Селективное лазерное плавление

Селективное лазерное плавление (SLM, от англ. Selective Laser Melting) — метод аддитивного производства, основанный на полном расплавлении металлических порошков с помощью лазерного излучения для создания трёхмерных объектов высокой плотности и прочности. Технология относится к семейству процессов плавления в порошковом слое (англ. Laser Powder Bed Fusion, L-PBF) и широко применяется в промышленности для изготовления сложных металлических деталей.

История

Технология селективного лазерного плавления (СЛП) берёт начало от селективного лазерного спекания (СЛС) (SLS, англ. Selective Laser Sintering), разработанного в 1980-х годах в Техасском университете в Остине Карлом Декардом и Джо Биманом. СЛС изначально использовалось для спекания полимерных и композитных порошков, но в 1990-х годах исследователи начали адаптировать метод для работы с металлами. Ключевым шагом в эволюции СЛП стало сотрудничество немецких институтов, таких как Институт лазерных технологий Фраунгофера (ILT), и компаний, включая EOS GmbH] в середине 1990-х годов. В 1995 году EOS представила технологию прямого лазерного спекания металлов (DMLS), ставшую предшественницей СЛП (SLM). Однако DMLS всё ещё частично опиралось на спекание, а не полное плавление. Полноценное развитие СЛП как метода, использующего полное расплавление порошка, связано с работами немецких учёных, таких как Дитер Шварце и Маттиас Фокеле, которые в начале 2000-х годов основали компании SLM Solutions и Realizer GmbH. В РФ процесс СЛП был впервые осуществлен проф. Шишковским И.В. на созданной под его руководством в 1998 году в ФИАНе экспериментально-технологической установке. В его работах была показана возможность совмещения процесса СЛП с другими высокотехнологичными процессами (СВС, пайка), а также создание функционально-градиентных структур и изделий^[1]. С тех пор СЛП выделилось как самостоятельная технология, отличающаяся от СЛС благодаря применению более мощных лазеров и ориентации на металлические материалы.

Технология

Различия между СЛС и СЛП

Селективное лазерное спекание (СЛС) и селективное лазерное плавление (СЛП) имеют общие корни, но существенно различаются по материалам, длине волны лазера и технологическому процессу:

Материалы:
СЛС: работает преимущественно с полимерами (например, нейлон, полиамид) и композитами (стеклонаполненные или углеродные смеси). Металлические порошки используются реже, в основном, как наполнитель, или только для частичного спекания.
СЛП: ориентировано на металлы и сплавы, такие как нержавеющая сталь, титан, алюминий, кобальт-хром и драгоценные металлы. Полное расплавление обеспечивает высокую плотность изделий (до 99,9%).
Длина волны лазерного излучения:
СЛС: применяются CO₂-лазеры с длиной волны около 10,6 мкм, оптимальной для нагрева и спекания полимеров. Мощность лазеров — 30–200 Вт.
СЛП: используются иттербиевые волоконные лазеры с длиной волны около 1,07 мкм, подходящие для плавления металлов. Мощность достигает 400–1000 Вт.
Технологический процесс:
СЛС: частичное спекание порошка — лазер нагревает материал до температуры ниже точки плавления, соединяя частицы за счёт диффузии или жидкофазного спекания. Процесс быстрее, но изделия менее плотные.
СЛП: полное расплавление порошка с формированием однородной структуры. Требуется инертная среда (обычно аргон) для предотвращения окисления и опорные структуры для отвода тепла.

Сосуществование СЛП и СЛС подходов

СЛП развилось из СЛС благодаря потребности в быстром производстве функциональных металлических деталей с характеристиками, сравнимыми с традиционным литьём. СЛС ограничивалось прототипированием, тогда как СЛП стало ответом на запросы аэрокосмической и медицинской отраслей. Переход от спекания к плавлению потребовал более мощных лазеров, специальный камер для реализации процесса синтеза изделий, в которых контролируется температура, влажность, газовая среда, методов регенерации (восстановления) использованных порошков, производство (сфероидизация) новых порошков и усовершенствования систем управления и контроля процессов. Широкое развитие технологии СЛС в 90х годах мире было следствием того, что в РФ в конце 2000х под СЛС понималось как спекание так и "сплавление". Это нашло отражение даже в российском ГОСТе Р 57558—2017, в котором под СЛП законодатели понимают "селективное лазерное сплавление".

Производители оборудования

Основные зарубежные компании:

   СЛС: 3D Systems (США), Formlabs (США), Sinterit (Польша).  
   СЛП: SLM Solutions (Германия), EOS GmbH (Германия), Renishaw (Великобритания), Trumpf (Германия), GE Additive (США, включая Concept Laser).

Российские производители:

   ГК «Лазеры и аппаратура» (серия МЛ6)^[2],  
   ООО «НПО «3Д-Интеграция»» (АМТ-серия)^[3],  
   «Росатом – Аддитивные технологии» (RusMelt)^[4],  
   АО «НПО «ЦНИИТМАШ»» (MeltMaster)^[5],  
   3DLAM^[6].

Связь и отличия СЛП (L-PBF) и ЭЛП (EB-PBF)

СЛП (L-PBF) и [[электронно-лучевое плавление]] (ЭЛП, англ. Electron Beam Melting, EB-PBF) — родственные технологии:

   Источник энергии: СЛП — лазер, ЭЛП — электронный луч.  
   Среда: СЛП — инертная атмосфера, ЭЛП — вакуум.  
   Материалы: СЛП — металлы, полимеры, керамика и их композиты, ЭЛП — только сплавы металлов.  
   Температура: ЭЛП поддерживает до 1000°C, снижая остаточные напряжения, СЛП охлаждается быстрее.

Применение СЛС и СЛП

   СЛС: прототипы, функциональные детали из полимеров. Области: машиностроение, дизайн, производство товаров, мастер-модели для литья.  
   СЛП: высокопрочные металлические изделия:
   Аэрокосмическая промышленность: облегчение деталей корпуса, лопатки турбин, некоторые детали двигателей.
   Медицина: имплантаты (например, титановые протезы).
   Автомобилестроение: компоненты двигателей.
   3D-биопринтинг: пористые структуры для тканей.
   Многоматериальная 3D-печать: комбинация металлов для улучшенных свойств.