3Д печать металлом или как работаюь технологии SLM, DED, LMM

Всем привет. С Вами компания 3Dtool!

Самое бурно развивающееся направление промышленной 3D-печати — аддитивное производство металлами, нашедшее применение даже в ракетной отрасли. Удовольствие недешевое, но имеющее свою нишу: такие технологии позволяют получать цельные детали ранее невиданной сложности, а в единичном и мелкосерийном производстве зачастую обгоняют по экономической эффективности традиционное литье и фрезерование.

Технологий 3D-печати металлами существует огромное множество, но наиболее практичны варианты, позволяющие сразу получать цельнометаллические заготовки. Чтобы не усложнять рассказ, быстро отметем варианты с использованием полимер-металлических композитов и струйно-порошковой 3D-печати.

Первые весьма доступны и по сути сводятся к использованию полимерных филаментов с наполнителями из металлических порошков в комбинации с распространенными FDM 3D-принтерами, но заготовки требуют отжига или химического травления для удаления связующего, а затем спекания в цельнометаллические заготовки. Метод рабочий, но многоэтапный, трудозатратный и характеризуемый сильной усадкой, что затрудняет получение изделий с высокой размерной точностью.

Струйно-порошковая 3D-печать или Binder Jetting работает с разными материалами, в том числе металлическими, но и здесь есть подвох: заготовки опять-таки требуют отжига связующего и спекания, а изделия получаются довольно пористыми и обычно пропитываются менее тугоплавкими металлами. Например, стальную заготовку можно пропитать бронзой, но это будет уже не чистая сталь, так что спектр применения этой технологии ограничен. Более практичен другой метод, где струйно-порошковая печать используется для построения песчаной литейной оснастки, в которую затем отливаются металлические заготовки.

Что касается промышленной 3D-печати металлами, наиболее распространены два общих метода — прямой подвод энергии и материалов (DED) и порошковый синтез на подложке (PBF). У каждого из них множество собственных вариаций.

Прямой подвод энергии и материалов (Direct Energy Deposition, DED)

Прямой подвод энергии и материалов предусматривает подачу материала непосредственно в зону наплавления. Материалы могут быть либо порошковыми, либо в виде металлической проволоки. Наплавление, в свою очередь, может выполняться лазерами, электронными пучками или даже электрической дугой

Порошковые варианты дают более высокое разрешение и качество поверхностей с минимальной требуемой чистовой постобработкой. Такие системы часто используются не только для выращивания изделий с нуля, но и ремонта изношенных деталей, например турбинных лопаток. Это становится возможным благодаря использованию систем позиционирования на основе многоосевых роботов-манипуляторов, способных наносить металл на заготовки практически под любым углом.

Проволочные варианты отличаются более высокой производительностью, безопасностью (мелкодисперсные порошки некоторых металлов могут быть пирофорны, то есть склонны к самовозгоранию) и дешевизной (проволока стоит дешевле мелких порошков). С другой стороны, на выходе получаются грубые заготовки, требующие тщательной чистовой обработки.

Порошковый синтез на подложке (Powder Bed Fusion, PBF)

Это самое развитое направление на сегодняшний день. Здесь, опять-таки, используются мелкодисперсные порошки, а энергия может доставляться либо лазерами, либо электронными пушками. Главное отличие от DED в том, что построение осуществляется в емкости, постепенно наполняемой мелкодисперсным порошком. Это делает процесс более контролируемым и позволяет добиваться очень высокой детализации, но затрудняет масштабирование, хотя уже существуют 3D-принтеры, способные выращивать изделия длиной в несколько метров. Еще один плюс — возможность использования множества лазеров одновременно, за счет чего значительно повышается производительность.

С этой же категорией сопряжено больше всего путаницы из-за обилия вариантов и склонности производителей оборудования использовать собственную номенклатуру. К тому же, она включает системы для работы не только с металлическими, но и с полимерными порошками.

Для простоты и наглядности приведем перечень распространенных вариантов:

Компания Eplus3D делает ставку именно на SLM 3D-печать, причем именуя ее на свой манер — MPBF (Metal Powder Bed Fusion). Как мы уже упоминали, так делают многие производители. Например, американская корпорация Stratasys именует DMLS собственным названием DMP (Direct Metal Printing), а немецкая Concept Laser предпочитает использовать LaserCUSING вместо SLM.

Мы же предлагаем опираться на российские ГОСТы, где фигурирует селективное лазерное сплавление металлопорошковых композиций, оно же СЛС или SLM.

Eplus3D работает на аддитивном рынке давно, выпустив первый промышленный 3D-принтер в 1993 году. Сколько всего систем на счету этой компании, мы не знаем, но к началу прошлого года Eplus3D поставила уже сотню крупноформатных аддитивных систем с областью построения как минимум в один метр по каждой из трех осей, плюс около двухсот 3D-принтеров с максимальным размером свыше одного метра по хотя бы одной из осей. Самый крупный вариант на сегодняшний день, 3D-принтер EP-M3050, в расширенной конфигурации способен выращивать детали длиной и шириной до трех метров и высотой до пяти метров.

Сейчас в ассортименте Eplus3D почти два десятка разноразмерных SLM 3D-принтеров, но мы рассмотрим лишь пять вариантов — от самого доступного до самого крупного и высокопроизводительного.

SLM 3D-принтеры компании Eplus3D

Eplus3D EP-M150 Pro

Наиболее доступная и скромная по габаритам система, рассчитанная на единичное и мелкосерийное производство небольших изделий, включая стоматологию и ювелирное дело, а также изготовление функциональных прототипов и инструментов для научно-исследовательских лабораторий и конструкторских бюро.

Система может быть оборудована одним или двумя волоконными лазерными излучателями мощностью 500, 700 или 1000 Вт каждый и позволяет работать с разными металлами и сплавами, включая жаропрочные. Построение осуществляется в герметичной рабочей камере с инертной атмосферой — азотной или аргоновой.

За позиционирование лазерных лучей с пятном диаметром 70 мкм отвечают прецизионные двухосевые гальванометрические сканаторы немецкой компании Scanlab, обеспечивающие высокую точность, разрешение и повторяемость. Линзы F-theta предотвращают геометрические искажения и обеспечивают постоянную фокусировку лучей по всей рабочей зоне. В двухлазерном режиме с повышенной производительностью погрешности позиционирования на пересечениях рабочих зон излучателей не превышают ±0,15 мм. Оптическая система защищена от дыма и брызг сменным защитным стеклом.

 1 — бак фильтра грубой очистки; 2 — дренажная емкость; 3 — бак фильтра тонкой очистки; 4 — газовый ресивер; 5 — газовый фильтр; 6 — клапан газового фильтра; 7 — клапан аспирации газа; 8 — циклонный сепаратор; 9 — клапан газового фильтра; 10 — циклонный насос.

Чистота атмосферы в рабочем объеме поддерживается трехступенчатой системой фильтрации (на иллюстрации выше), удаляющей дым и пыль в процессе лазерной обработки. Газ внутри камеры циркулирует через циклонный сепаратор и два фильтра, в совокупности удаляющих более 99,95% мелкодисперсных частиц.

3D-принтер EP-M150 Pro оснащен системой управления на операционной системе Windows 10. Комплекс состоит из рабочей станции для подготовки и нарезки 3D-моделей, управляющего компьютера, программируемого логического контроллера и бортового сенсорного дисплея. Открытая настройка рабочих параметров позволяет подстраиваться под разные расходные материалы. Программное обеспечение также предоставляет инструменты для сквозного контроля и архивации параметров качества.

Штатным программным обеспечением служат управляющая программа EP Control и программа настройки штриховки и распределения энергии EP Hatch. Первая отвечает за позиционирование заготовок, калибровку лазерной системы и непрерывный контроль физических параметров, включая температуру, концентрацию кислорода, давление инертного газа, и другие. Вторая анализирует цифровую модель и предоставляет возможность тонкой настройки мощности лазеров и скорости сканирования в зависимости от геометрии и используемых материалов.

Технические характеристики 3D-принтера Eplus3D EP-M150 Pro:

3D-принтер Eplus3D EP-M150 Pro можно заказать у нашей компании.

Eplus3D EP-M300L

EP-M300L — модернизированный вариант одного из бестселлеров, 3D-принтера EP-M300. Обновленная версия получила усовершенствованную систему замены расходных материалов. Вместо ручной очистки от остаточного порошка прямо в рабочей зоне используется модульная конструкция, значительно повышающая практическую производительность за счет сокращения простоев. Рабочая камера выполнена в виде отделяемого блока, по завершении 3D-печати извлекаемого из машины и отправляемого на станцию очистки. В 3D-принтер тем временем вставляется свежий блок, после чего оборудование сразу готово к запуску нового рабочего цикла.

Модель EP-M300L ориентирована на мелкосерийное производство с возможностью 3D-печати изделий размером до 300х300х400 мм. Эти 3D-принтеры могут быть оборудованы двумя, четырьмя или шестью волоконными лазерными излучателями мощностью 500, 700 или 1000 Вт каждый производства IPG Photonics.

Все ключевые этапы, включая 3D-печать, подготовку остаточного порошка к повторному использованию и обработку деталей, максимально автоматизированы для снижения зависимости от ручного труда и повышения безопасности при работе с пирофорными материалами. Один оператор может контролировать сразу несколько производственных линий.

Как и другие SLM 3D-принтеры от Eplus3D, эта аддитивная система способна выращивать детали слоями от 20 до 120 мкм. Позиционирование лучей с пятнами диаметром всего 70 мкм выполняется прецизионными гальванометрическими сканаторами со скоростью до восьми метров в секунду под управлением алгоритмов, оптимизирующих траектории штриховки.

Лучи проходят через объективы с F-theta линзами, устраняющими искажения и обеспечивающими стабильный диаметр лазерных пятен вне зависимости от угла падения. Хранение расходных материалов и построение осуществляется в среде защитного газа — азота или аргона.

Технические характеристики 3D-принтера Eplus3D EP-M300L:

3D-принтер Eplus3D EP-M300L можно заказать у нашей компании.

Eplus3D EP-M650H

EP-M650H уже побольше и попадает в «метровый» диапазон: базовая модель EP-M650H имеет область построения 650х650х800 мм, а в варианте EP-M650H вертикаль нарастили до 650х650х1200 мм. Количество одновременно доступных лазеров тоже увеличили: доступны компоновки с четырьмя, шестью или восемью волоконными излучателями мощностью 500, 700 или 1000 Вт каждый, обеспечивающими производительность до 320 см³/ч.

Расходный материал подается сверху и выравнивается попеременно в двух направлениях, сокращая время дозирования каждого слоя примерно на тридцать процентов. Операторам доступен широкий выбор настроек, включая мощность лазеров, скорость сканирования, направление штриховки и параметры построения внешних поверхностей. За счет этого становится возможным использование порошков с разными составами от практически любых производителей — разными марками стали, алюминиевыми, титановыми, никелевыми и кобальт-хромовыми сплавами, вплоть до применяемых в аэрокосмической отрасли.

Высокая детализация и качество поверхностей снижают необходимость в чистовой обработке до минимума, а плотность достигает 99,9%, практически не уступая показателям литых изделий. Во избежание окисления или даже возгораний при работе с потенциально пирофорными мелкодисперсными порошками в рабочей камере поддерживается инертная азотная или аргоновая атмосфера с жестким контролем остаточного кислорода — не более ста миллионных долей.

В целях безопасности герметичная дверь оснащена электронным замком с автоматическим управлением и механической блокировкой. Встроенный перчаточный бокс позволяет выполнять необходимые операции, например по удалению остаточного порошка, без разгерметизации рабочей камеры.

Как и другие SLM 3D-принтеры от Eplus3D, система EP-M650H оснащена трехэтапной системой очистки внутренней атмосферы от побочных продуктов. Для термостабилизации лазерных источников и оптических узлов применяется двухконтурная жидкостная система охлаждения, исключающая отклонения рабочей температуры гальванометрического сканатора более чем на один градус Цельсия и тем самым исключающая термическую деформацию зеркал и связанные погрешности 3D-печати.

Технические характеристики 3D-принтера Eplus3D EP-M650H:

3D-принтер Eplus3D EP-M650H можно заказать у нашей компании

Eplus3D EP-M1250

EP-M1250 — еще более крупная, теперь уже полностью «метровая» система с областью построения 1250x1250x1250 мм. Чтобы поддерживать производительность на должном уровне, установка оснащается девятью волоконным лазерами мощностью до 1000 Вт каждый, наращивающими до трехсот семидесяти кубических сантиметров в час.

Установка совместима с порошками нержавеющих и мартенситностареющих сталей, алюминиевых, титановых, никелевых и других сплавов. Оптимизированная динамика потоков защитного газа обеспечивает быстрое удаление побочных продуктов из зоны построения с дальнейшей фильтрацией. Каждый из девяти лазеров работает в своей зоне.

Все основные параметры можно настраивать по необходимости, за счет чего достигается совместимость с самыми разнообразными металлопорошковыми композициями, включая экспериментальные.

По завершении 3D-печати платформа с деталью перемещается в станцию очистки EP-MS1250 с помощью крана, а остаточный порошок выгружается в станцию просеивания для подготовки к повторному использованию

Комплексное программное обеспечение EP Control и EP Hatch охватывает все этапы производства — от подготовки параметров штриховки и распределения энергии лазера с возможностью тонкой настройки до калибровки лазерной системы и контроля температуры, концентрации кислорода, давления инертного газа и других ключевых параметров в режиме реального времени.

Технические характеристики 3D-принтера Eplus3D EP-M1250:

3D-принтер Eplus3D EP-M1250 можно заказать у нашей компании.

Eplus3D EP-M3050

EP-M3050 — самая большая, самая высокопроизводительная и самая новая аддитивная система от Eplus3D, анонсированная в мае этого года. Это установка способна выращивать изделия трехметровой длины и ширины, а за построение отвечают либо сто, либо целых двести пятьдесят шесть скоординированных волоконных лазеров

 В высоту полезный объем достигает одного метра, но это в стандартной конфигурации: по желанию заказчиков можно масштабировать область построения до пяти метров в высоту.

 Главное преимущество крупноформатных 3D-принтеров — возможность печати крупногабаритных изделий без необходимости в последующей сборке. Это особенно важно при 3D-печати нагруженных, конструкционных деталей, так как сварные соединения нередко оказываются слабыми местами из-за усталостных напряжений под циклическими нагрузками на разрыв или изгиб, либо при высоком давлении.

 Ради повышения эффективности использования порошков можно выбирать разные конфигурации рабочих камер — стандартную квадратную, цилиндрическую диаметром 3050 мм, либо кольцеобразную. Суть в том, чтобы сводить объем загружаемого порошка к минимуму и тем самым экономить время, требуемое на очистку деталей и подготовку остатков к повторному использованию. Кольцевые камеры, например, отлично подходят для выращивания фланцев или круглых корпусных изделий.

Производительность зависит от типа используемого порошка, но теоретически может достигать 3500 см³/ч. Программное обеспечение оптимизирует и координирует траектории сканирования ради повышения производительности и обеспечения максимальной однородности, при этом процесс построения отслеживается в режиме реального времени для контроля качества. Все эти меры позволяют получать предсказуемые результаты даже при многодневной 3D-печати.

Технические характеристики 3D-принтера Eplus3D EP-M3050:

Остались вопросы? Свяжитесь с нами любым удобным способом, и специалисты 3Dtool будут рады предоставить подробную консультацию.

3Dtool — российский дистрибьютор и интегратор 3D-оборудования, станков с ЧПУ и промышленной робототехники.

Связаться с нами можно:

По телефону: 8 (800) 775-86-69

Электронной почте: Sales@3dtool.ru

На нашем сайте: 3dtool.ru

Наши материалы также доступны в Telegram канале, на Dzen и в группе Вконтакте