Производителю газовых турбин требуется 200 наконечников топливных форсунок с внутренними каналами, геометрия которых слишком сложна для механической обработки. Каналы должны точно повторять геометрию камеры сгорания, пропускать топливо при температуре 300 градусов по Цельсию и давлении 400 бар, а также быть изготовлены из сплава Inconel 625, способного выдержать 15 000 термических циклов без усталостного разрушения. Обработка на станках с ЧПУ не позволяет достичь внутренних каналов. Литье по выплавляемым моделям не позволяет сохранить толщину стенок 0,05 мм между каналами. Технология DMLS позволяет изготовить все 200 деталей за три цикла печати, при этом каждый внутренний канал формируется в соответствии с техническими требованиями, а затраты на дополнительное оборудование отсутствуют.

DMLS (прямое лазерное спекание металла) — это процесс аддитивного производства из металла, который устраняет разрыв между тем, что могут спроектировать инженеры, и тем, что способно произвести традиционное производство. С его помощью создаются металлические детали полной плотности непосредственно на основе цифрового файла, слой за слоем, из таких материалов, как титан, инконель, нержавеющая сталь, алюминий и кобальт-хром, без использования инструментов, без минимального объема заказа и без геометрических ограничений, связанных с доступом к инструменту или направлением извлечения из формы.

В данном руководстве подробно и с технической точки зрения рассмотрен процесс DMLS: принцип его работы, основные материалы и их механические свойства готовых изделий, возможности в плане допусков и качества поверхности, требования к последующей обработке, структура затрат, а также конкретные сценарии применения, в которых технология DMLS является более подходящим производственным процессом по сравнению с ЧПУ-обработкой, литьем или 3D-печатью с использованием полимеров.

Как на самом деле работает технология DMLS?

DMLS — это процесс плавления на порошковой подушке (PBF), классифицируемый в соответствии со стандартом ISO/ASTM 52900 как PBF-LB/M (лазерный луч, металл). Понимание механики этого процесса имеет решающее значение для осознания того, почему при использовании технологии DMLS получаются детали именно такого качества, а также что ограничивает их точность и качество поверхности в готовом виде.

Процесс начинается с рабочей пластины — плоской стальной платформы, установленной внутри герметичной камеры для печати. Камера продувается инертным газом, как правило, аргоном или азотом, для снижения содержания кислорода до уровня ниже 0,1 процента. Кислород в более высоких концентрациях приводит к окислению раскаленного металлического порошка во время спекания, что вызывает образование включений, снижающих механические свойства и плотность.

Устройство для нанесения порошка распределяет тонкий слой металлического порошка по рабочей платформе; его толщина обычно составляет от 20 до 100 мкм в зависимости от материала и требований к качеству. Мощный волоконный лазер (обычно от 200 до 1000 ватт) сканирует поверхность слоя порошка в соответствии с поперечным сечением детали на данном слое, спекая или частично плавя частицы порошка между собой. После нанесения каждого слоя платформа опускается на толщину одного слоя, устройство нанесения рассыпает свежий порошок, а лазер сканирует следующее поперечное сечение.

Опорные конструкции необходимо предусматривать в модели при печати выступов, отклоняющихся от вертикали более чем на 45 градусов, а также в тех местах, где требуется обеспечить путь теплопроводности к рабочей платформе для предотвращения термической деформации. В отличие от полимерной печати по технологии SLS, где неспеченный порошок обеспечивает самоподдержку, опоры в технологии DMLS представляют собой твердые металлические конструкции, которые необходимо удалять путем ручной резки, обработки на станках с ЧПУ или электроэрозионной резки после завершения печати. Удаление опорных структур является одной из самых значительных статей затрат на послепечатную обработку при DMLS и является основным фактором, который необходимо учитывать при проектировании деталей для производства методом DMLS с точки зрения технологичности (DFM).

По завершении печати деталь по-прежнему остается прикрепленной к печатной платформе и окружена сыпучим порошком. Порошок удаляется с помощью вакуума и просеивается для повторного использования. Затем деталь снимается с печатной платформы с помощью электроэрозионной резки по проволоке или ленточной пилы. Отжиг для снятия остаточных напряжений, как правило, является первым этапом послепечатной обработки: остаточные термические напряжения, возникающие в результате быстрого нагрева и охлаждения во время лазерного спекания, могут достигать уровня предела текучести материала, что приводит к деформации детали при её снятии с платформы без снятия напряжений. Отжиг для снятия напряжений Ti-6Al-4V проводится при температуре от 650 до 750 градусов Цельсия. Для Inconel 718 требуется полное отжиг в растворе и двухступенчатое старение для развития его свойств, обусловленных преципитационным упрочнением. [1].

Какие материалы доступны для технологии DMLS и какие механические свойства они обеспечивают?

Выбор материала для технологии DMLS определяет все остальные решения в рамках программы аддитивного производства из металла. В приведенной ниже таблице представлены шесть наиболее часто используемых материалов для технологии DMLS; указанные механические свойства отражают состояние материала после последующей обработки (снятие напряжений или полная термообработка), а не в исходном состоянии, поскольку свойства в исходном состоянии характеризуются большей вариабельностью, а для большинства конструкционных применений требуется последующая обработка.

Характеристики DMLS-деталей в исходном состоянии ниже и более изменчивы, чем показатели после обработки. Ти-6Al-4V в исходном состоянии обычно демонстрирует прочность на разрыв от 1 100 до 1 200 МПа с относительным удлинением при разрыве всего от 4 до 6 процентов из-за микроструктуры мартенсита, образующейся во время быстрого лазерного охлаждения. После отжига для снятия напряжений при температуре от 650 до 750 градусов Цельсия и горячего изостатического прессования (HIP) при температуре 920 градусов Цельсия и давлении аргона 100 МПа удлинение при разрыве увеличивается до 8–14 процентов, а микроструктура гомогенизируется, что обеспечивает свойства, подходящие для применения в конструкциях аэрокосмической отрасли и медицинских имплантатах. [2].

Какие допуски и качество поверхности можно обеспечить с помощью технологии DMLS?

Возможности технологии DMLS в плане допусков являются одним из наиболее неправильно понимаемых аспектов этого процесса. Инженеры, знакомые с допусками при ЧПУ-обработке, иногда применяют те же ожидания к технологии DMLS и удивляются, обнаруживая, что готовые изделия, изготовленные с помощью DMLS, значительно менее точны, чем детали, обработанные на станке с ЧПУ из того же материала.

Допуски по фактическому исполнению

При изготовлении по чертежу с помощью технологии DMLS достигаются допуски по размерам от 0,05 до 0,1 мм для элементов размером свыше 10 мм и от 0,1 до 0,3 мм для более крупных элементов, где эффекты температурного градиента и усадки накапливаются на больших длинах. Эти значения соответствуют среднему классу точности по стандарту ISO 2768 для мелких элементов, но не достигают допусков от 0,005 до 0,02 мм, достижимых при обработке на станках с ЧПУ. Для большинства несущих и несцепляющихся элементов в аэрокосмической и промышленной отраслях допуски, характерные для готовых изделий, являются достаточными.

Для функциональных сопрягаемых поверхностей — седл подшипников, пазов уплотнений, резьбовых элементов, прецизионных соединений и любых элементов, где сопрягаемая деталь должна надежно взаимодействовать с другой, стандартной практикой является последующая механическая обработка детали, изготовленной методом DMLS, на станках с ЧПУ. В результате печати по технологии DMLS получается деталь, близкая к конечной форме, из нужного материала со сохранением всей сложной внутренней геометрии. Затем с помощью ЧПУ критически важные наружные поверхности приводятся в соответствие с требуемыми допусками без воздействия на внутренние элементы, к которым станок не имеет доступа.

Фактура поверхности по фактическому исполнению

Шероховатость поверхности, полученной методом DMLS, составляет от 5 до 20 мкм по шкале Ra в зависимости от ориентации построения. Поверхности, обращенные вверх и подвергающиеся прямому воздействию лазера, достигают значений Ra от 5 до 8 мкм. Поверхности, обращенные вниз, которые опираются на опорные структуры или находятся внизу слоя порошка, достигают значений Ra от 12 до 20 мкм из-за «лестничного эффекта» краев слоев и неровного контакта с опорами. Боковые стенки находятся между этими крайними значениями — Ra от 8 до 15 мкм.

Дополнительная обработка значительно улучшает качество поверхности. Дробеструйная или бисерная обработка позволяет добиться значения Ra от 3 до 6 мкм и придать поверхности однородный матовый вид. Обработка на станках с ЧПУ на критически важных поверхностях позволяет достичь значения Ra от 0,8 до 3,2 мкм. Электрополировка для применения в медицинской и пищевой промышленности позволяет достичь значения Ra от 0,1 до 0,4 мкм. Ручная полировка поверхностей имплантатов, контактирующих с костью, позволяет достичь значения Ra менее 0,05 мкм.

В каких случаях технология DMLS является подходящим производственным процессом, а в каких — нет?

Сферы применения, в которых технология DMLS является единственным приемлемым вариантом

Определенные требования к деталям делают технологию DMLS единственным приемлемым способом изготовления, независимо от стоимости. Внутренние контурные каналы, повторяющие очертания поверхности детали и предназначенные для охлаждения, нагрева или прохождения жидкости, невозможно изготовить ни с помощью ЧПУ-обработки (отсутствие доступа для инструмента), ни методом литья (отсутствие возможности извлечь сердечники из крайне сложных внутренних каналов). Топологически оптимизированные конструкции, в которых материал удаляется из зон с низким напряжением для минимизации веса при сохранении несущей способности в зонах нагрузки, позволяют создавать органичные геометрические формы с распорками и решетками, контурам которых не может следовать ни один режущий инструмент. Консолидация деталей, при которой многокомпонентная сборка перепроектируется в виде одной напечатанной детали, позволяет исключить трудозатраты на сборку, сократить количество крепежных элементов и устранить потенциальные пути утечки между компонентами — это возможно только с помощью технологии DMLS.

Области применения, в которых технология DMLS успешно конкурирует с ЧПУ-обработкой

При небольших партиях от 1 до 50 деталей технология DMLS зачастую обеспечивает более низкую совокупную стоимость изготовления сложных металлических деталей по сравнению с ЧПУ-обработкой, поскольку при DMLS отсутствуют затраты на наладку, затраты на зажимные приспособления и время на программирование сложных 5-осевых траекторий. Точка безубыточности зависит от сложности детали. Простой алюминиевый кронштейн всегда обходится дешевле при ЧПУ, чем при DMLS. Сложный титановый узел с множеством подрезов, внутренних элементов и криволинейных поверхностей может обойтись дешевле при DMLS при объемах производства менее 10–20 деталей, поскольку затраты на настройку и программирование ЧПУ плохо окупаются при небольших партиях.

Области применения, в которых обработка на станках с ЧПУ или литье дают лучшие результаты

Обработка на станках с ЧПУ обеспечивает превосходные допуски, качество поверхности и однородность материала для деталей от простых до умеренно сложных при любом объеме производства. Узкие допуски, длительный срок службы инструмента и короткие циклы обработки делают ЧПУ экономически выгодным выбором для подавляющего большинства металлических деталей, которые не требуют внутренней сложности конструкции или геометрической оптимизации, выходящей за пределы возможностей режущего инструмента. Литье под давлением и литье по выплавляемым моделям позволяют изготавливать металлические детали с меньшей себестоимостью единицы продукции по сравнению с технологией DMLS для любой геометрии, пригодной для литья, при объемах производства от 500 до 1000 единиц. Технология DMLS наиболее уязвима для замены литьем при объемах производства, превышающих несколько сотен деталей, для любой геометрии, не требующей геометрической свободы, характерной для аддитивного производства.

В отрасли аддитивного производства точка перехода от технологии DMLS к традиционным методам производства традиционно определяется в зависимости от сложности и объема заготовки. Для простых геометрических форм обработка на станках с ЧПУ почти всегда является более экономичной при любом объеме производства. Для геометрических форм высокой сложности с внутренними элементами технология DMLS остается экономически выгодной до производства нескольких сотен деталей, после чего литье под давлением или технология MIM становятся более конкурентоспособными с точки зрения затрат. [3].

Связанные руководства и источники по технологии Elite Mold Tech

Связанные руководства: Полное руководство по выбору технологического процесса, Сравнение технологий SLA, SLS и FDM, Услуги по 3D-печати из металла методом DMLS.

Авторитетные источники: Стандарт ISO/ASTM 52900 по аддитивному производству, Данные ASM International о металлических порошках.

Закажите экспертизу DFM в компании Elite Mold Tech

Готовы перейти от чертежа к изготовлению детали? Загрузите свой CAD-файл на сайт Elite Mold Tech и получите в течение 12 часов отчет по технологичности (DFM) с рекомендациями нашей инженерной команды по допускам, материалам и стоимости, прежде чем принять окончательное решение о изготовлении пресс-форм.

Часто задаваемые вопросы

В чём заключается разница между технологиями DMLS и SLM, и имеет ли это значение для покупателей?

DMLS (прямое лазерное спекание металла) и SLM (селективное лазерное плавление) обозначают тесно связанные, зачастую пересекающиеся процессы плавления металлического порошка в слое. Техническое различие заключается в следующем: технология DMLS была разработана компанией EOS GmbH и использует энергию лазера для спекания (частичного плавления и сплавления) частиц металлического порошка при температурах ниже полной температуры плавления, тогда как технология SLM полностью плавит частицы порошка с помощью более высокой плотности мощности лазера. На практике большинство современных систем DMLS, работающих с оптимизированными параметрами, достигают практически полного плавления и плотности от 99,5 до 99,9 процента, что делает различие между спеканием и плавлением незначительным для большинства инженерных применений. SLM — это термин, являющийся товарным знаком компании SLM Solutions (ныне Nikon SLM Solutions). Другие производители оборудования используют такие термины, как LPBF (Laser Powder Bed Fusion, стандартный термин по ISO/ASTM), LaserCUSING (Concept Laser/GE Additive), а также просто «аддитивное производство металлов» или «3D-печать металлами». Для покупателей термин, используемый поставщиком, имеет меньшее значение, чем сертификация материала, платформа оборудования, параметры процесса и возможности последующей обработки, которые они могут документально подтвердить. Запрашивайте сертификаты испытаний материалов в соответствии со стандартами ASTM E8 (на растяжение) и ASTM E466 (на усталость), а не полагайтесь на терминологию.

Позволяет ли технология DMLS изготавливать детали с такими же механическими свойствами, как у кованых или штампованных металлических изделий?

Характеристики деталей, изготовленных методом DMLS с последующей обработкой, приближаются к характеристикам кованых или штампованных деталей, но не всегда им соответствуют, причем разница зависит от материала, применяемой последующей обработки и сравниваемого параметра. Для Ti-6Al-4V детали, изготовленные методом DMLS, после гидростатической уплотняющей обработки (HIP) и термообработки достигают предела прочности при растяжении от 1 050 до 1 100 МПа и относительного удлинения от 8 до 14 процентов, что соответствует или превышает требования стандарта ASTM F1472 к кованому титану для применения в аэрокосмической и медицинской отраслях. Для Inconel 718 после отжига растворения и двухступенчатого старения технология DMLS позволяет достичь предела прочности при растяжении 1 240 МПа, что сопоставимо с кованым Inconel 718 в соответствии со стандартом AMS 5664. Характеристики в состоянии «как изготовлено» заметно уступают: у Ti-6Al-4V в этом состоянии удлинение составляет всего от 4 до 6 процентов из-за мартенситной микроструктуры, образующейся при быстром лазерном охлаждении. Характеристики в состоянии «как изготовлено» не следует использовать при проектировании конструкций без подтверждения того, какая последующая обработка будет применена. Усталостные характеристики деталей, изготовленных методом DMLS, более изменчивы, чем у кованых аналогов, поскольку шероховатость поверхности и внутренняя пористость, даже при плотности 99,7 %, создают очаги зарождения усталостных трещин, которые снижают ресурс на многоцикловую усталость ниже значений, характерных для кованых деталей. Обработка HIP устраняет закрытую пористость и значительно улучшает усталостные характеристики.

Какую последующую обработку, как правило, требует деталь, изготовленная методом DMLS, перед использованием?

Требования к последующей обработке деталей, изготовленных методом DMLS, зависят от области применения и материала. Минимальная стандартная последовательность операций для большинства конструкционных применений включает: удаление опорных структур путем ручной резки, шлифования или электроэрозионной обработки проволокой; отжиг для снятия напряжений с целью уменьшения остаточных термических напряжений, возникших в процессе наплавки; а также дробеструйную обработку для придания поверхности однородного внешнего вида. Для деталей, требующих жестких допусков на сопрягаемые элементы, после снятия остаточных напряжений выполняется обработка критических поверхностей на станках с ЧПУ. Для аэрокосмических и медицинских применений, критичных к нагрузкам, обработка HIP при повышенной температуре и давлении устраняет внутреннюю пористость и повышает усталостную прочность и относительное удлинение. Для Inconel 718 и нержавеющей стали 17-4 PH требуется полная термообработка с преципитационным упрочнением для достижения расчетных механических свойств сплава. Для титана имплантационного качества электрополировка и пассивация подготавливают поверхность к испытаниям на биосовместимость. Стоимость последующей обработки может увеличить стоимость изготовления детали методом DMLS на 30–80 процентов и должна быть учтена при любом сравнении совокупных затрат с традиционными методами производства.

Какие правила проектирования, применимые именно к технологии DMLS, не распространяются на обработку с ЧПУ?

Технология DMLS налагает иной набор ограничений на проектирование, чем ЧПУ-обработка, и детали, разработанные для механической обработки, часто требуют доработки, чтобы использование технологии DMLS было экономически целесообразным. Основные правила, характерные для технологии DMLS, заключаются в следующем: опорные конструкции требуются для всех выступов под углом менее 45 градусов к вертикали, а удаление опор увеличивает стоимость и может оставлять следы на опорных поверхностях. Толщина стенок менее 0,3–0,5 мм сопряжена с риском из-за термической деформации и неполного спекания в очень тонких участках. Горизонтальные отверстия диаметром более 8 мм требуют опор, которые трудно удалить изнутри. Полые замкнутые объемы должны иметь отверстия для удаления порошка, чтобы неспеченный порошок мог выйти после печати. Острые внутренние углы допустимы в технологии DMLS, поскольку отсутствуют ограничения, связанные с радиусом инструмента, что является преимуществом в плане свободы проектирования по сравнению с ЧПУ. Ориентация детали при печати должна обеспечивать баланс между минимизацией количества опор, качеством поверхности на критически важных гранях и анизотропией свойств в направлении печати. Анализ DFM для технологии DMLS, проводимый компанией Elite Mold Tech перед отправкой проекта на печать, выявляет все четыре категории и позволяет сократить затраты на послепечатную обработку на 20–40 процентов.

Сколько стоит 3D-печать по технологии DMLS за одну деталь и от чего зависит цена?

Стоимость одной детали, изготовленной методом DMLS, зависит от трёх взаимосвязанных факторов: объёма печати, времени печати и объёма последующей обработки. Стоимость часа работы промышленного оборудования DMLS составляет от 50 до 200 долларов США в час в зависимости от размера станка и мощности лазера. Время печати определяется количеством слоев (общая высота детали, деленная на толщину слоя), площадью поперечного сечения, сканируемой за один слой, и количеством деталей, размещенных в рабочей зоне. На изготовление одного небольшого кронштейна (50 × 50 × 30 мм) из Ti-6Al-4V с толщиной слоя 40 мкм может уйти от 8 до 12 часов, что обойдется от 400 до 2 400 долларов США только за время работы оборудования, не считая стоимости материала и последующей обработки. Размещение нескольких деталей в одном цикле печати распределяет фиксированные накладные расходы на оборудование (настройка, загрузка порошка, продувка атмосферы, нагрев пластины) между всеми деталями, что значительно снижает стоимость использования оборудования на одну деталь. Стоимость материала составляет от 50 до 500 долларов США за килограмм в зависимости от сплава (титан и инконель находятся в верхней части диапазона, нержавеющая сталь 316L — в нижней). Дополнительная обработка увеличивает стоимость печати на 30–80 процентов. Общая стоимость детали средней сложности, изготовленной методом DMLS из титана, обычно составляет от 300 до 2 000 долларов США за штуку при производстве прототипов, снижаясь до 100–500 долларов США, когда постройка полностью вложена, и несколько деталей разделяют накладные расходы на постройку.

Можно ли сваривать, подвергать механической обработке или проводить поверхностную обработку деталей, изготовленных методом DMLS, после печати?

Да, и многоэтапная обработка деталей, изготовленных методом DMLS, является стандартной практикой для высокопроизводительных применений. Обработка на станках с ЧПУ является наиболее распространенным этапом послепечатной обработки: технология DMLS обеспечивает полуфабрикат, близкий к конечной форме, со сложной внутренней геометрией, а обработка на станках с ЧПУ позволяет привести критически важные наружные сопрягаемые поверхности в соответствие с допусками. Титановые детали, изготовленные методом DMLS, после снятия напряжений обычно подвергаются механической обработке с допуском 0,005 мм на седлах под подшипники и торцевых поверхностях фланцев. Сварка деталей, изготовленных методом DMLS, с другими компонентами или с кованными материалами возможна для большинства сплавов с использованием стандартных процедур сварки TIG и электронно-лучевой сварки. Поведение зоны термического влияния сварного шва аналогично поведению аналогов из кованых материалов после того, как термообработка после печати гомогенизирует микроструктуру. К деталям, изготовленным методом DMLS, применимы все виды обработки поверхности, включая анодирование (для AlSi10Mg), пассивацию (для нержавеющих сталей), PVD-покрытие и теплозащитные покрытия (для деталей из суперсплава Inconel), с использованием тех же технических требований, что и для кованых аналогов. Материал остаётся прежним: меняются исходная микроструктура и пористость, которые необходимо контролировать с помощью технологических параметров и последующей обработки, прежде чем можно будет надёжно определить требования к обработке поверхности.