Одной из самых точных технологий аддитивного производства на рынке являются 3D-принтеры с порошковым слоем, которые используют несколько технологий для расплавления или спекания порошковых материалов в последовательных слоях для формирования готовых компонентов. Эти принтеры используют файлы CAD, которые нарезаются с помощью программного обеспечения для нарезки, а затем пропускаются через 3D-принтер.

Две известные технологии порошковой плавки - электронно-лучевое плавление (EBM) и селективное лазерное плавление (SLM), которые используют для печати порошки металлических сплавов. Каждая из них формирует из металлического порошка прочные и толстые секции, хотя имеет множество различий в методах и возможностях.

Определение EBM (электронно-лучевое плавление)

EBM - это технология аддитивного производства, в которой используется электронный луч, генерируемый электронной пушкой и направляемый магнитным полем. Эта система была изобретена компанией Arcam (которая была приобретена GE) совместно с Технологическим университетом Чалмерса в 1993 году.

Основные характеристики процесса EBM

• Использует перегретую вольфрамовую нить для испускания электронов в вакуумной камере
• Электроны движутся со скоростью, примерно равной половине скорости света
• Может достигать температуры до 2 000°C
• Электронный луч может быть направлен со скоростью до 8 000 мм/с
• Требуется вакуумная камера для предотвращения окисления
• Использует заряженные электроны вместо фотонов (как лазеры)

Материалы EBM

EBM печатает только токопроводящие металлы и сплавы, включая:

• Титан и титановые сплавы (Ti6AL4V)
• Тантал
• Нержавеющая сталь
• Инструментальная сталь
• Кобальт-хром (CoCrMo)
• Медь
• Никелевые сплавы (Inconel® 718)

Определение SLM (селективное лазерное плавление)

SLM - это технология плавления в порошковом слое, в которой используются мощные волоконные лазеры для выборочного расплавления металлического порошка. Впервые изобретенная в 1995 году и коммерциализированная компанией SLM Solutions, технология SLM может использовать до 12 мощных лазеров одновременно.

Основные характеристики процесса SLM

• Использует мощные волоконные лазеры (обычно 1000 Вт на лазер)
• Полностью расплавляет материал, а не просто спекает
• Работает в камере, заполненной инертным газом (не вакуум)
• Высота слоев от 20 до 50 микрон
• Возможность регулировки ширины луча для оптимизации скорости или точности

Материалы SLM

SLM имеет более широкий спектр материалов, включая:

• Чистые металлы, такие как титан
• Инструментальная сталь
• Медь
• Нержавеющая сталь
• Кобальтовый хром
• Алюминий и алюминиевые сплавы
• Драгоценные металлы
• Большинство сплавов на основе железа, никеля, кобальта и меди

Подробное сравнение | EBM против SLM

Различия в технологиях

Сравнение производительности | EBM против SLM

Скорость

Преимущества EBM: Печатает быстрее, чем однолучевая SLM, благодаря более широкому лучу и быстрому позиционированию

Ответ SLM: Многолучевые системы SLM (до 12 лазеров) могут соответствовать или превышать скорость EBM

Точность и чистота поверхности

Преимущества SLM: Более высокая точность размеров, превосходная обработка поверхности, более тонкое разрешение слоя

Недостатки EBM: Более грубая обработка поверхности из-за большей ширины луча, требует более тщательной постобработки

Строительный объем

EBM: Не более 350 мм в диаметре × 430 мм в высоту (цилиндрические)

SLM: До 600 × 600 × 600 мм (возможны отдельные детали большего размера)

Свойства материалов и их применение

Характеристики деталей

• Обе технологии производят:
• Детали высокой плотности
• Отличные механические свойства
• Свойства изотропного материала
• Прочные, легкие компоненты

EBM Specific:

• Меньше внутренних напряжений
• Термообработка требуется редко
• Степень переработки порошка до 98%

SLM Specific:

• Низкая пористость
• Повышенные внутренние напряжения (часто требуется термообработка после сборки)
• Хорошая точность размеров

Отраслевые применения

Приложения EBM:

• Аэрокосмическая промышленность (турбинные лопатки)
• Медицина (ортопедические имплантаты)
• Автомобильные компоненты
• Оборонные приложения
• Нефтехимическая промышленность

Применение SLM:

• Аэрокосмическая промышленность
• Автомобили
• Медицина и стоматология
• Промышленная оснастка
• Строительство
• Ювелирные изделия
• Полные сборки (не только компоненты)

Преимущества и недостатки | EBM против SLM

Преимущества EBM:

• Более высокая скорость печати (однолучевая)
• Более высокие температуры плавления (до 2 000°C)
• Требуется меньше опорных конструкций
• Снижение внутренних напряжений
• Отличные механические свойства
• Высокая степень переработки порошка
• Возможность разделения луча на несколько точек одновременно

Недостатки EBM:

• Только для проводящих материалов
• Требуется вакуумная камера (повышает сложность, ограничивает размер)
• Меньшая точность продукции
• Грубая обработка поверхности, требующая последующей обработки
• Дорогие машины и материалы
• Собственная технология
• Требуются высококвалифицированные технические специалисты
• Ограничение на мелкие детали
• Требуется период охлаждения

Преимущества SLM:

• Более широкий ассортимент материалов
• Повышенная точность размеров
• Превосходная обработка поверхности
• Большие объемы сборки
• Можно печатать целые узлы
• Оператор может регулировать ширину луча в зависимости от скорости и точности.
• Несколько вариантов лазеров для повышения скорости

Недостатки SLM:

• Медленная печать (однолучевые системы)
• Повышенные внутренние напряжения
• Требуется термическая обработка после строительства
• Более дорогие машины начального уровня 

Альтернативные технологии

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Прямое лазерное спекание металла Похож на SLM, но использует несколько лазеров с меньшей энергией и обеспечивает высокую точность и лучшее разрешение, чем EBM и SLM, хотя и с меньшей плотностью.

Направленное энергетическое осаждение (DED)

Можно печатать металлами, полимерами и керамикой, используя нити или порошок. Быстрое изготовление крупных изделий и возможность работы с несколькими материалами.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Селективное лазерное спекание Очень похожа на SLM, но печатает пластиком, а не металлом.

Резюме

EBM и SLM - это технологии 3D-печати с использованием порошкового наплавления металла, в которых используются высокоинтенсивные источники тепла для расплавления металлического порошка и получения прочных и плотных изделий. Выбор между ними зависит от конкретных требований:

Выбирайте EBM, когда:

• Скорость - это приоритет
• Работа с огнеупорными/проводящими материалами
• Минимизация внутреннего стресса имеет большое значение
• Следует избегать термической обработки

Выбирайте SLM, когда:

• Точность и качество обработки поверхности имеют решающее значение
• Необходимо разнообразие материалов
• Требуются крупные детали или готовые узлы
• Необходимо более высокое разрешение

Обе технологии продолжают развиваться, причем SLM набирает обороты благодаря многолазерным системам, которые соответствуют скоростным преимуществам EBM, сохраняя при этом высокую точность и гибкость материалов.

Вопросы и ответы

Чем отличаются EBM и SLM по используемому источнику тепла?

В EBM используется электронный луч, а в SLM - лазер для расплавления металлических порошков.

Какой процесс происходит в вакуумной камере?

EBM работает в вакууме, а SLM - в атмосфере инертного газа.

Какие металлы обычно обрабатываются с помощью EBM и SLM?

EBM часто используется для титановых и кобальто-хромовых сплавов; SLM работает с более широким спектром, включая нержавеющие стали и алюминий.

Как соотносятся качество обработки поверхности и точность?

SLM обычно позволяет получать более тонкие поверхности и детали с более высоким разрешением, чем EBM.

Какой процесс обычно отличается более высокой скоростью сборки?

EBM позволяет увеличить скорость сборки за счет более высокой плотности энергии и объемного плавления.

Каковы типичные области применения EBM и SLM?

EBM популярна в аэрокосмической промышленности и медицинских имплантатах; SLM используется в автомобильной и аэрокосмической промышленности, а также в производстве инструментов.

В результате какого процесса получаются детали с меньшим остаточным напряжением?

Детали EBM, как правило, имеют более низкое остаточное напряжение благодаря вакуумной среде и предварительному нагреву.

Отличается ли постобработка в EBM и SLM?

Обе технологии требуют одинаковой последующей обработки, но детали, изготовленные с помощью SLM, могут нуждаться в более тщательной обработке поверхности.

Какой метод дороже?

Стоимость варьируется, но оборудование и эксплуатация EBM, как правило, дороже, чем SLM.