces nazvan "indirektno lasersko sinteriranje metala" razvio je DTMcorp iz Austina 1995. godine, koji je u vlasništvu 3D Systemsa od 2001. godine. IMLS proces koristi mješavinu praha i polimera ili prah obložen polimerom, pri čemu polimer djeluje kao vezivo i osigurava potrebnu čvrstoću za daljnju toplinsku obradu. U fazi toplinske obrade polimer se destilira, okvir se sinterira, a porozni okvir impregnira vezivnim metalom, čime se dobiva gotov proizvod.

Za IMLS se mogu koristiti prahovi i metala i keramike ili njihove mješavine. Priprema mješavine praha s polimerom vrši se mehaničkim miješanjem, pri čemu je sadržaj polimera oko 2-3% (težinski), a u slučaju korištenja praha obloženog polimerom debljina sloja na površini čestice je oko 5 μm. Kao vezivo koriste se epoksidne smole, tekuće staklo, poliamidi i drugi polimeri. Temperatura destilacije polimera određena je njegovom temperaturom taljenja i raspadanja i iznosi u prosjeku 400-650 o C. Nakon destilacije polimera, poroznost proizvoda prije impregnacije je oko 40%. Tijekom impregnacije, peć se zagrijava za 100-200 0 C iznad tališta materijala za impregnaciju, budući da se s povećanjem temperature smanjuje kut vlaženja i smanjuje viskoznost taline, što povoljno utječe na proces impregnacije. Obično se impregnacija budućih proizvoda provodi u zatrpavanju od aluminijevog oksida, koji ima ulogu potpornog okvira, budući da u razdoblju od destilacije polimera do stvaranja snažnih međučestica kontakta postoji opasnost od uništenja ili deformacije proizvoda. Zaštita od oksidacije organizirana je stvaranjem inertne ili redukcijske sredine u peći. Za impregnaciju možete koristiti dosta različitih metala i legura koje zadovoljavaju sljedeće uvjete. Materijal za impregnaciju trebao bi biti karakteriziran potpunom odsutnošću ili neznatnom interakcijom na površini, malim kutom vlaženja i talištem nižim od baze. Na primjer, ako komponente međusobno djeluju jedna na drugu, tada se tijekom procesa impregnacije mogu pojaviti neželjeni procesi, poput stvaranja više vatrostalnih spojeva ili čvrstih otopina, što može dovesti do zaustavljanja procesa impregnacije ili negativno utjecati na svojstva i dimenzije proizvoda. Obično se za impregniranje metalnog okvira koristi bronca, dok je skupljanje proizvoda 2-5%.

Jedan od nedostataka IMLS-a je nemogućnost reguliranja sadržaja vatrostalne faze (baznog materijala) u širokom rasponu. Budući da je njegov postotak u gotovom proizvodu određen nasipnom gustoćom praha, koja, ovisno o karakteristikama praha, može biti tri ili više puta manja od teorijske gustoće praškastog materijala.

Materijali i njihova svojstva korišteni za IMLS

Izravno lasersko sinteriranje metala (DMLS)

Proces izravnog laserskog sinteriranja metala sličan je IMLS-u, ali se razlikuje po tome što se umjesto polimera koriste legure ili spojevi s niskim talištem, a također ne postoji takva tehnološka operacija kao što je impregnacija. Koncept DMLS temeljio se na njemačkoj tvrtki EOS GmbH, koja je 1995. godine izradila komercijalnu instalaciju za izravno lasersko sinteriranje sustava praha čelik-nikl bronce. Proizvodnja različitih proizvoda DMLS metodom temelji se na strujanju formirane taline veziva u šupljine između čestica pod djelovanjem kapilarnih sila. Istodobno, za uspješan završetak procesa, smjesi praha se dodaju spojevi s fosforom koji smanjuju površinsku napetost, viskoznost i stupanj oksidacije taline, čime se poboljšava kvašenje. Prašak koji se koristi kao vezivo obično je manji od osnovnog praha, jer to povećava nasipnu gustoću smjese praha i ubrzava proces stvaranja taline.

Materijali i njihova svojstva koje EOS GmbH koristi za DMLS

Selektivno lasersko taljenje (SLM)

Daljnje unapređenje pogona aditivne proizvodnje povezano je s pojavom mogućnosti korištenja snažnijeg lasera, manjeg promjera fokusne točke i nanošenja tanjeg sloja praha, što je omogućilo korištenje SLM-a za izradu proizvoda od različitih metala i legure. Tipično, proizvodi dobiveni ovom metodom imaju poroznost od 0-3%.
Kao iu gore navedenim metodama (IMLS, DMLS), kvašenje, površinska napetost i viskoznost taline igraju važnu ulogu u procesu proizvodnje proizvoda. Jedan od čimbenika koji ograničavaju upotrebu različitih metala i legura za SLM je učinak "formiranja kugle" ili sferoidizacije, koji se očituje u obliku stvaranja kapljica koje leže odvojeno jedna od druge, a ne kontinuiranog puta taljenja. Razlog tome je površinska napetost pod čijim djelovanjem talina nastoji smanjiti slobodnu površinsku energiju formiranjem kalupa s minimalnom površinom, t.j. lopta. U ovom slučaju se u traci taline opaža Marangonijev učinak koji se očituje u obliku konvektivnih strujanja zbog gradijenta površinske napetosti u funkciji temperature, a ako su konvektivna strujanja dovoljno jaka, tada se traka taline dijeli u zasebne kapi. Također, kap taline pod djelovanjem površinske napetosti uvlači obližnje čestice praha u sebe, što dovodi do stvaranja jamice oko kapi i, u konačnici, do povećanja poroznosti.

Sferoidizacija čelika M3/2 u suboptimalnim SLM uvjetima

Učinak sferoidizacije također je olakšan prisutnošću kisika, koji, otapanjem u metalu, povećava viskoznost taline, što dovodi do pogoršanja rasprostiranja i vlaženja taline ispod ispod sloja. Iz navedenih razloga nije moguće dobiti proizvode od metala kao što su kositar, bakar, cink i olovo.

Treba napomenuti da je formiranje visokokvalitetne trake taline povezano s potragom za optimalnim rasponom parametara procesa (snaga laserskog zračenja i brzina skeniranja), koji je obično prilično uzak.

Utjecaj parametara SLM zlata na kvalitetu formiranih slojeva

Drugi čimbenik koji utječe na kvalitetu proizvoda je pojava unutarnjih naprezanja, čija prisutnost i veličina ovise o geometriji proizvoda, brzini zagrijavanja i hlađenja, koeficijentu toplinskog širenja te faznim i strukturnim promjenama u metalu. Značajna unutarnja naprezanja mogu dovesti do deformacije proizvoda, stvaranja mikro- i makropukotina.

Djelomično smanjite negativan utjecaj gore navedenih čimbenika korištenjem grijaćih elemenata koji se obično nalaze unutar instalacije oko podloge ili dodavača praha. Zagrijavanjem praha također je moguće ukloniti adsorbiranu vlagu s površine čestica i time smanjiti stupanj oksidacije.

Kod selektivnog laserskog taljenja metala kao što su aluminij, bakar, zlato nije nevažna njihova visoka reflektivnost, što zahtijeva korištenje snažnog laserskog sustava. Ali povećanje snage laserske zrake može negativno utjecati na točnost dimenzija proizvoda, jer ako se prašak pretjerano zagrije, on će se otopiti i sinterirati izvan laserske točke zbog prijenosa topline. Velika snaga lasera također može dovesti do promjene kemijskog sastava uslijed isparavanja metala, što je posebno karakteristično za legure koje sadrže niskotaljive komponente i imaju visok tlak pare.

Mehanička svojstva materijala dobivenih SLM metodom (EOS GmbH)

Ako proizvod dobiven jednom od gore navedenih metoda ima zaostalu poroznost, tada se, ako je potrebno, koriste dodatne tehnološke operacije za povećanje njegove gustoće. U tu svrhu koriste se metode metalurgije praha - sinteriranje ili vruće izostatičko prešanje (HIP). Sinteriranjem je moguće ukloniti zaostalu poroznost i poboljšati fizikalna i mehanička svojstva materijala. Pritom treba naglasiti da su formirana svojstva materijala tijekom sinteriranja određena sastavom i prirodom materijala, veličinom i brojem pora, prisutnošću defekata i brojnim drugim čimbenicima. HIP je proces u kojem se obradak postavljen u plinsku prešu zbija pod djelovanjem visoke temperature i sveobuhvatnog kompresije inertnim plinom. Radni tlak i maksimalna temperatura koju postiže gasostat ovisi o njegovoj izvedbi i volumenu. Na primjer, plinski stat s radnom komorom veličine 900x1800 mm može razviti temperaturu od 1500 o C i tlak od 200 MPa. Korištenje HIP-a za uklanjanje poroznosti bez uporabe zapečaćene ljuske moguća je ako poroznost nije veća od 8%, budući da će pri višoj vrijednosti plin ulaziti u proizvod kroz pore, čime se sprječava zbijanje. Moguće je isključiti prodiranje plina u proizvod izradom čelične hermetičke ljuske koja ponavlja oblik površine proizvoda. Međutim, proizvodi dobiveni aditivnom proizvodnjom općenito imaju složen oblik, što onemogućuje izradu takve ljuske. U tom slučaju se za brtvljenje može koristiti evakuirani zatvoreni spremnik u kojem se proizvod stavlja u labav medij (Al 2 O 3 , BN hex, grafit) koji prenosi pritisak na stijenke proizvoda.

Nakon aditivne proizvodnje SLM metodom, materijale karakterizira anizotropija svojstava, povećana čvrstoća i smanjena duktilnost zbog prisutnosti zaostalih naprezanja. Za uklanjanje zaostalih naprezanja, postizanje uravnoteženije strukture, povećanje viskoznosti i plastičnosti materijala, provodi se žarenje.

Prema niže navedenim podacima može se primijetiti da su proizvodi dobiveni selektivnim laserskim taljenjem u nekim slučajevima jači od lijevanih proizvoda za 2-12%. To se može objasniti malom veličinom zrna i mikrostrukturnih komponenti, koje nastaju kao rezultat brzog hlađenja taline. Brzo prehlađenje taline značajno povećava broj jezgri čvrste faze i smanjuje njihovu kritičnu veličinu. U tom slučaju, kristali koji brzo rastu na embrijima, u dodiru jedan s drugim, počinju sprječavati njihov daljnji rast, tvoreći tako fino zrnatu strukturu. Jezgre kristalizacije su obično nemetalne inkluzije, mjehurići plina ili čestice koje se oslobađaju iz taline s ograničenom topljivošću u tekućoj fazi. A u općem slučaju, prema Hall-Petchovoj relaciji, sa smanjenjem veličine zrna, čvrstoća metala raste zbog razvijene mreže granica zrna, što je učinkovita prepreka kretanju dislokacija. Treba napomenuti da se, zbog različitog kemijskog sastava legura i njihovih svojstava, kao i uvjeta SLM, navedene pojave koje se javljaju tijekom hlađenja taline manifestiraju različitim intenzitetom.

Mehanička svojstva materijala dobivenih SLM i lijevanjem

Naravno, to ne znači da su proizvodi dobiveni selektivnim laserskim topljenjem bolji od proizvoda dobivenih tradicionalnim metodama. Zbog velike fleksibilnosti tradicionalnih metoda dobivanja proizvoda, moguće je varirati svojstva proizvoda u širokom rasponu. Primjerice, primjenom metoda kao što su promjena temperaturnih uvjeta kristalizacije, legiranje i uvođenje modifikatora u taljevinu, termički ciklus, metalurgija praha, termomehanička obrada itd., može se postići značajno povećanje svojstava čvrstoće metala i legura.

Posebno je zanimljiva uporaba ugljičnog čelika za aditivnu proizvodnju, jer je jeftin i ima visok kompleks mehaničkih svojstava materijala. Poznato je da se povećanjem sadržaja ugljika u čeliku poboljšava njegova fluidnost i vlaženje. Zahvaljujući tome moguće je dobiti jednostavne proizvode koji sadrže 0,6-1% C s gustoćom od 94-99%, dok je u slučaju korištenja čistog željeza gustoća oko 83%. U procesu selektivnog laserskog taljenja ugljičnog čelika, staza taline tijekom brzog hlađenja se gasi i temperira na strukturu troostita ili sorbita. Istodobno, zbog toplinskih naprezanja i strukturnih transformacija, u metalu mogu nastati značajna naprezanja koja dovode do povodca proizvoda ili do stvaranja pukotina. Važna je i geometrija proizvoda, jer su oštri prijelazi duž presjeka, mali polumjeri zakrivljenosti i oštri rubovi uzrok pucanja. Ako nakon „tiskanja” čelik nema zadanu razinu mehaničkih svojstava i treba ga podvrgnuti dodatnoj toplinskoj obradi, tada će biti potrebno uzeti u obzir prethodno navedena ograničenja u obliku proizvoda kako bi se kako bi se izbjegla pojava defekata stvrdnjavanja. To donekle smanjuje izglede za korištenje SLM-a za ugljične čelike.
Kod proizvodnje proizvoda tradicionalnim metodama, jedan od načina izbjegavanja pukotina i uzica tijekom stvrdnjavanja proizvoda složenog oblika je uporaba legiranih čelika, u kojima prisutni legirajući elementi, osim povećanja mehaničkih i fizikalno-kemijskih svojstava, odgađaju transformaciju austenita nakon hlađenja, što rezultira smanjenjem kritične brzine stvrdnjavanja i povećava sposobnost kaljenja legiranog čelika. Zbog niske kritične brzine gašenja, čelik se može kaliti u ulju ili na zraku, čime se smanjuje razina unutarnjih naprezanja. Međutim, zbog brzog odvođenja topline, nemogućnosti kontrole brzine hlađenja i prisutnosti ugljika u legiranom čeliku, ova tehnika ne dopušta da se izbjegne pojava značajnih unutarnjih naprezanja tijekom selektivnog laserskog taljenja.

U vezi s navedenim značajkama, za SLM se koriste martenzitni čelici (MS 1, GP 1, PH 1) kod kojih se stvrdnjavanje i povećanje tvrdoće postiže taloženjem dispergiranih intermetalnih faza tijekom toplinske obrade. Ovi čelici sadrže malu količinu ugljika (stotine postotka), zbog čega je martenzitna rešetka nastala tijekom brzog hlađenja karakterizirana niskim stupnjem izobličenja i, posljedično, ima nisku tvrdoću. Niska tvrdoća i visoka duktilnost martenzita osigurava popuštanje unutarnjih naprezanja tijekom kaljenja, a visok sadržaj legirajućih elemenata omogućuje žarenje čelika do velike dubine pri gotovo svakoj brzini hlađenja. Kao rezultat toga, složeni proizvodi mogu se proizvoditi i toplinski obraditi SLM-om bez straha od pucanja ili savijanja. Osim maraging čelika, mogu se koristiti i neki austenitni nehrđajući čelici poput 316L.

Zaključno, može se primijetiti da su sada napori znanstvenika i inženjera usmjereni na detaljnije proučavanje utjecaja parametara procesa na strukturu, mehanizam i značajke zbijanja različitih materijala pod djelovanjem laserskog zračenja kako bi se poboljšati mehanička svojstva i povećati raspon materijala prikladnih za proizvodnju laserskih aditiva.