Выборочная лазерная плавка (SLM)

История

Разработка технологии SLM велась Вильгельмом Майнерсом и Конрадом Виссенбахом из Института лазерной техники (ILT) Общества Фраунгофера в Ахене совместно с Дитером Шварце и Маттиасом Фокеле из компании F&S Stereolithographietechnik GmbH в Падерборне. В 2000 году компания F&S заключила коммерческое соглашение с MCP HEK GmbH (впоследствии переименованной в MTT Technology GmbH, а затем в SLM Solutions GmbH). На сегодняшний день Дитер Шварце сотрудничает с SLM Solutions GmbH, а Маттиас Фокеле основал конкурирующую компанию ReaLizer GmbH.

Технология

Выборочная лазерная плавка (SLM) – метод аддитивного производства, использующий лазеры высокой мощности (как правило, иттербиевые волоконные лазеры) для создания трехмерных физических объектов за счет плавки металлических порошков.

Процесс печати начинается с разделения цифровой трехмерной модели на слои толщиной от 20 до 100 микрон. Готовый файл в стандартном формате STL используется в качестве чертежей для построения физической модели.

Производственный цикл состоит из нанесения тонкого слоя порошка на рабочую поверхность – как правило, металлический стол, способный передвигаться в вертикальном направлении. Процесс печати протекает в рабочей камере, заполняемой инертными газами (например, аргоном). Отсутствие кислорода позволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан. Каждый слой модели сплавляется, повторяя контуры слоев цифровой модели. Плавка производится с помощью лазерного луча, направляемого по осям X и Y двумя зеркалами с высокой скоростью отклонения. Мощность лазерного излучателя достаточно высока для плавки частиц порошка в гомогенный материал.

Типичные представители устройств семейства SLM имеют рабочие камеры размером порядка 250мм в одном измерении, хотя технологических ограничений на размер области построения нет. Наиболее популярными материалами являются порошковые металлы и сплавы, включая нержавеющую сталь, инструментальную сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан, алюминий, золото и др.

Технология выборочной лазерной плавки применяется для построения объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и полостями. Возможность комбинирования гомогенных и пористых структур в одном объекте полезна при создании имплантатов – например, ацетабулярных чашек или других ортопедических имплантатов с пористой поверхностью, способствующей остеоинтеграции (сращиванию с костной тканью). Кроме того, SLM успешно применяется в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать высокопрочные элементы конструкций, недосягаемые по геометрической сложности для традиционных механических методов изготовления и обработки (фрезеровки, резки и т.д.). Качество готовых изделий настолько высоко, что механическая обработка готовых моделей почти не требуется. Побочным положительным эффектом служит экономия материалов, ибо SLM в силу своей специфики является практически безотходным производством.

Преимущества и недостатки

Преимущества SLM:

· технология позволяет создавать детали самой замысловатой формы, часто со стенками минимальной толщины и с множеством полостей;

· в рамках одной модели допускается комбинирование пористых и монолитных сплавов. Эта возможность удобна при изготовлении имплантатов. Поэтому ее активно применяют в ортопедии. Например, по технологии SLM выплавляются ацетабулярные чашки с рыхлой поверхностью, которая необходима для срастания с костью;

· лазерную сварку используют в самолетостроении и в космической сфере, ведь на ее основе производятся высокопрочные цельные детали, которые невозможно сделать обычным способом, вырезанием или фрезерованием, так как этому противоречит их конструктивная сложность;

· уровень качества полученных в результате лазерной плавки объектов чрезвычайно высок. Поэтому последующая доработка изделий не нужна.

Еще один положительный момент в таком производстве — это огромный экономический эффект: в энергопотреблении, в необходимых рабочих площадях, в количестве задействованных работников, а также в материалах. Ведь SLM по своей специфике — абсолютно безотходный процесс.

Однако американские исследователи космической сферы отмечают, что элементы моторов для ракет, выплавленные из никеля по технологии SLM, немного слабее в плане плотности деталей, которые произведены цельным литьем с классической сваркой частей. В то же время за счет бесшовной сварки в местах, где обычно предусматриваются стыки, многократно возрастает прочность деталей.

Хорошо, что новая технология с такими высокими характеристиками и прогрессивными возможностями может стать основой производства не завтрашнего, а уже сегодняшнего дня.