3D-печать металлом: сопутствующее оборудование

Детали машин, ракетные двигатели, комплектующие для техники и оборудования — всё это вполне возможно сегодня создавать при помощи аддитивных технологий. 3D-печать металлами в последние годы успела стать одним из трендовых направлений для многих промпредприятий, работающих в сфере автомобилестроения, электротехники, аэрокосмического производства и т.д. 

Однако металлическая 3D-печать по-прежнему остаётся достаточно трудным, энергозатратным и высокотехнологичным процессом, требующим использования специализированного оборудования и обустройства полноценной производственной площадки. 

На сегодняшний день существуют различные системы SLM-печати, также известные как LPBF-системы. Основное и официальное название данной технологии звучит как «система лазерного сплавления» или Laser Powder Bed Fusion (LPBF).

Об оборудовании, нюансах подготовки и запуска аддитивного участка на предприятии в рамках вебинара «Сопутствующее оборудование для LPBF (SLM)-систем 3D-печати» рассказал Константин Лежнев, ведущий менеджер направления прямой печати металлами i3D.

Обязательное оборудование для 3D-печати металлом

Аддитивный участок на предприятии должен включать в себя сразу несколько видов оборудования. Условно их можно разделить на обязательное, выборочное и дополнительное. 

Обязательное оборудование — то, без которого принтер не сможет работать вовсе. Без ключевых элементов его не выйдет даже запустить. К данной категории г-н Лежнев относит, в частности, ПО и софт, так как без программных продуктов работа аддитивного участка невозможна. 

CAD-системы

Первое, на что стоит обратить внимание, это, конечно же, CAD-система или же твердотельное моделирование, которое является основой любого производственного процесса. На текущий момент одной из наиболее распространённых в РФ является система «Компас-3D». Также отечественные производители применяют софт SolidWorks, Autodesk и Siemens NX.

Слайсинг

«Второй софт — это, естественно, слайсы. Когда мы получили твердотельную модель, планируем в дальнейшем работать и выбираем технологию производства, <…> нам необходима CAM-программа для слайсинга. Мы выбираем тот софт, который позволяет нам оптимально построить 4D-модели для того, чтобы выстроить поддерживающие структуры, задать направление сплавления и толщину слоя, расположить деталь определённым образом, так, чтобы она имела наименьшее количество напряжений в своей структуре, ну и оптимизировать её наиболее эффективным образом», — рассказал г-н Лежнев в ходе вебинара. 

Что из себя представляет слайсинг? Это расположение различных деталей, определение толщины поддержек в зависимости от того, какую геометрию имеет деталь. С помощью системы выстраиваются определённые настройки по плотности поддержек, по их толщине, по тому, какой контакт идёт от самих поддержек к поверхности детали. Также в слайсинге можно настраивать толщину слоя, мощность лазера и т. д.

«Поддержки можно выстраивать там, где нужно больше тепла отвести от изделия, где, допустим, деталь может быть подвержена большему короблению, чем в основании. Конечно, эти настройки требуют обучения», — подчеркнул спикер. 

Системы анализа и симуляции

Третий немаловажный пункт — ПО для симуляции и анализа, которое необходимо для производства сложных изделий. Моделирование, проектирование и последующая оптимизация деталей под печать с помощью CAE-систем для «аддитивки» является обычным делом. 

«То есть фактическую деталь мы сканируем, получаем геометрические данные, смотрим отклонение, и этот софт позволяет уже в следующей итерации печати компенсировать процессы деформации, чтобы получить изделие как можно более точное и близкое к тому, что мы хотим получить с точки зрения твердотельного моделирования. То есть данный софт позволяет уменьшить количество итераций, потому что чем больше само изделие, тем больше требуется этапов обработки, этапов печати и отработки технологии производства конкретного изделия», — поделился опытом работы с аналогичной системой эксперт.

Верно подобранный софт позволяет экономить как «время машины», то есть сократить срок использования принтера, так и уменьшить расходы газа, материала, поддержек и т. д. 

Оборудование для подготовки и сушки порошка

При 3D-печати металлом важно обращать внимание на качество материала. Порошок должен пройти этап входного контроля: необходимо проверить его на текучесть, определить химический состав и уровень влажности.

Первый этап — сушка порошка, для которой требуется сушильный шкаф, который будет придерживаться определённой температуры для равномерного просушивания материала. Даже порошок, только что полученный от производителя, рекомендуется просушить, чтобы впоследствии не возникло проблем при печати. Данные шкафы обычно работают в диапазоне от 10 до 150-200 градусов. 

Следующий этап — подготовка печати. Оператор проверяет, всё ли готово к печати, готовит порошок и пересыпает его. В зависимости от конструкции принтера порошок может быть перемещён в бункер подачи порошка либо в специальный контейнер для загрузки. 

«Обиднее всего, когда вы подготовили печать, запустили, но на первых итерациях печати видно, что появляются определённые полосы на поверхности печати, и они могут дать дефект на конечном изделии, потому что порошок в полной мере не был нанесён на платформу построения. Конечно, нужно протереть оптику, потому что сканирующая система, которая располагается сверху камеры построения, может запылиться во время текущей или прошлой печати. Продукты горения, образующиеся во время печати, также могут оседать на оптике, на специальном защитном зеркале, поэтому перед каждой печатью оптику нужно протирать», — рассказал г-н Лежнёв.

Выборочное оборудование

Выборочное оборудование, по словам эксперта, необходимо для самого технологического процесса — без него выпуск конечных изделий или заготовок будет невозможен.

Выбирать такое оборудование необходимо с учётом используемых материалов: 

«В зависимости от того, какой материал планируется использовать — реактивный или нереактивный, — выбирается сопутствующее оборудование в виде моноблоков с аргоном или с генератором азота. Как правило, собирается комплекс от одного производителя, включающий генератор, различные ресиверы, компрессорное оборудование и т. д.», — рассказал эксперт.

Работа с аргоном более затратна, так как требует больше расходных материалов — баллоны необходимо часто обновлять и докупать. По этой причине в учебных заведениях предпочитают использовать генераторы азота. 

Другой немаловажный вид оборудования для 3D-печати металлом на предприятии — системы сбора, просеивания и очистки порошка. В процессе печати излишки материала необходимо собирать, просеивать и возвращать обратно в оборот.

«Излишек в конечной точке перемещения ракеля сбрасывается в специальный отсек, который забирается из машины и подаётся на станцию просеивания. То есть это свежий, хороший порошок, но он сбрасывается, и его нужно также повторно просеять. А после того как весь порошок удаляется в специальный бак для сброса и деталь напечатана, излишек порошка, который остаётся в камере построения, может собираться либо вакуумными пылесосами, либо гидросепарацией». 

Порошок пересыпается в типовой бункер специализированного объёма. Объём этих бункеров может быть разный: 5, 10, 20 литров — его подбирают, исходя из размеров самой машины. После этого материал поступает на станцию просеивания, которая может быть как с инертной средой, так и без неё. Некоторые отечественные производители предусматривают ручное сито просеивания — такое оборудование подходит для маленьких машинок и, соответственно, для небольшого объёма материала. 

Термообработка

Термообработка, вероятно, является одним из самых важных этапов работы, потому что от неё будет зависеть в том числе механизм отпуска. Возможно, для некоторых изделий потребуется закалка или включение какой-либо химии в материал.

Все изделия имеют внутреннее напряжение после печати, и потому впоследствии деталь может деформироваться из-за быстрого остывания. Отпуск изделий позволяет эти деформации убрать, после чего изделие можно отпиливать и использовать для последующей обработки.

Вакуумные печи и печи с инертной средой актуальны для крупногабаритных изделий и реактивных материалов. Также они позволяют предотвратить окисление материала. Если отпускать детали в обычной муфельной печи, то они начнут чернеть, потому что материал будет выгорать.

«Вариативность, кстати, по цене достаточно большая. Допустим, муфельная печь имеет ценовой диапазон 500-600 тысяч, маленькие печи могут стоить 200-300 тысяч рублей. 1-2 миллиона — печи небольшого размера в диапазоне 200-300 миллиметров с инертной средой, в том числе и вакуумные», — рассказал г-н Лежнёв. 

Впрочем, цена может быть и выше: зависит она напрямую от размера камеры обработки. Эксперт рекомендует не экономить на качестве печей, чтобы избежать негативного опыта с термической обработкой. 

Дополнительное оборудование

Ну а к дополнительному оборудованию относятся системы фрезеровки, галтовки и дополнительной постобработки, которая для конечного изделия не нужна, но необходима для полноценного производственного цикла.

Примером такого оборудования могут послужить системы для пескоструйной обработки изделия. Обычно они достаточно бюджетные: приобрести импортное и отечественное оборудование на рынке сегодня можно и за 100, и за 200 тысяч, в зависимости опять же от размера камеры построения. 

Ещё один вид дополнительного оборудования — системы для гидроабразивной обработки. Они работают по схожему принципу с пескоструйными системами, только вместо воздуха и абразива в них используется жидкость — в основном вода с определённым абразивом. 

Преимущество такой системы заключается в более безопасной среде — в процессе обработки абразив не разлетается. Также гидроабразив оставляет после себя более гладкую поверхность, поэтому для некоторых изделий такая обработка является более оптимальной. С помощью данного метода можно обрабатывать внутренние поверхности изделия:

«Особенно это важно, когда мы говорим про внутренние каналы охлаждения, в «аддитивке» они часто применяются, и иногда как раз каналы охлаждения и внутренняя система этих каналов являются основополагающими для выбора технологии 3D-печати. И обработать внутреннюю поверхность можно только определёнными системами гидроабразивной обработки».

Отдельно стоит упомянуть и системы, предназначенные для механической обработки изделий. Этот этап крайне важен при создании высокоточных изделий, когда от производителя требуется свести шероховатости к минимуму. Делается это с помощью обработки на фрезеровочных и токарных станках.

Сложность заключается в обширной номенклатуре оборудования, потому эксперт советует обратиться с техническим заданием непосредственно к производителю станков. 

«Можно трёхосевой станок использовать, можно пятиосевой, можно обрабатывать станком карусельного типа. Поверхности разные, обработка разная и само направление обработки отличается — нюансов существует много», — отметил спикер. 

Также в качестве допоборудования в аддитивном цехе могут использоваться:

• системы неразрушающего контроля, которые позволяют оценить качество готового изделия;
• узкоспециализированное дополнительное оборудование для постобработки — горячее изостатическое прессование. Оно позволяет убрать внутреннее напряжение и различные сложности со структурой материала;
• системы газовой оптимизации, центробежного или плазменного распыления, необходимые для получения металлического порошка;
• лабораторное оборудование.