SLM-принтеры на службе Nasa и SpaceX

Современные задачи в области инженерных разработок металлических узлов и деталей очень амбициозны. Порой специалистам нужно сделать весьма сложную конструкцию, которую невозможно получить на фрезерном или токарном станке. Для решения этих задач требуется особая техника. Например,  SLM 3D-принтер .

• SLM-технология 3D-печати: что это такое и что значит
• Где используется SLM-технология?
• Преимущества технологии селективного лазерного плавления
• Минусы
• 3D-принтер SLM
• О компании SLM Solutions
  • SLM Solutions SLM 500
• 3DSLA.RU — Российские 3D-принтеры
  • Russian SLM 250

SLM-технология 3D-печати: что это такое и что значит

Этот вид 3D-печати относится к аддитивным технологиям. Конечное изделие получается в процессе послойного синтеза или наращивания сырья. Для SLM в качестве основного материала используют специальный порошок на металлической основе. Наращивание слоев происходит за счет плавления области печати направленным лазерным лучом.

Информация! SLM (Selective Laser Melting) – дословно переводится как «селективное лазерное плавление».

В качестве «чертежа» часто используют CAD-модели. По ним строят сложные объекты высокой плотности и точности. Технология примечательна тем, что позволяет изготавливать детали с очень сложной геометрией. Такие изделия практически невозможно повторить на обычных фрезерных или токарных станках. В них нет склеек, стыков и швов. За счет этого деталь приобретает лучшие эксплуатационные характеристики.

Справка! Стартом развития технологии SLM принято считать середину 80-х. Тогда два сотрудника Техасского университета в Остине изобрели и запатентовали технологию селективного лазерного спекания металлического порошка (SLS). Она запустила волну исследований, и уже в 1995 году был оформлен первый патент на SLM. Технологию разработали и внедрили в Институте Фраунгофера ILT (Германия).

Алгоритм работы SLM 3D-принтера:

1. На специальную подложку наносят металлизированный порошок, который дозируется и выставляется по уровню специальным устройством-выравнивателем.
2. Лазерный луч проходит через систему линз и запекает верхний слой порошка согласно 3D-модели. При этом точность измерений контролирует встроенный сканер.
3. Платформа с готовым слоем опускается на незначительную глубину. Механизм досыпания и выравнивания порошка формирует новый ровный слой. Лазер повторяет операцию.

Так слой за слоем формируется деталь. Как только принтер заканчивает работу, платформа поднимается и с нее отпадает часть неиспользованного порошка. Для некоторых деталей или изогнутых узлов используют поддерживающие конструкции. Таким образом модель закрепляют на рабочей платформе, чтобы избежать перекосов, либо других дефектов, которые могут возникнуть в процессе печати.

Информация! Во время печати рабочая камера принтера закрыта. В нее подают инертный газ. Чаще всего озон или аргон, во избежание процессов окисления детали.

Приблизительная схема печати:

Где используется SLM-технология?

Технология 3D-печати методом селективного лазерного наплавления нашла свое применение в разных областях производства. Принтеры позволяют получить продукцию высокой геометрической точности, с хорошими эксплуатационными характеристиками. Сегодня SLM-аппараты используют:

• для разработки и изготовления сложных неразборных деталей и узлов;
• проектирования штампов и пресс-форм;
• разработки прототипов и разнообразных инженерных проектов;
• изготовления предварительных макетов ювелирных изделий;
• печати слепков в стоматологии.

Технологию ценят не только частные мастера, небольшие компании, но и крупные корпорации.

Triton. Выпускает качественные велосипеды премиального уровня. С недавних пор фирма наладила производство титановых рам, которые были отпечатаны на SLM-принтере. Также компания использует 3D-печать для изготовления некоторых деталей и узлов.

Титановая рама велосипеда Тритон:

AUDI. Немецкий автогигант использует 3D-принтеры для изготовления некоторых узлов и агрегатов в своих премиальных автомобилях. Производство этих компонентов обычными методами заняло бы большее количество времени и ресурсов.

Распечатанные коннекторы системы охлаждения на ДВС W12 автомобиля Audi A8:

PORSCHE. Еще один производитель автомобилей, который также активно использует технологию SLM для решения сложных задач. В частности, 3D-принтер позволил закрыть проблему с наличием деталей для мелкосерийных болидов, а также ретромобилей. Подразделение Porsche Classic отмечает, что сегодня в каталоге производителя находится порядка 52 000 единиц запчастей, часть из которых можно распечатать на принтере.

Редкая деталь на автомобиль Porshe:

SpaceX и NASA. Космическая отрасль давно присматривается к технологиям 3D-печати. Использование деталей, сделанных методом SLM, позволило значительно сократить расходы и реализовать сложные проекты.

Сложные детали камеры сгорания в корабле SpaceX SuperDraco и насос ракетного двигателя от NASA:

Вообще, технология SLM востребована во многих областях, где требуется изготовить изделие из металла, которое невозможно воплотить на обычных станках.

Интересно! В середине 2019 года британский промышленный гигант Rolls-Royce заявил о желании занять свою часть рынка в аэрокосмической отрасли. Компания планирует печатать детали для космических кораблей на принтерах корпорации SLM Solutions.

Преимущества технологии селективного лазерного плавления

За почти 40 лет своего существования технология SLM развивалась и лишалась многих «детских» болезней. Сегодня 3D-принтеры селективного лазерного спекания используют по всему миру. Популярность SLM обусловлена большим количеством плюсов данной технологии:

1. Решение сложных инженерных задач. Принтер может напечатать деталь или целый узел со сложной геометрией. Она может состоять из внутренних перемычек и ребер жёсткости, иметь каналы конформного охлаждения.
2. Уменьшение общего времени на изготовление. Построение конечного изделия или группы деталей за один раз. Без использования специальных оснасток.
3. Снижение конечной массы изделия. За счет более рациональной нагрузки на поверхности, а также распределения усилий на внутренние перегородки и ребра жесткости детали.
4. Меньший расход конечного материала. Оптимальный расчет еще на этапе проектирования позволяет экономить на сырье.

Это основные плюсы технологии, но SLM имеет и свои минусы.

Справка! Компания NASA сократила количество внутренних деталей в двигателях на 45 %. Этого показателя удалось достичь после введения в эксплуатацию SLM-принтера.

Минусы

Отрицательные стороны у данных принтеров также имеются:

1. Цена. Пока что SLM 3D-принтеры – это прерогатива крупных компаний. Стоимость самого простого принтера российской разработки составит более 9 500 000 рублей.
2. Обслуживание. Принтер требует постоянного ухода, а также специальных навыков работы. Для таких агрегатов обычно обучают операторов. Также потребуется знать принципы работы CAD-редакторов. Это посложнее, чем обработать и пустить на печать модельку из Cura.
3. Расходники. Принтер SLM выгоден только в том случае, если человек или компания занимается изготовлением деталей/моделей чего-либо в промышленных масштабах.
4. Наличие постобработки. Конечные детали могут иметь шероховатости и прочие неровности. Их потребуется убирать и подчищать стандартными способами и методами.

Возможно, лет через 10–15 технология сделает рывок, и принтеры станут стоить в разы меньше. Но пока что этот метод печати выгоден только крупным компаниями и корпорациям.

3D-принтер SLM

Технологию разработала компания F&S в сотрудничестве с MCP HEK GmbH в середине 90-х. Уже к 2000 году образовалась корпорация SLM Solutions GmbH. SLM-метод печати открыл новые возможности в области прототипирования. Он позволял получать детали со сложной геометрией, а также с высокими эксплуатационными характеристиками. Их проектируют в специальных CAD-программах, после чего загружают в собственное ПО принтера.

Перед началом построения модели проект загружают в программу, где объект расслаивают в двухмерные плоскости. Каждый из таких слоев имеет толщину от 20 до 100 мкм. После чего подборку из «кадров» заносят в STL-файл и выводят на печать.

При работе устройства используют инертный газ. Его расходуют в основном в начале печати, когда из рабочей камеры выгоняют воздух. В этом случае газ учитывают как расходный материал. Во время продувки может использоваться до 70 литров азота или аргона в минуту.

Примеры печати на SLM принтерах:

Важно! Чаще всего SLM 3D-принтеры печатают таким порошковыми материалами, как кобальт-хромовые сплавы, титановые сплавы, титан, инструментальная сталь, нержавеющая сталь, алюминий, золото, платина.

О компании SLM Solutions

Одна из самых старых и известных компаний, которая положила начало технологии SLM в промышленном масштабе. Штаб-квартира находится в городе Любек (Германия). Формальная дата основания – 2006 год. Образование холдинга произошло в 2014 году, когда компания вышла на IPO. В штате SLM Solutions работает более 370 человек. Годовая выручка компании более 80 млн евро. В линейке производителя есть несколько 3D-принтеров с максимальной областью печати: от 125 × 125 × 75 мм до 500 × 280 × 325 мм.

Справка! Холдингу SLM Solutions также принадлежат дочерние компании: SLM Solutions Gesellschaft mit beschrankter Haftung, SLM Solutions NA, Inc.

SLM Solutions SLM 500

Одна из самых популярных и производительных моделей принтеров в компании SLM Solutions. Оснащена 4 лазерами, по 400Вт или 700 Вт каждый. Минимальная толщина печатного слоя составляет 20 мкм. Диаметр лазерного пятна составляет 80–115 мкм. Принтер используют в машиностроении, медицине, ВПК и аэрокосмической отрасли.

3D принтер SLM 500

• Производительность 105 см3/ч
• Размеры, мм 5200 x 2800 x 2700
• Вес, кг 2400

• Диаметр пятна лазера 80 - 115 мкм
• Минимальная толщина стенки 150 мкм
• Мощность лазера 2х400/4х400/2х700/4х700 Вт
• Печать SLM
• Расход защитного газа при построении, л/мин. Ar 5-7 л/мин
• Расход защитного газа при продувке (начало работы), л Ar 70 л/мин
• Сжатый воздух ISO 8573-1, 50 л/мин при 6 Бар
• Тип лазера Волоконный
• Требования по электропитанию 400 В 3NPE, 64 A, 50/60 Hz, 8 - 10 кВт
• Формат файла STL
• Область рабочей камеры 500 x 280 x 365 мм
• Толщина слоя от 20 мкм
• Скорость сканирования 10 м/с

Перейти к товару

Основной коммуникационный порт – Ethernet. Принтер работает с файлами типа STL. Для функционирования аппарата не требуется оператор. Всю работу выполняет автоматика. В качестве программного обеспечения используют собственную разработку Metal build processor. В базовой версии 3D-принтера есть модуль для сбора и очистки неиспользованного порошка. Благодаря ему потери сырья при очистке готовых моделей или смене материала составляют не более 4–5 %

Интересно! Установка  SLM 500  включает в себя систему пожаро- и взрывобезопасности. Это позволяет принтеру работать с реактивными порошками класса пожароопасности «D».

Примеры печати:

3DSLA.RU — Российские 3D-принтеры

Компания позиционирует себя как недорогой производитель SLM принтеров в России. Также занимается разработкой собственного ПО для печатных устройств. К началу 2020 года в модельном ряду компании числится 5 моделей принтеров. От недорогого RussianSLM FACTORY с рабочей камерой в виде тубуса 170 мм на 140 мм в высоту, до моделей профессионального уровня RussianSLM PRO/ProM с параметрами построения модели формата более 250 × 250 × 250 мм.

Принтеры компании нашли свое применение в области медицины и стоматологии, ювелирном деле, авиастроении. 3DSLA.RU также выпускает фотополимерные принтеры LCD и SLA. Печатные устройства производят на фабрике в Санкт-Петербурге. Основатель и главный конструктор всех моделей принтеров – Денис Власов. Продукция компании на 2/3 состоят из отечественных комплектующих.

Примеры готовых работ на принтерах 3DSLA.RU:

Russian SLM 250

Топовая версия принтера с объемом камеры для печати 250 × 250 × 250 мм. Этот принтер можно назвать промышленной установкой. Каждую модель SLM 250 проектируют и оснащают согласно требованиям и спецификациям заказчика. Как правило, его используют в одной сфере деятельности. Например, в области самолетостроения.

В аппарате используют лазер мощностью от 300–500 Вт. Минимальная толщина печатного слоя составляет 20 мкм. Диаметр лазерного пятна – 35–65 мкм. Принтер можно дооснастить разными модулями: генератором защитного газа высокой чистоты, системой видеоконтроля процесса печати каждого слоя с архивом, перезаправляемыми баками для хранения инертных газов.

Принтер RussianSLM 250:

Прочие характеристики:

• габариты: 2400 × 950 × 1750 мм;
• производительность: более 15 см³/час;
• основные рабочие материалы: стальные порошки, титановые сплавы, порошки латунных и никелевых сплавов, кобаль-хромовые сплавы;
• потребляемая мощность: 6 кВт/час.

Принтер работает на собственном программном обеспечении Triangulatica SLM Control. Операционная система: Windows 7 или 10 версии.

Примеры печати:

Интересно! Стоимость профессионального принтера из линейки SLM начинается с отметки в 19,5 млн рублей.

Технология SLM пока еще недоступна для массового пользователя. Ее используют только крупные компании и холдинги. Некоторые недорогие принтеры успешно работают в частных стоматологических клиниках или ювелирных мастерских. Для частной печати подобные аппараты нерентабельны.

SLM-принтеры способны напечатать детали и модели причудливой геометрической формы. При этом конечная продукция будет стоить дешевле. Ее эксплуатационные характеристики превзойдут аналогичные изделия, которые были выточены, например, на фрезерном станке. Но все эти плюсы уместно рассматривать только в контексте промышленного производства или при изготовлении продукции с высокой конечной стоимостью (зубные протезы, ювелирные украшения).