Селективное лазерное спекание

Введение

Едва ли учредители Нобелевского премиального фонда могли прогнозировать столь стремительный прогресс квантовой  электроники в ХХ веке, приведший  к созданию лазеров. Вряд ли профессора Н. Г. Басов,  А.М.Прохоров и Ч. Таунс  в момент получения нобелевской  премии в 1964 г. Могли предусмотреть  все возможные конструкции лазеров  и сферы применения лазерной техники.

На основе последних достижений физики и техники в последние  годы созданы новые типы мощных технологических  лазеров с существенно более  высокой энергетической эффективностью, обеспечивающих значительный прогресс в развитии технологических процессов  лазерной обработки. В нашей стране и за рубежом выполнен большой  объем исследований по применению лазеров  при обработке материалов , сформированы основные научные направления и  созданы условия  для широкого использования лазеров в промышленном производстве.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Селективное лазерное спекание

 

 

 Селективное лазерное спекание (SLS) технология аддитивного производства, используется для производства небольшого объема продукции

или прототипов . 

Лидерами в данной отрасли являются компании EOS (Германия) и 3D Systems (США).  
 

Селективное лазерное спекание (SLS) была разработана и  запатентована доктором Карлом Декардом и его научным руководителем доктором Джо Бименом в Университете штата Техас в Остине в середине 1980-х годов, при спонсорской поддержке DARPA. Декард и Бимен были вовлечены в создание технологии DTM, созданная для разработки и создания работающего устройства. В 2001 году 3D Systems, бывшая крупнейшим конкурентом DTM и SLS технологиям приобрела DTM.  
 Аналогичный процесс был запатентован без коммерческого использования ученым Р.Ф. Хаосолдером в 1979 году.

Технология послойного построения, SLS предполагает использование  лазерного излучения с высокой  мощностью  (например, лазер на диоксиде углерода) для того, чтобы плавить небольшие частицы пластика, металла (прямое лазерное спекание металла), керамические или стеклянные порошки в массу, которая имеет желаемую трехмерную форму. 
 
Лазер избирательно спекает порошкообразный материал путем сканирования поверхности порошка и последовательной сверки его с генерируемой в памяти компьютера 3D моделью детали (например, файлов CAD или сканированных данных в другом формате). После того как сечения детали закончено, емкость с порошком погружается на один слой ниже и процесс повторяется. 
 
Поскольку плотность готовой детали зависит от пиковой мощности лазера, а не продолжительности воздействия, то SLS машины обычно используют импульсный лазер. Машина SLS предварительно нагревает сыпучий материал несколько ниже его температуры плавления, чтобы сделать еще проще для лазера повышение температуры до пиковой точки. 

 

В отличие от некоторых  других аддитивных технологий таких, как стереолитография (SLA) и моделирования посредством наплавления (FDM), SLS не требует поддерживающих структур.  Это связано, прежде всего, с тем фактом, что печать ведется в окружении порошка. 
Вообще говоря, в рамках технологии у аппаратов различных производителей могут изменяться параметры почти на каждом производственном этапе. 
Существует два алгоритма запекания: в одном случае плавят только те участки, которые соответствуют границе перехода, в другом – плавят по всей глубине модели. Кроме того, само запекание может варьироваться по силе, температуре и длительности.

Некоторые машины используют SLS однокомпонентный порошок, например, машины, использующие технологию прямого  лазерного спекания металла. Однако большинство SLS машины используют двухкомпонентные порошки, как правило, либо порошок  с покрытием (coated powder) или порошок-смесь. В однокомпонентных порошках лазеры расплавляют только внешнюю поверхность частиц (поверхностное плавление), по сути наплавляются ядра одного слоя к другому.  
 По сравнению с другими методами аддитивного производства, SLS может изготавливать детали посредством широкого диапазона доступных в продаже порошков. Они включают полимеры такие, как нейлон (чистый, наполненный стекловолокном, или другими наполнителями) или полистирол, металлы, включая сталь, титан, композиты и зеленый песок.  
Физический процесс может быть представлен в виде полного плавления, частичного плавления, или жидкофазного спекания. В зависимости от материала, до 100% плотности может быть достигнуто при изготовлении деталей, что соответствует монолитному выплавлению деталей традиционными способами. Зачастую одновременно существует возможность производства нескольких деталей, что очень повышает производительность.

SLS технология широко  используется во всем мире  благодаря своей способности  легко и просто создавать самые  сложные объекты, используя данные, заложенные в компьютер. 
Сначала считалось, что эту технологию можно будет использовать лишь для создания прототипов, но сегодня ее уже используют для мелкосерийного производства. У этой технологии большие перспективы. Самым неожиданным применением является создание украшений с применением SLS.

Селективное лазерное плавление (SLM) . 
Селективное лазерное плавление по существу такой же процесс, как SLS, но относится к использованию металлического порошка, а не полимеров. SLM машины изготовлены для работы с металлами и производят готовую продукцию за один технологический процесс. . В то время как в SLS частицы порошка спекаются друг с другом, то здесь металлические частицы доводятся до состояния расплавления и свариваются друг с другом, образуя жесткий каркас.

Метод берет свои корни  из Института Лазерных Технологий Фраунгофера, Германия (Fraunhofer-Institut für Lasertechnik). В 1995 году там родился исследовательский  проект, который возглавляли Вильгельм  Майнерс и Курт Виссенбах. Позже  эти ученые объединили свои усилия с Диетором Шварцем и Маттиасом Фокеле из компании F&S Stereolithographietechnik GmbH, после чего метод был официально запатентован. В начале 2000-х годов F&S стала сотрудничать с другой немецкой компанией, MCP HEK Gmbh. В конце концов, упомянутые выше ученые возглавили компании SLM Solutions Gmbh и Realizer Gmbh, унаследовавшие все предыдущие наработки.

Построение модели начинается с подготовки уже известного нам stl-файла. Программа рассчитывает 2D-модель каждого слоя с шагом обычно от 20 до 100 микрон, добавляя при необходимости  структуры поддержки. Возведение каждого  слоя начинается с равномерного распределения  металлического порошка по всей площади  подложки, на которой будет «расти»  модель. Эту работу выполняет либо валик, либо щетка, похожая на автомобильный  стеклоочиститель. Каждому слою соответствует 2D-схема. Весь процесс происходит в  специальной герметичной камере, наполненной инертным газом, например, аргоном, либо азотом со сверхмалыми  примесями кислорода. Система фокусировки  направляет высокомощный лазер на металлические частицы, расплавляя и сваривая их между собой. По контурам сечения проходит сплошная сварка, а внутренности стенок объекта могут свариваться в соответствии с паттерном заполнения. Кстати, остатки порошка, оставшегося от изготовления детали, могут повторно использоваться для печати следующей модели.

Применяемые материалы включают в себя нержавеющую сталь, инструментальную сталь, сплавы хрома и кобальта, титан, алюминий. Могут применяться и  другие сплавы — главное, чтобы они, будучи измельченными до состояния  частиц, имели определенные характеристики сыпучести.

3D-моделирование методом  SLM прочно вошло в нашу жизнь.  Оно в разы сократило время,  которое требуется на изготовление  детали по сравнению с традиционными  способами. Некоторые области  авиастроения, нефтедобычи и медицины  нуждаются в таких сложных  компонентах, которые просто невозможно  изготовить по-другому. Особенно  это касается объектов с большой  площадью поверхности и одновременно  малым объемом. Представьте себе  радиатор какой-либо системы охлаждения.  

 

 

 

Выборочная лазерная плавка незаменима в аэрокосмической отрасли, где идет борьба за каждый грамм  — деталь должна выполнять свои функции и быть прочной, но вместе с тем иметь материал только в  тех местах, где без него не обойтись.

 

Технология  EBM

Электронно-лучевое  плавление (EBM) схоже с SLM тем, что она использует металлические порошки, чтобы полностью создать мотонолитную запчасть из металла, но EBM использует электронный луч вместо лазера и строит части в вакууме, что позволяет использовать совершенно другие типы металлов (как правило, титан - самый распространенный материал аэрокосмической отрасли). EBM был изобретен шведской Arcam корпорацией. 

Технология FTI

Технология FTI  (film transfer imaging – послойный перенос изображения за счет формирования пленочного слоя)- является еще одной технологией быстрого прототипирования, появившейся на рынке с середины 2009 г. и запатентованной фирмой 3D Systems. Эта технология реализована в 3D-принтерах серии VFlash©. Отличительной особенностью технологии FTI является применение в качестве модельного материала и материала поддерживающих структур – специальный фотополимер, отличающийся по химическому составу от фотополимеров, применяемых для создания прототипов по технологии стереолитографии.

FTI-технология является модифицированной  технологией классической технологии  стереолитографии, впервые коммерциализованной  фирмой 3D Systems в 1986 году. Термин «стереолитография» был введен Ч.Халлом – основателем фирмы 3D Systems. Стереолитография позволяет получать наиболее точные и наиболее сложные модели, а используемые в технологии SLA материалы обладают рядом преимуществ: прочность, прозрачность, влагостойкость, легкость обработки поверхности, возможность склейки и покраски.

Установка SLA-250

Принципиальная схема

 

 

Особенностью стереолитографии является наличие поддерживающих структур, что позволяет:

• обеспечить равномерность толщины слоя вне зависимости от возможной деформации платформы;
• стабилизировать выступы, консоли на краях модели;
• предотвратить расслаивание в сложных участках модели;
• обеспечить простоту извлечения модели из ванны.

Сравнительная оценка стереолитографии (SLA) и технологии FTI:

Характеристика технологии	SLA	FTI
Толщина одного слоя	от 0,15 до 0,02 мм	0,102 мм
Толщина стенки (минимум)	0,1 - 0,2 мм	0,64 мм
Скорость создания прототипа	-	12,7 мм/ч
Источник засветки текущего слоя	лазер (CO2 либо твердотельный)	ультрафиолетовая лампа
Материал прототипа	фотополимеры с различными эксплуатационными свойствами	фотополимер   FTI 230

 

 

	3D-модель:   включает две детали
VFlash©	Прототип:  габаритные размеры:  12,4x10.3x2.6 см  общий объем:  120 куб.см

Принцип создания моделей (технология компании 3D Systems®) заключается в послойном  отверждении полимерного материала  в свете ультрафиолетовой лампы. Засветка текущего слоя полимера осуществляется в соответствии с рабочим файлом 3D-модели. Отверждение жидкого полимера выполняется избирательно только в  тех местах текущего слоя, которые  соответствуют выращиваемому сечению 3D-модели, а часть слоя жидкого полимера, которая находится за пределами текущего сечения 3D-модели, остается неотвержденной и может быть использована еще раз. Далее действие повторяется и так до тех пор, пока не будет сформирован последний слой модели (прототипа).

Сформированный слой жидкого полимера		Схема послойного построения модели

Программа подготовки рабочего файла  модели позволяет ориентировать  модель на рабочем столе установки  для быстрого прототипирования; разбивает  ее на слои и рассчитывает путь перемещения  платформы, на которой формируется  прототип. Толщина слоя составляет 0,08-0,1 мм и является фиксированной  величиной.

Особенности технологии FTI:

• наличие поддерживающих структур;
• прототип формируется в верхней части установки, а не в нижней части как это предусмотрено при реализации стереолитографии.

Поддержки генерируются автоматически  для нависающих элементов модели. На завершающем этапе обработки  прототипа поддержки удаляются. 

 

Примеры прототипов

Технология FDM

Трехмерная  печать прочных деталей из настоящего термопластика

Технология послойного наложения  расплавленной полимерной нити (Fused Deposition Modeling — FDM) — это мощный метод  аддитивного производства, запатентованный  компанией Stratasys.