Sls спекание. Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)

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 Laser Metal Sintering (ILMS)), прямое лазерное спекание металлов (Direct Laser Metal Sintering (DLMS)) 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 DLMS и SLM может наблюдаться твердофазное спекание, которое имеет место при SLS, тогда как при SLM может происходить жидкофазное спекание, которое более характерно для DLMS.

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 (ILMS)

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 ILMS 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 ILMS 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%.

На основе метода выборочного лазерного спекания SLS создаются детали путем накладывания нескольких слоев друг на друга. Благодаря такому современному процессу есть возможность производить детали и прототипы в больших количествах, которые отличаются уникальными физико-химическими характеристиками. Спекание на основе лазерного воздействия предполагает применение мощного лазера.

Кто придумал и когда?

Истоки выборочного спекания лазером лежат еще в 1980-х годах, когда работники Техасского университета Карл Декард и Джозеф Биман работали над созданием исследовательских проектов для агентства DARPA (США), которое чуть позже было выкуплено концерном DTM. Его специалисты как раз занимались продвижением технологии SLS на рынок. В 2001 году эту компанию выкупили 3D Systems.
С одной стороны, данная технология во многих своих чертах и процессах похожа на послойное наплавление, а с другой, имеются и четкие различия. Ключевой момент – применение порошка, а не плавящейся нити. Состав с порошкообразной текстурой равномерно напыляется по всей площади, затем производится его запекание лазером, причем обработке подвергаются только те участки, которые соответствуют сечению модели на конкретном слое на конкретной высоте.

Особенности технологического процесса

Суть спекания лазером SLS в следующем. На основе использования мощных лазеров непрерывного излучения подвергаются спеканию частицы порошкообразного материала. Процесс длится до тех пор, пока не сформируется трехмерный объект. 3D-принтер работает с использованием пластика, металла, керамики или стекла. В ходе спекания осуществляется вычерчивание контуров – они заранее заложены в цифровую модель, и только после этого начинают работать лазеры. После формирования первого слоя на рабочую поверхность наносится еще один слой порошка, и процесс запускается заново. Вся процедура длится до формирования полной трехмерной модели.

Особенности технологии таковы, что можно выполнять ряд специфических задач. В первую очередь создаются детали различной степени сложности с применением любых материалов. Плотность изделия может варьироваться в зависимости от того, какую максимальную энергию показывает лазер. Перед тем, как начинать печать, расходный материал следует подогреть до температуры, которая будет ниже точки плавления, — это позволит сделать процесс спекания проще. Детали, которые производятся на основе SLS принтеров, имеют ряд особенностей:

модели могут строиться и без создания опорных структур,
вести производственный процесс можно на основе любых материалов – от пластика до стекла,
можно создавать модели, которые будут отличаться функциональностью, широким выбором геометрических форм, в том числе и сложных.

Какие материалы применяются?

Особенность технологии SLS в универсальности, поскольку можно применять различные расходные материалы. Некоторые устройства используют порошок однородной структуры, который производится на барабанно-шаровых мельницах. В большинстве случае производство ведется на основе композитных гранул: в них имеется тугоплавкое ядро, а оболочка покрыта материалом с низкой температурой плавления: полимерными веществами, например, полистиролом или нейлоном, металлами (сталью, титаном, сплавами кобальта и хрома, драгоценными металлами), композитными и песчаными составами.

Как проходит процесс спекания?

Технология предполагает ведение производственного процесса в двух этапах. Первым делом идет подготовка ровного тонкого слоя порошка – он распределяется по всей площади. Чтобы распределение было равномерным и одинаковой толщины, используется валик. Затем подключается мощный лазер, которым выполняется запекание областей, которые должны создать срезы будущего изделия. Затем модель опускается вниз на расстояние, которое равно толщине слоя, и процедура вновь повторяется до тех пор, пока процесс не дойдет до самой верхней точки изделия.

Однако каждый этап производства может выполняться по-разному. Например, можно задать разный алгоритм запекания – плавятся только определенные участки или плавление выполняется по всей глубине модели. Сам процесс запекания может вестись в разном температурном режиме, степени мощности и длительности. В выборочном запекании не требуется использование поддерживающих структур, поскольку по всему объему детали образуются излишки порошка, защищающие ее от разрушения, даже если модель еще не сформировалась и не стала прочной.
Заключительная стадия – это финишная обработка, когда полученное изделие опускается в специальную печь, чтобы выжечь технологические полимеры. Иногда выполняется полировка, то есть удаляются видимые переходы между слоями. Благодаря постоянному совершенствованию технологий и материалов финишная обработка стала не только интереснее, но и проще.

Где применяется?

3D-печать на основе метода SLS применяется в различных сферах:

проектировании деталей силовых установок,
авиа- и машиностроении,
космонавтике,
в создании предметов искусства и дизайна.

На основе технологии SLS создаются прототипы с отличными механическими свойствами, поэтому их можно использовать при создании полнофункциональных деталей и изделий. Благодаря возможности использования термопластичных полимеров, стекла, керамики и даже металла на основе технологии можно создать работоспособные изделия, которые будут отличаться высокой прочностью. К недостаткам принтеров SLS можно отнести слишком длительную подготовку к работе, чтобы нагреть порошок и постоянно поддерживать температуру. С другой стороны, эта современная технология позволяет работать даже с экономичными материалами, при этом модели получаются прочными и стойкими к деформации.

Кстати, SLS принтеры стоят довольно дорого – примерно один миллион рублей, при этом самой популярной маркой считается sPro 60 HD.

SLS (Selective Laser Sintering)

Порошкообразный материал в рабочей камере разогревается до температуры, близкой к плавлению, разравнивается и лучом лазера на нем прорисовывается необходимый контур слоя.

В месте контакта луча и порошки частицы плавятся и спекаются друг с другом и с предыдущим слоем. Затем платформа опускается на толщину одного слоя, в камеру насыпается новый слой порошка, разравнивается, и процесс повторяется. В итоге печати получается готовая модель с пористой шероховатой поверхностью.

Металлические изделия после изъятия из рабочей камеры помещают в специальную печь, где пластик выгорает, а поры заполняются легкоплавкой бронзой.

Порошки на основе керамики или стекла позволяют изготавливать также модели, обладающие высокой химической и термической стойкостью.

Метод был придуман группой студентов во главе с доктором Карлом Декартом в Университете Остина, штат Техас. Впервые он был запатентован в 1989 году фирмой DTM Corporation, которая в 2001 году была куплена компанией 3D Systems.

На сегодняшний день разнообразие материалов, применяемых в качестве порошка, поистине велико: частицы пластика, стекла, нейлона, керамики, металла.

Как и следует ожидать, существует много вариантов на каждом этапе такого производства. Существует два алгоритма запекания: в одном случае плавят только те участки, которые соответствуют границе перехода, в другом — плавят по всей глубине модели. Кроме того, само запекание может варьироваться по силе, температуре и длительности.

Важная особенность выборочного (селективного) лазерного спекания — отсутствие необходимости в поддерживающих структурах, так как излишек окружающего порошка по всему объему не дает модели разрушиться, пока окончательная форма еще не обретена и не достигнута прочность целевого объекта.

Последний этап — 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.

Сфера применения 3D печати методом SLS обширна: детали силовых установок, авиастроение, машиностроение, космонавтика. В последнее время технология добралась и до предметов искусства и дизайна.

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;

Принтер: EOSINT P395
Размер камеры: 340 х 340 х 620 мм
Толщина слоя: 120 мкм

Эта технология с одной стороны, кардинально отличается от метода послойного наплавления, с другой стороны, имеет много общего. Как и там, модель создается послойно на основе компьютерного описания. Однако ключевым принципом здесь является применение порошка, а не плавящейся нити. Порошок напыляется равномерным слоем по всей площади, после чего лазер запекает только те участки, которые соответствуют сечению модели на этом слое на этой высоте.

Метод был придуман группой студентов во главе с доктором Карлом Декартом в Университете Остина, штат Техас. Впервые он был запатентован в 1989 году фирмой DTM Corporation, которая в 2001 году была куплена компанией 3D Systems.

На сегодняшний день разнообразие материалов, применяемых в качестве порошка, поистине велико: частицы пластика, металла, керамики, стекла, нейлона.

Итак, технология состоит из двух параллельных процессов: вначале подготавливается ровный тонкий слой порошка по всей возможной площади. Здесь не обойтись без валика, подающего и разравнивающего порошок, как каток. После этого включается мощный лазер и запекает те области, который соответствуют срезу воображаемого объекта. Затем модель опускается вниз на расстояние, равное толщине слоя, и алгоритм повторяется, пока процесс не дойдет до самой верхней точки модели.

Важная особенность выборочного (селективного) лазерного спекания — отсутствие необходимости в поддерживающих структурах, так как излишек окружающего порошка по всему объему не дает модели разрушиться, пока окончательная форма еще не обретена и не достигнута прочность целевого объекта.

Последний этап — 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.