Принтеры на базе порошковой клеточной технологии (PBF): типы, преимущества, ограничения и принцип работы

Когда производителям нужны 3D-печатанные детали со сложными геометриями, они часто обращаются к машинам порошковой клеточной технологии (Powder Bed Fusion, PBF). Такие детали неординарно сложны (иногда невозможны) традиционными методами. Разберем подробнее.

Что такое машины PBF (Powder Bed Fusion)?

PBF-машины — 3D-принтеры, создающие высококачественные, сложные и интрикатные детали для разнообразных применений во многих отраслях. Работают путем плавления и спекания слоев металлических или пластиковых порошков с помощью лазера или электронного пучка, наращивая деталь слой за слоем из порошкового слоя. Могут производить кастомизированные детали со специфическими свойствами — прочностью, термоустойчивостью — под нужды заказчика. На фото ниже — вид такой машины.

Большое преимущество PBF — минимальные отходы: излишки порошка собираются и перерабатываются после завершения детали. Также быстрая итерация дизайнов: инженеры обновляют CAD и перепечатывают бракованные детали. Для сложных деталей со сложными внутренними геометриями PBF — предпочтительный метод 3D-печати. Полный цикл: дизайн, производство, тесты, переработка, повторная печать — значительно быстрее литья металлов или MIM. PBF-машины могут производить несколько деталей одновременно — повышает продуктивность и сокращает время производства.

PBF работает с широким спектром пластиков и металлов, детали требуют минимальных поддерживающих структур — несплавленный порошок выступает в роли поддержки. Пример: при изготовлении охлаждающих каналов внутри лопаток турбин излишки порошка просто высыпаются. Однако PBF — относительно медленный процесс с длительным временем печати из-за необходимости предварительного нагрева порошка, создания вакуума и периодов остывания. Кроме того, так как детали строятся слой за слоем, структурные свойства PBF-деталей обычно не такие прочные, как у деталей других процессов. Качество поверхности зависит от зерна порошка и может напоминать песочное или кокильное литье.

Нужно следить за термическими искажениями, вызывающими усадку и деформацию, особенно при полимерах. Еще один минус для некоторых — высокая стоимость: и оборудование, и материалы дороги. Энд-ту-энд системы можно найти ниже $100 000, но цены обычно начинаются в диапазоне $150 000–200 000, топовые модели иногда стоят выше $1 000 000. Это также энергозатратный процесс. Неиспользованный порошок, удаляемый в постобработке, должен эффективно перерабатываться, хотя предварительный нагрев все равно может влиять на часть неиспользованного материала.

Как работают машины PBF (Powder Bed Fusion)?

Этапы процесса PBF 3D-печати:

1. Создается CAD-модель и нарезается на слои. 3D-принтер программируется последовательностью сборки перед печатью.
2. Тонкий равномерный слой порошка (обычно 0,1 мм) наносится на строительную платформу.
3. Порошковое letto нагревается до температуры чуть ниже точки плавления материала для снижения термических напряжений.
4. Мощный лазер или электронный пучок селективно плавит слой порошка согласно цифровой модели. Материал затвердевает при остывании.
5. Строительная платформа опускается на толщину одного слоя, процесс повторяется до полного формирования детали.
6. После завершения печати деталь извлекается из порошкового слоя, начинается постобработка.

Типы машин PBF (Powder Bed Fusion)

Существует два основных типа аддитивных технологий порошковой клеточной технологии: лазерный луч (PBF-LB) и электронный луч (PBF-EB). У каждого есть запатентованные технологии. Это Direct Metal Laser Sintering (DMLS), Selective Laser Sintering (SLS), Selective Laser Melting (SLM), Electron Beam Melting (EBM). Процессы отличаются используемыми материалами и тепловым источником для спекания порошков. PBF-методы используют лазеры или электронные пучки для спекания порошковых частиц. Каждый метод рассматривается отдельно ниже:

1. Direct Metal Laser Sintering (DMLS)

DMLS — аддитивная техника PBF, использующая мощный лазер для селективного спекания металлических порошков. Процесс похож на SLS, но использует металлические порошки вместо пластиков. Лазерный луч плавит и спеканивает металлические частицы, формируя твердую деталь слой за слоем. DMLS широко применяется в авиакосмической и медицинской отраслях для производства сложных металлических деталей с высокой точностью и желаемыми механическими свойствами.

2. Selective Laser Sintering (SLS)

SLS — техника 3D-печати, использующая мощный лазер для селективного спекания порошковых полимеров, обычно пластиков или нейлона, в твердые объекты. Строит детали слой за слоем, каждый слой спекан лазером. Несплавленный порошок поддерживает деталь в процессе сборки, исключая необходимость поддерживающих структур. SLS широко используется в прототипировании, продуктовом дизайне и мелкосерийном производстве.

3. Selective Laser Melting (SLM)

SLM и SLS схожи: оба используют мощный лазер как источник тепла, относятся к PBF-LB. Но SLM отличается тем, что лазер полностью плавит порошок, а не просто спеканивает его. Это дает более плотную и прочную итоговую деталь. Процесс обычно используется с металлическими порошками: титан и сплавы, алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь. Редкие металлы вроде вольфрама можно обрабатывать, но применение более специализированное. Инертная атмосфера (обычно аргон) в камере сборки предотвращает окисление или нитрирование консолидированного материала. SLM широко применяется в авиакосмике, медицине, автопроме для деталей с высокими механическими свойствами и сложными геометриями.

4. Electron Beam Melting (EBM)

EBM — еще один процесс порошковой клеточной технологии для металлических деталей. Использует пучок электронов, а не лазер, для плавления и спекания металлических порошков. В отличие от лазерных техник, EMB-принтер работает как маломасштабный частичный ускоритель: облучает порошковый слой электронами в вакууме для плавления металла. Заряженные электроны могут вызывать рассеяние частиц порошка, поэтому каждый слой материала обычно предварительно спеканивают перед началом 3D-печати. Кроме того, вся печатающая платформа держится горячей в процессе сборки. Детали строятся внутри полуспеканенного «торта» из порошка, который обеспечивает поддержку и часто исключает дополнительные поддерживающие структуры. Существует вариация EBM, позволяющая спеканивать детали внутри рыхлого порошка.

EBM обычно применяется для крупных и сложных металлических деталей в авиакосмике и медицине. EBM дает более высокие скорости сборки и меньше остаточных напряжений, чем другие PBF-техники, но оборудование обычно дороже других машин.

Преимущества использования машин PBF для 3D-печати

• Гибкость
• Сокращение производственных сроков для деталей со сложным дизайном
• Снижение отходов, а значит — затрат и экологического воздействия
• Работа с широким спектром материалов
• Минимальные поддерживающие структуры при печати

Ограничения машин PBF для 3D-печати

• Длинное время печати и медленный процесс
• Слабые структурные свойства
• Текстура поверхности зависит от размера зерна порошка
• Дорогое оборудование и порошок
• Термические искажения
• Высокое энергопотребление

Производственный процесс Powder Bed Fusion (PBF)

Производственный процесс PBF включает этапы:

1. Проектирование CAD-файла и связь с 3D-принтером. Дизайн численно нарезается на слои, последовательность печати заранее определяется.
2. Распределение порошка по строительной платформе. Тонкий слой порошка равномерно распределяется по зоне сборки.
3. Нагрев всей зоны сборки до температуры чуть ниже точки плавления частиц порошка.
4. Мощный лазер или электронный пучок селективно плавит порошок в заданных областях по запрограммированному образцу. Расплавленный порошок затвердевает при остывании, образуя твердый слой.
5. Строительная платформа опускается на толщину одного слоя, процесс повторяется до завершения детали.
6. После завершения печати детали извлекаются из порошкового слоя. Проходят различные стадии постобработки: удаление поддерживающих структур, термическая обработка, механическая обработка, полировка.

Как выглядит постпроизводственный процесс для PBF?

Постобработка PBF-деталей различается в зависимости от материала и метода печати.

Металлические PBF-детали требуют термической обработки из-за внутренних напряжений, вызванных процессом. После термообработки удаляют поддерживающие структуры и продолжают доп. постобработку. В зависимости от требований заказчика доступны варианты: ЧПУ-обработка, полировка.

Металлические EBM-детали свободно «плавают» над подложкой, поддерживаемые полуспеканенным порошком во время сборки. Жертвенные поддержки могут добавляться для теплового контроля или постобработки. EBM-детали нужно извлекать из порошкового «торта», но не обязательно требуют термообработки за счет высоких температур внутри принтера.

Пластиковые детали извлекаются из слоя несплавленного порошка, излишки материала удаляют абразивной струей (bead blast) для однородной отделки. SLS-детали после абразивной струи оставляют как есть, но они хорошие кандидаты для окрашивания, если нужен цвет.

Как PBF-машины отличаются от других типов 3D-принтеров?

PBF-машины отличаются несколькими способами. Главное — как они строят детали слой за слоем из порошковых материалов. PBF использует мощный лазер или электронный пучок для селективного спекания металлических или пластиковых порошков, в то время как другие 3D-принтеры могут использовать экструзию или фотополимеризацию. PBF также способны производить высоко сложные и интрикатные детали с высокой точностью. Кроме того, PBF могут производить функциональные пластиковые детали с исключительными механическими свойствами, превосходящими любые другие технологии 3D-печати. Однако часто требуют постобработки для желаемой отделки и могут иметь ограничения по размеру и геометрии. Более того, PBF-машины обычно дороже и требуют более специализированных знаний и обучения для эксплуатации.

Какие материалы можно использовать с PBF-машинами?

PBF 3D-принтеры поддерживают широкий спектр материалов:

Пластики

• Нейлон (включая стеклонаполненный и минералнаполненный)
• Полипропилен
• Полиэтерэтеркетон (PEEK)
• Полиэтеркетонкетон (PEKK)
• TPU

Металлы

• Алюминий и легкие сплавы
• Хром-кобальтовые сплавы
• Благородные металлы (золото, серебро)
• Медь и сплавы (бронза, латунь)
• Inconel®
• Сталь (марочная, легированная, нержавеющая 316L и 17-4PH)
• Титан и сплавы
• Никель и сплавы

Распространенные применения PBF-машин в разных отраслях

• Авиакосмическая (лопатки турбин, топливные форсунки, направляющие лопатки)
• Медицина (кастомные ортопедические детали, титановые черепные/ацетабулярные имплантаты, искусственные тазобедренные суставы)
• Автопром (прототипирование, тормозные колодки с охлаждающими каналами для моторспорта)
• Компоненты военных авиатехники

Как развитие PBF-машин повлияло на производственную отрасль?

Развитие машин порошковой клеточной технологии революционизировало производство множеством способов. Один из самых значимых — увеличенная свобода дизайна. PBF позволяет создавать сложные и интрикатные геометрии, трудные или невозможные традиционными методами.

Другой ключевой эффект — ускоренное прототипирование, кардинально сократившее время и стоимость разработки новых продуктов. С быстрым прототипированием производители быстро тестируют концепции и вносят улучшения до финализации производственного дизайна.

PBF также способствовало снижению отходов. Используя только материал, необходимый для детали, PBF уменьшает отходы и стоимость материалов. Это выгодно и экологии, и итогам производителей. По эффективности: PBF могут производить несколько деталей одновременно — повышает продуктивность и сокращает время производства. Наконец, PBF позволяет производить кастомизированные детали со специфическими свойствами — прочностью, долговечностью, термоустойчивостью. Это привело к разработке новых продуктов с уникальными характеристиками под нужды клиентов.

Какова стоимость PBF-машин по сравнению с DED?

Стоимость PBF и DED (directed energy deposition — направленное энергетическое напыление) может варьироваться в зависимости от производителя, модели, размера, функций. Однако в целом PBF-машины дороже DED. PBF используют более передовые технологии и способны производить детали с более высокой точностью и лучшей отделкой поверхности.

Какие меры безопасности соблюдать при работе с PBF-машинами?

Безопасность при работе с PBF, как и в большинстве производственных процессов, — приоритет. Что учесть:

1. PBF-машины выделяют дымы и мелкую пыль — работайте в хорошо проветриваемом помещении для минимизации рисков вдохновения.
2. Используйте СИЗ: перчатки, защитные очки, респираторы при работе с порошками и эксплуатации машины.
3. Не касайтесь нагретых компонентов или напечатанных деталей до остывания, будьте осторожны с острыми краями, особенно при металлических печатях.
4. Высокие температуры и искры — пожарная опасность: держите огнетушитель рядом, убирайте легковоспламеняющиеся материалы из зоны.
5. Металлические порошки могут быть опасны — обращайтесь осторожно, используйте защиту от вдохновения и контакта с кожей.
6. Регулярные инспекции и обслуживание предотвратят поломки и обеспечат безопасную эксплуатацию.

Постобработка для PBF

Методы постобработки PBF-деталей варьируются в зависимости от материала и производственного процесса. Металлические PBF-детали, сделанные DMLS или SLM, обычно нуждаются в термообработке для снятия внутренних напряжений от печати. После термообработки удаляют поддерживающие структуры, затем доп. постобработка: ЧПУ, полировка, поверхностные обработки.

Металлические детали EBM, в отличие от лазерных металлических PBF-методов, поддерживаются полуспеканенным порошковым «тортом», а не твердой подложкой. Их нужно извлечь из порошкового слоя, но обычно не требуют термообработки — высокие температуры сборки минимизируют остаточные напряжения. Жертвенные поддержки могут добавляться для теплового контроля или постобработки. Пластиковые SLS-детали извлекаются из порошкового слоя и очищают от излишков, часто абразивной струей для однородной отделки. Их можно оставить как есть или окрасить для кастомизации цвета.

Как PBF способствует аддитивному производству?

PBF вносит вклад в аддитивное производство несколькими способами. Во-первых, позволяет производить сложные геометрии, трудные или невозможные традиционными методами. Во-вторых, дает создание кастомизированных деталей со специфическими свойствами — прочностью, термоустойчивостью. В-третьих, может производить детали быстрее и с меньшими отходами, чем традиционные методы. В-четвертых, имеет потенциал снизить стоимость производства, особенно для малых серий высокой ценности.

Дорогие ли PBF-машины?

Да, PBF-машины довольно дороги. Энд-ту-энд системы можно найти ниже $100 000, но цены обычно начинаются в диапазоне $150 000–200 000. Топовые PBF-машины могут стоить выше $1 000 000. Стоимость зависит от размера, возможностей, функций машины. Цены на PBF снижаются со временем по мере распространения технологии и появления новых производителей. Кроме того, потенциальная экономия и эффективность от PBF для определенных применений могут оправдать инвестиции для некоторых бизнесов.

Дают ли PBF-машины решения более высокого качества, чем DED?

PBF и DED имеют разные сильные и слабые стороны, поэтому однозначного заявления о качестве сложно. PBF обычно лучше для высокоточных деталей с мелкими деталями, лучшей отделкой поверхности и отличными механическими свойствами. Процесс порошковой клеточной технологии позволяет интрикатные геометрии и точный контроль распределения материала — детали с отличной размерной точностью и отделкой, хотя иногда нужна постобработка. PBF работают с широким спектром материалов: металлы, керамика, пластики.

С другой стороны, DED лучше для крупных деталей со сложными геометриями — авиакосмические компоненты, промышленные формы. DED обычно быстрее PBF и работают с большими размерами деталей, но могут не достигать того же уровня точности или отделки.

Часто задаваемые вопросы о машинах порошкового спекания

В чем разница между PBF и DED машинами?

PBF и DED имеют разные сильные/слабые стороны, поэтому сложно сделать обобщающее заявление о качестве. PBF обычно лучше для высокоточных деталей с мелкими деталями, лучшей отделкой поверхности и отличными механическими свойствами. Процесс позволяет интрикатные геометрии и точный контроль распределения материала — детали с отличной размерной точностью и отделкой, иногда требующей постобработку. PBF работают с широким спектром материалов: металлы, керамика, пластики.

DED лучше для крупных деталей со сложными геометриями — авиакосмические компоненты, промышленные формы. DED обычно быстрее PBF и работают с большими размерами, но могут не давать тот же уровень точности или отделки. Стоимость PBF и DED варьируется по производителю, модели, размеру, функциям. В целом PBF дороже DED. PBF используют более передовые технологии и способны производить детали с более высокой точностью и лучшей отделкой.

Как PBF-машины отличаются от других типов 3D-принтеров?

PBF отличаются несколькими способами, главное — строение деталей слой за слоем из порошковых материалов вместо нити или смолы. PBF используют мощный лазер или электронный пучок для селективного спекания, другие принтеры — экструзию или фотополимеризацию. PBF точнее и делают функциональные пластиковые детали с исключительными механическими свойствами — лучше любой другой 3D-технологии. Однако часто требуют постобработки для желаемой отделки и могут иметь ограничения по размеру и геометрии. PBF также обычно дороже и требуют более специализированных знаний и обучения.

Какой лучший материал для использования с PBF-машинами?

Зависит от того, что нужно сделать, и других факторов — бюджета. У каждого материала уникальные свойства, сильные и слабые стороны, влияющие на процесс печати. Металлы требуют высоких температур и энергии для плавления и затвердевания — увеличивают время и стоимость печати. Полимеры требуют более низких температур и меньше энергии — потенциально быстрее и дешевле. Но полимеры могут иметь более низкие механические свойства, чем металлы, и быть более подверженными деформации. Опять же, лучший материал для вашего проекта — основан на нужных свойствах и бюджете.

Почему PBF хорошо для прототипирования?

PBF-машины позволяют ускоренное прототипирование, значительно сокращая время и стоимость разработки новых продуктов. С быстрым прототипированием производители быстро тестируют дизайн-концепции и вносят улучшения до финализации производственного дизайна.

Автор: Кэт де Наум — писатель, редактор, контент-специалист из Великобритании с 20-летним опытом. Пишет для производственных и технических организаций. BA в английской литературе и философии, MA в творческом письме (Kingston University).