Проектирование под 3D-печать металлом, DMLM и DMLS

Представляем краткое пособие, которое поможет тем, кто только начинает работу с 3D-печатью металлами, избежать основных ошибок в проектировании 3D-печатных металлических конструкций и деталей из металла.

Здесь мы делаем акцент на технологиях лазерной обработки металлического порошка — DMLS и DMLM, о других технологиях печати металлами читайте подробнее в одной из наших предыдущих статей.

Оглавление:

Введение

3D-печать представляет собой процесс, при котором происходит добавление материала, обычно — слой за слоем, для создания объемного материального объекта на основе цифровой модели.

Образцы 3d печати металлом

Прямое лазерное спекание или сплавление металлов (Direct Metal Laser Sintering и Direct Metal Laser Melting, соответственно) это методы 3D-печати, в которых лазер используется для избирательного нагрева частиц мелкодисперсного металлического порошка, в результате чего они спекаются или сплавляются в слои детали.

Так как процесс металлической 3D-печати и сырье для него стоят не дешево, а любая ошибка при проектировании 3D-печатного изделия из металла может привести к браку, важно избежать известных ошибок еще на стадии моделирования.

Процесс создания детали

В традиционных технологиях обработки происходит удаление материала (субтрактивный метод) из заготовки, чтобы получить требуемую геометрию. Технология послойной печати дает возможность производить очень сложные геометрические элементы и функционально законченные узлы, которые было бы трудно получить по технологии субтрактивной обработки.

Печать металлом DMLS

Принцип работы 3D-принтера DMLS

Процесс лазерной 3D-печати металлическим порошком проходит в несколько этапов:

Подача материала. Подающий поршень смещается вверх, помещая порошок перед валиком.
Добавление слоя. Валик проходит зону построения, нанося слой порошка.
Спекание. Лазер выполняет спекание поперечного сечения каждой заготовки.
Поршень зоны спекания смещается вниз на толщину одного слоя.
Процесс повторяется, пока не завершится спекание всех заготовок.
Удаление элемента. Поршень зоны спекания поднимается вверх, позволяя удалить пластину с завершенными заготовками.

Результат печати металлом на принтере DMLS

Общие допуски

Для технологий DMLM/DMLS типичны допуски около ±0,05-0,07 мм на см. Ожидаемые допуски могут изменяться в зависимости от используемых материалов, у алюминия и стали, например, они будут отличаться.

Внутренние напряжения, появляющиеся в процессе печати, как и геометрические особенности модели, могут приводить к отклонениям.

Модели с более жесткими требованиями не очень подходят для такого процесса. Ожидаемая шероховатость поверхности составляет 3,8-10 мкм Ra, в зависимости от ориентации конструкции и от используемого материала.

3D печатная металлическая деталь

Варианты использования

Технология позволяет создавать полнофункциональные элементы из металлов и сплавов, таких как кобальт, хром, нержавеющая сталь, титан, инконель и многих других, и обычно наиболее востребована в следующих случаях:

Короткий цикл создания — 1–3 дня.
Большая сложность — к этой категории относятся детали, которые трудно или невозможно создать на фрезерном станке, такие как специализированные медицинские изделия, легкие или полые детали, а также художественно оформленные изделия.
Быстро или постоянно изменяемые изделия — технология хорошо подходит для прототипирования и обратного проектирования, потому что отсутствуют присущие традиционному производству затраты на начальную подготовку.

3д печать металлом сложных структур

Сложность детали

Ключевым преимуществом метода является возможность производить изделия, которые невозможно изготовить с помощью традиционных производственных технологий. Производство по технологии 3D-печати металлом полезно в том случае, если инженеры сконструировали детали сложной геометрии, например, со встроенными соединениями, с длинными и узкими каналами, контурами специального профиля, с ячеистой структурой.

ячеистая 3в печать металлом

Технологии DMLM и DMLS позволяют производить узлы целиком, уменьшая количество отдельно производимых деталей, а также сокращая время на изготовление узла и снижая вероятность отказов и поломок.

легкая 3D печатная конструкция

Когда вес детали является важным критерием при проектировании, использование субтрактивных процессов для изготовления ячеистых структур и легковесных элементов приводит к резкому увеличению времени и стоимости производства, в том числе из-за большого количества удаляемого материала. Технология 3D-печати для таких деталей является оптимальным процессом, как с точки зрения времени изготовления, так и по себестоимости.

Скорость изготовления

Скорость — важный фактор в разработке и производстве. Экономическая целесообразность выпуска продукта на рынок часто зависит от оперативности, а скорость проведения всевозможных испытаний, сертификаций и исследований на целевой аудитории напрямую связана со скоростью создания прототипов.

Аддитивные технологии дают возможность провести экспертный анализ и получить опытный образец быстрее и эффективнее. Вследствие этого детали, изготовленные методами DMLM/DMLS, обычно используются на этапе испытания изделия, тогда как конечный продукт изготавливается с использованием более традиционных средств производства, таких как литье, штамповка и т.д.

3D-печатные детали также изготавливаются для проверки возможностей конструкции, для окончательной оценки качества изделия и для замены ранее производившихся деталей, уже не выпускаемых массово.

Выпуск таких деталей не требует уникальной оснастки — литейных форм, шаблонов, пуансонов, специфических измерительных устройств и т.д., что сокращает начальное время до запуска производства детали, иногда в десятки раз (от нескольких месяцев, до дней).

Большие объемы

dmls промышленные образцы

Предполагаемый объем выпуска продукта за время его жизненного цикла и возможность вносить изменения в детали имеют большое значение — если конструкция детали стабильна, не изменяется в течение длительного времени, а производимые объемы велики, то традиционные процессы производства оказываются менее затратными. Это особенно справедливо для простых изделий, которые не отличаются такой геометрической сложностью, при которой получают преимущество технологии 3D-печати.

Ограниченный размер конструкции

Установки, работающие по технологиям DMLM/DMLS, выпускаются на платформах с разными размерами. Наиболее популярны платформы под размеры около 100 х 100 х 76 мм и 250 x 250 x 300 мм. Принтеры по металлу с более крупной камерой построения встречаются реже и стоят дороже.

dmls зубные коронки

Подготовка и постобработка

dmls в автопроме

Технология DMLM/DMLS, будучи процессом 3D-печати, ложно ассоциируется с простотой, подразумеваемой другими процессами трехмерной печати. На самом деле, подготовка конструкции перед отправкой данных на установку DMLM/DMLS и последующая обработка могут быть весьма затратными по времени. У всех современных методов производства есть подготовительные этапы и этапы постобработки. Станки с ЧПУ, например, требуют программирования путей перемещения инструментов, начальной настройки, резки и шлифовки, а затем удаления заусенец и полировки детали. До того, как данные посылаются на установку DMLM/DMLS, должны быть подготовлены и созданы вспомогательные структуры для детали — поддержки. Этот шаг может занимать до часа времени и определять успех или неудачу всей работы.

Постобработка после процесса DMLM/DMLS включает:

Отделение детали (или деталей) от пластины построения, с помощью ленточной пилы, электроэрозионного вырезного станка или ручного дискового режущего инструмента.
Удаление поддержек с помощью ручных инструментов или станка ЧПУ.
Другими дополнительными этапами, завершающими процесс, могут быть:
- Полировка
- Шлифовка
- Механическая обработка: токарная, фрезерная, отделочная, нарезание резьбы
- Термообработка

Поддержки

dmls поддержки

Детали, получаемые методом прямого лазерного спекания (DMLM/DMLS), требуют наличия вспомогательных структур, то есть “поддержек” для:

закрепления элементов на пластине построения,
уменьшения или устранения деформирования,
поддержания выступающих элементов геометрии.

В отличие от других аддитивных технологий с использованием лазера и порошка, при работе с металлом слои могут смещаться, если их должным образом не закрепить. Перемещение детали происходит из-за распределения нового слоя порошка поверх ранее наплавленного или деформации металлической детали большого размера в процессе спекания. Смещение детали при ее создании будет приводить к ошибкам в печати и может привести к авариям оборудования. Другая функция вспомогательных структур — поддержка выступающих геометрических элементов, не опирающихся на другие элементы конструкции. Примерами таких элементов можно считать горизонтальные поверхности, большие отверстия (расположенные при печати горизонтально), наклонные поверхности, арки и выступающие фрагменты.

Условия возникновения деформации

Деформацию деталей вызывают возникающие в них при печати напряжения, связанные с распределением и компоновкой новых слоев и неравномерностью их остывания, либо внешние силы. Влиянию таких сил подвержены высокие тонкие фрагменты, что приводит к неточности воспроизведения элементов, из-за неправильного проектирования или расположения опорных структур.

Расстояние между деталями модели

dmls стоматология

Во время процесса DMLM/DMLS с помощью лазера создается расплавленная масса, величина которой немного шире диаметра луча лазера, из-за рассеивания тепла в окружающий порошок. Это приводит к тому, что близкие друг к другу геометрические элементы сплавятся вместе. Расстояние между геометрическими элементами должно быть не менее 0,4– 0,5 мм, чтобы можно было удалить лишний порошок.

Точность

dmls детали
Выступающие геометрические элементы поддерживают точность 20-150 мкм без проведения последующей обработки. Углубления, такие как отверстия диаметром менее 50 мм, обычно получаются несколько меньшего размера, на 100-150 мкм. Качество поверхности будет меняться от материала к материалу, однако шероховатость необработанных элементов будет соответствовать величине Ra 2-5 мкм.

Как использовать эти сведения

Стоимость каждой детали при печати сильно зависит от разных факторов, например — от конструкции вспомогательных структур и способа их удаления. Поэтому сведение к минимуму таких структур сократит время проектирования, время создания детали и объем последующей обработки. Наилучшим путем реализации этого является конструирование геометрии детали с максимально возможными средствами самоподдержки:

Конструкционные углы должны быть >30°
Необходимо использовать скосы, фаски и сопряжения на углах и геометрических элементах
Необходимо реализовывать элементы, способствующие уменьшению веса и объема

Цена деталей, изготовленных по технологии DMLM/DMLS, в сильной степени зависит от времени, затраченного на их создание, и от количества использованного материала. Отношение площади поверхности к объему детали играет важную роль в определении ее стоимости. Детали с меньшей массой соответствует более низкая цена, потому что на создание такой детали требуется меньшее время , используется меньше материала и имеется большая вероятность успешной печати с первого раза.

Объем детали сокращается либо в результате перепроектирования, либо в результате использования другого производственного процесса, при этом существенно снижается общая цена детали.