Когда речь заходит о 3D-печати, первым материалом, который приходит на ум, является пластик. Однако в зависимости от процесса печати используются различные формы полимеров.
Например, в машинах FDM используются нити, а принтеры на полимерных материалах работают с жидкими фоточувствительными смолами. В 3D-печати SLS применяют порошкообразные формы различных типов пластика, которые избирательно спекаются лазерным лучом.
SLM, или процесса селективного лазерного плавления становится всё более популярным, поскольку позволяет печатать из металла или металлических сплавов — материалов, которые сегодня востребованы на рынке.
Это обзор Top 3D Shop. В нём мы расскажем вам о технологии 3D-печати SLM, её истории, принципе работы и областях применения. Вы узнаете о преимуществах этой технологии и о том, чем она отличается от предшественника — селективного лазерного спекания. В конце обзора мы предоставим вам список лучших SLM 3D-принтеров, доступных на рынке. Приятного чтения!
История технологии селективного лазерного плавления.
Разработка технологии селективного лазерного спекания (SLS) началась в середине 1980-х годов. Её создали студент Техасского университета Карл Декард и его профессор доктор Джо Биман. Они запатентовали изобретение.
Для коммерциализации технологии была основана компания DTM. Первая система лазерного спекания Sinterstation 2000 появилась на рынке в 1992 году. А в 1994 году немецкая компания EOS GmbH выпустила вторую коммерческую систему SLS — EOSINT (P) 350.
Обе системы стали успешными, и производители продолжили исследования и разработку решений для печати металлом. Так, компания DTM создала косвенный метод «RapidTool», который использовал металлический порошок, покрытый полимером. Этот метод позволял 3D-печатать детали, которые затем отжигали в печи.
Компания EOS сотрудничала с финской компанией Electrolux Rapid Development (ERD). В 1995 году появилась система EOSINT M 250, которая использовала порошок на основе бронзы и никеля. Технология получила название DMLS (Direct Metal Laser Sintering), что означает «прямое лазерное спекание металла».
Печать металлическими порошками оказалась очень перспективной по сравнению с традиционными методами производства. С 1995 года немецкие компании, такие как EOS, институты Fraunhofer ILT и IPT, Fockele & Schwarze и другие, начали совместный проект по развитию процесса DMLS (Direct Metal Laser Sintering).
С тех пор технология быстро развивалась, и сегодня многие производители предлагают 3D-принтеры PBF (Powder Bed Fusion), которые основаны на процессе плавления металлических порошков лазерным лучом. Эта технология может иметь разные названия в зависимости от производителя: Direct Metal Laser Melting (DMLM) от Concept Laser, Laser Metal Fusion (LMF) от Trumpf и Sisma, Direct Metal Printing (DMP) от 3D Systems или Selective Laser Melting (SLM), который используется разными производителями.
Технология селективного лазерного плавления
Прежде чем перейти к списку лучших моделей, давайте обсудим основные принципы технологии SLM (Selective Laser Melting) и ключевые моменты, связанные с ней.
Что такое SLM 3D-печать?
Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) — это метод аддитивного производства, при котором металлический порошок расплавляется лазерным лучом высокой мощности. Расплавление происходит избирательно, в соответствии с трёхмерной моделью, созданной в формате CAD (Computer-Aided Design). Благодаря этому слой за слоем формируется однородная деталь с заданными характеристиками.
Тип лазера
3D-принтеры SLM оснащены лазером или лазерами, которые плавят металлический порошок. От мощности и качества лазерного луча зависит точность детали, скорость печати и эффективность всего процесса.
Первые системы SLM использовали тот же тип лазерного оборудования, что и машины для лазерной резки и сварки. Однако сейчас некоторые современные 3D-принтеры SLM используют более совершенные волоконные или дисковые лазеры с высоким качеством луча и короткой длиной волны. Это позволяет добиться лучшего поглощения лазерного излучения, большей эффективности использования мощности и более быстрой печати.
Камера с инертным газом
В процессе печати рабочая камера заполняется инертным газом — аргоном или азотом — в зависимости от используемого порошка. Больше всего инертного газа расходуется в начале печати, когда из рабочей камеры полностью удаляется воздух. Поскольку в камере отсутствует кислород, это предотвращает окисление металла, что позволяет использовать такие материалы, как титан или алюминий.
Опорные конструкции
В отличие от SLS-принтеров, способных печатать без поддержки, технология селективного лазерного сплавления (SLM) использует тот же процесс порошкового слоя, но требует создания структур поддержки для отвода тепла от расплавленных элементов. Это позволяет избежать деформации моделей с пустотами и выступающими частями.
Принцип работы селективного лазерного плавления
Процесс печати начинается с создания 3D-модели и файла в формате STL, который отправляется на принтер.
Перед началом печати рабочая камера заполняется металлическим порошком, который часто предварительно нагревается. Когда все готово, тонкий слой порошка наносится на рабочую платформу при помощи специального ролика.
Затем лазерный луч начинает выборочно плавить порошок, создавая первый слой будущей детали.
Затем рабочая платформа немного опускается, и поверх первого слоя наносится новый слой металлического порошка. Этот новый слой также плавится и соединяется с предыдущим. Эти действия повторяются до тех пор, пока не будет построен последний слой и деталь не будет полностью готова.
После этого модель должна остыть внутри рабочей камеры. Затем её можно извлечь и механически отделить от рабочей поверхности.
Структуры поддержки также удаляются, и модель готова к использованию. Однако может потребоваться дополнительная обработка, поскольку поверхность деталей, созданных методом селективного лазерного плавления (SLM), может быть немного шероховатой.
Технические характеристики SLM 3D-печати
Фото: r-riparabile.com
3D-принтеры SLM значительно отличаются по объёму создаваемых деталей, точности и другим параметрам. В этой статье мы рассмотрим основные характеристики, которые свойственны большинству машин SLM.
Процесс печати осуществляется с помощью порошкового наплавления (PBF). Источником энергии в данном случае является лазер.
В качестве материалов для печати используются порошкообразные металлы и металлические сплавы, керамика, композиты.
Высота слоя при печати составляет от 20 до 100 микрон. Относительная плотность создаваемых деталей может достигать 99,9%.
Максимальный размер создаваемых деталей по осям X, Y и Z составляет 800 мм.
Применение SLM 3D-печати
Технология, о которой идёт речь, является одной из лучших для производства тонкостенных деталей сложной геометрии, которые устойчивы к давлению и высоким температурам. Поэтому она нашла широкое применение в различных областях, таких как машиностроение, авиакосмическая и автомобильная промышленность, энергетика, медицина и другие.
Изначально эта технология использовалась в основном для быстрого производства инструментов. Однако сегодня 3D-печать методом SLM помогает создавать:
функциональные детали для различных узлов и агрегатов;
сложные конструкции с подвижными частями;
литейную оснастку, стержни и детали матриц термопластавтоматов;
прототипы;
вставки для форм при литье под давлением;
запасные части;
индивидуальные протезы и имплантаты;
стоматологические аппараты;
модели ювелирных изделий и многое другое.
Преимущества SLM 3D-печати
Отсутствие ограничений в дизайне
SLM-технология позволяет создавать полностью функциональные сложные модели с внутренними полостями и каналами для охлаждения.
Снижение веса деталей
Благодаря рациональному распределению нагрузки и применению внутренних рёбер, полостей и решетчатых структур, модели могут быть существенно легче, не теряя при этом своих механических свойств.
Сокращение цикла НИОКР
Использование 3D-печати методом селективного лазерного плавления (SLM) позволяет значительно уменьшить производственный цикл по сравнению с традиционными методами производства.
Снижение затрат
После печати детали можно просеять, чтобы отделить неплавленый материал и использовать его повторно, что также уменьшает количество отходов. Кроме того, для 3D-печати не требуется дорогостоящее оборудование, используемое в традиционном производстве.
Широкий выбор материалов
Технология SLM предоставляет вам широкий выбор металлов и сплавов в зависимости от ваших потребностей. Кроме того, вы можете использовать керамику и композитные материалы для печати.
Проблемы процесса SLM
Постобработка
Минимальная постобработка
Этот этап включает в себя промывку детали и удаление структур поддержки, которые были созданы во время печати. Для металлических деталей часто требуется термическая обработка, чтобы достичь окончательной относительной плотности и устранить остаточные напряжения. Кроме того, может потребоваться пескоструйная обработка или другие методы для улучшения поверхности детали.
Пористость
Во время печати в модели могут образовываться поры — крошечные отверстия, которые снижают прочность детали и могут привести к её растрескиванию. Чтобы минимизировать риск, рекомендуется использовать высококачественные порошки с одинаковыми по размеру и форме частицами.
Остаточные напряжения
Температурные колебания могут вызвать остаточные напряжения в печатной детали, так как она расширяется и сжимается в процессе печати. Предварительный нагрев материала и рабочей камеры помогает снизить риск возникновения остаточных напряжений. Кроме того, их можно устранить при нагреве готовой детали во время этапа постобработки.
Лучшие SLM 3D-принтеры
Теперь давайте рассмотрим лучшие SLM 3D-принтеры на рынке в 2024 году:
HBD-150
HBD-150 — это доступный 3D-принтер для работы с металлом, который отличается улучшенной настройкой и множеством вспомогательных устройств для экономичной и удобной автоматической 3D-печати.
Этот принтер особенно хорош для цифровой стоматологии благодаря компактному круглому объёму сборки 159 x 159 x 150 мм. Он обладает впечатляющей скоростью сканирования 10000 мм/с, удобным многоцелевым программным обеспечением и лёгким доступом к области печати, а также открытым кодом управления и открытой системой профилей, что позволит клиенту самостоятельно настраивать профили под новые материалы
Набор продуманных функций безопасности, таких как система обнаружения открывания дверей, очистка атмосферы и автоматический мониторинг содержания кислорода, создаёт безопасную и приятную рабочую среду.
Также существует версия 150D, которая отличается увеличенной мощностью лазера.
Плюсы:
Совместимость с различными металлическими сплавами и некоторыми драгоценными металлами.
Усовершенствованная переработка, очистка и сбор порошков.
Световые индикаторы состояния в режиме реального времени.
Надежные механизмы безопасности.
Экономичное применение в стоматологии.
Минусы:
Ограниченный объем сборки для более крупных проектов.
Составление управляющей программы через 2 ПО.
HBD-200
Если предыдущая модель вас не устраивает, то улучшенная HBD-200 будет оптимальным выбором. Она обладает увеличенным объёмом сборки – 270 х 170 х 150 мм – и двумя лазерами мощностью 200 Вт, что позволяет решать больше задач.
Мощная система SCANLAB galvo с минимальной шириной сканирующего трека 40 микрометров обеспечивает высокую точность – до 0,05 мм. Это делает её идеальным решением для различных отраслей, включая инженерию, медицину, ювелирное дело, научные исследования и другие.
Для безопасной и стабильной среды печати титана машина оснащена независимой системой очистки атмосферы, герметичной структурой с перчатками и удобным интерфейсом для управления порошком без открытия камеры. Кроме того, все устройства HBD имеют функции безопасности, упомянутые ранее.
Плюсы:
Двойной гальванометр гарантирует высокую точность и богатую детализацию напечатанных изделий.
Доступность для пользователей с разным уровнем навыков.
Система работает с широким выбором металлических порошков.
Удобная рабочая среда для пользователя.
Умное управление порошком.
Минусы:
Нижняя подача порошкового материала.
3D-принтер 3DLAM Max
3DLAM Maxi — это инновационный промышленный 3D-принтер для печати металлом. Он идеально подходит для использования в таких отраслях, как авиация, медицина и машиностроение, благодаря своей высокой производительности, точности и возможности удалённого мониторинга. Этот принтер станет отличным выбором для профессионалов, стремящихся улучшить свои производственные процессы и повысить качество выпускаемой продукции.
Особенности:
Высокая точность и качество печати: Толщина слоя от 20 мкм и мощный волоконный лазер обеспечивают высокую точность печати.
Большая область печати: Цилиндрическая камера с диаметром 315 мм и высотой до 350 мм позволяет печатать крупные и сложные детали.
Эффективная система рециркуляции газа: Поддерживает чистоту камеры печати и улучшает качество изделий.
Удаленное управление: Возможность дистанционного управления и мониторинга через интернет.
Простое и мощное ПО: Интуитивное программное обеспечение с предустановленными профилями для различных материалов.
Надежность и долговечность: Шарико-винтовые передачи высокого класса точности обеспечивают стабильность и качество печати.
Преимущества:
Высокая точность и детализация: Подходит для создания сложных инженерных деталей и прототипов.
Широкий выбор материалов: Поддержка множества металлических порошков, включая нержавеющую сталь, титан и кобальт-хром.
Удаленное управление: Удобство контроля за процессом печати из любой точки мира.
Экономия материалов: Система рециркуляции позволяет повторно использовать неизрасходованный порошок.
Недостатки:
Высокая стоимость: Принтер и расходные материалы могут быть недоступны для малого бизнеса.
Требовательность к установке: Значительные размеры и вес требуют специального помещения для установки.
Шумность: Принтер может быть шумным в процессе работы.
Заключение
Очевидно, что селективное лазерное плавление (SLM) — это передовая и многообещающая технология, которая формирует будущее производства. Благодаря своей способности эффективно работать с требовательными материалами и создавать сложные детали с безупречной точностью и прочностью, SLM 3D-печать стала незаменимым инструментом в различных отраслях, включая автомобильную, аэрокосмическую, научные исследования, медицину и многие другие.
FAQ
В чём отличие между селективным лазерным плавлением (SLM) и селективным лазерным спеканием (SLS)?
SLS — это процесс, при котором порошок нагревается до температуры спекания, которая обычно составляет около 85% от температуры плавления материала. В результате частицы порошка соединяются друг с другом, но не расплавляются полностью.
В процессе SLM материал плавится полностью, образуя однородную деталь с превосходными механическими свойствами. SLM позволяет получить более прочную и долговечную деталь по сравнению с SLS. Однако SLS обладает преимуществом в том, что он совместим с более широким спектром материалов, включая пластики.
Какие материалы подходят для SLM 3D-печати?
Чаще всего в SLM-печати используются сталь и сплавы на основе железа, титан и его сплавы, инконель и сплавы на основе никеля. Также доступны для печати другие металлы, такие как алюминий и его сплавы, медь, магний, кобальт-хром, вольфрам и золото.
Кроме того, можно использовать керамические материалы, например, LAS стекло, глинозем, кремний, стабилизированный иттрием оксид циркония, трикальцийфосфат, смеси глинозема и циркония, стоматологический фарфор, смеси глинозема и кремния, карбид кремния и оксид кремния.
Какова стоимость SLM 3D-принтеров?
Технология SLM ещё не стала доступна для обычных потребителей. Её используют в основном крупные промышленные предприятия или специализированные сервисы 3D-печати. Однако некоторые менее дорогие модели SLM-принтеров успешно применяются в стоматологических лабораториях и ювелирных магазинах.
Стоимость SLM 3D-принтера начинается от 50 000 долларов и может значительно различаться в зависимости от размера устройства, его функциональных возможностей и производителя.
