Jak wydrukować idealną część? Odkryj 6 kluczowych aspektów technologii L-PBF

Wstęp

W ostatnich latach technologia druku 3D z metalu zyskuje na popularności jako efektywny proces produkcyjny. Coraz więcej firm rozważa wykorzystanie tej technologii do wytwarzania części metodą selektywnego topienia laserowego (SLM). Choć sama koncepcja druku 3D wydaje się prosta (wystarczy nacisnąć „drukuj”), proces wytwarzania części o powtarzalnej jakości w technologii addytywnej może być skomplikowany. Wymaga rozważenia wielu aspektów, które nie zawsze mają zastosowanie w tradycyjnych procesach produkcyjnych. Zespół inżynierów Nikon SLM Solutions przygotował ten przewodnik, aby omówić, jakie rodzaje części, cechy i geometrie najlepiej nadają się do optymalizacji w procesie addytywnym. Poniżej znajdują się odpowiedzi na sześć pytań, które musimy sobie zadać, zanim zdecydujemy się na tę technologię wytwarzania elementów.

Czy Twój element zmieści się w drukarce?

Choć wydaje się to prostym i oczywistym pytaniem, w druku 3D z metalu ogranicza nas przestrzeń robocza urządzenia, dlatego należy upewnić się, że projektowana część zmieści się w komorze drukarki. Na szczęście, maszyny do druku 3D są dostępne w różnych rozmiarach, co pozwala dopasować urządzenie do konkretnych potrzeb. W zależności od tego, co zamierzasz wyprodukować, najprawdopodobniej znajdziesz odpowiednie rozwiązanie. Maszyny do selektywnego topienia laserowego, które znajdują się w naszej ofercie, oferują przestrzenie robocze o następujących wymiarach:

125 x 125 x 125mm → Nikon SLM 125
280 x 280 x 365mm → Nikon SLM 280
500 x 280 x 365mm → Nikon SLM 500
600 x 600 x 600mm → Nikon SLM NXG XII 600
600 x 600 x 1500mm → Nikon SLM NXG XII 600E

Czy Twój materiał jest spawalny?

Proces druku 3D metodą L-PBF, wykorzystuje proszek metalu, który rozprowadzany jest równomiernie w cienkich warstwach o grubości od 30 do 90 mikronów na przestrzeni pola roboczego drukarki. Laser światłowodowy o dużej mocy, topi każdą warstwę z poprzednią, co w praktyce jest procesem mikro spawania. Po zakończeniu procesu druku uzyskujemy tysiące mikro spoin nałożonych na siebie, które tworzą element metalowy o gęstości 99,9%. Zatem istotne jest, aby materiał twojego komponentu był spawalny, lub aby twój proces był na tyle elastyczny, aby umożliwić użycie istniejącego materiału addytywnego, który spełnia wymagania wydajności, na przykład zamieniając aluminium 7075 na AlSi10Mg.

Inne czynniki, takie jak wilgotność i płynność proszku, również wpływają na jakość przebiegu procesu, ale pierwszym krokiem w identyfikacji zoptymalizowanego addytywnego procesu wytwórczego, jest wybór materiału przetwarzanego przez drukarki L-PBF, który możesz pozyskać w postaci proszku wysokiej jakości. Najczęściej używanymi materiałami i stopami w procesie SLM są: aluminium, tytan, kobalt-chrom, stopy niklu takie jak inconel oraz stale narzędziowe i nierdzewne.

Zobacz listę materiałów z jakich możliwy jest druk

Czy to się opłaca?

Choć druk 3D z metalu oferuje wiele zalet, niezaprzeczalnym faktem jest, że koszty inwestycji w drukarkę 3D do metalu mogą być znaczące. Dlatego kluczowe jest upewnienie się, że produkowana część charakteryzuje się wysoką wartością i wydajnością, aby zachować zdrowy poziom cenowy. Jak wypada porównanie przetwarzania materiału na maszynie CNC w stosunku do druku 3D? Jak rozmiar lub moc lasera maszyny wpływa na produktywność procesu, a tym samym na koszt jednostkowy części?

Ocena wartości i kosztów części jest kluczowa, dlatego nasz Partner, Nikon SLM Solutions oferuje dokładną analizę kosztów produkcji części. Dzięki temu ułatwiona jest ocena, czy addytywna produkcja danego elementu ma sens ekonomiczny. Obliczenia te uwzględniają czas druku, zużycie proszku, cenę zakupu maszyny, liczby roboczogodzin oraz zużycie energii. To wszystko pomaga ocenić, czy drukowanie twojej części w technologii addytywnej jest opłacalne.

Czy ta technologia spełni Twoje oczekiwania co do właściwości części?

Technologia SLM (Selective Laser Melting) pozwala tworzyć części o gęstości 99,9% bezpośrednio z procesu druku, co czyni tę technikę potencjalnym zamiennikiem dla procesu odlewania. Jednak element wytworzony przez tę technologię addytywną, jest unikalnym materiałem i powinien być traktowany jako taki. Pod mikroskopem widać, że stopiony metal różni się od metalu wytwarzanego tradycyjnymi metodami, posiadając własną mikrostrukturę. Oto kilka punktów cech opisujących parametry wydruków:

Jakość powierzchni - chropowatość powierzchni mieści się w zakresie do sześciu mikrometrów (Ra=6), co jest porównywalne z elementami odlewanymi lub kutymi.
Wytrzymałość - wytrzymałość na rozciąganie w technologii SLM jest o 2-4% niższa niż w przypadku materiału kutego, ale nadal jest większa niż w przypadku odlewu.
Dokładność - technologia SLM zapewnia dokładność w zakresie 50-100 mikronów w całym zakresie pola roboczego drukarki.
Naprężenia - jako, że technologia bazuje na procesie spawania, naprężenia mogą gromadzić się zarówno w części, jak i na płycie, na której realizowany jest druk. W zależności od projektu może być wymagany proces odpuszczania wydrukowanych elementów, aby pozbyć się naprężeń.
Gęstość - gęstość wydruków wynosi 99,8% lub więcej w całym obszarze pola roboczego drukarki.
Twardość - technologia SLM pozwala na produkcję twardych elementów, tylko o kilka punktów niższej w porównaniu do materiału kutego. Możliwe jest również przeprowadzenie obróbki cieplnej w celu zmiany właściwości chemicznych materiału i zwiększenia twardości.

Czy Twoja część jest odpowiednio zaprojektowana pod technologie addytywne?

Chociaż drukarka pracująca w technologii L-PBF może wydrukować dowolny rodzaj części, nie oznacza to, że będzie to odpowiednie rozwiązanie. Ważne jest, aby prawidłowo ocenić, czy projekt twojej części ma sens, aby wytworzyć go przy użyciu technologii addytywnych. Aby w pełni wykorzystać potencjał tej technologii, powinieneś mieć część specjalnie zaprojektowaną pod kątem tego procesu. Drukowanie komponentu zaprojektowanego według tradycyjnych konwencji obróbki CNC, rzadko będzie opłacalne do wykonania technologią druku 3D z metalu.

Części zoptymalizowane pod kątem redukcji masy mogą nie być zoptymalizowane dla technologii addytywnej z metalu, ze względu na takie czynniki jak kąty wymagające podpór podczas druku czy usuwanie podpór w procesie post-processingu. Projektowanie dla produkcji addytywnej (Design for Additive Manufacturing - DfAM) pozwala wykorzystać zalety druku 3D, takie jak bioniczne geometrie poprawiające wytrzymałość części i redukujące ich masę, czy integrację kanałów wewnętrznych niemożliwych do osiągnięcia tradycyjnymi metodami produkcji.

W tym innowacyjnym podejściu do procesu projektowania, DfAM, będą uwzględnione kwestie optymalnej orientacji części w przestrzeni pola roboczego drukarki oraz ograniczenie lub całkowite wyeliminowanie potrzeby generowania podpór. W ten sposób możesz maksymalizować efektywność procesu druku i osiągnąć optymalne wyniki zarówno pod względem jakości, jak i kosztów.

Czy aplikacja, w której używana będzie Twoja część, powoduje, iż wymagany będzie post-processing?

Naciśnięcie guzika "drukuj" na urządzeniu nie produkuje gotowej części! Istnieje wiele metod post-processingu, które zależą od materiału, zastosowania części i wymagań. Czas i zasoby potrzebne do post-processingu mogą sprawić, że część ta nie będzie odpowiednia do produkcji addytywnej. Niektóre kluczowe kroki, które należy wziąć pod uwagę w ramach całego łańcucha produkcji, to:

Kontrola jakości - niektóre opcje obejmują testy zniszczeniowe, takie jak druk próbek do badań, razem z częścią lub skan mikro tomografii komputerowej (micro-CT), aby sprawdzić porowatość i obejrzeć, jak wygląda struktora części w całej jej objętości. Możesz również przeprowadzić inspekcję CMM (Coordinate Measuring Machine), aby określić dokładność wymiarową części i sprawdzić, czy ma ona pożądane tolerancje.
Odpuszczanie naprężeń - obróbka cieplna to bardzo często wymagany proces, zwłaszcza w przypadku produkcji elementów metalowych w sposób addytywny. Zanim części zostaną usunięte z płyty, na której są drukowane, konieczne może być poddanie ich procesowi odpuszczania.
Hot Isistatic Pressing (HIP) - chociaż druk metodą SLM pozwala produkować części o gęstości 99,9%, proces HIP pozwala usunąć wszelką pozostałą porowatość z części. W tym procesie część jest wystawiana na działanie wysokiej temperatury w warunkach wysokiego ciśnienia atmosferycznego. Jest to powszechna praktyka stosowana szczególnie w przemyśle lotniczym, która pozwala na zwiększenie wytrzymałości i jednorodności części.
Usuwanie części z płyty, na której odbywa się druk - po zakończeniu procesu druku 3D, części muszą zostać usunięte z płyty, na której odbywał się druk. Do tego celu zwykle używa się piły taśmowej lub obróbki elektroerozyjnej (EDM). W niektórych przypadkach, części zaprojektowane zgodnie z zasadami projektowania dla produkcji addytywnej (DfAM) są optymalizowane tak, aby miały minimalne podpory, co umożliwia ich łatwe odłamanie od płyty ręcznie.
Wykończenie powierzchni - po usunięciu części z płyty, na której odbywa się druk, kolejnym ważnym etapem post-processingu jest wykończenie powierzchni. Metody takie jak piaskowanie czy elektropolerowanie mogą znacząco poprawić jakość powierzchni części. Jeśli jest to wymagane, to można obrobić je do poziomu "mirror finish", jeśli jest to wymagane.

Druk 3D metodą SLM, to zaawansowana technologia, która pozwala na tworzenie wysoce gęstych metalowych części, idealnych do zastosowań wymagających wysokiej wytrzymałości i precyzji. Projektowanie części pod kątem druku 3D jest kluczowe dla osiągnięcia efektywności kosztowej i technicznej. W procesie SLM niezbędne są także różnorodne metody post-processingu, takie jak obróbka cieplna, HIP, a także precyzyjne metody usuwania części z płyty. Dodatkowo, wykończenie powierzchni, jak elektropolerowanie czy piaskowanie, odgrywa istotną rolę w poprawie estetyki i właściwości użytkowych finalnego produktu. Cały proces wymaga starannego planowania i dostosowania do specyfiki materiału oraz aplikacji, aby zapewnić optymalną jakość i funkcjonalność części. W rezultacie, SLM staje się coraz bardziej popularną metodą w branżach takich jak lotnictwo czy motoryzacja, oferując unikalne możliwości w zakresie produkcji zaawansowanych komponentów.

Firma Colmex zajmuje się zarówno sprzedażą urządzeń, jak i usługami druku. Jeśli po lekturze powyższego tekstu technologia wydaje się interesująca, to zapraszamy do kontaktu.

Dowiedz się więcej na temat usług druku

powrót do listy

Wiedza