Полное руководство по лазерной сварке (PBF) в 3D печати

Все технологические компоненты семейства Powder Bed Fusion (PBF) используют платформу для сборки, содержащую порошковый материал, для аддитивного изготовления детали — порошок может представлять собой полимеры или металлы. В течение 1990-х годов несколько компаний начали исследовать технологию Fusion Powder Bed Fusion (PBF) для металла: частицы металлического порошка плавились с использованием источника тепла, такого как лазер или электронный луч, для формирования более или менее сложной детали слой за слоем. Сегодня мы сконцентрируемся на лазерной сварке в порошковом слое (LPBF), которая, как следует из названия, использует лазер для аддитивного изготовления металлической детали.

В 1994 году EOS запатентовала свой процесс под названием « Прямое лазерное спекание металлов» (DMLS), а в 1995 году Институт Фраунгофера ввел термин SLM для селективного лазерного плавления . Эти два метода похожи, однако, чтобы избежать путаницы, мы будем использовать термин « Лазерная сварка в порошковом слое» (LPBF). Термины могут показаться запутанными, DMLS использует слово «спекание», хотя на самом деле оно работает путем плавления. Точно так же PBF использует слово fusion, когда вы не можете расплавить пластик, вы можете только его спекать. Тем не менее, селективное лазерное спекание (SLS) является частью семейства PBF. 

Следует помнить, что разница между спеканием и плавлением довольно проста: плавление предполагает переход из твердого состояния в жидкое состояние благодаря высокой температуре источника тепла; Спекание не позволяет материалу достичь его жидкого состояния, поскольку температура источника тепла недостаточно высока. В случае спекания металла частицы металла агломерируются вместе, но в результате получается довольно слабая часть. Чтобы проиллюстрировать этот момент, давайте возьмем пример укладки яблок: между двумя фруктами всегда будет разрыв. Поэтому детали, напечатанные на 3D-принтере, будут иметь низкую механическую прочность, в отличие от плавления (т. Е. Плавления), когда материал, поскольку он достигает своей жидкой формы, заполняет эти отверстия.

Как работает Laser Powder Bed Fusion?

Как и любой метод 3D-печати, проектирование детали начинается с создания 3D-модели с использованием программного обеспечения CAD . Затем часть нарезается на множество слоев с помощью слайсера — в этом случае толщина слоя обычно варьируется от 20 до 60 микрон.

Чтобы начать процесс печати, 3D-принтер заполняет свою камеру инертным газом, а затем нагревает его до оптимальной температуры печати. Тонкий слой порошка затем наносится на строительную платформу в соответствии с толщиной слоя, предварительно определенной программным обеспечением. Затем волоконно-оптический лазер (200/400 Вт) сканирует поперечное сечение детали, плавя вместе частицы металла. Когда слой закончен, платформа движется вниз, позволяя добавить еще один слой порошка. Процесс повторяется до получения финальной части.

Затем 3D-принтеру нужно дать остыть, а расплавленный порошок вынуть из лотка, чтобы увидеть напечатанную деталь. Деталь прикреплена к монтажной плите благодаря опорам для печати; В отличие от технологии SLS, эти опоры рекомендуются, потому что они уменьшают явления коробления и искажения, наблюдаемые при высоких температурах. Они, как правило, удаляются методами резки или механической обработки или электроэрозионной обработкой проволоки. Детали могут быть подвергнуты термообработке для уменьшения остаточных напряжений и улучшения механических свойств. Дальнейшая постобработка может включать этапы обработки с ЧПУ и процессы полировки, чтобы предложить лучшее качество поверхности.

Материалы и применение лазерной технологии Fusion Fusion

Как вы уже поняли, LPBF использует металлические порошки для создания более или менее сложных деталей. Чаще всего используются металлические и легирующие материалы, такие как нержавеющая сталь, кобальт-хром, алюминий, титан и инконель. Некоторые драгоценные металлы (золото, платина, серебро) иногда используются, но почти исключительно в ювелирном секторе. Прочность полученных деталей сопоставима с прочностью, полученной методами литья или механической обработки. LPBF является одной из немногих технологий аддитивного производства, которые используются в производстве.

Аэрокосмический, автомобильный и медицинский (особенно стоматологический) секторы очень любят эту технологию. Он предлагает геометрическую сложность, которую невозможно достичь с помощью традиционных методов производства, при этом уменьшая их конечный вес и количество компонентов, которые должны быть собраны, с использованием таких методов, как оптимизация топологии. Это приводит к сокращению сроков производства и очень устойчивым заказным деталям. Однако металлические 3D-принтеры и металлические порошки очень дороги и не позволяют изготавливать очень крупные детали.

Основные игроки рынка

Одним из пионеров технологий является немецкая EOS с линейкой EOS M, которая предлагает комплексное производственное решение для любой промышленной компании. Компания присоединилась к 3D Systems в 2013 году после приобретения французской компании Phenix Systems, которая специализируется на разработке машин DMLS. Конечно, важными игроками являются немецкая компания SLM Solutions, а также Trumpf, Renishaw и итальянская компания Sisma. Если вы ищете других производителей 3D-принтеров LPBF, ознакомьтесь с нашим списком основных игроков на рынке металлических систем AM ЗДЕСЬ.