SLM

Selective Laser Melting

خلاصه

روش ذوب لیزر انتخابی "SLM" یک تکنیک اجرایی در فناوری پرینتر سه بعدی است که از داده های فایل سه بعدی به عنوان یک منبع استفاده می کند و با استفاده از یک پرتو لیزر قدرتمند، پودر انواع فلزات را ذوب کرده و به هم پیوند می زند و به روش همه پرینترهای سه بعدی به صورت لایه به لایه، قطعات سه بعدی مورد نظر را شکل می دهد و تولید سه بعدی می نماید.

SLM

اولین الگوی SLM در انستیتو ILT فرانهوفر آلمان و در سال ۱۹۹۵ طراحی شد. این تکنولوژی در اوایل قرن حاضر، توسط کمپانی F&S با همکاری MCP HEK GmbH (که بعد ها به نام SLM Solutions GmbH تغییر نام داد) توسعه داده شد.

  1. ابتدا محفظه ساخت با یک گاز نجیب (مثل آرگون) پر می شود تا زنگ زدگی پودر فلز به حداقل برسد، سپس برای رسیدن به دمای ساخت بهینه گرم می شود.
  2. یک لایه نازک از پودر فلز روی پلتفرم ساخت پخش شده و یک لیزر پرقدرت روی مقطع قطعه حرکت کرده، ذرات فلز ذوب شده به هم متصل شده و لایه بعدی را می سازد.
  3. پس از اتمام پروسه اسکن و لیزر لایه، پلتفرم ساخت به اندازه ضخامت یک لایه پایین رفته و تیغه پخش کننده یک لایه نازک از پودر فلز را دوباره روی پلتفرم ساخت پخش می کند. این پروسه تا زمان ساخت و شکل گیری کامل قطعه تکرار می شود.

پس از اتمام پروسه ساخت، قطعات درون پودر فلز مدفون هستند. بر خلاف تکنولوژی پرینت سه بعدی SLS، قطعات با استفاده از سازه ساپورت به سینی ساخت متصل هستند. در پرینت سه بعدی فلز، جنس سازه ساپورت مشابه جنس قطعه است و همواره برای پیشگیری از خطا و تاب برداشتن قطعه لازم است.

پس از رسیدن دمای پلتفرم ساخت به دمای اتاق، پودر اضافی به طور دستی حذف می شود. سپس قطعات در معرض دمای بهینه قرار می گیرند تا به مقاومت بهینه خود برسند.

در قدم بعدی، قطعات با برش، ماشین کاری یا سیم EDM از پلتفرم ساخت کنده شده و آماده استفاده یا پرداخت و پست پروسس بیشتر می شوند.

به تعریفی دیگر :

پرینتر سه بعدی SLM  به طور مشابه با دیگر روش های تولید سه بعدی، فایل سه بعدی باید توسط یکی از نرم افزارهای ” اسلایسر ” پردازش شود تا اطلاعات فایل سه بعدی را به لایه های زیادی تقسیم کند. فرمت فایل استفاده شده توسط همه پرینتر های سه بعدی، STL می باشد که یک فرمت استاندارد در فناوری تولید افزایشی محسوب می شود. درست بعد از بارگذاری فایل سه بعدی، نرم افزار دستگاه پرینتر سه بعدی SLM ، پارامترها ، مقادیر مواد اولیه  و مسیر تولید سه بعدی را تعیین می کند.

پودر فلزات، به صورت یکنواخت بر روی صفحه تولید سه بعدی، توزیع می شود، سپس بر اساس نرم افزار اسلایسر، هر تکه ای از لایه ها، با استفاده از انرژی لیزر بسیار قوی پودر فلزات که به روی صفحه تولید سه بعدی هدایت می شوند را ، هدف قرار می گیرند. انرژی لیزر مورد استفاده در تکنیک پرینتر سه بعدی SLM چنان شدید است که پودر فلز به طور کامل ذوب می شود و یک قطعه سه بعدی جامد را تشکیل می دهد. پس از اتمام لایه، لایه بعدی دوباره شروع می شود. فلزات مورد استفاده برای فرآیند SLM ، شامل فولاد ضد زنگ، تیتانیوم، کروم، کبالت و آلومینیوم می باشد.
فرآیند تولید سه بعدی SLM ، به طور گسترده ای در تولید سه بعدی قطعاتی، با اشکال هندسی پیچیده ، ساختار های دیواری نازک ، حفره ها و یا کانال های پنهان استفاده می شود. بسیاری از پروژه های پیشگام در استفاده تکنیک تولید سه بعدی SLM برای استفاده از قطعات سبک وزن و محکم با قدرت تحمل فشار بالا در صنعت هوا فضا اختصاص داده می شدند. که البته امروزه تقریبا در همه صنایع  مورد استفاده قرار می گیرد.

  • فرآیند SLM یک تکنیک صنعتی برای شرکتهایی است که می خواهند قطعات فلزی خود را به منظور نمونه سازی با کیفیت بالا، شخصا تولید کنند، بسیار پرسود و مناسب است.
  • با این روش می توان طراحهای پیچیده و جزئیات بالا را نیز تولید کرد که با توجه به محدودیت های فرآیندهای قدیمی، در آنها امکان پذیر نبود. برای مثال، SLM می تواند اجزا چندگانه (مانند چفت و بست یا پایه ها) را ادغام کند و یک جسم واحد بسازد. این کار باعث کمتر شدن هزینه و زمان برای مونتاژ می شود.
  • همچنین با SLM می توان اجسامی با دیواره نازک و هندسه پیچیده ساخت، به این معنی که امکان تولید طراحی های سبک وزن نیز وجود دارد. سفارشی سازی و سرعت در تحویل نیز از مزایای دیگر این تکنولوژی محسوب می شوند.
  • مزایا تولید قطعات فلزی کاربردی با چگالی بالا (بالای ۹۹ درصد) و توان مکانیکی بالاتر (نسبت به روش های ساخت سنتی) را ارائه دهد. شما می توانید از انواع مختلف فلز در این تکنولوژی استفاده نمایید. قطعات پرینت شده را می توانید در دستگاهای مکانیکی خود به طور مستقیم مورد استفاده قرار دهید
  • از پرینتر سه بعدی فلز برای ساخت قطعات پیچیده ای که با روش های سنتی امکان پذیر نیستند استفاده کرد.
  • قطعات پرینت سه بعدی فلز می توانند برای بهبود کارکرد در عین پایین آوردن وزن بهینه سازی شوند.
  • قطعات پرینت سه بعدی فلز خواص فیزیکی فوق العاده ای دارند و گستره زیادی از مواد اولیه قابل استفاده در پرینترهای سه بعدی فلزی هستند که با روش های سنتی کار با آنها بسیار مشکل است.
  • قطعات بسیار قوی و کاربردی، هندسه های پیچیده

این تکنولوژی مشکلاتی همچون سرعت کم ، سطح خارجی نا مطلوب را داراست.(البته نا گفته نماند می توان با عملیات پس پردازش به میزان قابل توجهی از این مشکل را کاهش داد)

  • هزینه مواد اولیهو تولید با پرینتر سه بعدی فلز بالاست و در نتیجه این تکنولوژی برای تولید قطعات قابل ساخت با روش های سنتی مناسب و به صرفه نیست.
  • به دلیل شرایط خاص و نیاز به کنترل کامل محیط ساخت، ابعاد قابل ساخت سیستم های پرینت سه بعدی فلز محدود هستند.
  • مدل های سه بعدیآماده معمولا برای پرینت سه بعدی فلز مناسب نبوده و باید تغییراتی روی آنها صورت گیرد که مناسب ساخت با پرینتر سه بعدی فلز شوند.
  • سایز ساخت کوچک، بیشترین هزینه در بین همه تکنولوژی ها
  • هزینه پودر فلز بسیار بالاست. برای نمونه قیمت یک کیلوگرم فولاد ضدزنگ(استیل) ۳۱۶L بین ۳۵۰ تا ۴۵۰ دلار است. به همین دلیل رساندن حجم قطعه و ساپورتها به پایین ترین میزان ممکن نکته ای کلیدی در پایین آوردن هزینه تمام شده پرینت سه بعدی فلز است.
  • نمونه سازی
  • ساخته سازه های ساپورت
  • ساخت سری قطعات کوچک فلزی
  • ساخت ابزار
  • با تکنیکهای تولید افزایشی فلزی مانند SLM و DMLS می توان قطعات فلزی مفیدی تولید کرد که کاملا کاربردی هستند و به سرعت ساخته می شوند و تکنولوژی های دیگر قادر به انجام آن نیستند.
  • آلومینیوم و دیگر آلیاژهای فلزی که در SLM استفاده می شوند، در مقابل فشار و حرارت مقاومت بسیار بالایی دارند و به همین دلیل درخواست های بسیاری در زمینه های مهندسی مکانیک و مهندسی شیمی برای این تکنولوژی وجود دارد. وزن کمتر، عملکرد بهتر، کاهش هزینه و کارایی ساده تر نتایجی هستند که به لطف وجود تکنولوژی SLM به دست آمده اند.
  • هوافضا و صنایع وابسته به آن اولین کسانی هستند که از این تکنولوژی بهره مند می شوند (و به همین دلیل کشور ایران در این صنعت تحریم بین المللی گردیده است).
  • قطعات SLM در ابزار، تجهیزات، بخشهای موتور مانند روتور و پروانه، کانال های خنک کننده و غیره استفاده میشوند. صنایع اتوماتیک، بخش های تحقیقاتی، مهندسی پزشکی و دندانسازی نیز از استفاده کنندگان معمول این تکنولوژی محسوب میگردد.
  • با پیشرفت و دستیابی به روش جدید تولید با فلز، SLM در زمینه های ذکر شده تقویت شده است و در زمینه های بیشتری نیز وارد خواهد شد.
  • تکنولوژی های پرینت سه بعدی SLM و DMLS می توانند قطعات را از جنس گستره بزرگی از فلزات و آلیاژهای فلزی از جمله آلومینیوم، فولاد ضدزنگ(استیل) ، تیتانیوم، کبالت-کروم و اینکونل تولید کنند. این متریال ها بیشتر نیازهای صنایع از صنعت فضایی تا پزشکی را پوشش می دهند
  • بسیاری از پروژه ها و قطعات ساخته شده با انواع پرینترهای سه یعدی SLM ، کمک شایان به ذکری به صنعت هوافضا و علی الخصوص در جایی که نیاز به تولید قطعات سبک احساس میشود ، کرده است. SLM نوعی عالی از چاپ سه بعدی برای پروژه هایی که دچار مشکلاتی مانند قالب سازی دشوار و دسترسی فیزیکی مشکل به سطوح برای ماشینکاری، و همچنین محدود بودن طراحی قطعات است. این تکنولوژی به طور گسترده در میان کاربران در خانه مورد استفاده قرار نمیگیرد اما در بین تولید کننده صنعت هوا فضا و ارتوپدی پزشکی بسیار محبوب است
  • این فناوری برای سرعت و دقت فوق العاده اش، مورد توجه قرار گرفته است و اخیرا توسط غول هواپیماسازی جهان، شرکت بوئینگ و قلب تحولات الکترونیک جهان یعنی جنرال الکتریک، مورد استفاده قرار گرفته است

در چاپگر سه بعدی فلزات چه زمانی به ساپورت نیاز داریم؟

در تکنولوژی های پرینت فلزات یا پرینترهای سه بعدی SLM  یا DMLS در همه موارد از ساپورت به منظور نگهداشتن قطعه روی صفحه ساخت استفاده می شود.برآمدگی های شدید که زاویه آن بیشتر از۳۵ درجه باشد را می توان چاپ کرد. زمانی که باید ساپورت هایی در نظر بگیریم باید حتما توجه کنیم که در دسترس باشند در غیر این صورت در عملیات بعد از چاپ در قطعه باقی خواهند ماند.!
استفاده از ساپورت در پرینترهای سه بعدی فلزات هیچ تاثیری در کیفیت پرینت ندارد و در صورتی که عملیات پاکسازی به درستی انجام شود هیچ اثری از ساپورت باقی نخواهد ماند.

نوع عملیات پس از چاپی که به جهت پاکسازی ساپورت ها باید انجام دهیم به نوع  و کیفیت سطحی که قصد داریم به آن برسیم بستگی دارد. زمانی که چاپ قطعه به اتمام رسید و قطعه را از محفظه ساخت خارج کردیم مرحله بعدی شامل سندبلاست،کوبیدن و صیقل با دست بشود.

به جز در تکنیک پرتاب ماده یا Polyjet در بقیه تکنیک ها معمولا ساپورتها اثرات مخربی بر ظاهر قطعه می گذارد و بعد از چاپ پس عملیات ها معمولا نیاز هستند تا سطوح  را بهتر کنند.

هرچقدر تعداد ساپورت ها بیشتر می شود طراحی پیچیده تر خواهد بود ولی می توان این مقدار را با ترفندهایی نظیر توجه به دقت مورد نیاز یا استفاده از جهت مناسب برای پرینت کاهش داد که درنتیجه هزینه و زمان ساخت نیز کاهش خواهند یافت.

در تکنولوژی  SLM برای زوایای قطعه و بخش هایی که زیرکار ندارند به سازه ساپورت نیاز دارد. ساپورت گذاری باعث می شود که گرما از بخش های اصلی قطعه دور شده و قطعه سریعتر خنک شود که این امر باعث کاهش استرس قطعه فلزی می شود.همچنین جلوی وا رفتن قطعه و تغییر شکل در زمان چاپ می گیرد.

پرداخت و پست پروسس

تکنیک های مختلف پست پروسس و پرداخت برای بهبود خواص مکانیکی، دقت و ظاهر قطعات پرینت سه بعدی فلز استفاده می شوند.

مراحل ضروری پرداخت پس از پرینت سه بعدی قطعات فلزی عبارتند از زدودن پودر و کندن سازه ساپورت. قراردهی در معرض گرما از مراحل پست پروسس است که برای بهبود خواص مکانیکی قطعات استفاده  می شود.

از ماشینکاری CNC می توان برای افزودن جزئیات دقیق مثل حفره ها به قطعه استفاده کرد، پولیش، آبکاری فلز و ماشین کاری دقیق می تواند برای بالا بردن کیفیت و دوام قطعه ای که با پرینتر سه بعدی فلز ساخته شده استفاده شود.

تنظیمات پرینتر

در پرینت سه بعدی فلز SLM و DMLS تقریبا همه متغیرهای پروسه توسط سازنده پرینتر سه بعدی تعیین شده و غیرقابل تغییر هستند.

ضخامت لایه پرینتر سه بعدی فلز چیزی بین ۲۰ تا ۵۰ میکرون است. این میزان وابسته به خواص پودر فلز(مثل اندازه ذرات،شکل، جریان پذیری و…) است.

ابعاد پلتفرم ساخت سیستم پرینت سه بعدی فلز حدود ۲۵۰*۲۵۰*۱۵۰ میلیمتر است اما پرینتر های سه بعدی صنعتی می توانند تا ابعاد ۵۰۰*۲۸۰*۳۶۰ میلیمتر را پوشش دهند.  دقت ابعادی پرینتر سه بعدی فلز چیزی حدود ± ۰.۱ میلیمتر است.

پرینتر های سه بعدی فلز می توانند برای تولید تیراژ پایین و نمونه سازی سریع استفاده شوند اما قابلیت ها و محدودیت های آنها بیشتر شبیه به پرینتر های سه بعدی SLA و FDM است و نسبت به پرینتر سه بعدی SLS محدودیت های زیادی دارند: همچنین ساخت این قطعات بر خلاف SLS روی سینی ساخت انجام  می شود و قطعات باید متصل به سینی ساخت باشند که همین مساله موجب ایجاد محدودیت در ابعاد قابل ساخت می شود.

پودر فلز پرینتر سه بعدی فلز تا حد زیادی قابل بازیافت است: در هر نوبت پرینت کمتر از ۵% از مواد اولیه غیرقابل استفاده می شود. پس از هر نوبت پرینت، پودر استفاده نشده جمع آوری شده ، با پودر تازه ترکیب شده و برای پروسه بعدی پرینت به مخزن دستگاه داده می شود.

ضایعات اصلی پرینت سه بعدی فلز سازه های ساپورتی هستند که با وجود اینکه برای رسیدن به یک پرینت مناسب ضروری هستند، میزان ماده اولیه مورد نیاز(و به طبع هزینه تمام شده) را به طرز قابل توجهی افزایش می دهند.

چسبندگی بین لایه ها

قطعات فلزی SLM و DMLS تقریبا به طور کامل ویژگی های مکانیکی و گرمایی ایزوتروپیک(همگن) دارند. این قطعات یکپارچه بوده و تخلخل درونی بسیاری پایینی (کمتر از ۰.۲ تا ۰.۵ درصد) دارند.

قطعات فلزی که با استفاده از پرینتر سه بعدی ساخته می شوند مقاومت و سختی بالاتر و انعطاف پذیری بیشتری نسبت به قطعاتی که با روش های سنتی ساخته شده اند دارند اما بیشتر از آنها در معرض فرسودگی هستند.

آلیاژ فلزی AlSi10Mg EOS و AlSi10Mg EOS دو آلیاژ بسیار مشابه از نظر ترکیب شیمیایی با درصد بالای سیلیکون و منگنز هستند. قطعات پرینت سه بعدی شده خواص مکانیکی بهتر و سختی بالاتری نسبت به قطعه ای که به روش سنتی ساخته شده دارند.

سطح ازبیلت قطعه ای که با پرینتر سه بعدی فلز ساخته شده به خاطر حالت پودری ماده اولیه آن خشونت زیادی (در حدود ۵ تا ۱۰ میکرون) دارد. این سطح خشن از دلایل فرسودگی زودرس این قطعات است.

 

AlSi10Mg (آلیاژپرینت سه بعدی)

A360 (آلیاژ قالب ریزی شده)

مقاومت خمشی (۰.۲% strain) *

XY : 230 MPa Z : 230 MPa

۱۶۵ MPa

مقاومت کششی *

XY : 345 MPa Z : 350 MPa

۳۱۷ MPa

مدول خمشی *

XY : 70 GPa Z : 60 GPa

۷۱ GPa

افزایش طول در نقطه شکست *

XY : 12% Z : 11%

۳.۵%

سختی **

۱۱۹ HBW

۷۵ HBW

Fatigue Strength **

۹۷ MPa

۱۲۴ MPa

*قرار گرفته در معرض دمای ۳۰۰ درجه به مدت دو ساعت

**آزمایش شده روی نمونه های ازبیل

سازه ساپورت و جهت گیری قطعه

برخلاف تکنولوژی های پلیمری پودری مثل پرینت سه بعدی SLS، مقاطع توخالی بزرگتر معمولا در پرینت سه بعدی فلز قابل اجرا نیستند چرا که ساپورت های آنها به راحتی قابل حذف نیستند.

برای کانال های داخلی با قطر بزرگتر از ۸ میلیمتر بهتر است به جای مقطع دایره از مقاطع الماسی یا اشکی استفاده کرد. راهنمای کامل طراحی با تکنولوژی های پرینت سه بعدی SLM و DMLS را در این قسمت می توانید پیدا کنید.

به عنوان یک جایگزین برای مقاطع توخالی می توان قطعه را با پوسته و هسته طراحی کرد. مقاطع پوسته و هسته با قدرت لیزر و سرعت متفاوتی تولید شده و خواص فیزیکی متفاوتی را در قطعه ایجاد می کنند. استفاده از پوسته و هسته برای تولید قطعاتی که مقاطع بزرگی دارند بسیار بهینه است.

این روش زمان پرینت سه بعدی و هزینه را تا حد زیادی پایین آورده و احتمال تاب برداشتن قطعه را پایین می آورد. قطعاتی که با این روش طراحی می شوند با پایداری بالا و کیفیت سطح بسیار مناسب با پرینترهای سه بعدی فلز تولید می شوند.

یک استراتژی پر استفاده در پرینت سه بعدی فلز پر کردن مقطع جسم به صورت شبکه ای است که هم هزینه و هم وزن قطعه را پایین می آورد. این سیستم مشابه مفهوم تراکم داخلی در پرینت سه بعدی FDM است.

ماده اولیه

خواص

آلیاژ های آلومینیوم

·         خواص فیزیکی و گرمایی خوب

·         چگالی پایین

·         رسانایی الکتریکی بالا

·         سختی پایین

فولاد ضدزنگ (استیل)

·         دوام و مقاومت سایشی بالا

·         سختی بالا

·         شکل پذیری و قابل جوش

آلیاژهای تیتانیوم

·         مقاومت در برابر زنگ زدگی

·         نسبت مقاومت به وزن بالا

·         انبساط گرمایی پایین

·         Biocompatible یا زیست سازگار

آلیاژهای Cobalt-Chrome

·         مقاومت سایشی و دوام فوق العاده

·         خواص مناسب در حرارت های بالا

·         سختی بسیار بالا

·         Biocompatible یا زیست سازگار

آلیاژهای نیکل

·         خواص مکانیکی فوق العاده

·         مقاومت سایشی بالا

·         مقاومت گرمایی تا دمای ۱۲۰۰درجه

·         قابل استفاده در محیط های نامساعد جوی

فلزات گرانبها

·         استفاده در ساخت طلا و جواهر

·         به طور گسترده موجود نیست

خصوصیات اصلی سیستم های پرینت سه بعدی SLM و DMLS به طول خلاصه در جدول زیر نوشته شده اند:

پرینت سه بعدی فلز (SLM/DMLS)

 

مواد اولیه

فلز و آلیاژهای فلز(آلومینیوم، استیل، تیتانیوم و…()

دقت ابعادی

± ۰.۱ mm

بزرگترین ابعاد قابل ساخت

۲۵۰ x 150 x 150 mm

(up to up to 500 x 280 x 360 mm)

ضخامت لایه معمول

۲۰ – ۵۰ μm

سازه ساپورت

همیشه لازم است

.

مشخصه های تکنولوژی

  • حداکثر فضای ساخت ۵۰۰ *  ۴۰۰ * ۶۰۰ mm
  • دقت : +/- ۰٫۰۵ – ۰٫۲ mm
  • کمترین ضخامت لایه : ۰٫۰۳ mm
  • کیفیت سطح لایه : ۴-۱۰ میکرون
  • چگالی : بیش از ۹۹ درصد

متریال پرینت سه بعدی SLM

 

شما می توانید از پرینت سه بعدی با آلومینیوم AlSi7Mg0,6 استفاده کنید. برای مقاصد دیگر همچنین پیشنهاد می کنیم از پرینتهای دیگر فلزی مانند DMLS یا تکنیک Metal Casting نیز استفاده کنید.

در DLMS: فولاد ضد زنگ SS316L و تیتانیوم TiAl64V  درجه ۵

در Metal Casting: نقره و برنج

از آنجایی که هر آلیاژی از فلز نیاز به قدرت خاصی از لیزر جهت ذوب شدن و همچنین سرعت جوش کاری متفاوتی دارد، لذا شرکت های سازنده پرینتر های سه بعدی SLM جهت جلوگیری از پیچیدگی کار با دستگاه، پودر فلزات مشخصی را در طیف های مشخصی در اختیار مصرف کننده قرار می دهند.

هر پودر دارای کد خاص خود می باشد که با اعلام آن به پرینتر سه بعدی، به صورت اتوماتیک قدرت لیزر و سرعت جوشکاری متناسب با آن تنظیم میگردد.

در تکنولوژی SLM از آلیاژهای فلزی زیادی می توان استفاده کرد. اگر می خواهید یک پروژه فلزی را پرینت سه بعدی کنید تعدادی از آلیاژهای فلزی زیر را پیشنهاد می کنیم:

  • فولاد مارایجینگ
  • فولاد ضد زنگ: SS17-4 یا SS15-5
  • تیتانیوم  Ti6Al4V درجه ۵

 

۶۷۸
تعداد بازدید هفته اخیر
میزان مفید بودن این مطلب
۷/۱۰