*Титульное фото. Филигранные ювелирные украшения из титана марки BT6, напечатанные 46 на 3D-принтере E-Plus3D EP-M260.
Общие сведения о SLM-печати
В процессе 3D-печати по технологии SLM используется металлический порошок, который под воздействием направленного сфокусированного лазерного луча, перемещаемого в принтере с помощью сканатора по определенной программе, расплавляется до достижения однородной массы (рис. 1). Процесс плавления порошка осуществляется в бескислородной среде в рабочей камере 3D-принтера, которая наполняется инертным газом, таким как аргон или азот. Это предотвращает контакт металлического порошка с атмосферным воздухом и тем самым исключает риск окислительных процессов. Кроме того, использование инертной среды снижает вероятность возникновения взрывоопасной ситуации, так как распыленные в воздухе частицы порошка могут вступать в реакцию друг с другом. На рис. 2 в качестве примера приведен принтер модели E-Plus3D EP-M260, на котором были напечатаны ювелирные изделия из титана, представленные на титульном фото.
После завершения печати изделие подлежит термообработке, необходимой для снятия остаточных напряжений и достижения заданных физико-механических свойств. В последующем проводится удаление поддерживающих структур перед отправкой изделия на операции пескоструивания или мехобработки.
Производительность процесса в зависимости от выбранного материала, мощности принтера и количества одновременно используемых лазеров составляет от 20 до 1080 см3/ч. Производительность 3D-принтеров играет решающую роль в оценке их эффективности для решения различных промышленных и исследовательских задач. Она определяется множеством факторов, среди которых наиболее значимыми являются скорость печати, мощность лазера, геометрические характеристики области построения, а также трудоемкость постобработки.
Скорость печати представляет собой основной параметр, непосредственно влияющий на продуктивность работы 3D-принтера. Данный показатель, в свою очередь, зависит от ряда факторов, наиболее важными из которых являются мощность используемого лазера и их количество в системе. Принтеры с несколькими лазерами способны одновременно обрабатывать разные участки материала, что значительно сокращает время цикла и тем самым увеличивает общую производительность.
Область построения определяет максимальные размеры изделий, которые могут быть произведены с использованием выбранного принтера. Оборудование с большой камерой построения позволяет печатать как габаритные изделия, так и мелкие, но более крупными партиями. Большой объем постобработки, предназначенной для достижения требуемых характеристик изделия, таких как прочность и гладкость поверхности, может увеличить время, необходимое для завершения проекта, и снизить общую производительность системы.
Преимущества SLM-печати
Снижение веса изделия и топологическая оптимизация. SLM устраняет ограничения, характерные для традиционного производства (например, необходимость использования пресс-форм), обеспечивая инновационный дизайн и оптимизацию структуры деталей. Используя современные системы автоматизированного проектирования, инженеры могут производить более легкие и прочные изделия с оптимизированной формой, экономя материалы.
Быстрое прототипирование. SLM значительно ускоряет процесс тестирования деталей, позволяя вносить изменения в цифровую модель.
Разнообразие материалов. В данной АТ может использоваться широкий спектр металлов и сплавов, что обеспечивает оптимальный выбор материалов с необходимыми механическими, термическими и химическими свойствами.
Возможность печати решетчатых структур. SLM-печать позволяет изготавливать прочные, легкие конструкции с геометрией, недостижимой для традиционных технологий, включая сложные решетчатые структуры. В таком случае в изделии создаются открытые ячейки, состоящие из одной или нескольких повторяющихся элементарных ячеек, которые формируются из стоек, соединенных в определенных узлах.
Повторное использование материала. После печати порошок можно просеять, очистить от нагара и подвергнуть сушке для повторного применения в дальнейшей работе.
Недостатки технологии
Низкая чистота поверхности. Средняя шероховатость поверхности деталей (Ra), созданных с использованием SLM, составляет примерно 3,2–10 мкм, что значительно превышает значение для традиционно обработанных компонентов (0,4–1,6 мкм). Как следствие, такие детали часто требуют постобработки. В случае конструкций, где важна точная подгонка или динамическое взаимодействие элементов, может потребоваться слесарная обработка, что увеличивает трудоемкость процесса.
Усадка и коробление. Многие изделия, напечатанные на SLM-принтере, как, впрочем, и изготовленные мехобработкой, требуют обработки в печи, которая может вызвать коробление тонкостенных и удлиненных структур из-за остаточных напряжений. Это нежелательное явление можно свести к минимуму путем оптимизации режима термообработки.
Используемые материалы
Наиболее востребованными для SLM-печати видами металла являются сплавы титана, меди или никеля, алюминий и его сплавы, нержавеющая сталь и некоторые другие.
Титановый сплав TiAl6V4. Этот сплав характеризуется высокой прочностью, износостойкостью, коррозионной стойкостью. Он широко используется в аэрокосмической технике (для снижения веса), медицинской (для имплантатов), автомобилестроительной, энергетической и ювелирной отраслях.
Алюминиевый сплав AlSi10Mg. Обладает хорошим соотношением прочности и физической плотности, высокими показателями термо- и коррозионной стойкости, хорошей электропроводностью. Кроме того, AlSi10Mg отличается высокой теплопроводностью, что способствует быстрому снятию остаточных напряжений в напечатанных изделиях. Этот сплав используется в автомобильной и авиационной промышленности для производства легких деталей, в том числе сложной формы и подверженных высоким нагрузкам.
Медный сплав CuSn10. Обладает хорошей пластичностью, коррозионной стойкостью, тепло- и электропроводимостью. К его недостаткам относятся снижение прочности при высоких температурах и ограничения для использования в контакте с пищевыми продуктами. Основные области применения включают детали автомобилей, электрические соединители и детали, требующие эффективного отвода тепла.
Нержавеющая сталь марки 316L. Эта низкоуглеродная сталь обладает очень высокой прочностью, пластичностью и устойчивостью к коррозии. Применяется в аэрокосмической, медицинской и автомобильной отраслях для изготовления хирургического инструментария, компонентов машин и вспомогательных средств.
Никелево-хромовый сплав марки Inconel 718. Обеспечивает готовым изделиям высокую прочность, термостойкость до 700 °C и отличную коррозионную устойчивость. Сплав подходит для производства функциональных прототипов и высоконагруженных деталей в аэрокосмической и автомобильной отраслях промышленности, таких как компоненты реактивных двигателей и газовых турбин.
Рекомендации для 3D-печати по технологии SLM
Прецизионные детали. Для деталей, требующих высокой точности сборки с другими деталями конструкций (в случае допуска менее 50 мкм), следует оставлять припуск на последующую мехобработку, например на станках с ЧПУ, чтобы обеспечить лучшую посадку. Под припуском подразумевается дополнительный материал, заданный на этапах проектирования или печати, который может быть удален для корректировки размеров.
Минимальный зазор. Для достижения точного сопряжения деталей конструкции необходимо предусмотреть достаточный зазор между ними. Рекомендуемый минимальный зазор при SLM-печати составляет 0,2 мм со стороны каждой из деталей. Учет размеров деталей и их усадки критически важен для обеспечения необходимой посадки на сопрягаемых поверхностях. При этом важно избегать размещения поддерживающих структур в области сопряжений.
Резьбовые детали. Для создания резьбы на металлических деталях рекомендуется использовать ее нарезание вместо прямой 3D-печати. Это связано с тем, что прямая печать может привести к снижению качества резьбы из-за свойств металлического порошка в процессе плавления. Для минимизации этих рисков рекомендуется проектировать отверстия с заданным диаметром для последующей нарезки резьбы на станке с ЧПУ или вручную. Это позволит гарантировать гладкость и точность резьбы в соответствии с требованиями.
На рис. 3, а также на титульном фото приведены примеры некоторых изделий, напечатанных по технологии SLМ-печати. Так, ювелирные украшения из титанового сплава, показывают, насколько филигранными могут быть детали, напечатанные по данной АТ (см. титульное фото).
Заключение
Технология селективного лазерного плавления предоставляет широкие возможности для решения различных производственных задач и оптимизации процессов. Для разработки эффективной стратегии ее применения необходимо детальное понимание сильных и слабых сторон данной технологии. Это позволит максимально использовать ее преимущества и минимизировать затраты ресурсов.
Важно также учитывать специфику материалов, используемых в процессе SLM-печати, и особенности их взаимодействия с лазером. Кроме того, следует обратить внимание на возможные ограничения применения SLM-технологии в зависимости от конкретных условий производства.
Таким образом, глубокое понимание и грамотное использование всех аспектов технологии SLM позволит максимально раскрыть ее потенциал, что в свою очередь будет способствовать повышению конкурентоспособности производственных компаний. Освоение этой технологии на производстве после приобретения SLM-принтера и вспомогательного оборудования составляет, как показывает практика, не более двух-трех месяцев.
Опубликовано в журнале «Полимерные материалы» № 9 (304) 2024 г., с. 46-50.
