Лазерное сплавление

Лазерное сплавление (также известное как лазерная плавка, селективное лазерное сплавление, Selective Laser Melting, SLM) — это технология аддитивного производства, относящаяся к классу порошковых методов, при которой трёхмерные объекты создаются путём послойного расплавления и сплавления металлического порошка под воздействием лазерного излучения. В отличие от методов спекания (SLS), где частицы соединяются без полного плавления, при лазерном сплавлении происходит полное расплавление материала, что позволяет получать детали с плотностью, близкой к 100 %, и механическими свойствами, сопоставимыми со свойствами литых или кованых изделий.

Принцип работы

Процесс лазерного сплавления реализуется на специализированных установках — 3D-принтерах для металлов. Основные этапы включают:

Подготовка цифровой модели. Трёхмерная CAD-модель детали разбивается на тонкие слои (обычно толщиной от 20 до 100 мкм) с помощью программного обеспечения для слайсинга.
Нанесение порошка. Рабочая платформа опускается на толщину одного слоя. Ракельное устройство или ролик равномерно распределяет слой металлического порошка по поверхности платформы.
Лазерная обработка. Лазерный луч (обычно волоконный иттербиевый лазер мощностью от 200 до 1000 Вт) сканирует область, соответствующую сечению детали на данном слое, расплавляя порошок. Расплавленный металл быстро застывает, образуя сплошной слой.
Повторение цикла. Платформа опускается, наносится новый слой порошка, и процесс повторяется до полного построения детали.
Извлечение и постобработка. Готовая деталь извлекается из порошковой массы, очищается от остатков нерасплавленного порошка. В зависимости от требований может потребоваться термическая обработка, механическая обработка (шлифовка, полировка) или удаление поддерживающих структур.

Весь процесс протекает в герметичной камере, заполненной инертным газом (обычно аргоном или азотом), для предотвращения окисления расплавленного металла.

История

Идея использования лазера для создания трёхмерных объектов из порошковых материалов возникла в конце 1980-х годов. В 1995 году в Институте лазерных технологий Фраунгофера (Германия) была разработана технология селективного лазерного сплавления (SLM) для металлов. Первые коммерческие установки появились в начале 2000-х годов, выпущенные компаниями EOS (Германия), Concept Laser (Германия, ныне часть GE Additive) и SLM Solutions (Германия). В последующие десятилетия технология активно развивалась: увеличивалась мощность лазеров, улучшалось качество порошков, расширялся перечень обрабатываемых материалов, включая титановые, алюминиевые, никелевые, стальные и кобальт-хромовые сплавы.

Классификация и разновидности

Лазерное сплавление является частью более широкой группы технологий порошкового лазерного синтеза. В зависимости от используемого источника энергии и степени плавления различают:

Селективное лазерное сплавление (SLM) — полное расплавление порошка, получение плотных деталей.
Селективное лазерное спекание (SLS) — частичное сплавление частиц, детали имеют пористую структуру. Обычно применяется для полимеров, но иногда и для металлов с последующей пропиткой.
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) — коммерческое название, используемое компанией EOS; по сути, аналогично SLM, но с акцентом на получение деталей, готовых к использованию без дополнительной обработки.

Материалы

Для лазерного сплавления используются металлические порошки сферической формы с узким гранулометрическим составом (обычно 15–45 мкм). Наиболее распространённые материалы:

Титановые сплавы (Ti-6Al-4V, Ti-6Al-7Nb) — для аэрокосмической и медицинской промышленности (имплантаты, протезы).
Алюминиевые сплавы (AlSi10Mg, AlSi7Mg0.6) — для автомобилестроения и авиации.
Нержавеющие стали (316L, 17-4PH, 304L) — для инструментальной и пищевой промышленности.
Инструментальные стали (Maraging steel, H13) — для изготовления пресс-форм и штампов.
Никелевые суперсплавы (Inconel 625, Inconel 718, Hastelloy X) — для газотурбинных двигателей и химического оборудования.
Кобальт-хромовые сплавы (CoCrMo) — для стоматологии и ортопедии.
Медь и медные сплавы — для теплообменников и электротехнических компонентов.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Высокая точность и сложность геометрии. Возможность изготовления деталей с внутренними каналами, решётчатыми структурами, тонкостенными элементами, которые невозможно или крайне сложно получить традиционными методами (литьём, механической обработкой).
Минимальные отходы материала. Неиспользованный порошок может быть переработан и повторно использован (после просеивания), что снижает расход дорогостоящих материалов.
Высокая плотность и механические свойства. Детали, полученные методом SLM, имеют плотность до 99,9 % и прочность, сопоставимую с литыми аналогами.
Сокращение времени разработки. Возможность быстрого прототипирования и изготовления мелких партий без необходимости создания дорогостоящей оснастки.
Интеграция функций. Можно создавать детали, объединяющие несколько компонентов в одну, что упрощает сборку и снижает вес.

Недостатки

Высокая стоимость оборудования. Промышленные 3D-принтеры для металлов стоят от нескольких сотен тысяч до нескольких миллионов долларов.
Ограниченные размеры деталей. Рабочая камера большинства установок ограничена размерами до 500×500×500 мм, хотя существуют машины с большим объёмом.
Необходимость постобработки. Поверхность деталей после печати имеет шероховатость (Ra 5–15 мкм) и требует механической обработки для достижения требуемого качества.
Риск дефектов. Возможны пористость, трещины, остаточные напряжения, что требует оптимизации параметров процесса и последующей термообработки.
Ограниченный выбор материалов. Не все металлы и сплавы поддаются лазерному сплавлению из-за особенностей теплопроводности, окисляемости или склонности к растрескиванию.

Применение

Лазерное сплавление используется в различных отраслях промышленности и медицины:

Авиакосмическая промышленность. Изготовление лопаток турбин, сопел, топливных форсунок, лёгких конструкционных элементов для самолётов и спутников. Компании, такие как Airbus, Boeing, Pratt & Whitney, активно внедряют SLM.
Медицина. Производство индивидуальных имплантатов (тазобедренных, коленных, челюстно-лицевых), хирургических инструментов, стоматологических коронок и мостов. Титановые и кобальт-хромовые сплавы обеспечивают биосовместимость.
Автомобилестроение. Изготовление прототипов, деталей двигателей, лёгких компонентов подвески, теплообменников. Компании Porsche, BMW, Bugatti используют SLM для серийного производства отдельных деталей.
Инструментальное производство. Создание пресс-форм, штампов, литейных форм с конформными каналами охлаждения, что увеличивает их срок службы и производительность.
Энергетика. Детали для газовых турбин, ядерных реакторов, теплообменников, работающих в условиях высоких температур и агрессивных сред.
Ювелирное дело. Изготовление сложных украшений из драгоценных металлов (золото, серебро, платина) с высокой детализацией.

Интересные факты

Первая в мире деталь, изготовленная методом SLM, была создана в 1995 году в Германии. Это была небольшая металлическая решётка.
В 2018 году компания Relativity Space (США) объявила о планах использовать лазерное сплавление для печати ракет-носителей. В 2023 году был запущен первый напечатанный на 3D-принтере ракетный двигатель Aeon R.
В 2021 году учёные из Массачусетского технологического института (MIT) разработали метод лазерного сплавления с использованием нескольких лазеров, что позволило увеличить скорость печати в 10 раз.
В России технология SLM развивается в таких организациях, как НИЦ «Курчатовский институт», МГТУ им. Н.Э. Баумана, АО «Композит» (входит в Госкорпорацию «Росатом»). В 2023 году был представлен первый российский промышленный 3D-принтер для металлов «Металл-М» производства ООО «Русские аддитивные технологии».

Источники

Gibson, I., Rosen, D., Stucker, B. (2015). Additive Manufacturing Technologies: 3D Printing, Rapid Prototyping, and Direct Digital Manufacturing. Springer.
Kruth, J.-P., Froyen, L., Van Vaerenbergh, J., et al. (2004). Selective laser melting of iron-based powder. Journal of Materials Processing Technology, 149(1-3), 616-622.
Yadroitsev, I., Smurov, I. (2011). Selective laser melting technology: from the single laser melted track stability to 3D parts of complex shape. Physics Procedia, 12, 193-200.
Официальный сайт компании EOS GmbH — eos.info.
Официальный сайт компании SLM Solutions Group AG — slm-solutions.com.
ГОСТ Р 57558-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения».

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →