Topire selectivă cu laser (SLM). Tehnologia de topire selectivă cu laser (SLM) Tehnologia Slm

Vă prezentăm în continuare diverse tehnologii de imprimare 3D. Următorul în linie este SLM.

SLM sau topire selectivă cu laser este o metodă unică de aditivi, care constă în crearea diferitelor produse folosind topirea cu laser a pulberii metalice conform modelelor CAD specificate. În acest proces sunt folosite doar lasere de mare putere.

Mașinile SLM contribuie la rezolvarea problemelor complexe din întreprinderile industriale specializate în producția de mașini din industria aerospațială, energetică, construcții de mașini și instrumente.

În plus, astfel de instalații sunt utilizate în institute, birouri de proiectare, precum și în procesul de cercetare și muncă experimentală.

Tehnologie

Procesul de imprimare 3D începe astfel: un model digital 3D este separat în straturi, astfel încât să poată fi creată o imagine 2D pentru fiecare. Grosimea stratului variază de la 20 la 100 de microni.

Fișierul, care conține toți parametrii, este trimis la un software special al mașinii care analizează datele cu capacitățile tehnice ale dispozitivului. Ca urmare, începe construcția produsului.

Ciclul de creare a fiecărui strat constă din trei etape:

• aplicarea unui strat de pulbere pe placa de lucru;
• scanarea laser a secțiunii stratului;
• coborârea plăcii până la adâncimea puțului, care corespunde grosimii stratului.

Construcția oricărui obiect are loc în camera de lucru a imprimantei SLM. Este complet umplut cu un gaz inert: argon sau azot. Alegerea gazului depinde de materialul din care este făcută pulberea.

La finalizarea construcției, produsul este scos din mașină cu o placă de lucru, este separat mecanic și post-procesat.

Beneficiile topirii selective cu laser

Această metodă este atât de versatilă încât are mai multe puncte forte decât ar părea la început:

• crearea de obiecte de forme geometrice complexe cu cavități interne și canale de răcire conforme;
• producția de produse fără scule scumpe;
• la iesire, produsele sunt usoare;
• economisirea consumabilelor la imprimare;
• posibilitatea de reutilizare a pulberii după etapa de cernere.

Aplicație

Metoda de topire selectivă cu laser poate fi utilizată în producția de produse pentru lucru ca parte a diferitelor unități și ansambluri, construcția de structuri geometrice complexe și elemente de modelare a matrițelor pentru turnarea materialelor termoplastice, proteze individuale și implanturi pentru stomatologie, precum și producerea de timbre.

Consumabil

Cele mai frecvent utilizate consumabile sunt pulberile din metale și aliaje precum oțel inoxidabil, oțel pentru scule, aliaje de cobalt, crom și titan, aluminiu, aur, argint, platină.

Abonați-vă la știrile 3D Print Expo 2017 la

SLM sau Selective laser melting este o tehnologie inovatoare pentru producerea de produse complexe prin topirea cu laser a pulberii metalice folosind modele CAD matematice (imprimare 3D metal). Cu ajutorul SLM, atât piese metalice precise sunt create pentru lucru ca parte a unităților și ansamblurilor, cât și structurile neseparabile care schimbă geometria în timpul funcționării.

Tehnologia este o metodă de fabricație aditivă și folosește lasere puternice pentru a crea obiecte fizice tridimensionale. Acest proces înlocuiește cu succes metodele tradiționale de producție, deoarece proprietățile fizice și mecanice ale produselor construite folosind tehnologia SLM depășesc adesea proprietățile produselor fabricate folosind tehnologii tradiționale.

Unitățile SLM ajută la rezolvarea problemelor complexe de producție ale întreprinderilor industriale care operează în industria aerospațială, energetică, de construcție de mașini și de fabricare de instrumente. Instalațiile sunt folosite și în universități, birouri de proiectare, sunt folosite în cercetare și lucrări experimentale.

Termenul oficial pentru descrierea tehnologiei este „sinterizarea cu laser”, deși este oarecum neadevărat, deoarece materialele (pulberile) nu sunt sinterizate, ci topite pentru a forma o masă omogenă (groasă, păstoasă).

Avantaje

1. Rezolvarea problemelor tehnologice complexe

• Fabricarea de produse cu geometrie complexă, cu cavități interne și canale de răcire conforme

Scurtarea ciclului de cercetare și dezvoltare

• Capacitatea de a construi produse complexe fără fabricarea de scule scumpe

Reducerea greutății

• Construcția produselor cu cavități interne

Economii de materiale în producție

• Construcția are loc prin adăugarea strat cu strat a cantității necesare de material la „corpul” produsului. 97-99% din pulberea neutilizată în construcție după cernere este reciclabilă. 3-9% din materialul implicat în construcția suporturilor este eliminat împreună cu pulberea netopită substandard care nu a trecut operația de cernere.
• Reducerea costurilor pentru producerea produselor complexe, tk. nu este nevoie să fabricați echipamente scumpe.

Domenii de utilizare

• Productie de piese functionale pentru lucru ca parte a diferitelor unitati si ansambluri
• Fabricarea structurilor complexe, inclusiv a celor neseparabile care își modifică geometria în timpul funcționării, precum și având multe elemente în compoziția lor
• Productie de elemente de modelare a matritelor pentru turnarea prin injectie a materialelor termoplastice si usoare
• Realizarea de prototipuri tehnice pentru testarea designului produselor
• Crearea de inserții de formare pentru turnarea la rece
• Productie de proteze si implanturi dentare individuale
• Realizarea de timbre.

Cum functioneaza

Procesul de imprimare începe cu împărțirea modelului digital 3D al produsului în straturi cu o grosime de 20 până la 100 de microni pentru a crea o imagine 2D a fiecărui strat al produsului. Formatul standard al industriei este fișierul STL. Acest fișier intră într-un software special al mașinii, unde informațiile sunt analizate și comparate cu capacitățile tehnice ale mașinii.

Pe baza datelor primite, se lansează un ciclu de producție de construcție, constând din mai multe cicluri de construire a straturilor individuale ale produsului.

Ciclul de construcție a stratului constă în operații tipice:

1. aplicarea unui strat de pulbere cu o grosime predeterminată (20-100 um) pe o placă de construcție fixată pe o platformă de construcție încălzită;
2. scanarea cu fascicul laser a secțiunii stratului produsului;
3. coborârea platformei adânc în puțul de construcție cu o cantitate corespunzătoare grosimii stratului de construcție.

Procesul de construcție a produselor are loc în camera mașinii SLM, umplută cu un gaz inert argon sau azot (în funcție de tipul de pulbere din care este realizată construcția), cu fluxul său laminar. Consumul principal de gaz inert are loc la începutul lucrului, când camera de construcție este purjată, când aerul este complet îndepărtat din aceasta (conținutul de oxigen permis este mai mic de 0,15%).

După construcție, produsul, împreună cu placa, este scos din camera mașinii SLM, după care produsul este separat mecanic de placa. Suporturile sunt îndepărtate din produsul construit, iar produsul finit este terminat.

Absența aproape completă a oxigenului evită oxidarea consumabilului, ceea ce face posibilă imprimarea cu materiale precum titanul.

materiale

Cele mai populare materiale sunt metale pulbere și aliaje, inclusiv oțel inoxidabil, oțel pentru scule, aliaje de cobalt-crom, aliaje de titan, titan, aluminiu, aur, platină etc.

Produse realizate de mașini 3D SLM Solutions

Produse realizate de mașini Realizer 3D

Video: folosind tehnologia SLM

Continuăm să luăm în considerare tehnologiile de imprimare 3d existente și caracteristicile acestora. Urmează următoarele metode de imprimare 3D:

Sinterizarea directă cu laser a metalelor (DMLS)

În loc de DMLS (Direct Metal Laser Sintering), puteți vedea și numele SLM (Selective Laser Melting). Această tehnologie își datorează al doilea nume companiei germane EOS. Compania este unul dintre liderii în prototiparea strat cu strat. Am scris recent despre ultima lor dezvoltare - sinterizarea cu microlaser ().

Principalii consumatori ai tehnologiei sunt domeniile medicinei, industriei microelectronice și parțial.

Atunci când sunt fabricate folosind tehnologia DMLS, produsele au o grosime impresionantă a stratului de 1 - 5 nm, cu o dimensiune maximă a produsului de 60 mm în diametru și 30 mm în înălțime.
Procesul de fabricație al produsului se bazează pe curgerea liantului topit în golurile dintre particulele de pulbere sub acțiunea forțelor capilare. Pentru a îmbunătăți procesul de curgere, la amestecul de pulbere se adaugă compuși cu fosfor, reducând astfel tensiunea superficială, vâscozitatea și gradul de oxidare a topiturii. Particulele de pulbere de liant sunt în general mai mici ca dimensiuni decât particulele de pulbere de bază. Acest lucru ajută la creșterea densității în vrac a amestecului de pulbere și la accelerarea procesului de formare a topiturii.

Până în prezent, există următoarele materiale pentru imprimarea 3d folosind tehnologia DMLS:

• DirectMetal 20 (pulbere metalică pe bază de bronz)
• EOS StainlessSteel GP1 (Oțel inoxidabil, similar cu 1.4542 european)
• EOS MaragingSteel MS1 (Maraging Steel)
• EOS CobaltChrome MP1 (Superaliaj de cobalt-crom-molibden)
• EOS CobaltChrome SP2
• EOS Titanium Ti64 / Ti64ELI (aliaje de titan)
• EOS NickelAlloy IN625 (aliaj de nichel)
• EOS NickelAlloy IN718 (aliaj de nichel)
• EOS Aluminiu AlSi10Mg (aliaj de aluminiu)

Topirea cu fascicul de electroni (EBM)

Metoda de topire a fasciculului de electroni a apărut în pereții industriei aerospațiale. După aceea, a început să cucerească și sfera civilă. Materia de pornire în producție este pulberea metalică. De obicei, acestea sunt aliaje de titan.

Produsul este fabricat după cum urmează: cantitatea necesară de pulbere este turnată într-o cameră de vid, apoi un flux controlat de electroni „ocolește” conturul modelului strat cu strat și topește pulberea în aceste locuri. Acest lucru are ca rezultat o structură puternică. Datorită prezenței vidului și temperaturii generale ridicate, produsul final obține o rezistență similară cu cea a aliajelor forjate.

În comparație cu tehnologia DMLS și SLS, topirea cu fascicul de electroni nu necesită tratament termic ulterior pentru a obține o rezistență ridicată. De asemenea, această metodă este mai rapidă și mai precisă datorită densității mari de energie a fasciculului de electroni.

Lider în acest domeniu este compania suedeză Arcam.

Topire selectivă cu laser (SLM)

Tehnologia SLM este asemănătoare cu SLS, sunt chiar confuzi, pentru că. iar ici și colo se folosește pulbere metalică și un laser. Dar aceste tehnologii au diferențe cardinale. În metoda SLS, particulele de pulbere sunt sinterizate împreună, în timp ce în metoda SLM, particulele de pulbere metalică sunt topite și apoi sudate împreună pentru a forma un cadru rigid.

Procesul de realizare a modelelor este similar cu tehnologia SLS. Tot aici se aplică un strat de pulbere metalică pe zona de lucru și se rulează uniform peste el. Această lucrare este efectuată cu o rolă sau o perie. Fiecare înălțime a stratului corespunde unei anumite forme de produs. Întregul proces are loc într-o cameră etanșă cu un gaz inert. Un laser de mare putere se concentrează pe particulele de metal care se topesc și le sudură împreună. Produsul este obținut similar cu tehnologia FDM, pereții exteriori și interiori sunt un perete solid, sudat, iar spațiul dintre pereți este umplut conform șablonului.

Tehnologia SLM folosește diferite metale și aliaje. Cerința principală este ca atunci când sunt zdrobite până la starea de particule, acestea trebuie să aibă anumite caracteristici de curgere. De exemplu, sunt utilizate materiale precum oțel inoxidabil, oțel pentru scule, aliaje de crom și cobalt, titan și aluminiu.

Metoda este folosită acolo unde este necesar să existe o piesă cu o greutate minimă, păstrând în același timp caracteristicile acesteia.

Tehnologia este brevetată de Stratasys. În comparație cu alte tehnologii de imprimare 3d, PolyJet este singura care vă permite să realizați un model din diverse materiale. Acest lucru se realizează folosind o tehnologie unică pentru alimentarea mai multor materiale într-o singură trecere de imprimare. Acest lucru vă permite să plasați în mod selectiv diferite materiale în cadrul aceluiași produs sau să combinați două materiale, obținând astfel materiale digitale compozite cu proprietăți caracteristice previzibile.

Procesul de imprimare PolyJet este similar cu imprimarea convențională cu jet de cerneală. În loc să aplice cerneală pe hârtie, imprimantele 3D emit jeturi de fotopolimer lichid, care formează straturi în zona de lucru și se fixează cu radiații ultraviolete. Produsele întărite pot fi luate și folosite imediat, deoarece. nu este necesară nicio post-călire suplimentară, ca de exemplu în tehnologia SLA.

pentru că imprimarea se face in straturi, piesele surplombante necesita material suport. Pentru aceasta, se folosește un material auxiliar asemănător gelului, care se îndepărtează ușor cu apă sau manual.

Tehnologia vă permite să creați produse de înaltă precizie. Si datorita combinarii diferitelor materiale, prototipul se obtine cat mai aproape de produsul final din punct de vedere al caracteristicilor.

Tehnologiile de imprimare 3D discutate în cele două părți ale articolului nu sunt singurele, ci cele mai comune tehnologii. În articolul următor, vom lua în considerare materialele utilizate în aceste tehnologii, diferențele și caracteristicile acestora.

Arată ca SLS, uneori sunt chiar confuzi, dar totuși există diferențe cardinale. În timp ce în SLS particulele de pulbere sunt sinterizate împreună, aici particulele de metal sunt aduse într-o stare de topire și sudate împreună pentru a forma un cadru rigid.

Metoda își are rădăcinile în Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laserului, Germania(Fraunhofer-InstitutfürLasertechnik). În 1995, acolo s-a născut un proiect de cercetare, condus de Wilhelm Meiners și Kurt Wissenbach. Ulterior, acești oameni de știință și-au unit forțele cu Dietor Schwarz și Matthias Fokele de la F&S StereolithographietechnikGmbH, după care metoda a fost brevetată oficial. La începutul anilor 2000, F&S a început să colaboreze cu o altă companie germană, MCP HEK Gmbh. În cele din urmă, oamenii de știință menționați mai sus au condus companiile SLM SolutionsGmbh și RealizerGmbh, care au moștenit toate evoluțiile anterioare.

Construirea unui model începe cu pregătirea fișierului stl deja cunoscut de noi. Software-ul calculează un model 2D al fiecărui strat în trepte de obicei de 20 până la 100 de microni, adăugând structuri de sprijin după cum este necesar. Construcția fiecărui strat începe cu o distribuție uniformă a pulberii metalice pe întreaga zonă a substratului pe care modelul va „crește”. Această lucrare se realizează fie cu o rolă, fie cu o perie, asemănătoare cu un ștergător de parbriz. Fiecare strat corespunde unei scheme 2D. Întregul proces are loc într-o cameră etanșă specială umplută cu un gaz inert, cum ar fi argonul sau azotul cu impurități ultra-scăzute de oxigen. Sistemul de focalizare direcționează un laser de mare putere către particulele de metal, topindu-le și sudându-le împreună. Sudarea solidă are loc de-a lungul contururilor secțiunii, iar interiorul pereților obiectului poate fi sudat în conformitate cu modelul de umplere. Apropo, resturile de pulbere rămase de la fabricarea piesei pot fi refolosite pentru a imprima următorul model.

Materialele folosite includ oțel inoxidabil, oțel pentru scule, aliaje de crom și cobalt, titan, aluminiu. Se pot folosi și alte aliaje - principalul lucru este că, atunci când sunt zdrobite până la o stare de particule, au anumite caracteristici de curgere.

Modelarea 3D prin metoda SLM a intrat ferm în viața noastră. A redus semnificativ timpul necesar pentru fabricarea unei piese în comparație cu metodele tradiționale. Unele domenii ale producției de avioane, producția de petrol și medicină necesită componente atât de complexe care pur și simplu nu pot fi realizate în alt mod. Acest lucru este valabil mai ales pentru obiectele cu o suprafață mare și, în același timp, un volum mic. Imaginați-vă un radiator al oricărui sistem de răcire.

Topirea selectivă cu laser este indispensabilă în industria aerospațială unde există o luptă pentru fiecare gram - piesa trebuie să-și îndeplinească funcțiile și să fie durabilă, dar, în același timp, să aibă material numai în acele locuri de care nu se poate renunța.

În această recenzie, am încercat să prezint într-o formă populară informațiile de bază despre producția de produse metalice prin fabricarea aditivă cu laser, o metodă tehnologică relativ nouă și interesantă care a apărut la sfârșitul anilor 80 și a devenit astăzi o tehnologie promițătoare pentru scară mică. sau producția dintr-o singură piesă în domeniul medicinei, al aeronavelor - și al științei rachetelor.

Descrieți pe scurt principiul de funcționare al instalației pentru fabricarea aditivă folosind radiația laser poate fi după cum urmează. Dispozitivul de aplicare și nivelare a stratului de pulbere îndepărtează stratul de pulbere din alimentator și îl distribuie uniform pe suprafața substratului. După aceea, fasciculul laser scanează suprafața acestui strat de pulbere și formează produsul prin topire sau sinterizare. La sfârșitul scanării stratului de pulbere, platforma cu produsul fabricat este coborâtă cu grosimea stratului aplicat, iar platforma cu pulbere se ridică, iar procesul de aplicare a stratului de pulbere și scanarea se repetă. După finalizarea procesului, platforma cu produsul este ridicată și curățată de pulberea nefolosită.

Una dintre componentele principale în instalațiile de fabricație aditivă este sistemul laser, care utilizează lasere cu CO 2 , Nd:YAG, fibre de itterbiu sau disc. S-a stabilit că utilizarea laserelor cu lungimea de undă de 1-1,1 μm pentru încălzirea metalelor și carburilor este de preferat, deoarece acestea absorb radiația generată de laser cu 25-65%. În același timp, utilizarea unui laser CO 2 cu o lungime de undă de 10,64 µm este cea mai potrivită pentru materiale precum polimerii și ceramica oxidică. Capacitatea de absorbție mai mare permite creșterea adâncimii de penetrare și variarea parametrilor procesului într-un interval mai larg. De obicei, laserele utilizate în fabricarea aditivă funcționează continuu. În comparație cu acestea, utilizarea laserelor care funcționează într-un mod pulsat și într-un mod Q-switched datorită energiei lor ridicate a impulsului și duratei scurte a impulsului (nanosecunde) face posibilă îmbunătățirea rezistenței legăturii dintre straturi și reducerea zona afectata de caldura. In concluzie, se poate observa ca caracteristicile sistemelor laser utilizate se incadreaza in urmatoarele limite: putere laser - 50-500 W, viteza de scanare pana la 2 m/s, viteza de pozitionare pana la 7 m/s, diametru spot focalizat. - 35-400 μm.

Pe lângă laser, încălzirea cu fascicul de electroni poate fi folosită ca sursă de încălzire a pulberii. Această opțiune a fost propusă de Arcam și implementată în instalațiile sale în 1997. O instalație cu un tun cu fascicul de electroni se caracterizează prin absența pieselor în mișcare, deoarece fasciculul de electroni este focalizat și direcționat folosind un câmp magnetic și deflectoare și crearea unui vidul din cameră are un efect pozitiv asupra calității produselor.

Una dintre condițiile importante în fabricarea aditivă este crearea unui mediu protector care previne oxidarea pulberii. Argonul sau azotul sunt folosite pentru a îndeplini această condiție. Cu toate acestea, utilizarea azotului ca gaz protector este limitată, datorită posibilității formării de nitruri (de exemplu, AlN, TiN în fabricarea produselor din aliaje de aluminiu și titan), care duc la scăderea plasticității materialul.

În funcție de caracteristicile procesului de compactare a materialului, metodele de fabricație aditivă cu laser pot fi împărțite în sinterizare laser selectivă (sinterizare laser selectivă (SLS)), sinterizare laser indirectă a metalelor (IMLS)), sinterizare laser directă a metalelor (Direct Metal Laser Sintering (IMLS)). Sinterizarea cu laser a metalelor (DMLS) și topirea selectivă cu laser (Topirea selectivă cu laser (SLM)). În prima variantă, compactarea stratului de pulbere are loc datorită sinterizării în fază solidă. În al doilea caz, datorită impregnării cadrului poros format anterior prin radiație laser cu un liant. Sinterizarea directă cu laser a metalelor se bazează pe compactarea prin mecanismul sinterizării în fază lichidă datorită topirii unei componente fuzibile într-un amestec de pulberi. În ultima versiune, compactarea are loc datorită topirii și împrăștierii complete a topiturii. Este de remarcat faptul că această clasificare nu este universală, deoarece un tip de proces de fabricare aditivă poate prezenta mecanisme de compactare care sunt caracteristice altor procese. De exemplu, DMLS și SLM pot experimenta sinterizarea în stare solidă, care are loc cu SLS, în timp ce SLM poate experimenta sinterizarea în fază lichidă, care este mai caracteristică DMLS.

Sinterizarea selectivă cu laser (SLS)

Sinterizarea selectivă cu laser în fază solidă nu a devenit larg răspândită, deoarece pentru un flux mai complet de difuzie volumetrică și de suprafață, flux vâscos și alte procese care apar în timpul sinterizării pulberii, este necesară o expunere relativ lungă la radiația laser. Acest lucru duce la funcționarea pe termen lung a laserului și la o productivitate scăzută a procesului, ceea ce face ca acest proces să nu fie fezabil din punct de vedere economic. În plus, există dificultăţi în menţinerea temperaturii procesului în intervalul dintre punctul de topire şi temperatura de sinterizare în stare solidă. Avantajul sinterizării selective cu laser în fază solidă este posibilitatea utilizării unei game mai largi de materiale pentru fabricarea produselor.

Sinterizarea indirectă a metalelor cu laser (IMLS)

Un proces numit „sinterizare indirectă cu laser a metalelor” a fost dezvoltat de DTMcorp din Austin în 1995, care este deținut de 3D Systems din 2001. Procesul IMLS folosește un amestec de pulbere și polimer sau pulbere acoperită cu polimer, în care polimerul acționează ca un liant și oferă rezistența necesară pentru un tratament termic suplimentar. În etapa de tratament termic, polimerul este distilat, cadrul este sinterizat, iar cadrul poros este impregnat cu un metal liant, în urma căruia se obține un produs finit.

Pentru IMLS, se pot utiliza pulberi atât din metale, cât și din ceramică sau amestecuri ale acestora. Prepararea unui amestec de pulbere cu un polimer se realizează prin amestecare mecanică, în timp ce conținutul de polimer este de aproximativ 2-3% (în greutate), iar în cazul utilizării unei pulberi acoperite cu un polimer, grosimea stratului. pe suprafața particulei este de aproximativ 5 μm. Ca liant, se folosesc rășini epoxidice, sticlă lichidă, poliamide și alți polimeri. Temperatura de distilare a polimerului este determinată de temperatura sa de topire și descompunere și are o medie de 400-650 o C. După distilarea polimerului, porozitatea produsului înainte de impregnare este de aproximativ 40%. În timpul impregnării, cuptorul este încălzit cu 100-200 0 C peste punctul de topire al materialului de impregnare, deoarece odată cu creșterea temperaturii unghiul de umectare scade și vâscozitatea topiturii scade, ceea ce afectează favorabil procesul de impregnare. De obicei, impregnarea produselor viitoare se realizează într-un rambleu cu oxid de aluminiu, care joacă rolul unui cadru de susținere, deoarece în perioada de la distilarea polimerului până la formarea de contacte puternice între particule, există riscul distrugerii. sau deformarea produsului. Protecția împotriva oxidării este organizată prin crearea unui mediu inert sau reducător în cuptor. Pentru impregnare, puteți utiliza o varietate destul de mare de metale și aliaje care îndeplinesc următoarele condiții. Materialul pentru impregnare ar trebui să fie caracterizat printr-o absență completă sau o interacțiune interfacială nesemnificativă, un unghi mic de umectare și un punct de topire mai mic decât cel al bazei. De exemplu, dacă componentele interacționează între ele, atunci pot apărea procese nedorite în timpul procesului de impregnare, cum ar fi formarea mai multor compuși refractari sau soluții solide, care pot duce la oprirea procesului de impregnare sau pot afecta negativ proprietățile și dimensiunile. a produsului. De obicei, bronzul este folosit pentru a impregna cadrul metalic, în timp ce contracția produsului este de 2-5%.

Unul dintre dezavantajele IMLS este incapacitatea de a controla conținutul fazei refractare (material de bază) pe o gamă largă. Deoarece procentul său în produsul finit este determinat de densitatea în vrac a pulberii, care, în funcție de caracteristicile pulberii, poate fi de trei sau mai multe ori mai mică decât densitatea teoretică a materialului pulbere.

Materiale și proprietățile lor utilizate pentru IMLS

Sinterizarea directă cu laser a metalelor (DMLS)

Procesul de sinterizare directă cu laser a metalelor este similar cu IMLS, dar diferă prin faptul că în locul unui polimer sunt utilizate aliaje sau compuși cu un punct de topire scăzut și, de asemenea, nu există o operație tehnologică precum impregnarea. Conceptul DMLS s-a bazat pe compania germană EOS GmbH, care a creat în 1995 o instalație comercială pentru sinterizarea directă cu laser a unui sistem de pulbere oțel-bronz. Producerea diferitelor produse prin metoda DMLS se bazează pe fluxul topiturii de liant format în golurile dintre particule sub acțiunea forțelor capilare. În același timp, pentru finalizarea cu succes a procesului, la amestecul de pulbere se adaugă compuși cu fosfor, care reduc tensiunea superficială, vâscozitatea și gradul de oxidare a topiturii, îmbunătățind astfel umectarea. Pulberea folosită ca liant este de obicei mai mică decât pulberea de bază, deoarece aceasta crește densitatea în vrac a amestecului de pulbere și accelerează procesul de formare a topiturii.

Materialele și proprietățile lor utilizate pentru DMLS de către EOS GmbH

Topire selectivă cu laser (SLM)

Îmbunătățirea ulterioară a instalațiilor de producție aditivă este asociată cu apariția posibilității de a utiliza un laser mai puternic, un diametru mai mic al punctului de focalizare și aplicarea unui strat mai subțire de pulbere, ceea ce a făcut posibilă utilizarea SLM pentru fabricarea de produse din diferite metale și aliaje. De obicei, produsele obținute prin această metodă au o porozitate de 0-3%.
Ca și în metodele discutate mai sus (IMLS, DMLS), umectarea, tensiunea superficială și vâscozitatea topiturii joacă un rol important în procesul de fabricație a produselor. Unul dintre factorii care limitează utilizarea diferitelor metale și aliaje pentru SLM este efectul de „formare a bilei” sau sferoidizare, care se manifestă sub forma formării de picături situate separat unele de altele, și nu sub forma unei căi de topire continuă. Motivul pentru aceasta este tensiunea superficială sub acțiunea căreia topitura tinde să reducă energia de suprafață liberă prin formarea unei matrițe cu o suprafață minimă, adică. minge. În acest caz, efectul Marangoni se observă în banda de topitură, care se manifestă sub formă de fluxuri convective datorate gradientului de tensiune superficială în funcție de temperatură, iar dacă fluxurile convective sunt suficient de puternice, atunci banda de topire este împărțită. în picături separate. De asemenea, o picătură de topitură, sub acțiunea tensiunii superficiale, atrage particulele de pulbere din apropiere în sine, ceea ce duce la formarea unei gropi în jurul picăturii și, în cele din urmă, la creșterea porozității.

Sferoidizarea oțelului M3/2 în condiții SLM suboptime

Efectul sferoidizării este facilitat și de prezența oxigenului, care, dizolvându-se în metal, crește vâscozitatea topiturii, ceea ce duce la o deteriorare a împrăștierii și umectabilității topiturii sub stratul dedesubt. Din motivele de mai sus, nu este posibil să se obțină produse din metale precum staniul, cuprul, zincul și plumbul.

Trebuie remarcat faptul că formarea unei benzi de topitură de înaltă calitate este asociată cu căutarea gamei optime de parametri ai procesului (puterea radiației laser și viteza de scanare), care este de obicei destul de îngustă.

Influența parametrilor Gold SLM asupra calității straturilor formate

Un alt factor care afectează calitatea produselor este apariția tensiunilor interne, a căror prezență și amploare depind de geometria produsului, viteza de încălzire și răcire, coeficientul de dilatare termică și modificările de fază și structurale ale metalului. Tensiunile interne semnificative pot duce la deformarea produselor, formarea de micro și macrofisuri.

Reduceți parțial impactul negativ al factorilor menționați mai sus prin utilizarea elementelor de încălzire, care sunt de obicei situate în interiorul instalației în jurul substratului sau al alimentatorului de pulbere. Încălzirea pulberii face, de asemenea, posibilă eliminarea umezelii adsorbite de pe suprafața particulelor și, prin urmare, reducerea gradului de oxidare.

În topirea selectivă cu laser a metalelor precum aluminiul, cuprul, aurul, reflectivitatea lor ridicată nu este lipsită de importanță, ceea ce necesită utilizarea unui sistem laser puternic. Dar creșterea puterii fasciculului laser poate afecta negativ acuratețea dimensională a produsului, deoarece, dacă pulberea este încălzită excesiv, se va topi și se va sinteriza în afara punctului laser din cauza transferului de căldură. O putere mare a laserului poate duce, de asemenea, la o modificare a compoziției chimice ca urmare a evaporării metalului, care este caracteristică în special aliajelor care conțin componente cu punct de topire scăzut și au o presiune de vapori ridicată.

Proprietățile mecanice ale materialelor obținute prin metoda SLM (EOS GmbH)

Dacă produsul obținut prin una dintre metodele de mai sus are porozitate reziduală, atunci, dacă este necesar, se folosesc operațiuni tehnologice suplimentare pentru a crește densitatea acestuia. În acest scop se folosesc metode de metalurgie a pulberilor - sinterizarea sau presarea izostatică la cald (HIP). Sinterizarea face posibilă eliminarea porozității reziduale și îmbunătățirea proprietăților fizice și mecanice ale materialului. În același timp, trebuie subliniat faptul că proprietățile formate ale materialului în timpul sinterizării sunt determinate de compoziția și natura materialului, de dimensiunea și numărul de pori, de prezența defectelor și de mulți alți factori. HIP este un proces în care o piesă de prelucrat plasată într-un gazostat este compactată sub acțiunea temperaturii ridicate și a compresiei cuprinzătoare cu un gaz inert. Presiunea de funcționare și temperatura maximă atinsă de gazostat depind de proiectarea și volumul acestuia. De exemplu, un gaz cu dimensiunea camerei de lucru de 900x1800 mm este capabil să dezvolte o temperatură de 1500 o C și o presiune de 200 MPa. Utilizarea HIP pentru a elimina porozitatea fără utilizarea unui înveliș etanș este posibilă dacă porozitatea nu este mai mare de 8%, deoarece la o valoare mai mare, gazul va intra în produs prin pori, prevenind astfel compactarea. Este posibil să se excludă pătrunderea gazului în produs prin fabricarea unei carcase ermetice din oțel care repetă forma suprafeței produsului. Cu toate acestea, produsele obținute prin fabricarea aditivă au în general o formă complexă, ceea ce face imposibilă fabricarea unei astfel de învelișuri. În acest caz, pentru etanșare poate fi folosit un recipient sigilat evacuat, în care produsul este plasat într-un mediu liber (Al 2 O 3 , BN hex, grafit), care transferă presiunea către pereții produsului.

După fabricarea aditivă prin metoda SLM, materialele se caracterizează prin anizotropie a proprietăților, rezistență crescută și ductilitate redusă datorită prezenței tensiunilor reziduale. Pentru a elimina tensiunile reziduale, a obține o structură mai echilibrată, a crește vâscozitatea și plasticitatea materialului, se efectuează recoacerea.

Conform datelor de mai jos, se poate observa că produsele obținute prin topire selectivă cu laser sunt, în unele cazuri, mai puternice decât produsele turnate cu 2-12%. Acest lucru poate fi explicat prin dimensiunea mică a boabelor și a componentelor microstructurale, care se formează ca urmare a răcirii rapide a topiturii. Suprarăcirea rapidă a topiturii crește semnificativ numărul de nuclee în fază solidă și reduce dimensiunea critică a acestora. În acest caz, cristalele care cresc rapid pe embrioni, în contact unele cu altele, încep să împiedice creșterea lor ulterioară, formând astfel o structură cu granulație fină. Nucleele de cristalizare sunt de obicei incluziuni nemetalice, bule de gaz sau particule eliberate din topitură cu solubilitatea lor limitată în faza lichidă. Și în cazul general, conform relației Hall-Petch, cu o scădere a mărimii granulelor, rezistența metalului crește datorită rețelei dezvoltate de limite de cereale, care este o barieră eficientă în mișcarea dislocațiilor. De remarcat că, datorită compoziției chimice diferite a aliajelor și proprietăților acestora, precum și condițiilor SLM, fenomenele mai sus menționate care apar în timpul răcirii topiturii se manifestă cu intensitate diferită.

Proprietățile mecanice ale materialelor obținute prin SLM și turnare

Desigur, asta nu înseamnă că produsele obținute prin topirea selectivă cu laser sunt mai bune decât produsele obținute prin metode tradiționale. Datorită flexibilității mari a metodelor tradiționale de producere a produselor, este posibil să se varieze proprietățile produsului într-o gamă largă. De exemplu, folosind metode precum schimbarea condițiilor de temperatură de cristalizare, alierea și introducerea modificatorilor în topitură, ciclul termic, metalurgia pulberilor, prelucrarea termomecanică etc., se poate obține o creștere semnificativă a proprietăților de rezistență ale metalelor și aliajelor.

Un interes deosebit este utilizarea oțelului carbon pentru fabricarea aditivă, deoarece este ieftin și are un complex mare de proprietăți mecanice ale materialului. Se știe că odată cu creșterea conținutului de carbon din oțel, fluiditatea și umectarea acestuia se îmbunătățesc. Datorită acestui fapt, se pot obține produse simple care conțin 0,6-1% C cu o densitate de 94-99%, în timp ce în cazul utilizării fierului pur, densitatea este de aproximativ 83%. În procesul de topire selectivă cu laser a oțelului carbon, pista de topire în timpul răcirii rapide este stinsă și călită pe o structură de troostită sau sorbită. Totodată, din cauza tensiunilor termice și transformărilor structurale, în metal pot apărea solicitări semnificative, care duc la lesa produsului sau la formarea de fisuri. Geometria produsului este, de asemenea, importantă, deoarece tranzițiile ascuțite de-a lungul secțiunii, razele mici de curbură și marginile ascuțite sunt cauza fisurilor. Dacă, după „imprimare”, oțelul nu are un anumit nivel de proprietăți mecanice și trebuie supus unui tratament termic suplimentar, atunci va fi necesar să se țină seama de restricțiile menționate anterior privind forma produsului pentru pentru a evita apariția defectelor de întărire. Acest lucru reduce oarecum perspectivele utilizării SLM pentru oțelurile carbon.
La producerea produselor prin metode tradiționale, una dintre modalitățile de evitare a fisurilor și a leziunilor în timpul întăririi produselor de formă complexă este utilizarea oțelurilor aliate, în care elementele de aliere prezente, pe lângă creșterea proprietăților mecanice și fizico-chimice, întârzie transformarea austenita la răcire, având ca rezultat o scădere a vitezei critice de întărire și crește capacitatea de călire a oțelului aliat. Datorită vitezei critice scăzute de călire, oțelul poate fi călit în ulei sau în aer, ceea ce reduce nivelul tensiunilor interne. Cu toate acestea, din cauza eliminării rapide a căldurii, a imposibilității controlului vitezei de răcire și a prezenței carbonului în oțelul aliat, această tehnică nu permite evitarea apariției unor tensiuni interne semnificative în timpul topirii selective cu laser.

În legătură cu caracteristicile menționate mai sus, pentru SLM se folosesc oțeluri martensitice (MS 1, GP 1, PH 1), în care se realizează călirea și creșterea durității datorită precipitării fazelor intermetalice dispersate în timpul tratamentului termic. Aceste oțeluri conțin o cantitate mică de carbon (sutimi de procente), drept urmare rețeaua de martensită formată în timpul răcirii rapide se caracterizează printr-un grad scăzut de distorsiune și, în consecință, are o duritate scăzută. Duritatea scăzută și ductilitatea mare a martensitei asigură relaxarea tensiunilor interne în timpul călirii, iar conținutul ridicat de elemente de aliere permite oțelului să fie recoacet la o adâncime mare la aproape orice viteză de răcire. Ca rezultat, produse complexe pot fi produse și tratate termic cu SLM fără teama de fisurare sau deformare. Pe lângă oțelurile maraging, pot fi utilizate unele oțeluri inoxidabile austenitice, cum ar fi 316L.

În concluzie, se poate observa că acum eforturile oamenilor de știință și inginerilor vizează un studiu mai detaliat al influenței parametrilor procesului asupra structurii, mecanismului și caracteristicilor compactării diferitelor materiale sub acțiunea radiației laser pentru a îmbunătățește proprietățile mecanice și crește gama de materiale potrivite pentru fabricarea aditivă cu laser.