В чем разница между тремя технологиями 3D-печати: SLS, SLM и EBM?

SLS, SLM и EBM — три важных метода «аддитивного производства металлов (3D-печать)», относящихся к категории технологий порошкового спекания (Powder Bed Fusion, PBF). Все они используют высокоэнергетический источник (лазер или электронный луч) для выборочного плавления слоев металлического порошка, слой за слоем создавая плотные металлические детали. Несмотря на схожесть принципов, существуют значительные различия в источнике энергии, технологических деталях, применимости материалов, характеристиках и областях применения.

Ниже приведено подробное сравнение:

Подробное объяснение основных отличий:

1. SLS (селективное лазерное спекание):

Ключевое различие: термин SLS первоначально использовался для обозначения спекания «полимеров» и «порошков (например, нейлона PA12)» с помощью лазера, частично плавящего частицы порошка для их склеивания. Позже он также стал использоваться для косвенной печати металлов: частицы металлического порошка покрываются полимерным связующим, лазер плавит связующее, «склеивая» их (металл не плавится полностью), а заготовка требует последующей дегазации и высокотемпературного спекания (иногда с пропиткой металлом) для получения окончательной плотной металлической детали. Механические свойства таких металлических деталей обычно ниже, чем у деталей, полученных методом прямого плавления SLM/EBM.

Металлический SLS: в последние годы появление лазеров большей мощности позволило частично реализовать технологию металлического SLS с «почти полным плавлением» (аналогично SLM), но в терминологии иногда все еще используется SLS, что вызывает путаницу. Строго говоря, если цель состоит в «полном плавлении металлического порошка для получения почти полностью плотной детали», в современной промышленности чаще используется термин «SLM».

Резюме положения SLS в области металлов: обычно относится к «косвенному методу обработки металлов» (требует последующей обработки), его характеристики и область применения не так широки, как у SLM/EBM. Полимерный SLS остается одним из основных применений.

2. SLM (селективное лазерное плавление):

Основной механизм: использование «высокоэнергетического лазера» (обычно волоконного лазера) для «полного плавления» металлического порошка с образованием непрерывного расплава, который после охлаждения образует плотный металлургический слой. Цель состоит в получении металлических деталей с плотностью, близкой к 100%.

Особенности: в настоящее время это наиболее широко используемая и зрелая технология аддитивного производства металлов. Высокая точность, широкий выбор материалов (подходят практически все сварные металлические порошки), возможность изготовления очень сложных геометрических форм (но требуются опорные конструкции). Основным недостатком является высокое остаточное напряжение (энергия лазера концентрируется, локальный быстрый нагрев и охлаждение), что может привести к деформации или даже растрескиванию детали, поэтому обычно требуется проектирование большого количества опорных конструкций для противодействия тепловым напряжениям и теплопроводности, а после печати обычно требуется термическая обработка (отжиг для снятия напряжения).

3. EBM (электронно-лучевое плавление):

Основной механизм: в условиях высокого вакуума используется высокоскоростной электронный луч в качестве источника энергии для бомбардировки металлического порошка и его полного плавления.

Уникальные преимущества:

Высокотемпературная среда: весь строительный отсек и порошковое ложе предварительно нагреваются электронным лучом до температуры, близкой к точке плавления материала или достигающей ее (например, Ti6Al4V предварительно нагревается примерно до 700 °C). Это значительно снижает температурный градиент и остаточные напряжения, деформация детали после печати минимальна, и даже не требуется последующая термическая обработка для снятия напряжения. Это делает EBM очень подходящим для печати крупных деталей с высокими напряжениями (например, несущих конструкций в аэрокосмической отрасли) и материалов, чувствительных к образованию горячих трещин.

Вакуумная чистота: вакуумная среда предотвращает окисление и загрязнение примесями, что особенно подходит для активных металлов (таких как титан, алюминий, но алюминий из-за проблем с отражением сложен в EBM) и жаропрочных сплавов (таких как никелевые суперсплавы).

Динамика расплава: высокая скорость сканирования электронного луча позволяет проводить параллельное сканирование с несколькими фокусами, скорость построения обычно выше, чем у SLM. Большой расплав и высокотемпературная среда приводят к более медленному затвердеванию, образуя крупнозернистую структуру, что в некоторых случаях (например, для ортопедических имплантатов, требующих высокой усталостной прочности) является преимуществом.

Низкая потребность в опорах: высокотемпературная среда значительно снижает склонность к деформации деталей, поэтому опорные конструкции необходимы в основном для свешивающихся конструкций и их легче удалять (опоры и детали слегка спекаются при высокой температуре, а не полностью сплавляются).

Основные недостатки:

Высокая стоимость оборудования: требуется сложная вакуумная система и электронная пушка.

Высокие эксплуатационные расходы: откачка вакуума и поддержание высокой температуры требуют времени и энергии.

Ограничения по материалам: представляет трудности для материалов с низким давлением пара (например, сплавов, содержащих цинк и магний); алюминий и медь из-за высокой отражательной способности и теплопроводности трудно обрабатывать в EBM (хотя есть достижения в исследованиях).

Качество поверхности и точность: пятно электронного луча обычно больше, чем лазерное, а расплав также больше, что приводит к «более грубой поверхности детали», разрешение деталей (точность деталей) ниже, чем у SLM. Используемые частицы порошка обычно также больше (45-105 мкм по сравнению с 15-45 мкм у SLM), что дополнительно влияет на поверхность.

Последующая обработка: несмотря на низкое остаточное напряжение, для дальнейшего повышения плотности и усталостной прочности детали EBM часто подвергаются горячему изостатическому прессованию.

Резюме:

Предпочтительная технология:

Для достижения максимальной точности, самых мелких деталей и самого широкого выбора материалов (особенно алюминиевых и медных сплавов) -> SLM.

Для печати крупных конструкций из титановых или никелевых жаропрочных сплавов, где важны низкие остаточные напряжения, отличные усталостные характеристики и допустима более грубая поверхность и более высокая стоимость -> EBM.

Для печати функциональных деталей или прототипов из полимеров -> полимерный SLS.

Для печати деталей сложной формы, но с не очень высокими требованиями к характеристикам (например, некоторые вставки для пресс-форм) -> косвенный металлический SLS (но SLM обычно лучше).

Движущая сила основных различий: источник энергии (лазер против электронного луча) и рабочая среда (атмосфера против высокотемпературного вакуума) определяют их термодинамические процессы, напряженное состояние, поведение материала и конечные характеристики детали.

При выборе технологии необходимо учитывать материал детали, сложность геометрии, требования к характеристикам (прочность, усталость, точность, поверхность), размеры, стоимость и возможности последующей обработки. Благодаря универсальности и точности SLM является в настоящее время основной технологией в промышленности, а EBM занимает незаменимое место в определенных высокопроизводительных областях, таких как аэрокосмическая промышленность и медицинские имплантаты. Полимерный SLS продолжает играть свою роль в производстве прототипов и функциональных пластиковых деталей.