Hur DMLS kan användas

För att producera pålitliga metalldelar

När de första DMLS-maskinerna (Direct Metal Laser Sintring) kom ut på produktionsgolvet antog vissa inom tillverkningsindustrin att slutet för traditionell bearbetning var nära. När allt kommer omkring, hur coolt är det inte att fylla en maskin med metallpulver, ladda en CAD-fil och några timmar senare dyker en glänsande ny del upp? Hur skulle en verkstad kunna konkurrera med en maskin som skapar lite avfall, inte har några skärverktyg och har en installation som är så enkel som en knapptryckning?

Som det visar sig är verkligheten för DMLS något annorlunda än de tidiga antagandena. Inga "Star Trek"-liknande replikatorer här inte, utan snarare en process som kompletterar traditionell bearbetning. DMLS producerar helt täta metalldelar direkt från CAD-modeller, ofta med en noggrannhet och ytfinish som gör att en del kan tas i bruk direkt. Viktigast av allt, om du har en mycket komplex del som är omöjlig att bearbeta, kan DMLS vara svaret.

Liksom andra laserbaserade additiva tillverkningsprocesser bygger DMLS delar nerifrån och upp. Den använder en ytterbiumlaser för att smälta och smälta mikroskopiska korn av metallpulver till nästan vilken form som helst, förutsatt att den passar i en byggkammare ungefär lika stor som en mikrovågsugn.

Vad är additiv tillverkning i metall och hur fungerar det?

Låt oss säga att du precis har laddat upp en 3D CAD-modell av din deldesign till protolabs.co.uk. Det kan vara allt från den näst bästa fiskebåtspropellern till ett luftintag till en Indy-bil. Protolabs 3D-utskriftstekniker kan förvandla den elektroniska drömmen till en fysisk verklighet med några få, relativt snabba, steg:

1. CAD-modellen skärs digitalt i papperstunna lager, och alla nödvändiga stödstrukturer designas in för att underlätta lasersintringsprocessen. Filen laddas sedan upp till en av våra DMLS-maskiner.
2. Pulverbädden är fylld med en av sex höghållfasta legeringar: aluminium, rostfritt stål, titan, koboltkrom, maråldrat stål eller Inconel. Ett tunt lager av det valda materialet fördelas sedan över byggplattformen.
3. När bygget börjar börjar en kraftfull laser arbeta och ritar det nedre lagret av delarna, tillsammans med eventuella tillfälliga stödstrukturer som behövs för byggprocessen.
4. En gummitorkare skrapar ytterligare ett tunt lager metallpulver över delarna, och laserprocessen upprepas.
5. När den är klar tas den nästan färdiga delen bort från byggkammaren. Byggstöden tas bort och delarna kan sedan bearbetas ytterligare enligt kundens krav.

Det är i huvudsak DMLS. Som i alla andra additiva tillverkningsprocesser är delarnas kvalitet mycket beroende av en sund byggstrategi. Till att börja med kräver DMLS stödstrukturer för att hålla funktioner på plats när delen byggs. Utan dem kan platta ytor krulla sig – en T-form skulle förvandlas till ett Y, en middagstallrik skulle bli en pajform. För det mesta kan Protolabs kunder överlåta supportplaceringen till DMLS-experterna, men bör förstå att ytor som inte stöds tenderar att skeva under bygget, och sekundär efterbearbetning kommer att behövas för att såga, slipa eller bearbeta bort dessa stöd.

Toleranser och ytjämnhet

Deltolerans är en annan designfaktor. Högupplöst DMLS bygger med en skikttjocklek på 0,02 mm och kan producera ganska exakta delar, med toleranser på +/- 0,1 mm till +/- 0,2 mm + 0,005 mm/mm, delfunktioner så små som 0,5 mm, med ytfinish som liknar den för en sandgjutning. Om du behöver en jämnare yta erbjuder Protolabs ett antal efterbehandlingsoperationer, inklusive pärlblästring, handpolering och målning.

För dem som är oroliga för de metallurgiska egenskaperna hos lasersintrade delar, var inte det. DMLS använder laserkraft för att faktiskt smälta enskilda metallpartiklar. Varje passage av balken överlappar den föregående och smälter om lagret direkt under, vilket sammanfogar metallen till en homogen massa som är 99 procent så tät som konventionellt formade material.

Möjligheten att skapa intrikata interna funktioner genom att "rita" dem ett lager i taget öppnar dörrarna för tidigare omöjliga delkonstruktioner. Komplexa strukturer och sammansättningar av flera delar kan förenklas avsevärt med hjälp av DMLS.

Till exempel minskade GE Aviation antalet delar i en bränsleinsprutningsenhet från 18 till bara 1 genom att använda DMLS, och räknar med att mer än 100 000 lasersintrade delar kommer att tillverkas på detta sätt fram till 2020. Och med de olika legeringar som finns tillgängliga har DMLS fått ökad användning inom flyg-, medicin- och konsumentindustrin – allt från ortopediska implantat och kirurgiska verktyg till gasturbiner och avgaskomponenter tillverkas idag, både i prototyp- och produktionskvantiteter. Budskapet här är att de som förstår hur man drar nytta av metalllasersintringsteknik har mycket komplexa metalldelar tillverkade med lätthet samtidigt som de minskar den totala materialräkningen (BOM).

En del av den förståelsen kommer från att veta hur DMLS fungerar. Eftersom delar är uppbyggda i lager kommer så kallad "trappstegning" att ske på vinklade ytor – till exempel kommer sidorna på en pyramidformad del att vara grövre än på en kub. Protolabs kommer att försöka orientera delkonstruktionen för att minimera denna effekt, men det är viktigt att påpeka eventuella kritiska ytor eller funktioner när du skickar in din deldesign, så att dessa kan placeras i det horisontella byggplanet. Alltför tjocka sektioner bör undvikas när det är möjligt, eftersom dessa ökar byggtiden och ökar de inre materialspänningarna. Och om hål eller funktioner med mycket snäva toleranser krävs, bör konstruktionen innehålla extra material för efterföljande brotschning eller sekundär bearbetning. Som alltid rekommenderas ett samtal med en av Protolabs applikationsingenjörer om några frågor uppstår.

Kom ihåg att DMLS inte nödvändigtvis är ett snabbare och enklare alternativ till bearbetning. Delstorleken är begränsad, eftersom även en DMLS-maskin i storformat har en maxvikt på cirka 250 mm i kubik hos Protolabs.

Fördelen med detta är att hela volymen kan utnyttjas – om du vill producera tusen mikroskopiska kirurgiska instrument i 316 rostfritt stål kan DMLS tillverka dem i ett enda utförande. Processen att smälta metall ett ultratunt lager i taget är inte heller särskilt snabb – våra instrument kan ta några dagar att bygga. För många delar är CNC-bearbetning fortfarande det mest ekonomiska valet. För allt annat kan DMLS erbjuda ett antal fördelar, främst bland dem designflexibilitet.

Tillämpningar med låg vikt
Om du funderar på att prova DMLS är ett annat råd på sin plats: Delar kan lasersintras mycket snabbare och till betydligt lägre kostnad om de är ihåliga. Om du inte letar efter världens dyraste pappersvikt finns det ingen anledning att smälta varje kvadratcentimeter av varje pulverlager när allt som krävs är att spåra tillräckligt mycket av konturerna för att säkerställa dess strukturella integritet. Av denna anledning är DMLS ett utmärkt alternativ för produktkonstruktörer som siktar på lätta delar – jämfört med bearbetning, där lättvikt ökar bearbetningstiden och kostnaden, är DMLS motsatsen, som blir billigare när delarnas vikt sjunker.

Detta är en viktig punkt för flygplans- och biltillverkare, där varje uns räknas när det gäller bränsleeffektivitet. Som tidigare nämnts tillverkar DMLS komplexa delar i lättviktsmaterial som aluminium och titan.

I slutändan är delarnas design en nyckelfaktor för att avgöra vilken process som är bäst. På grund av sina komplexa tredimensionella former fungerar små kirurgiska instrument bra med lasersintring, medan delar som innehåller enkla funktioner – monteringsfästen, grenrörsblock, elektronikhöljen och många andra komponenter lätt kan bearbetas i lägre volymer. Oavsett vilken väg du väljer är det en skön ny värld av metalltillverkning, en värld som Protolabs är väl rustade för att hjälpa dig att utforska.

Hur man designar för additiv tillverkning i metall

Nu när vi har diskuterat vanliga tillämpningar och fördelar med additiv tillverkning i metall, låt oss ta en titt på några grundläggande riktlinjer för hur man designar funktioner på 3D-printade metalldelar.

Självbärande vinklar
En självbärande vinkel beskriver objektets vinkel i förhållande till byggplattan. Ju lägre vinkel, desto mindre sannolikt är det att den stöder sig själv. Varje material kommer att prestera lite annorlunda, men den allmänna tumregeln är att undvika att designa en självbärande funktion som är mindre än 45 grader. Det här tipset kommer att tjäna dig väl i alla tillgängliga material. Som du kan se på bilden ovan, när vinkeln minskar, blir delens ytfinish grövre och så småningom kommer delen att gå sönder om vinkeln minskas för mycket.

Överhäng
Överhäng skiljer sig från självbärande vinklar genom att de är plötsliga förändringar i en dels geometri – inte en jämn lutning. DMLS är ganska begränsat i sitt stöd för överhäng jämfört med andra 3D-utskriftstekniker som stereolitografi och selektiv lasersintring. Alla överhäng som är större än 0.5 mm bör ha ytterligare stöd för att förhindra skador på delen. När du designar överhäng är det klokt att inte tänja på gränserna eftersom stora överhäng kan leda till minskning av en detaljdetalj och ännu värre, leda till att hela konstruktionen kraschar.

Kanaler och hål
Interna kanaler och hål är en av de främsta fördelarna med DMLS eftersom de är omöjliga med andra tillverkningsmetoder. Konforma kanaler ger jämn kylning i hela detaljen och hjälper till att minska komponentens vikt. Det rekommenderas att kanalerna inte överstiger en diameter på 8 mm. I likhet med strukturer utan stöd, när du överstiger 8 mm., kommer de nedåtvända strukturerna att bli förvrängda. Ett tips för att komma runt den här begränsningen är att undvika att utforma cirkulära kanaler. Designa istället kanaler med en droppform eller diamantform. Kanaler som följer dessa former ger en mer enhetlig ytfinish i kanalen och gör att du kan maximera kanalens diameter.

Broar
En bro är en plan nedåtvänd yta som stöds av 2 eller fler funktioner. Det minsta tillåtna avståndet som inte stöds rekommenderar vi är 2 mm. I förhållande till andra 3D-utskriftstekniker är detta avstånd relativt kort på grund av påfrestningarna från den snabba uppvärmningen och kylningen. På bilden nedan ser du hur bron drar in de bärande konstruktionerna när avståndet utan stöd ökar. Delar som överskrider denna rekommenderade gräns kommer att ha dålig kvalitet på de nedåtriktade ytorna och inte vara strukturellt sunda.

Vilka material kan användas vid additiv tillverkning i metall?
Additiv tillverkning i metall erbjuder många av de vanliga metallerna som är tillgängliga genom traditionella processer, t.ex. rostfritt stål (316L), aluminium, koboltkrom, Inconel, maråldrat stål och titan.

Jämför egenskaper hos metalltillsatsmaterial
Nedan följer en jämförelse sida vid sida av materialegenskaper mellan tillgängliga legeringar och olika värmebehandlingar.

Efterbearbetning av metalltillsatsdelar
När en del är färdigbyggd i maskinen kan flera steg vidtas för att förbättra dess mekaniska egenskaper, ytfinishkvalitet och säkerställa att delens egenskaper ligger inom toleransen.

Värmebehandling
Att köra delar genom en värmebehandling är nödvändigt efter att en del har byggts eftersom det kommer att hjälpa till att lindra inre spänningar som utvecklas under sintringsprocessen. Spänningarna i ett bygge strålar utåt mot detaljens kant och byggs upp med varje ytterligare lager. Till exempel kommer delar med tjocka tvärsnitt att ha mer belastning. Det finns en mängd olika värmebehandlingsprocesser
som kan användas för att ta itu med detta:

• Vakuumugn: Delar placeras inuti en vakuumförseglad ugn och utsätts sedan för hög värmemiljö, vilket minskar inre spänningar.
• Het isostatisk pressning (HIP ): Denna process, som vanligtvis kallas HIP, applicerar både tryck och värme på delen för att minska porositeten och öka densiteten.

CNC-bearbetning efter byggnad
Vissa applikationer kan kräva ytterligare bearbetning efter att metallkomponenten har byggts. Detta är användbart när snäva toleranser eller förbättrad ytkvalitet krävs för specifika egenskaper, men den övergripande geometrin kräver additiv tillverkning för att produceras. Till exempel har en raketmotorkomponent med komplexa kylkanaler en parningsfunktion som kräver en tolerans på +/- 0,0254 mm. I vissa fall kan CNC-bearbetning efter bygget till och med användas för att minska kostnaderna på grund av mindre spån på golvet och effektivare materialanvändning.

Kvalitetsinspektioner
Ofta kräver metalldelar byggda med additiv tillverkning dimensionsvalidering eller en utvärdering av materialets mikrostruktur. För detta kan koordinatmätmaskiner (CMM) användas för att verifiera detaljegenskaper inom toleransen. CT- eller röntgenskanning kan också användas för att undersöka interna egenskaper och ge en icke-destruktiv lösning för att säkerställa strukturell integritet.
Om du behöver ytterligare hjälp kan du kontakta oss på +46 (0) 8408 391 86 eller customerservice@protolabs.se

11/1/2023 - Industritorget

Contact information

Protolabs

08408 391 86

View homepage

Send Email

Contacts

Links

Videos

Map

Print
Send tip

Mailing address
Halesfield 8
TF74QN Telford

Visiting address
C/o The Works Medborgarplatsen 25
11872 Stockholm

Region
United Kingdom

Organization id:
5366160

Founded: Not specified
Employees: Not specified

Contacts

Links

Videos

Map

Welcome to Protolabs!

The company was founded in 1999 by Larry Lukis, a successful entrepreneur and computer geek. He wanted to radically reduce the time required to produce injection molded prototype parts.

His solution was to automate the traditional production process by developing complex software that communicated with a network of mills and presses. As a result, plastic and metal parts could be produced in a fraction of the time it had previously taken.

How we can help
Faster product development, reduced costs and optimized supply chain with 3D printing, CNC machining and injection molding enabled by technology.

Welcome to contact us!

Send rfq