Синтез металлов на подложке (Metal Powder Bed Fusion) – DMLS/SLM/EBM

Синтез металлов на подложке — группа технологий аддитивного производства, использующих высокоэнергетические источники (лазер или электронный луч) для послойного сплавления металлических порошков в монолитные детали. Три основных метода этого класса — DMLS, SLM и EBM — позволяют создавать функциональные металлические изделия с механическими свойствами, сопоставимыми или превосходящими традиционное литье и механообработку.

DMLS (Direct Metal Laser Sintering) — Прямое лазерное спекание металлов

Принцип работы

DMLS — запатентованная технология компании EOS (Германия), использующая волоконный лазер мощностью 200–400 Вт для селективного сплавления металлического порошка.

Процесс печати:

  1. Подготовка камеры — Рабочая камера заполняется инертным газом (аргон или азот) для предотвращения окисления металла при высоких температурах.

  2. Нанесение слоя порошка — Ракель (лезвие) или валик распределяет слой металлического порошка толщиной 20–60 мкм из питающей камеры в рабочую зону.

  3. Лазерное сканирование — Лазер сканирует контур слоя со скоростью до 7 м/с, нагревая порошок до точки плавления (1200–1600°C в зависимости от сплава). Частицы сплавляются друг с другом и с предыдущим слоем, образуя монолитную структуру.

  4. Опускание платформы — Рабочая платформа опускается на толщину одного слоя, наносится новый слой порошка, и цикл повторяется.

  5. Охлаждение и извлечение — После завершения печати камера медленно остывает (4–12 часов), затем деталь извлекается из “порошкового пирога”.

  6. Постобработка — Удаление поддержек, термообработка (снятие остаточных напряжений), механическая обработка посадочных мест, полировка или пескоструйная обработка.

Особенность DMLS

Термин “спекание” в названии технически неточен — на самом деле происходит частичное сплавление металлических частиц, но не полное расплавление порошка (в отличие от SLM). Это позволяет работать с трудносплавляемыми материалами и композитными порошками.

SLM (Selective Laser Melting) — Выборочная лазерная плавка

Принцип работы

SLM — технология, аналогичная DMLS, но с ключевым отличием: используется более мощный лазер (400–1000 Вт), который полностью расплавляет металлический порошок, а не спекает его частично.

Технологии 3D-печати металлом
Технологии 3D-печати металлом SLM

Процесс идентичен DMLS, но благодаря полному плавлению достигается:

  • Плотность деталей >99.5% (практически беспористые изделия).
  • Более однородная микроструктура.
  • Лучшие механические свойства (выше прочность на разрыв и усталостная прочность).

Отличие SLM от DMLS

Параметр DMLS SLM
Мощность лазера 200–400 Вт 400–1000 Вт
Степень плавления Частичное сплавление Полное расплавление
Плотность деталей 95–98% >99.5%
Материалы Многокомпонентные сплавы, композиты Чистые металлы, однокомпонентные сплавы
Остаточные напряжения Ниже Выше (требуется термообработка)
Скорость Выше Ниже (требуется больше энергии)

На практике термины DMLS и SLM часто используются взаимозаменяемо, так как современные установки способны работать в обоих режимах в зависимости от настроек мощности лазера.

EBM (Electron Beam Melting) — Электронно-лучевая плавка

Принцип работы

EBM (запатентована компанией Arcam, Швеция, сейчас часть GE Additive) использует электронный луч вместо лазера для сплавления металлического порошка в условиях глубокого вакуума.

Технологии 3D-печати металлом
Технологии 3D-печати металлом EBM

Ключевые особенности процесса:

  1. Вакуумная камера — Печать происходит при давлении 10⁻⁴ мбар для предотвращения рассеивания электронного луча и окисления металла.
  2. Предварительный нагрев порошка — Весь слой порошка предварительно прогревается до 600–1000°C (в зависимости от материала) за счет быстрого сканирования электронным лучом. Это снижает остаточные напряжения и предотвращает деформацию детали.
  3. Селективное плавление — Электронный луч мощностью до 3500 Вт избирательно сплавляет частицы порошка в контуре слоя. Благодаря высокой мощности скорость сканирования достигает 8000 м/с (в 1000 раз быстрее лазера).
  4. Толщина слоя — 50–200 мкм (толще, чем у лазерных систем), что ускоряет печать, но снижает детализацию.
  5. Охлаждение — После завершения печати камера остывает естественным образом внутри вакуума (до 12 часов).

Преимущества EBM перед лазерными технологиями

✅ Минимальные остаточные напряжения — благодаря предварительному нагреву порошка детали практически не деформируются и часто не требуют термообработки.

✅ Высокая скорость печати — электронный луч движется в 1000 раз быстрее лазера за счет управления магнитным полем (без механических зеркал).

✅ Низкая себестоимость энергии — электронный луч потребляет меньше электричества на единицу объема материала.

✅ Работа с тугоплавкими металлами — титан Ti-6Al-4V, ниобий, тантал, которые окисляются при лазерной обработке в инертном газе.

Недостатки EBM

❌ Шероховатая поверхность — Ra 25–35 мкм (в 3–5 раз хуже, чем у SLM), требуется механическая обработка или пескоструй.

❌ Ограниченный выбор материалов — работает только с проводящими металлами (титан, кобальт-хром, инконель).

❌ Крупные габариты оборудования — вакуумная камера и генератор электронного луча требуют больше места, чем лазерные системы.

❌ Высокая стоимость оборудования — установки EBM дороже SLM-принтеров на 30–50%.

Материалы для металлической 3D-печати

Титановые сплавы

Ti-6Al-4V (Grade 5) — “рабочая лошадка” авиации и медицины.

  • Высокая удельная прочность (прочность / плотность).
  • Биосовместимость (медицинские импланты).
  • Коррозионная стойкость.

Применение: Лопатки турбин, кронштейны двигателей, зубные импланты, протезы суставов.

Нержавеющие стали

316L, 17-4PH, 15-5PH

  • Высокая прочность и коррозионная стойкость.
  • Хорошая свариваемость.

Применение: Корпуса клапанов, инструменты, детали для пищевой промышленности.

Алюминиевые сплавы

AlSi10Mg, AlSi7Mg

  • Малый вес, хорошая теплопроводность.
  • Применение: корпуса электроники, радиаторы, детали дронов.

Никелевые суперсплавы

Inconel 625, 718, Hastelloy X

  • Жаропрочность до 700–1000°C.
  • Применение: камеры сгорания, теплообменники, детали газовых турбин.

Кобальт-хромовые сплавы

CoCrMo

  • Высокая твердость и износостойкость.
  • Применение: стоматологические коронки, эндопротезы суставов.

Инструментальные стали

H13, Maraging Steel (1.2709)

  • Высокая твердость после термообработки.
  • Применение: пресс-формы для литья пластика, штампы.

Сравнительная таблица технологий

Параметр DMLS SLM EBM
Источник энергии Волоконный лазер (200–400 Вт) Волоконный лазер (400–1000 Вт) Электронный луч (3500 Вт)
Атмосфера Инертный газ (Ar/N₂) Инертный газ Вакуум (10⁻⁴ мбар)
Предварительный нагрев Нет Нет Да (600–1000°C)
Плотность деталей 95–98% >99.5% >99.8%
Толщина слоя 20–60 мкм 20–50 мкм 50–200 мкм
Шероховатость Ra 6–10 мкм 5–8 мкм 25–35 мкм
Скорость печати Средняя Низкая Очень высокая
Остаточные напряжения Средние Высокие Минимальные
Материалы Любые металлы Любые металлы Только проводящие

Области применения

Аэрокосмическая промышленность

  • Топологически оптимизированные кронштейны (на 40–60% легче традиционных).
  • Лопатки турбин с внутренними каналами охлаждения.
  • Топливные форсунки с конформными каналами.

Медицина

  • Индивидуальные имплантаты (челюсти, черепа, суставы) по КТ-снимкам пациента.
  • Пористые структуры для врастания костной ткани.
  • Хирургические инструменты.

Автомобилестроение

  • Прототипы двигателей.
  • Малые серии спортивных деталей (до 1000 шт.).
  • Инструменты и оснастка.

Инструментальное производство

  • Пресс-формы для литья пластика с конформным охлаждением (сокращение цикла на 30–50%).
  • Штампы для холодной штамповки.

Энергетика

  • Детали газовых турбин.
  • Теплообменники.

Технологии синтеза металлов на подложке революционизируют промышленное производство, позволяя создавать детали сложной геометрии с внутренними каналами, которые невозможно изготовить традиционными методами, сокращая вес изделий на 40–70% при сохранении прочности.

Другие технологии печати: