DMLS - Direct Metal Laser Sintering, SLM - Selective Laser Melting, Laser Cusing

Technologie DMLS, SLM i Laser Cusing to w gruncie rzeczy zastrzeżone nazwy handlowe tej samej technologii selektywnego spiekania i przetapiania sproszkowanych metali przy pomocy lasera, nanoszonych warstwa po warstwie, aż do uzyskania gotowej w pełni wytrzymałej części.

DMLS (Direct Metal Laser Sintering) to zastrzeżona nazwa niemieckiej firmy EOS (Electro Optical Systems). SLM (Selective Laser Melting) to zastrzeżona nazwa oryginalnie firmy MCP Hek, z której obecnie mogą korzystać firmy Realizer, SLM Solutions, MTT i Renishaw. Laser Cusing to z kolei zastrzeżona nazwa technologii, której właścicielem jest Concept Laser - firma należąca do Hofmann Innovation Group. Firma EOS i MCP Hek na początku rozwoju tej technologii używała nazwy SLM równolegle. Jako pierwszy zastrzegł ją MCP co skutkowało tym, że firma EOS musiała stworzyć własną nazwę – DMLS. Obecnie coraz więcej firm jest zainteresowana budową własnych maszyn SLM/DMLS w związku z czym możemy się spotkać z coraz to nowszymi nazwami dla tej samej technologii.

Tachnologie DMLS/SLM wykorzystują najczęściej Iterbowy laser włóknowy pracujący w paśmie podczerwieni (dawniej stosowano słabsze lasery CO2). Części są budowane poprzez nakładanie cienkich warstw proszku metalowego (o grubości od 0,010-0,080mm). Proces nakładania materiału odbywa się najczęściej przy pomocy ostrza które dodatkowo ścina nierówności przetopowe z poprzedniej warstwy. Po rozprowadzeniu proszku rozpoczyna się proces ekspozycji laserowej. Promień lasera jest kierowany światłowodem do kolimatora, który rozprasza i wyrównuje wiązkę, następnie 2 zwierciadła skanera zamocowane na precyzyjnych galwanometrach, kierują wiązkę do soczewki skupiającej i na powierzchnię proszku. Każde ze zwierciadeł odpowiedzialne jest za pozycjonowanie promienia lasera w jednej z dwóch osi X lub Y. W ten sposób przetapiane są ścieżki konturowe i wypełniające na powierzchni proszku i materiał jest warstwa po warstwie spajany w jednolity przedmiot.

Zasada działania technologii DMLS/SLM

Rysunek przedstawia zasadę działania technologii DMLS/SLM

W przeciwieństwie do technologii SLS, która niespieczony proszek wykorzystuje do podpierania „wiszących” geometrii, technologia DMLS/SLM wymaga generowania trwałych struktur podporowych podobnie jak w technologii SLA. Podpory w tym wypadku są konieczne ze względu na znacznie szybszy skurcz metali po przetopieniu spowodowany dużą różnicą temperatur między atmosferą komory roboczej, a ciekłym metalem (komora robocza maszyn DMLS/SLM nie jest ogrzewana, a co najwyżej sama platforma startowa, na której budowane są części). Celem podpór jest utrzymanie budowanego detalu w miejscu na platformie startowej i zapobieganie opadaniu oraz nadmiernemu przetopowi „wiszących” warstw.

Po zakończeniu procesu konieczne jest odcięcie detalu z płyty startowej i usunięcie podpór. W tym celu konieczne jest zastosowanie piły taśmowej i ręcznych elektronarzędzi szlifierskich. W przypadku metali o wyjątkowo dużej kurczliwości termicznej takich jak np. stopy tytanu czy niklu konieczne jest szczególnie skrupulatne zaplanowanie orientacji detalu w przestrzeni roboczej w celu minimalizacji powierzchni początkowych warstw. W przeciwnym razie skurcz powstały podczas krystalizacji metalu na warstwach o znacznej powierzchni może doprowadzić do odkształcenia detalu w trakcie procesu budowy i oderwania go z płyty startowej. W przypadku budowania wkładek do form wtryskowych gdzie nie ma ujemnych kątów i mocno przewieszonych geometrii możliwe jest budowanie części bezpośrednio na płycie startowej bez podpór a jedynie z naddatkiem materiału na odcięcie z płyty.

Gotowe części wewnątrz maszyny DMLS

Gotowe części wewnątrz maszyny DMLS są oczyszczane z nieprzetiopionego proszku i po wyciągnięciu z maszyny muszą zostać odcięte od platformy.

W praktyce technologie te są zastępstwem dla odlewu. Dzięki bezpośredniemu budowaniu części na podstawie danych CAD 3D możliwe jest znaczne skrócenie czasu produkcji i uniknięcie modelowania pośredniego, które generuje niedokładności wymiarowe. Jakość powierzchni uzyskiwana metodą DMLS/SLM jest zbliżona do odlewów metodą modelu traconego z chropowatości na poziomie Ra 4-20 mikrometrów w zależności od użytego stopu i grubości warstwy. Ponadto technologia DMLS/SLM pozwala na budowanie skomplikowanych filigranowych struktur przestrzennych, które nie są możliwe do uzyskania metodami odlewniczymi i ubytkowymi.

Powierzchnia implantu kostnego ze stopu  TiAl6V4 wykonana w technologii DMLS

Powierzchnia implantu kostnego ze stopu TiAl6V4 wykonana w technologii Direct Metal Laser Sintering. Grubość warstwy to 0,03mm. Na powierzchni warstw można zobaczyć ścieżki laserowania.

Historia

Prace nad spiekaniem metali zaczęły być prowadzone już pod koniec lat 80tych XX w. jednak pierwotna koncepcja spiekania proszków metali z wykorzystaniem promieniowania (np. laserowego) została zaproponowana przez Francuza Pierre Ciroud w 1971r. (niemiecki patent nr. DE 2263777). Metoda ta różni się znacznie od współczesnych technologii selektywnego spiekania lub przetapiania metali i przypominała raczej napawanie laserowe jednak Ciroud’a można uznać za pra ojca współczesnych rozwiązań. Natomiast współczesne rozwiązania miały de facto dwóch ojców z czego tylko jeden z nich doprowadził do stworzenia funkcjonalnego prototypu. Mam tu na myśli Ross’a Hausholdera i Carla Decarda (patrz artykuł o technologii SLS)

Jedne z pierwszych prób selektywnego przetapiania proszków metali przy pomocy lasera zostały przeprowadzone na początku lat 90tych przez Dr. Hansa Langera i jego współpracowników z firmy EOS (Electro Optical Systems), która w tamtych czasach budowała również maszyny SLA. Równolegle firma MCP Hek rozpoczęła prace nad własną maszyną SLM. Pierwsze maszyny SLM/DMLS wykorzystywały stosunkowo mało wydajne lasery CO2. Z tego względu zaczynano od częściowego spiekania sproszkowanych składników nie stopowanych z fazą niskotopliwą spajającą frakcję wysokotopliwą. Z tego też powodu technologia ta była traktowana na początku raczej jako metoda na prototypowanie niż produkcyję. Od momentu wprowadzenia potężniejszych laserów włóknowych na ciało stałe (np. Iterbowych) możliwe stało się całkowite przetapianie większości metali w formie proszku stopowanego i uzyskiwanie wysokich gęstości budowanych części na poziomie 99,8% i wyższych. Proces DMLS/SLM odbywa się zawsze w osłonie gazu obojętnego. Dla materiałów mniej reaktywnych typu stopy żelaza, złota, czy brązu można stosować azot, natomiast w przypadku materiałów bardziej reaktywnych konieczne jest stosowanie gazów szlachetnych najczęściej argonu. Od samego początku i aż do naszych czasów problemem technologii DMLS/SLM jest minimalizacja zawartości tlenu w atmosferze ochronnej procesu i oczyszczanie atmosfery z pozostałości przetopowych, które mogą osadzać się w budowanej części powodując wewnętrzne defekty struktury metalu. Podczas gdy nowi gracze budowali coraz to nowsze maszyny o zróżnicowanej wielkości komór roboczych EOS rozwijał cały czas tą samą platformę M2XX (najnowsza M280) zwracając największą uwagę na doprowadzanie procesu do perfekcji pod względem jakości wykonywanych części ich gęstości oraz czystości. Z tego względu technologię DMLS możemy uznać za zdecydowanie lepszą pod względem jakości wykonywanych części niż SLM czy Laser CUSING. Konkurenci EOSa są również świadomi konieczności trzymania najwyższych standardów czystości podczas realizacji procesu jednak cały czas w tej dziedzinie trwa wyścig patentowy co utrudnia konkurentom zastosowanie pewnych zastrzeżonych rozwiązań technicznych. EOS Finlandia jest również producentem proszków metali i stopów dla swoich maszyn przez co ma pieczę nad wszystkimi kluczowymi składnikami procesu. Na dzień dzisiejszy tylko EOS gwarantuje pełną powtarzalność wytrzymałości i jakości struktury wewnętrznej budowanych części metodą DMLS.

Producenci

* firmy nadal oferujące systemy do laserowego przetapiania proszków metali

Zastosowanie

  • Generalne prototypowanie części metalowych.
  • Krótkoseryjna produkcja narzędzi do form wtryskowych z konformalnymi kanałami chłodzącymi.
  • Produkcja skomplikowanych implantów medycznych ze stopów tytanu.
  • Produkcja implantów i części stomatologicznych ze stopów kobalt chrom.
  • Produkcja wysoko temperaturowych części do silników lotniczych ze stopów niklu.
  • Produkcja biżuterii z metali szlachetnych.

Zalety

  • Możliwość budowania bezpośrednio z danych CAD 3D skomplikowanych części metalowych w wielokrotnie krótszym czasie niż proces odlewniczy.
  • Wysoka wytrzymałość budowanych części dorównująca wytrzymałości elementów odlewanych lub kutych.
  • Doskonała homogeniczność własności mechanicznych materiału niezależnie od ułożenia części w przestrzeni roboczej.
  • Możliwość budowania cienkich wytrzymałych ścianek nawet do 0,1mm grubości (w zależności od ułożenia w przestrzeni roboczej).
  • Wysoka dokładność wymiarowa i powtarzalność budowanych elementów na poziomie 0,02-0,1mm.
  • Stosunkowo dobra jakość powierzchni ze względu na bardzo cienkie warstwy spajanego materiału.
  • Szeroki wybór materiałów.
  • Wysoki potencjał do wykonywania krótkoseryjnej produkcji.
  • Możliwość wykorzystania materiału nieprzetopionego w około 95-99%.

Wady

  • Konieczność stosowania zaplecza do pracy ze sproszkowanym pylącym materiałem.
  • Trudność w budowaniu dużych płaskich powierzchni ze względu na gradienty temperaturowe podczas przetopu części.
  • Drogie koszty wejścia ze względu na wysokie ceny kluczowych komponentów maszyny (skaner galwanometryczny, laser iterbowy).
  • Konieczność stosowania struktur podporowych i wynikające z tego powodu ograniczenia geometrii.