Przegląd Wytwarzanie przyrostowe SLM
Selektywne topienie laserowe (SLM) to technologia produkcji addytywnej, która wykorzystuje laser do selektywnego topienia i stapiania metalicznego materiału proszkowego warstwa po warstwie w celu tworzenia obiektów 3D. SLM nadaje się do przetwarzania metali reaktywnych, takich jak tytan, aluminium i stal nierdzewna, w pełni zwarte i funkcjonalne części o złożonej geometrii.
SLM oferuje kilka korzyści w porównaniu do tradycyjnej produkcji:
Korzyści z wytwarzania przyrostowego SLM
| Korzyści | Opis |
|---|---|
| Swoboda projektowania | SLM może wytwarzać złożone geometrie, takie jak siatki, kanały wewnętrzne i kształty organiczne, które nie są możliwe w przypadku obróbki skrawaniem. |
| Personalizacja | Części można łatwo dostosować i zoptymalizować pod kątem funkcji, a nie ograniczeń produkcyjnych. |
| Lekkość | Organiczne kształty i kratownice sprawiają, że części są lekkie, a jednocześnie wytrzymałe. |
| Oszczędności materiałowe | SLM wykorzystuje tylko wymaganą ilość materiału w porównaniu do obróbki z litych bloków |
| Szybkie prototypowanie | Części mogą być drukowane bezpośrednio w 3D z CAD, a nie przy użyciu narzędzi do prototypowania. |
| Produkcja dokładnie na czas | Drukowanie na żądanie zmniejsza koszty magazynowe |
| Odporność łańcucha dostaw | Produkcja rozproszona zmniejsza ryzyko związane z łańcuchem dostaw |
SLM wiąże się jednak z pewnymi ograniczeniami:
Ograniczenia wytwarzania przyrostowego SLM
| Ograniczenie | Opis |
|---|---|
| Koszty maszyn | Przemysłowe maszyny SLM mają wysokie początkowe koszty kapitałowe rzędu $100K-$1M+. |
| Opcje materiałowe | Obecnie ograniczone do metali reaktywnych, takich jak tytan, aluminium, stale narzędziowe i superstopy. |
| Dokładność | Typowa dokładność 0,1-0,2 mm jest niższa niż tolerancje obróbki skrawaniem. |
| Wykończenie powierzchni | Powierzchnia po wydrukowaniu jest szorstka i wymaga obróbki końcowej |
| Rozmiar kompilacji | Maksymalny rozmiar części jest ograniczony przez rozmiar komory drukarki |
| Niska produkcja seryjna | Najbardziej ekonomiczne w przypadku małych partii i części niestandardowych w porównaniu z produkcją masową |
| Przetwarzanie końcowe | Wymagane są dodatkowe kroki, takie jak usuwanie podpór, obróbka cieplna |
Jak działa druk 3D w technologii SLM
SLM to technologia stapiania w złożu proszkowym, która wykorzystuje skupioną wiązkę lasera do selektywnego topienia i stapiania metalicznego materiału proszkowego warstwa po warstwie.
Kluczowe etapy procesu SLM to:
Proces druku 3D w technologii SLM
| Krok | Opis |
|---|---|
| Model 3D | Model 3D CAD jest cyfrowo dzielony na warstwy |
| Spread Powder | Ostrze reoatera rozprowadza cienką warstwę proszku na platformie roboczej |
| Topienie laserowe | Wiązka laserowa śledzi każdą warstwę topiącego się proszku, aby połączyć ją w oparciu o pocięte dane CAD |
| Dolna platforma | Platforma konstrukcyjna obniża się, a na jej powierzchni rozprowadzana jest kolejna warstwa proszku |
| Powtórz kroki | Proces stapiania warstw jest powtarzany aż do utworzenia pełnej części |
| Usuń część | Gotowa część wydrukowana w 3D jest usuwana ze złoża proszku |
| Post-Process | Część jest czyszczona i poddawana obróbce cieplnej w celu zmniejszenia naprężeń |
Materiały SLM
SLM jest w stanie przetwarzać szereg metali reaktywnych na w pełni zwarte części, w tym:
Materiały SLM
| Materiał | Kluczowe właściwości | Zastosowania |
|---|---|---|
| Stopy tytanu | Wysoki stosunek wytrzymałości do wagi, biokompatybilność | Lotnictwo i kosmonautyka, implanty medyczne |
| Stopy aluminium | Lekkość i wysoka wytrzymałość | Motoryzacja, lotnictwo i kosmonautyka |
| Stale nierdzewne | Odporność na korozję, wysoka wytrzymałość | Oprzyrządowanie przemysłowe, morskie |
| Stale narzędziowe | Wysoka twardość, odporność na ciepło | Formy wtryskowe, matryce |
| Nadstopy niklu | Odporność na ciepło i korozję | Łopatki turbin, dysze rakiet |
| Chrom kobaltowy | Odporność na zużycie, biokompatybilność | Implanty dentystyczne, ortopedia |
Najpopularniejszymi materiałami SLM są stopy tytanu i aluminium, a także stale narzędziowe i stale nierdzewne. Bardziej egzotyczne nadstopy i kompozyty metali mogą być również przetwarzane za pomocą technologii SLM.
Wytyczne projektowe SLM
Aby z powodzeniem projektować części do druku 3D w technologii SLM, inżynierowie powinni postępować zgodnie z poniższymi wskazówkami:
Wytyczne projektowe SLM
| Wytyczne | Opis |
|---|---|
| Unikaj nawisów | Minimalizacja nawisów wymagających podpór, które należy usunąć |
| Kotwice projektowe | Dołącz małe kotwy lub zaczepy, aby przymocować część do płyty montażowej. |
| Orientacja na siłę | Wyrównaj część, aby zmaksymalizować siłę w kierunku funkcjonalnym |
| Minimalizacja wysokości części | Zorientuj się, aby zminimalizować wysokość Z, aby uniknąć zapadania się delikatnych elementów |
| Umożliwiają obróbkę końcową | Dodaj 0,1-0,3 mm naddatku na obróbkę końcową, jeśli wymagane są wąskie tolerancje. |
| Optymalizacja konstrukcji kratowych | Dostosowanie rozmiaru komórek i rozpórek do obciążeń części i ograniczeń SLM |
| Zawiera otwory wentylacyjne | Dodaj małe otwory, aby zapobiec uwięzieniu proszku powodującemu defekty |
| Konforemne kanały chłodzące | Projektowanie złożonych wewnętrznych kanałów chłodzących, które nie są możliwe w przypadku wiercenia/obróbki skrawaniem |
| Łączenie części | Konsolidacja zespołów w pojedyncze części w celu zmniejszenia wymagań montażowych |
Przestrzeganie tych wytycznych pomaga uniknąć typowych wad druku SLM, takich jak słabe wykończenie powierzchni, zniekształcenia, pęknięcia lub uwięziony proszek.
Producenci drukarek SLM
Główni producenci systemów SLM to:
Producenci drukarek 3D SLM
| Firma | Drukarki | Kluczowe cechy |
|---|---|---|
| EOS | EOS M290, EOS M300 x4 | Pionier druku 3D z metalu, doskonałe właściwości części |
| SLM Solutions | SLM 280, SLM 500, SLM 800 | Bardzo wysoka moc lasera zapewniająca produktywność i dużą objętość produkcji |
| 3D Systems | DMP Factory 500 | Skalowalne systemy do produkcji wielkoseryjnej |
| GE Additive | Concept Laser M2, X Line 2000R | Teraz część GE, niezawodne woły robocze o wysokiej produktywności |
| Renishaw | RenAM 500Q | Doskonała precyzja, zintegrowany system zarządzania jakością |
Przy wyborze systemu SLM kluczowymi czynnikami są wielkość produkcji, moc lasera, możliwości materiałowe, precyzja i przepływ pracy oprogramowania. Wiodący producenci oferują systemy o ugruntowanej pozycji, ale na rynku pojawia się również wielu nowych graczy z Chin i Indii.
Ceny drukarek SLM
Przemysłowe systemy SLM mają wysokie początkowe koszty kapitałowe, od $100,000 dla maszyn klasy podstawowej do $1,000,000+ dla wysokiej klasy systemów produkcyjnych:
Ceny drukarek SLM
| Producent | Model drukarki | Objętość kompilacji | Zakres cen |
|---|---|---|---|
| EOS | EOS M100 | 95 x 95 x 95 mm | $100k - $150k |
| SLM Solutions | SLM 125 | 125 x 125 x 125 mm | $175k - $250k |
| 3D Systems | DMP Factory 500 | 500 x 500 x 500 mm | $500k - $800k |
| GE Additive | Concept Laser M2 Series 5 | 250 x 250 x 280 mm | $700k - $900k |
| Renishaw | RenAM 500M | 250 x 250 x 350 mm | $950k - $1.2M |
Większe objętości produkcyjne, wyższa moc lasera i funkcje zwiększające produktywność podnoszą koszty systemu. Kluczowy jest jednak mądry wybór w oparciu o potrzeby aplikacji i wymagania produkcyjne.
Rozważania dotyczące obiektu SLM
Aby z powodzeniem obsługiwać zakład SLM, firmy powinny wziąć pod uwagę:
Czynniki obiektu SLM
| Czynnik | Opis |
|---|---|
| Koszty obiektu | Uwzględnienie kosztów drukarek, materiałów i budowy obiektu |
| Obsługa materiałów | Zainstaluj sprzęt do przenoszenia proszków i zapewnij pracownikom środki ochrony indywidualnej |
| Przetwarzanie końcowe | Sprzęt czyszczący, obróbka cieplna, HIP, wykańczanie powierzchni itp. |
| Oprogramowanie | Oprogramowanie Workflow do planowania, zagnieżdżania, monitorowania procesów |
| Szkolenie | Szkolenie inżynierów w zakresie projektowania i techników w zakresie obsługi drukarek. |
| Bezpieczeństwo | Przestrzeganie procedur obchodzenia się z proszkami i posiadanie systemów przeciwpożarowych. |
| Konserwacja | Zaplanuj regularną konserwację i kalibrację systemu |
| Kontrola jakości | Pomiar wymiarów i właściwości materiałów, testowanie powtarzalności |
| Certyfikacja | Certyfikacja ISO 9001, AS9100 dla branż regulowanych |
Wybór doświadczonego dostawcy usług może pomóc w nawigacji po konfiguracji obiektu, operacjach i certyfikacji dla zastosowań regulowanych, takich jak przemysł lotniczy lub urządzenia medyczne.
Zalety wytwarzania przyrostowego SLM
Kluczowe zalety druku 3D w technologii SLM obejmują:
Zalety wytwarzania przyrostowego SLM
| Przewaga | Opis |
|---|---|
| Złożone geometrie | SLM może wytwarzać bardzo złożone kształty organiczne oraz skomplikowane wewnętrzne siatki i kanały |
| Części niestandardowe | Łatwe tworzenie niestandardowych części dostosowanych do potrzeb klienta w porównaniu z ograniczeniami narzędziowymi. |
| Redukcja wagi | Struktury kratowe i optymalizacja topologii umożliwiają tworzenie lekkich i wytrzymałych konstrukcji |
| Skonsolidowane zespoły | Łączenie wielu komponentów w pojedyncze, złożone części |
| Szybkie czasy realizacji | Drukowanie części na żądanie bezpośrednio z danych CAD zamiast wielomiesięcznej obróbki skrawaniem |
| Zmniejszona ilość odpadów | Użycie tylko wymaganej ilości materiału w porównaniu do obróbki z kęsów |
| Produkcja na żądanie | Umożliwia rozproszoną produkcję just-in-time blisko klientów |
| Redukcja zapasów | Drukowanie części w razie potrzeby zmniejsza koszty narzędzi, magazynowania i zapasów. |
| Materiały o wysokiej wydajności | Przetwarzanie zaawansowanych metali, takich jak tytan i superstopy, na części końcowe |
Swoboda projektowania, dostosowywanie części i możliwości produkcji rozproszonej sprawiają, że SLM jest idealna do produkcji nisko- i średnioseryjnej w zastosowaniach lotniczych, medycznych, przemysłowych i motoryzacyjnych.
Ograniczenia wytwarzania przyrostowego SLM
SLM ma pewne ograniczenia, w tym
Ograniczenia wytwarzania przyrostowego SLM
| Ograniczenie | Opis |
|---|---|
| Koszt maszyny | Drukarki SLM mają wysokie koszty kapitałowe, często przekraczające $500,000 |
| Dostępność materiałów | Obecnie ograniczone do reaktywnych metali strukturalnych i tworzyw sztucznych. |
| Dokładność | Typowa dokładność 0,1-0,2 mm jest niższa niż w przypadku obróbki CNC. |
| Wykończenie powierzchni | Zadrukowana powierzchnia jest stosunkowo szorstka z efektem schodków |
| Przetwarzanie końcowe | Często wymagane jest usuwanie podpór, obróbka, polerowanie |
| Prędkość druku | Szybkość produkcji zazwyczaj 5-100 cc/godz. ogranicza prędkość w stosunku do produkcji masowej. |
| Maksymalny rozmiar części | Ograniczona objętość drukarki, zazwyczaj poniżej 500 x 500 x 500 mm |
| Monitorowanie procesów | Brak monitorowania na miejscu może prowadzić do niewykrycia usterek. |
| Doświadczenie operatora | Technicy SLM wymagają znacznego przeszkolenia w zakresie procedur |
| Koszty materiałowe | Sproszkowane metale mogą być 2-5 razy droższe niż surowiec. |
W przypadku bardzo wysokiej dokładności, bardzo dużych części lub masowej produkcji, metody subtraktywne, takie jak obróbka CNC, są zwykle bardziej odpowiednie niż metody addytywne SLM.
Rola SLM w produkcji
SLM najlepiej nadaje się do:
Najlepsze role SLM w produkcji
| Rola w produkcji | Przykłady |
|---|---|
| Szybkie prototypowanie | Szybkie iteracje projektu i części sprawdzające koncepcję |
| Produkcja małoseryjna | Wsporniki lotnicze, wirniki, implanty medyczne |
| Oprzyrządowanie mostka | Produkcja wczesnych jednostek podczas wytwarzania form wtryskowych |
| Konsolidacja części | Łączenie wielu komponentów w pojedyncze części |
| Masowa personalizacja | Dostosowane produkty końcowe, takie jak nakładki na zęby |
| Produkcja rozproszona | Lokalna produkcja na żądanie blisko klientów |
W przypadku bardzo dużych ilości, konwencjonalne odlewanie ciśnieniowe lub formowanie wtryskowe tworzyw sztucznych są zwykle bardziej opłacalne niż druk 3D w technologii SLM. Jednak w przypadku produkcji krótkoseryjnej SLM przoduje.
Przyszłość wytwarzania przyrostowego SLM
Oczekuje się, że SLM rozszerzy się na szersze zastosowania w przyszłości poprzez:
Przyszłość SLM
| Trend | Opis |
|---|---|
| Większe drukarki | Konstrukcja o długości i wysokości ponad 1 metra |
| Systemy z wieloma laserami | Maszyny wielolaserowe o większej mocy powyżej 1 kW |
| Szybsze prędkości | Prędkość druku do 500 cc/godz. za pomocą skanowanych laserów galvo |
| Nowe materiały | Stopy wysokotemperaturowe, MMC, nowe kompozyty |
| Produkcja hybrydowa | Połączone procesy AM i subtraktywne w jednym systemie |
| Zautomatyzowane przetwarzanie końcowe | Mniej pracy ręcznej przy usuwaniu podpór i wykańczaniu powierzchni |
| Monitorowanie w trakcie procesu | Monitorowanie in-situ jeziorka stopionego metalu, złoża proszku i wad części |
| Symulacja | Symulacje oparte na fizyce w celu przewidywania zachowania i optymalizacji kompilacji |
| Uczenie maszynowe | Sztuczna inteligencja do projektowania, optymalizacji procesów, zapewniania jakości |
| Cyfrowy łańcuch dostaw | Płynny cyfrowy przepływ pracy od projektu do produkcji |
Wybór dostawcy usług SLM
Wybierając dostawcę usług SLM, kupujący powinni dokonać oceny:
Wybór dostawcy usług SLM
| Czynnik | Opis |
|---|---|
| Sprzęt drukarski | Poszukaj renomowanych przemysłowych drukarek do metalu o dużej mocy wiązki i dużej objętości wydruku |
| Materiały | Możliwość przetwarzania pożądanych stopów, takich jak tytan, stal narzędziowa, stal nierdzewna |
| Przetwarzanie końcowe | Oferta pełnego zakresu obróbki po druku, takiej jak HIP, obróbka skrawaniem, polerowanie |
| Procedury jakości | Certyfikat ISO 9001 lub AS9100 z rygorystycznymi procesami kontroli jakości |
| Doświadczenie z aplikacjami | Doświadczenie i studia przypadków w docelowych zastosowaniach, takich jak lotnictwo, motoryzacja, medycyna |
| Wsparcie projektowe | Zdolność do projektowania i optymalizacji części pod kątem możliwości produkcji AM |
| Lead Times | Zdolność do dostarczania próbek i części produkcyjnych w wymaganych ramach czasowych |
| Przygotowanie pliku | Akceptowanie standardowych formatów plików CAD i wielokątów z analizą projektu |
| Usługi po zakończeniu budowy | Czyszczenie, obróbka cieplna, wykańczanie powierzchni, usługi powlekania |
| Usługi dodatkowe | Inspekcja, szybkie prototypowanie, oprzyrządowanie mostów, odlewy, formowanie |
| Wycena | Konkurencyjne i skalowalne ceny dla różnych wolumenów produkcji |
| Lokalizacja | Bliskość dla logistyki łańcucha dostaw i komunikacji |
Wybór dostawcy usług z kompleksowymi możliwościami, od projektowania po przetwarzanie końcowe, zapewnia wysoką jakość wyników. Sprawdzanie studiów przypadku i odwiedzanie obiektów pomaga zweryfikować doświadczenie.
Najczęściej zadawane pytania
P: Jakie materiały można drukować w technologii SLM?
SLM jest w stanie przetwarzać szereg metali reaktywnych, takich jak stal nierdzewna, stal narzędziowa, stopy tytanu, nadstopy niklu, stopy aluminium i chrom kobaltowy. Najpopularniejszymi materiałami SLM są tytan Ti6Al4V i aluminium AlSi10Mg.
P: Jak dokładny jest druk 3D w technologii SLM?
O: SLM zazwyczaj zapewnia dokładność około 0,1-0,2 mm. Chociaż jest ona niższa niż tolerancja obróbki CNC, obróbka końcowa, taka jak obróbka skrawaniem i polerowanie, może poprawić dokładność. Rozmiary elementów poniżej 0,3 mm nie są zalecane.
P: Jakie branże wykorzystują produkcję addytywną SLM?
O: Sektory lotniczy, medyczny, dentystyczny, motoryzacyjny i przemysłowy są obecnie głównymi użytkownikami technologii SLM ze względu na korzyści, takie jak lekkość, konsolidacja części, masowa personalizacja i szybki czas realizacji.
P: Jaka obróbka końcowa jest wymagana po drukowaniu SLM?
Typowa obróbka po wydrukowaniu obejmuje usuwanie podpór, odprężającą obróbkę cieplną, prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP), obróbkę CNC, polerowanie i powlekanie. Wymagania zależą od zastosowania, materiału i wykończenia.
P: Jak drogi jest druk 3D z metalu w technologii SLM?
O: Przemysłowe systemy SLM wahają się od $100,000 do ponad $1 miliona, w zależności od wielkości produkcji, mocy lasera i funkcji. Koszty materiałowe proszku metalowego mogą być od 2 do 5 razy wyższe od kosztów surowca. Jednak całkowite koszty spadają.
P: Czy SLM może drukować zwisy i złożone kształty?
O: Tak, SLM może drukować geometrie takie jak zwisy, kratownice i cienkie ściany dzięki zastosowaniu konstrukcji wsporczych. Konieczna jest staranna orientacja, aby uniknąć deformacji i zrównoważyć wymagania dotyczące podparcia.
P: Jakie oprogramowanie jest używane do drukowania SLM?
O: Drukarki SLM są dostarczane z zastrzeżonym oprogramowaniem do drukowania. Dodatkowe oprogramowanie służy do projektowania, naprawy plików, symulacji, przygotowania konstrukcji, zagnieżdżania, zarządzania konstrukcjami i zarządzania jakością.
P: Jak długo trwa drukowanie 3D części za pomocą SLM?
O: Czas drukowania waha się od godzin do dni w zależności od rozmiaru części, złożoności geometrii i parametrów drukowania. W przypadku części metalowych, drukarki SLM zazwyczaj pracują z prędkością od 5 do 100 cc/godzinę. Większe części wymagają więcej czasu.
P: Czy SLM produkuje bezpieczne i funkcjonalne części metalowe do zastosowań końcowych?
O: Tak, przy odpowiednim projekcie i obróbce, SLM może wytwarzać w pełni gęste części metalowe spełniające lub przewyższające właściwości materiałowe tradycyjnie wytwarzanych części do funkcjonalnego użytku końcowego w wymagających zastosowaniach.
