Технология SLS. История создания и развития

cereus 4 апреля 2014 в 15:32

Технологии лазерного аддитивного производства металлических изделий

• 3D-принтеры ,
• Лазеры

В этом обзоре я попытался в популярной форме привести основные сведения о производстве металлических изделий методом лазерного аддитивного производства – сравнительно новом и интересном технологическом методе, возникшем в конце 80-х и ставшем в наши дни перспективной технологией для мелкосерийного или единичного производства в области медицины, самолето- и ракетостроения.

Кратко описать принцип работы установки для аддитивного производства с помощью лазерного излучения можно следующим образом. Устройство для нанесения и выравнивания слоя порошка снимает слой порошка с питателя и равномерным слоем распределяет его по поверхности подложки. После чего лазерный луч сканирует поверхность данного слоя порошка и путем оплавления или спекания формирует изделие. По окончанию сканирования порошкового слоя платформа с изготавливаемым изделием опускается на толщину наносимого слоя, а платформа с порошком поднимается, и процесс нанесения слоя порошка и сканирования повторяется. После завершения процесса платформа с изделием поднимается и очищается от неиспользованного порошка.

Одной из основных частей в установках аддитивного производства является лазерная система, в которой используются CO 2 , Nd:YAG, иттербий волоконный или дисковый лазеры. Установлено, что использование лазеров с длиной волны 1-1,1 мкм для нагрева металлов и карбидов предпочтительнее, поскольку они на 25-65% лучше поглощают генерируемое лазером излучение. В тоже время, использование CO 2 лазера с длиной волны 10,64 мкм наиболее лучше подходит для таких материалов, как полимеры и оксидная керамика. Более высокая абсорбционная способность позволяет увеличить глубину проплавления и в более широких пределах варьировать параметрами процесса. Обычно лазеры, используемые в аддитивном производстве, работают в непрерывном режиме. По сравнению с ними применение лазеров работающих в импульсном режиме и в модулированной добротности за счет их большой энергии импульса и короткой продолжительности импульса (наносекунды) даёт возможность улучшить прочность связи между слоями и уменьшить зону термического воздействия. В заключение можно отметить, что характеристики используемых лазерных систем лежат в таких пределах: мощность лазера – 50-500 Вт, скорость сканирования до 2 м/с, скорость позиционирования до 7 м/с, диаметр фокусированного пятна – 35-400 мкм.

Помимо лазера как источник нагрева порошка может быть использован электронно-лучевой нагрев. Этот вариант фирма Arcam предложила и реализовала в своих установках в 1997 г. Установка с электронно-лучевой пушкой характеризуется отсутствием подвижных частей, так как электронный луч фокусируется и направляется с помощью магнитного поля и дефлекторов, а создание в камере вакуума положительно сказывается на качестве изделий.

Одним из важных условий при аддитивном производстве является создание защитной среды предотвращающей окисление порошка. Для выполнения этого условия используют аргон или азот. Однако применение азота как защитного газа ограничено, что связанно с возможностью образования нитридов (например, AlN, TiN при изготовлении изделий из алюминиевых и титановых сплавов), которые приводят к понижению пластичности материала.

Методы лазерного аддитивного производства по особенностям процесса уплотнения материала можно разделить на селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering (SLS)), непрямое лазерное спекание металлов (Indirect Metal Laser Sintering (IMLS)), прямое лазерное спекание металлов (Direct Metal Laser Sintering (DMLS)) и селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting (SLM)). В первом варианте уплотнение слоя порошка происходит за счет твердофазного спекания. Во втором – за счет пропитки связкой пористого каркаса ранее сформированного лазерным излучением. В основе прямого лазерного спекания металлов лежит уплотнение по механизму жидкофазного спекания за счет плавления легкоплавкого компонента в порошковой смеси. В последнем варианте уплотнение происходит за счет полного плавления и растекания расплава. Стоит отметить, что эта классификация не является универсальной, поскольку в одном типе процесса аддитивного производства могут проявляться механизмы уплотнения, которые характерны для других процессов. Например, при DMLS и SLM может наблюдаться твердофазное спекание, которое имеет место при SLS, тогда как при SLM может происходить жидкофазное спекание, которое более характерно для DMLS.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Твердофазное селективное лазерное спекание не получило широкого распространения, поскольку для более полного протекания объемной и поверхностной диффузии, вязкого течения и других процессов, имеющих место при спекании порошка, требуется относительно длительная выдержка под лазерным излучением. Это приводит к длительной работе лазера и малой производительности процесса, что делает этот процесс экономически не целесообразным. Помимо этого, возникают сложности с поддержанием температуры процесса в интервале между точкой плавления и температурой твердофазного спекания. Преимуществом твердофазного селективного лазерного спекания является возможность использования более широкого круга материалов для изготовления изделий.

Непрямое лазерное спекание металлов (IMLS)

Процесс, получивший название «непрямое лазерное спекание металлов» был разработан компанией DTMcorp of Austin в 1995 г., которая с 2001 г. принадлежит компании 3D Systems. В IMLS процессе используют смесь порошка и полимера или порошок покрытый полимером, где полимер выступает в роли связки и обеспечивает необходимую прочность для проведения дальнейшей термической обработки. На стадии термической обработки проводится отгонка полимера, спекание каркаса и пропитка пористого каркаса металлом-связкой, в результате которой получается готовое изделие.

Для IMLS можно использовать порошки, как металлов, так и керамики или их смесей. Приготовление смеси порошка с полимером проводят механическим смешиванием, при этом содержание полимера составляет около 2-3% (по массе), а в случае использования порошка покрытым полимером, толщина слоя на поверхности частицы составляет около 5 мкм. В качестве связки используют эпоксидные смолы, жидкое стекло, полиамиды и другие полимеры. Температура отгонки полимера определяется температурой его плавления и разложения и в среднем составляет 400-650 o С. После отгонки полимера пористость изделия перед пропиткой составляет около 40%. При пропитке печь нагревают на 100-200 0 С выше точки плавления пропитывающего материала, поскольку с повышением температуры уменьшается краевой угол смачивания и понижается вязкость расплава, что благоприятно влияет на процесс пропитки. Обычно пропитку будущих изделий проводят в засыпке из оксида алюминия, которая играет роль поддерживающего каркаса, поскольку в период от отгонки полимера до образования прочных межчастичных контактов существует опасность разрушения или деформации изделия. Защиту от окисления организуют с помощью создания в печи инертной или восстановительной сред. Для пропитки можно использовать довольно разнообразные металлы и сплавы, которые удовлетворяют следующим условиям. Материал для пропитки должен характеризоваться полным отсутствием или незначительным межфазным взаимодействием, малым краевым углом смачивания и иметь температуру плавления ниже, чем у основы. Например, в случае если компоненты взаимодействую между собой, то в процессе пропитки могут происходить нежелательные процессы, такие как образование более тугоплавких соединений или твердых растворов, что может привести к остановке процесса пропитки или негативно сказаться на свойствах и размерах изделия. Обычно для пропитки металлического каркаса используют бронзу, при этом усадка изделия составляет 2-5%.

Одним из недостатков IMLS является отсутствие возможности регулировать в широких пределах содержание тугоплавкой фазы (материала основы). Поскольку её процентное содержание в готовом изделии определяется насыпной плотностью порошка, которая в зависимости от характеристик порошка может быть в три и более раза меньше теоретической плотности материала порошка.

Материалы и их свойства, используемые для IMLS

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Процесс прямого лазерного спекания металлов подобен IMLS, однако отличается тем, что вместо полимера используются сплавы или соединения с низкой температурой плавления, а также отсутствует такая технологическая операция, как пропитка. В основе создания концепции DMLS стояла немецкая компания EOS GmbH, которая в 1995 году создала коммерческую установку для прямого лазерного спекания порошковой системы сталь-никелевая бронза. Получение различных изделий методом DMLS основано на затекании образовавшегося расплава-связки в пустоты между частицами под действием капиллярных сил. При этом для успешного выполнения процесса в порошковую смесь добавляют соединения с фосфором, которые снижают поверхностное натяжение, вязкость и степень окисления расплава, тем самым улучшая смачиваемость. Порошок, используемый в качестве связки, обычно имеет меньший размер, чем порошок основы, поскольку это позволяет увеличить насыпную плотность порошковой смеси и ускорить процесс образования расплава.

Материалы и их свойства, используемые для DMLS компанией EOS GmbH

Селективное лазерное плавление (SLM)

Дальнейшее усовершенствование установок для аддитивного производства связано с появлением возможности использования более мощного лазера, меньшего диаметра фокусировочного пятна и нанесения более тонкого слоя порошка, что позволило использовать SLM для изготовления изделий из различных металлов и сплавов. Обычно полученные этим методом изделия имеют пористость 0-3%.
Как и в выше рассмотренных методах (IMLS, DMLS), большую роль в процессе изготовления изделий играет смачиваемость, поверхностное натяжение и вязкость расплава. Одним из факторов сдерживающим использование различных металлов и сплавов для SLM является эффект «образования шариков» или сфероидизация, который проявляется в виде формирования лежащих отдельно друг от друга капель, а не сплошной дорожки расплава. Причиной этого является поверхностное натяжение под действием, которого расплав стремится уменьшить свободную поверхностную энергию путем образования формы с минимальной площадью поверхности, т.е. шара. При этом в полоске расплава наблюдается эффект Марангони, который проявляется в виде конвективных потоков из-за градиента поверхностного натяжения как функции от температуры, и если конвективные потоки достаточно сильные, то полоска расплава разделяется на отдельные капли. Также капля расплава под действием поверхностного натяжения затягивает в себя близлежащие частицы порошка, что приводит к образованию ямки вокруг капли и, в конечном счете, к увеличению пористости.

Сфероидизация стали M3/2 при неоптимальных режимах SLM

Эффекту сфероидизации также способствует наличие кислорода, который растворяясь в металле, повышает вязкость расплава, что приводит к ухудшению растекания и смачиваемости расплавом ниже лежащего слоя. По выше перечисленным причинам не удается получить изделия из таких металлов как олово, медь, цинк, свинец.

Стоит отметить, что формирование качественной полоски расплава связано с поиском оптимальной области параметров процесса (мощности лазерного излучения и скорости сканирования), которая обычно достаточно узкая.

Влияние параметров SLM золота на качество формируемых слоев

Еще одним фактором, влияющим на качество изделий, является появление внутренних напряжений, наличие и величина которых зависит от геометрии изделия, скорости нагрева и охлаждения, коэффициента термического расширения, фазовых и структурных изменений в металле. Значительные внутренние напряжения могут приводить к деформации изделий, образованию микро- и макротрещин.

Частично уменьшить негативное влияние выше упомянутых факторов можно путем использования нагревательных элементов, которые обычно располагаются внутри установки вокруг подложки или питателя с порошком. Нагрев порошка также позволяет удалить адсорбированную влагу с поверхности частиц и тем самым уменьшить степень окисления.

При селективном лазерном плавлении таких металлов как алюминий, медь, золото не маловажным вопросом является их большая отражательная способность, что обуславливает необходимость использования мощной лазерной системы. Но повышение мощности лазерного луча может негативно сказаться на точности размеров изделия, поскольку при чрезмерном нагреве порошок будет плавиться и спекаться за пределами лазерного пятна за счет теплообмена. Большая мощность лазера также может привести к изменению химического состава в результате испарения металла, что особенного характерно для сплавов содержащих легкоплавкие компоненты и имеющих большую упругость паров.

Механические свойства материалов полученных методом SLM (компания EOS GmbH)

Если изделие, полученное одним из выше рассмотренных методов, имеет остаточную пористость, то в случае необходимости применяют дополнительные технологические операции для повышения его плотности. Для этой цели используют методы порошковой металлургии – спекание или горячее изостатическое прессование (ГИП). Спекание позволяет устранить остаточную пористость и повысить физико-механические свойства материала. При этом следует подчеркнуть, что формируемые свойства материала в процессе спекания определяются составом и природой материала, размером и количеством пор, наличием дефектов и другими многочисленными факторами. ГИП представляет собой процесс, в котором заготовка, помещенная в газостат, уплотняется под действием высокой температуры и всестороннего сжатия инертным газом. Рабочее давление и максимальная температура, достигаемая газостатом, зависит от его конструкции и объёма. Например, газостат, имеющий размеры рабочей камеры 900х1800 мм, способен развить температуру 1500 o С и давление 200 МПа. Использование ГИП для устранения пористости без применения герметичной оболочки возможно, если пористость составляет не более 8%, поскольку при большем её значении газ через поры будет попадать внутрь изделия, препятствуя тем самым уплотнению. Исключить проникновение внутрь изделия газа можно путём изготовления стальной герметичной оболочки повторяющую форму поверхности изделия. Однако изделия, получаемые аддитивным производством, в основном имеют сложную форму, что делает невозможным изготовление такой оболочки. В таком случае для уплотнения можно использовать вакуумированный герметичный контейнер, в котором изделие помещено в сыпучую среду (Al 2 O 3 , BN гекс, графит), передающей давление на стенки изделия.

После аддитивного производства методом SLM материалы характеризуются анизотропией свойств, повышенной прочностью и пониженной пластичностью из-за наличия остаточных напряжений. Для снятия остаточных напряжений, получения более равновесной структуры, повышения вязкости и пластичности материала проводят отжиг.

Согласно ниже приведенным данным, можно отметить, что изделия, полученные селективным лазерным плавлением, в некоторых случаях прочнее литых на 2-12%. Это можно объяснить малым размером зерен и микроструктурных составляющих, которые образуются в результате быстрого охлаждения расплава. Быстрое переохлаждение расплава значительно увеличивает число зародышей твердой фазы и уменьшает их критический размер. При этом быстро растущие на зародышах кристаллы, соприкасаясь друг с другом, начинают препятствовать своему дальнейшему росту, тем самым формируя мелкозернистую структуру. Зародышами кристаллизации обычно являются неметаллические включения, пузырьки газов или выделившиеся из расплава частицы при их ограниченной растворимости в жидкой фазе. И в общем случае, согласно соотношению Холла-Петча, с уменьшением размера зерна увеличивается прочность металла благодаря развитой сети границ зерен, которая является эффективным барьером для движения дислокаций. Следует отметить, что в силу различного химического состава сплавов и их свойств, условий проведения SLM, выше упомянутые явления, имеющие место при остывании расплава, проявляются с различной интенсивностью.

Механические свойства материалов, полученных SLM и литьем

Конечно, это не значит, что изделия, полученные селективным лазерным плавлением лучше изделий полученных традиционными способами. Благодаря большой гибкости традиционных способов получения изделий можно в широких пределах варьировать свойствами изделия. Например, используя такие методы как изменение температурных условий кристаллизации, легирование и введение в расплав модификаторов, термоциклирование, порошковой металлургии, термомеханическая обработка и др., можно добиться значительного повышения прочностных свойств металлов и сплавов.

Особый интерес представляет использование углеродистой стали для аддитивного производства, как дешевого и обладающего высоким комплексом механических свойств материала. Известно, что с повышением содержания углерода в стали улучшается её жидкотекучесть и смачиваемость. Благодаря этому возможно получение простых изделий содержащих 0,6-1% C с плотностью 94-99%, при этом в случае использования чистого железа плотность составляет около 83%. В процессе селективного лазерного плавления углеродистой стали дорожка расплава при быстром охлаждении подвергается закалке и отпуску на структуру троостита или сорбита. При этом, из-за термических напряжений и структурных превращений, в металле могут возникать значительные напряжения, которые приводят к поводке изделия или к образованию трещин. Также важное значение имеет геометрия изделия, поскольку резкие переходы по сечению, малые радиусы закругления и острые кромки являются причиной образования трещин. Если после «печати» сталь не обладает заданным уровнем механических свойств и её необходимо подвергнуть дополнительной термообработке, то при этом необходимо будет считаться с ранее отмеченными ограничениями по форме изделия, чтобы избежать появления дефектов закалки. Это в некоторой степени снижает перспективность использования SLM для углеродистых сталей.
При получении изделий традиционными способами одним из путей избежать трещин и поводки при закалке изделий сложной формы является использование легированных сталей, в которых присутствующие легирующие элементы помимо повышения механических и физико-химических свойств, задерживают превращение аустенита при охлаждении, в результате чего уменьшается критическая скорость закалки и увеличивается прокаливаемость легированной стали. Благодаря малой критической скорости закалки, сталь можно калить в масле или на воздухе, что снижает уровень внутренних напряжений. Однако по причине быстрого отвода тепла, невозможности регулирования скорости охлаждения и наличия углерода в легированной стали этот прием не позволяет избежать появления значительных внутренних напряжений при селективном лазерном плавлении.

В связи с выше отмеченными особенностями, для SLM используются мартенситно-страющие стали (MS 1, GP 1, PH 1), в которых упрочнение и повышение твердости достигается за счет выделения дисперсных интерметаллидных фаз при термообработке. Эти стали содержат малое количество углерода (сотые проценты), в результате чего образовавшаяся при быстром охлаждении решетка мартенсита характеризуется малой степенью искаженности и следственно имеет низкую твердость. Малая твердость и высокая пластичность мартенсита обеспечивает релаксацию внутренних напряжений при закалке, а высокое содержание легирующих элементов позволяет прокаливать сталь на большую глубину почти при любых скоростях охлаждения. Благодаря этому с помощью SLM можно изготавливать и подвергать термообработке сложные изделия без опасения образования трещин или коробления. Кроме мартенситно-стареющих сталей могут использоваться некоторые аустенитные нержавеющие стали, например, 316L.

В заключение можно отметить, что сейчас усилия ученых и инженеров направлены на более детальное изучение влияния параметров процесса на структуру, механизм и особенности уплотнения различных материалов под действием лазерного излучения с целью улучшения механических свойств и увеличения номенклатуры материалов пригодных для лазерного аддитивного производства.

SLS (Selective Laser Sintering) – селективное лазерное спекание, одна из наиболее широко применяемых аддитивных технологий . Принцип действия SLS заключается в точечном спекании пластиковых порошков с разными компонентами лазерным лучом. Также существуют машины, которые спекают порошковый металл – эта технология 3D-печати металлом устарела, но еще применяется. Мощность луча в производственных 3D-принтерах варьируется от 30 до 200 ватт.

Метод был создан в середине 1980-х в Техасском университете в Остине Карлом Декардом и Джо Биманом. В 1989 году изобретение запатентовала основанная Декардом фирма DTM Corporation, которую впоследствии приобрела компания . В недрах последней была создана еще одна фундаментальная аддитивная технология – это лазерная стереолитография (SLA-печать). Этот факт, несомненно, сыграл свою роль в укреплении лидирующих позиций компании в индустрии трехмерной печати. SLS-установки, выпускаемые 3D Systems, представляют собой наиболее передовые решения на рынке.

Процесс селективного лазерного спекания

1. Технологический процесс начинается с разогревания материала до температуры, близкой к температуре плавления, что обеспечивает более быструю работу порошкового 3D-принтера .
2. Порошок подается в камеру построения и разравнивается валиком на толщину минимального слоя материала.
3. Лазерный луч спекает слои порошка в необходимых участках, совпадающих с сечением 3D-модели.
4. Подается следующий слой порошка, камера построения опускается на уровень ниже.
5. Процедура повторяется, пока не получится готовое изделие.

Работающие по технологии SLS, имеют гибкие настройки. В зависимости от поставленных задач регулируются такие параметры, как температура, глубина и время воздействия. Также пользователь может задать работу либо только с переходными границами, либо спекание по всей глубине модели.

По завершении процесса построения может потребоваться финишная обработка. Для придания изделию идеально ровной формы выполняют полировку или шлифовку. Однако по мере усовершенствования технологий потребность в постобработке изделий, изготовленных на SLS-принтерах, становится все менее актуальной.

Технология 3D-печати по технологии SLS широко применяется в следующих отраслях:

• авиакосмическая промышленность;
• машиностроение;
• строительство;
• архитектура, искусство, дизайн;
• инженерная отрасль.

Селективное лазерное спекание используется при изготовлении:

• функциональных прототипов;
• продукции мелкосерийного производства;
• моделей для точного ;
• шлангов труб, прокладок, изоляционных шайб и других элементов в инженерии и строительстве;
• деталей силовых установок и многого другого.

Специфика и преимущества SLS-технологии

Особенность селективного лазерного спекания – в том, что для построения геометрически сложных деталей не используется материал поддержки . В роли поддерживающей структуры выступает порошок, не подвергшийся воздействию лазерного луча.

Материалы для 3D-печати по технологии SLS – пластиковые порошки с примесями, обладающие разными механическими свойствами. Широкий выбор материалов дает предприятиям, внедрившим SLS-технологию, дополнительную гибкость (подробнее – в разделе «Материалы для SLS-печати»).

Детали, созданные на SLS-установках 3D Systems

Отсутствие поддержек дает возможность моделировать сложнейшую геометрию (как внутренних элементов, так и целого изделия), которой нельзя добиться при создании изделий традиционными методами. Кроме того, исключается риск повреждения напечатанной детали. Как результат – значительная экономия времени на сборку и средств на материалы.

Еще одна важная выгода, которую дает технология, – большой объем камер построения . Это дает возможность напечатать достаточно крупные объекты или небольшую партию за одну сессию. Максимальный размер камеры, реализованный в 3D-принтере 3D Systems sPro 230, – 550 х 550 х 750 мм.

Технология обеспечивает высокую скорость печати . Поскольку она не предполагает полное расплавление частиц материала, SLS-установки более производительны, чем другие 3D-принтеры, работающие с порошками.

Модели и прототипы, созданные методом SLS, имеют превосходные механические характеристики : они отличаются прочностью, гибкостью, хорошей детализацией и термической стабильностью. не имеет себе равных, когда стоит задача изготовить долговечные пластиковые продукты. В плане прочности полученных изделий селективное лазерное спекание конкурирует с традиционными способами производства, такими как литье под давлением.

Как и у всех аддитивных технологий, у SLS-метода есть минусы. Во-первых, выращенные модели, как правило, требуют последующей обработки из-за шероховатой или пористой структуры. Во-вторых, предъявляются особые требования к помещению и условиям эксплуатации (главное – это фильтрация воздуха при кондиционировании, так как порошок вреден) . Наконец, как и в случае со всеми технологиями 3D-печати , это необходимость в крупных первоначальных инвестициях из-за высокой стоимости материалов и оборудования.

Материалы для SLS-печати

Благодаря широкому ассортименту технология SLS достаточно универсальна. Сюда входят однокомпонентные порошки или порошковые смеси из различных материалов, таких как:

• полимеры (в том числе , нейлон);
• металлы и сплавы (сталь, титан, драгоценные металлы, сплавы кобальта и хрома);
• композитные материалы;
• керамика;
• стекло;
• песчаные составы.

В 3D-принтерах 3D Systems используются материалы серии DuraForm, характеризующиеся высокой прочностью и долговечностью.

Перспективы развития технологии

Технология SLS изначально использовалась для быстрого прототипирования, но постепенно сфера ее применения расширялась. Селективное лазерное спекание показало отличные результаты при мелкосерийном изготовлении готовых изделий, мастер-моделей для литья и т.д.

Не так давно еще одним интересным направлением применения технологии стало изготовление предметов искусства. Технология продолжает развиваться: внедряются новые материалы, повышается мощность лазерного излучения, проводятся разработки по использованию нескольких материалов в одном технологическом процессе.

Профессиональные SLS-принтеры становятся производительнее, компактнее, проще в эксплуатации, при этом на рынке уже появились настольные модели, ориентированные на домашнее использование. Потенциал селективного лазерного спекания огромен, ведь этот метод открывает простор для реализации самых перспективных технических и творческих идей.

SLS или Selective Laser Sintering - технология аддитивного производства, основанная на послойном спекании порошковых материалов (полиамиды, пластик) с помощью луча лазера.

Что лучше печатать: прочные и точные промышленные изделия для функциональных тестов, объекты со сложной геометрией, детали механизмов и двигателей, небольшие партии готовых изделий.

Недостатки: высокая стоимость расходных материалов и оборудования.

Альтернатива: металл - SLM (сплавление металлических порошков, выше прочность); пластик - FDM (себестоимость ниже, хуже качество поверхностей и детализация).

Технологию SLM часто путают с другой схожей порошковой технологией 3D-печати - SLM . Главное различие этих процессов в том, что SLS-технология производит лишь частичное плавление поверхности частиц, необходимое для спекания их вместе. В свою очередь технология SLM (сплавление материала) обеспечивает полную лазерную плавку частиц, необходимую для построения монолитных изделий.

Преимущества технологии селективного лазерного спекания

• Прекрасные механические свойства готовой продукции: высокая прочность, точность построения, качественные поверхности.
• Оборудование для SLS-печати оснащается большими камерами построения (до 750 мм), что позволяет изготавливать большие изделия или целые партии небольших объектов за одну печатную сессию.
• Не требует материала поддержки: процесс практически безотходен, неиспользованный материал может повторно использоваться для печати.
• Высокая производительность: SLS-принтеры не нуждаются в полном расплавлении частиц материала, что позволяет им работать гораздо быстрее других порошковых 3D-принтеров.

Процесс изготовления объектов по технологии SLS

Процесс печати по технологии Selective Laser Sintering заключается в послойном спекании частиц порошкообразного материала до образования физического объекта по заданной CAD-модели. Спекание материала происходит под воздействием луча одного или нескольких лазеров. Перед началом процесса построения расходный материал разогревается почти до температуры плавления, что облегчает и ускоряет работу SLS-установки.

Процесс построения по технологии SLS аддитивен. То есть «выращивание» изделия происходит слой за слоем снизу вверх. Специальный равняющий механизм подает порошок из камеры с расходным материалом в камеру построения. Затем лазер «прожигает» слой изделия на основе компьютерной модели. После этого в камеру построения подается следующий слой материала. Процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет полностью построен. В ходе печати платформа построения постоянно опускается вниз (шаг равен толщине печатного слоя). Таким образом, зона взаимодействия материала и луча лазера всегда находится на одном уровне.

Как было сказано выше, SLS-процесс не нуждается в использовании специальных материалов поддержки. В качестве опорных структур для строящейся модели здесь выступает неиспользованный порошок (который после извлечения готового объекта очищается и может снова использоваться для печати).

Материалы для SLS-печати

3D-принтеры, работающие по технологии SLS, используют для печати различные виды порошковых пластиков. Оборудование компании 3D Systems работает с промышленными материалами серии DuraForm:

DuraForm EX Natural - ударопрочный жесткий материал белого цвета;
DuraForm EX Black - ударопрочный материал черного цвета, по свойствам аналогичен полипропилену и инженерному ABS;
DuraForm Flex - гибкий резиноподобный износостойкий материал;
DuraForm FR 100 - огнестойкий инженерный пластик, подходит для производства аэрокосмических деталей;
DuraForm GF - жесткий инженерный пластик, повышенная термостойкость и изотропные свойства;

Метод селективного лазерного спекания (SLS) был разработан и запатентован доктором Карлом Декартом (Carl Deckard) в Техасском университете в Остине, в 1986 году. Метод заключается в послойном спекании лазерным излучением порошкового материала. В качестве порошкового материала может использоваться пластик, металл, керамика, стекло.

На рабочую поверхность наносится слой порошка и лазером, в соответствии с 3D моделью спекается первый слой. Затем рабочая поверхность опускается на толщину слоя, насыпается новый слой порошка, лазер выжигает второй слой объекта поверх первого. За счет высокой температуры в рабочей камере, происходит склеивание слоев. Таким образом цикл повторяется: слой - запекли - опустили - новый слой - запекли - опустили и т.д. Полученный объект извлекается из камеры и очищается от порошка. Если это необходимо, то производится обработка изделия.

Прототипы, изготовленные при помощи SLS-технологии, обладают хорошими механическими свойствами и вполне могут быть использованы для создания полнофункциональных изделий. Наиболее популярным материалом для SLS печати является порошковый полиамид. Самые известные производители SLS-машин EOS (Германия) и 3DSystems (США). Метод SLS допускает печать из различных материалов, в том числе и довольно прочных: термопластичные полимеры, стекло, керамика и даже металл. Это позволяет изготавливать на них не только прототипы, но и вполне работоспособные изделия. Модели, изготовленные по технологии селективного лазерного спекания, считаются самыми прочными среди 3D напечатанных изделий.

Для использования прочных материалов необходим мощный лазер. В 2011 году Маркус Кайсер показал интересный проект солнечного 3D-принтера. Вместо спекаемого порошка он использовал песок. Вместо лазерных лучей использовал большую линзу Френеля, которая концентрировала солнце в точку и плавила песок. В качестве насыпающего и выравнивающего устройства выступал сам автор проекта. Координатная система принтера и компьютер работали от солнечных батарей. У выборочного лазерного спекания (еще одно название SLS) есть одна важная особенность - отсутствие необходимости в поддержке изделия, так как окружающий порошок не дает модели разрушиться, пока окончательная форма еще не обретена и не достигнута прочность целевого объекта. Еще одним плюсом порошкообразного сырья является возможность печати сложных фигур без создания поддержки. Завершающий этап печати это финишная обработка. Например, погружение в специальную печь для выжигания технологических полимеров, которые нужны на этапе спекания, если использовались порошки композитных металлов. Также возможна полировка для удаления видимых переходов между слоями. Технологии и материалы непрерывно совершенствуются и, благодаря этому, этап финишной обработки минимизируется.

К недостаткам SLS принтеров можно отнести большое время подготовки к работе, требуемое для нагревания порошка и поддержания температуры. Разрешение печати меньше, чем при использовании SLA технологии (минимальная толщина слоя — 0,1-0,15 мм), зато скорость в несколько раз выше (до 35 мм/час).

Двумя основными компаниями, занимающимися SLS - технологией являются американская компания DTM и немецкая компания EOS. В нижеприведенной таблице 3.5 показаны точностные данные по трем координатам и толщина слоя в зависимости от используемой установки. Компания DTM с установками Sinterstation превзошла своего конкурента компанию EOS. Точность построения модели зависит от геометрии модели, а, следовательно, от позиционирования (размещения) строящейся модели в рабочей камере. Также точность построения ограничена диаметром луча лазера. При методе SLS используются два различных материала в виде порошка пластмассы или металла. Например, полистирол, использующийся для изготовления прототипов, может работать (расплавляться) при относительно низких температурах, что способствует незначительной усадке, и, следовательно, более высокой точности. А использование металлического порошка под названием DirectMetal, основанного на бронзе, позволяет обеспечивать размеры изделия с погрешностью, не превышающую 0,05 % от размера.

В таблице 3.5 представлены данные по точности изготовления изделий и толщине слоя в зависимости от типа установки.

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)

Этот метод появился примерно в то же время, что и SLA, и даже имеет с ним много общего, только вместо жидкости используется порошок с диаметром частиц 50-100 мкм, тонкими равномерными слоями распределяемый в горизонтальной плоскости, а потом лазерный луч спекает участки, подлежащие отверждению на данном слое модели.

Исходные материалы могут быть самые разные: металл, пластик, керамика, стекло, литейный воск. Порошок наносится и разравнивается по поверхности рабочего стола специальным валиком, который при обратном проходе удаляет излишки порошка. Затем работает мощный лазер, спекающий частицы друг с другом и с предыдущим слоем, после чего стол опускается на величину, равную высоте одного слоя. Для снижения мощности лазера, необходимой для спекания, порошок в рабочей камере предварительно нагревается почти до температуры плавления, а сам лазер работает в импульсном режиме, поскольку для спекания важнее пиковая мощность, а не длительность воздействия.

Частицы могут расплавляться полностью или частично (по поверхности). Незапеченный порошок, остающийся вокруг отвердевших слоев, служит поддержкой при создании нависающих элементов модели, поэтому нет необходимости в формировании специальных поддерживающих структур. Но этот порошок по окончании процесса необходимо удалить как из камеры, особенно если следующая модель будет создаваться из другого материала, так и из полостей уже изготовленной модели, что можно сделать лишь после ее полного остывания.

Зачастую требуется финишная обработка -- например, полировка, поскольку поверхность может получаться шероховатой или с видимой слоистостью. Кроме того, материал может использоваться не только чистый, но и в смеси с полимером или в виде частиц, покрытых полимером, остатки которого нужно удалить путем выжигания в специальной печи. Для металлов одновременно происходит заполнение возникающих пустот бронзой.

Поскольку речь идет о высоких температурах, необходимых для спекания, процесс происходит в азотной среде с малым содержанием кислорода. При работе с металлами это еще и предотвращает окисление.

Серийно выпускаемые установки SLS позволяют работать с достаточно большими объектами, до 55Ч55Ч75 см.

Габариты и вес самих установок, как и SLA, достаточно впечатляющие. Так, аппарат Formiga P100, изображенный на фото, при довольно скромных размерах изготавливаемых моделей (рабочая зона 20Ч25Ч33 см) имеет размеры 1,32Ч1,07Ч2,2 м при весе 600 кг, и это без учета таких опций, как установки для смешивания порошка и системы очистки-фильтрации. Причем работать P100 может только с пластиками (полиамид, полистирол).

Вариантами технологии являются:

a. Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) , которое используется для работы с чистыми металлами без примесей полимера и позволяет создать готовый образец за один этап.

b. Электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting, EBM) с использованием электронного луча вместо лазера; эта технология требует работы в вакуумной камере, но позволяет использовать даже такие металлы, как титан.

Встречаются и такие названия, как Direct Metal Fabrication (DMF) , а также Direct Manufacturing .

Принтер SPRO 250 Direct Metal производства 3D Systems, который, как понятно из названия, может работать с металлами по технологии SLM, с рабочей камерой 25Ч24Ч32 см имеет размер 1,7Ч0,8Ч2 метра и вес 1225 кг. Заявленная скорость от 5 до 20 кубических сантиметров в час, и можно сделать вывод, что модель объемом со стакан будет изготавливаться минимум 10 часов.

• · широкий спектр материалов, пригодных для использования;
• · позволяет создавать очень сложные модели;
• · скорость в среднем выше, чем у SLA, и может достигать 30-40 мм в час по вертикали;
• · может использоваться не только для создания прототипов, но и для мелкосерийного производства, в т.?ч. ювелирных изделий;

• · требуются мощный лазер и герметичная камера, в которой создается среда с малым содержанием кислорода;
• · меньшее, чем у SLA, максимальное разрешение: минимальная толщина слоя 0,1-0,15 мм (в зависимости от материала может быть и немного менее 0,1 мм); по горизонтали, как и в SLA, точность определяется фокусировкой лазерного луча;
• · требуется долгий подготовительный этап для прогрева порошка, а затем нужно ждать остывания полученного образца, чтобы можно было удалить остатки порошка;
• · в большинстве случаев требуется финишная обработка.

Цена на установки SLS еще выше, чем SLA, и может достигать миллионов долларов. Однако отметим, что в феврале 2014 года истек срок патентов на технологию SLS, поэтому вполне можно спрогнозировать увеличение количества компаний, предлагающих подобную технику, а соответственно и заметное снижение цен. Тем не менее, вряд ли в ближайшие годы цены снизятся столь существенно, что SLS-печать станет доступной хотя бы малому бизнесу, не говоря уже о частных энтузиастах.

Поскольку материалы очень разнообразны, мы не приводим ориентировочных цен.