3. Выборочное тепловое спекание (shs)

Технология

Выборочное тепловое спекание (SHS) – метод аддитивного производства. Технология основана на плавке слоев термопластического или металлического порошка с помощью теплового излучателя.

Технология SHS предполагает, что при формировании детали используется термический лазер и термопластичный порошок, который является основным расходным материалом. Этот метод хорош для производства сложных деталей, которые отличаются необычными геометрическими формами или наличием движущихся частей. Технологию SHS уже давно оценили профессиональные инженеры, дизайнеры, архитекторы, конструкторы, а также специалисты образовательной сферы. Принцип работы SHS следующий:

• Сначала в программе CAD выполняется макет детали.

• Затем изделие нарезается на слои, после чего изображение загружают в принтер.

• Формирование объекта происходит слой за слоем обработкой направленным тепловым потоком, благодаря чему воздействие выполняется на исходный материал только там, где это нужно.

В результате спекания SHS непрочная заготовка превращается в прочное тело, которое обладает определенными свойствами. Во время данного процесса удаляются газы, которые скапливались на поверхности частиц, и различные примеси, снимаются остаточные напряжения на участках между частицами.

В основе технологии SHS лежит применение термопластичного порошка. Особенность этого материала в его пористости, благодаря чему можно создавать изделия, в которых будут меняться физико-химические и механические свойства. Пористые изделия, полученные в результате однократного спекания, отличаются меньшей тепло- и электропроводностью и низкой сопротивляемостью коррозии и небольшой прочностью. Однако повторное спекание позволяет получить детали, свойства которых будут усиливаться, а значит, и сфера их применения будет расширяться.

Преимущества и недостатки

Метод SHS имеет ряд отличительных особенностей:

• 3D-печать выполняется с низкой себестоимостью.

• Минимальная толщина стенки слоя – 1 мм.

• С помощью технологии SHS можно печатать даже сложные объекты, которые требуют внимательного продумывания формы и высокой детализации.

• Оставшийся после печати материал может использоваться повторно, что удешевляет процесс.

• Использование именно выборочного спекания позволяет сэкономить на стоимости и габаритах устройств, при этом можно создавать даже настольные печатающие устройства.

К недостаткам технологии можно отнести низкую энергетическую отдачу, из-за чего расходных материалов в данном методе гораздо меньше. Да и сами модели часто требуют дополнительного обжига, чтобы достичь большей прочности.

4. Электронно-лучевая плавка (ebm)

Технология

Электронно-лучевая плавка («Electron Beam Melting» или EBM) – метод аддитивного производства металлических изделий. Данная технология зачастую классифицируется как метод быстрого производства. Электронно-лучевая плавка (EBM) схожа с выборочной лазерной плавкой (SLM) – главное отличие заключается в использовании электронных излучателей (т.н. электронных пушек) вместо лазеров в качестве источников энергии для плавки. В основе технологии лежит использование электронных пучков высокой мощности для сплавки металлического порошка в вакуумной камере с образованием последовательных слоев, повторяющих контуры цифровой модели. В отличие от технологий спекания, электронно-лучевая плавка позволяет создавать детали особо высокой плотности и прочности.

Этот метод производства деталей произвольных форм позволяет создавать металлические модели высокой плотности из металлического порошка. Готовые изделия практически не отличаются от литых деталей по механическим свойствам. Устройство считывает данные с файла, содержащего трехмерную цифровую модель, и наносит последовательные слои порошкового материала. Контуры слоев модели вычерчиваются электронным пучком, плавящим порошок в местах соприкосновения. Плавка производится в вакуумных рабочих камерах, что позволяет работать с материалами, чувствительными к оксидации – например, с чистым титаном.

Расходные материалы состоят из чистого металлического порошка без связующего наполнителя, а готовые модели не отличаются пористостью. Таким образом, не требуется обжигание напечатанной модели для достижения необходимой механической прочности. Этот аспект позволяет классифицировать EBM в одном ряду с выборочной лазерной плавкой (SLM)и отдельно от технологий выборочного лазерного спекания (SLS) и прямого лазерного спекания металлов (DMLS), зачастую требующих обжига после печати для достижения максимальных прочностных характеристик. В сравнении с SLS, SLM и DMLS, EBM обладает более высокой скоростью построения за счет более высокой мощности излучателей и электронного, а не электромеханического, отклонения пучков.

Электронно-лучевая плавка проводится при повышенных фоновых температурах, достигающих порядка 700-1000°C, что позволяет создавать детали, не страдающие от остаточного механического напряжения, вызываемого градиентом температур между уже охлажденными и еще горячими слоями. Кроме того, полная плавка расходного порошка позволяет производить монолитные изделия – отсюда максимальная прочность и отсутствие необходимости обжига. 

Технология была разработана и впервые применена шведской компанией Arcam AB.

Использование в качестве расходных материалов титановых сплавов позволяет применять технологию EBM для производства медицинских имплантатов. 

Начиная с 2007 года две европейские компании, Adler Ortho и Lima Corporate, а также американская компания Exactech используют технологию EBM для производства ацетабулярных чашек (имплантатов тазобедренного сустава).

Технология получила применение в аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin и NASA используют EBM для производства деталей реактивных и ракетных двигателей, а также несущих элементов конструкции летательных аппаратов. 

Преимущества и недостатки

Преимущества технологии

• Детали, полученные по данной технологии, обладают лучшей микроструктурой чем такие же, изготовленные методом литья.

• Высокая производительность оборудования электронно-лучевой плавки составляет 55-80 см3/час, в сравнении с 2-20 см3/час у схожих по размерам лазерных SLS-машин.

• Точность изготовления деталей составляет ±0,2 мм на длине 100 мм.

• 3D-печать происходит при температуре в камере 700-1000°C. Это позволяет не остывать одной части детали в то время, как другая разогрета. Процесс охлаждения происходит равномерно по всей поверхности после окончания печати. Благодаря этому отсутствует эффект усадки и внутренних напряжений изделия, что влияет на ее прочность.

• Возможность производства сразу нескольких изделий.

Недостатки

• В данный момент электронно-лучевая плавка ограничена точностью 0,2 мм, из-за размера электронного пучка, который составляет 0,2-1,0 мм. Это приводит к небольшой шероховатости готовых изделий.