Selectief lasersmelten (SLM) is een additief productieproces voor metaal waarbij een laser wordt gebruikt om metaalpoeder samen te smelten tot volledig dichte componenten. Deze gids onderzoekt SLM-technologie, systemen, materialen, toepassingen, voordelen en overwegingen bij het implementeren van additive manufacturing met SLM.
Inleiding tot Additieve productie SLM
Selectief lasersmelten (SLM) is een additieve productietechniek met poederbedfusie waarbij gebruik wordt gemaakt van een krachtige laser om metaalpoederdeeltjes selectief laag voor laag te smelten en samen te smelten om volledig dichte 3D-onderdelen rechtstreeks uit CAD-gegevens op te bouwen.
Belangrijkste kenmerken van SLM-technologie:
- Maakt gebruik van gerichte laserstraal om poedervormige metalen te smelten
- Voegt alleen materiaal toe waar nodig in elke laag
- Maakt complexe geometrieën mogelijk die niet haalbaar zijn door gieten of machinaal bewerken
- Creëert bijna-netvormige metalen componenten met hoge dichtheid
- Materialen omvatten aluminium, titanium, roestvrij staal, legeringen
- Kleine tot middelgrote deelbouwvolumes
- Ideaal voor complexe onderdelen met een laag volume
- Elimineert de noodzaak voor hard gereedschap zoals mallen of matrijzen
- Vermindert aanzienlijk de verspilling in vergelijking met subtractieve methoden
- Maakt lichtgewicht ontwerpen en onderdeelconsolidatie mogelijk
- Maakt functionele verbeteringen mogelijk met technische constructies
Met zijn mogelijkheden levert SLM baanbrekende voordelen voor innovatief productontwerp en gestroomlijnde productie. Het vereist echter expertise om het proces onder de knie te krijgen.
Hoe SLM Additive Manufacturing werkt
Het SLM-productieproces bestaat uit:
- Het verspreiden en egaliseren van een dunne laag metaalpoeder op een bouwplaat
- Selectief scannen van een gerichte laserstraal om poeder te smelten
- Het bouwplatform verlagen en het aanbrengen van lagen en smelten herhalen
- Het verwijderen van voltooide onderdelen uit het poederbed
- Nabewerking van onderdelen indien nodig – opruimen, warmtebehandeling enz.
Het nauwkeurig regelen van de laser, scanpatronen, kameratmosfeer en andere parameters is van cruciaal belang om hoogwaardige, dichte metalen onderdelen met SLM te bereiken.
SLM-systemen zijn voorzien van een lasergenerator, optica voor straalafgifte, een poederafgiftesysteem, een bouwkamer, behandeling van inert gas en centrale bedieningselementen. De prestaties zijn sterk afhankelijk van de systeemtechniek en het afstemmen van de bouwparameters.
Fabrikanten van SLM-apparatuur
Toonaangevende wereldwijde leveranciers van SLM-additieve productiesystemen zijn onder meer:
| Bedrijf | Modellen | Bouwgroottebereik | Materialen | Prijsbereik |
|---|---|---|---|---|
| SLM-oplossingen | Volgende generatie, NXG XII | 250 x 250 x 300 mm <br>500 x 280 x 365 mm | Ti, Al, Ni, Staal | $400k – $1.5M |
| EOS | M300, M400 | 250 x 250 x 325 mm <br> 340 x 340 x 600 mm | Ti, Al, Ni, Cu, staal, CoCr | $500k – $1.5M |
| Trumpf | TruPrint 3000 | 250 x 250 x 300 mm <br> 500 x 280 x 365 mm | Ti, Al, Ni, Cu, staal | $400k – $1M |
| Conceptlaser | X-lijn 2000R | 800 x 400 x 500 mm | Ti, Al, Ni, staal, CoCr | $1M+ |
| Renishaw | AM400, AM500 | 250 x 250 x 350 mm <br>395 x 195 x 375 mm | Ti, Al, staal, CoCr, Cu | $500k – $800k |
De systeemkeuze hangt af van de behoeften aan bouwgrootte, materialen, kwaliteit, kosten en serviceondersteuning. Om de opties goed te kunnen evalueren, wordt aanbevolen om samen te werken met een ervaren aanbieder van SLM-oplossingen.
SLM-proceskenmerken
SLM omvat complexe interacties tussen verschillende procesparameters. Dit zijn de belangrijkste kenmerken:
Laser – Vermogen, golflengte, modus, scansnelheid, arceringsafstand, strategie
Poeder – Materiaal, deeltjesgrootte, vorm, voedingssnelheid, dichtheid, vloeibaarheid, hergebruik
Temperatuur – Voorverwarmen, smelten, afkoelen, thermische spanningen
Atmosfeer – Type inert gas, zuurstofgehalte, stroomsnelheden
Bouwplaat – Materiaal, temperatuur, coating
Scanstrategie – Arceringspatroon, rotatie, randcontouren
Ondersteunt – Minimaliseren, interface, verwijderen
Nabewerking – Warmtebehandeling, HIP, machinale bewerking, afwerking
Het begrijpen van de relaties tussen deze parameters is essentieel om defectvrije onderdelen met geoptimaliseerde mechanische eigenschappen te verkrijgen.
Ontwerprichtlijnen voor SLM-onderdelen
Een goed onderdeelontwerp is van cruciaal belang voor succesvolle SLM-additieve productie:
- Ontwerp met AM-principes in gedachten versus conventionele methoden
- Optimaliseer geometrieën om het gewicht en het materiaalgebruik te verminderen en de prestaties te verbeteren
- Minimaliseer de behoefte aan steunen met behulp van zelfdragende hoeken
- Zorg voor ondersteuning van interfacegebieden in het ontwerp
- Oriënteer onderdelen om spanningen te verminderen en defecten te voorkomen
- Houd rekening met thermische krimpeffecten in elementen
- Ontwerp binnenkanalen voor het verwijderen van ongesmolten poeder
- Potentiële kromtrekken in uitsteeksels of dunne delen aanpakken
- Ontwerpoppervlakteafwerkingen waarbij rekening wordt gehouden met as-built ruwheid
- Houd rekening met de effecten van lagenlijnen op de vermoeiingsprestaties
- Ontwerpbevestigingsinterface voor het verwijderen van onderdelen uit het poederbed
- Minimaliseer opgesloten hoeveelheden ongesinterd poeder
Simulatiesoftware helpt bij het beoordelen van spanningen en vervormingen in complexe SLM-onderdelen voordat deze worden afgedrukt.
SLM-materiaalopties
Een reeks legeringen kan worden verwerkt met SLM-technologie, waarbij de uiteindelijke materiaaleigenschappen afhankelijk zijn van parameters:
| Categorie | Gemeenschappelijke legeringen |
|---|---|
| Titanium | Ti-6Al-4V, Ti 6242, TiAl, Ti-5553 |
| Aluminium | AlSi10Mg, AlSi12, Scalmalloy |
| Roestvrij staal | 316L, 17-4PH, 304L, 4140 |
| Gereedschapstaal | H13, Maragingstaal, Koperen gereedschapsstaal |
| Nikkellegeringen | Inconel 625, 718, Haynes 282 |
| Kobalt Chroom | CoCrMo, MP1, CoCrW |
| Edelmetalen | Goud Zilver |
Het kiezen van compatibele legeringen en het kiezen van gekwalificeerde bouwparameters zijn essentieel om de vereiste materiaalprestaties te bereiken.
Belangrijke SLM-toepassingen
SLM maakt transformatieve mogelijkheden in alle sectoren mogelijk:
| Industrie | Typische SLM-toepassingen |
|---|---|
| Lucht- en ruimtevaart | Turbinebladen, waaiers, UAV-componenten |
| Medisch | Orthopedische implantaten, chirurgische instrumenten, patiëntspecifieke apparaten |
| Automobiel | Lichtgewicht componenten, aangepaste gereedschappen |
| Energie | Complexe olie-/gaskleppen, warmtewisselaars |
| Industrieel | Conformele koelinzetstukken, mallen, armaturen, geleiders |
| Verdediging | Drones, vuurwapens, voertuig- en kogelvrije vesten |
Voordelen ten opzichte van conventionele productie zijn onder meer:
- Mogelijkheid tot massaaanpassing
- Kortere ontwikkeltijd
- Ontwerpvrijheid voor prestatiewinst
- Gedeeltelijke consolidatie en lichtgewicht
- Het elimineren van overmatig materiaalgebruik
- Consolidatie van de toeleveringsketen
Zorgvuldige validatie van mechanische prestaties is nodig bij het toepassen van SLM-onderdelen in kritische toepassingen.
Voor- en nadelen van SLM-additieve productie
Voordelen:
- Ontwerpvrijheid mogelijk gemaakt door additief proces
- Complexiteit bereikt zonder hogere kosten
- Elimineert de noodzaak voor hard gereedschap zoals mallen of matrijzen
- Consolideert subassemblages in afzonderlijke componenten
- Lichtgewicht van organische, topologie-geoptimaliseerde structuren
- Maatwerk en productie in kleine volumes
- Kortere ontwikkelingstijd vergeleken met gieten/bewerking
- Hoge sterkte-gewichtsverhouding door fijne microstructuren
- Minimaliseert materiaalverspilling aanzienlijk ten opzichte van subtractieve processen
- Just-in-time en gedecentraliseerde productie
- Verminderde doorlooptijd en voorraad van onderdelen
Beperkingen:
- Kleinere bouwvolumes dan andere metalen AM-processen
- Lagere nauwkeurigheid en oppervlakteafwerking dan CNC-bewerking
- Beperkte keuze aan gekwalificeerde legeringen vergeleken met gieten
- Aanzienlijk vallen en opstaan om bouwparameters te optimaliseren
- Anisotrope materiaaleigenschappen door laag-voor-laag opbouw
- Potentieel voor restspanning en scheurdefecten
- Moeilijkheden bij het verwijderen van poeder door complexe interne geometrieën
- Vereist vaak nabewerking om de uiteindelijke eigenschappen te bereiken
- Hogere apparatuurkosten dan polymeer 3D-printen
- Er zijn speciale voorzieningen en behandeling van inert gas nodig
Wanneer het op de juiste manier wordt toegepast, maakt SLM baanbrekende prestaties mogelijk die op andere manieren onmogelijk zijn.
Implementatie van SLM Additive Manufacturing
Belangrijke stappen bij het adopteren van SLM-technologie zijn onder meer:
- Identificeren van geschikte toepassingen op basis van behoeften
- Bevestiging van de SLM-haalbaarheid voor gekozen ontwerpen
- Het ontwikkelen van strenge proceskwalificatieprotocollen
- Investeren in geschikte SLM-apparatuur
- Het veiligstellen van expertise op het gebied van metaalpoederbedprocessen
- Het opstellen van strenge materiaalkwaliteitsprocedures
- Beheersen van parameterontwikkeling en -optimalisatie
- Het implementeren van robuuste nabewerkingsmethoden
- Kwalificerende mechanische eigenschappen van afgewerkte componenten
Een methodisch introductieplan gericht op toepassingen met een laag risico minimaliseert de valkuilen bij het toevoegen van SLM-additieve mogelijkheden. Door samen te werken met ervaren SLM-servicebureaus of systeem-OEM's krijgt u toegang tot expertise.
Kostenanalyse van SLM-productie
De economische aspecten van de SLM-productie omvatten:
- Hoge kosten voor machineapparatuur
- Arbeid voor het opzetten van de build, nabewerking en kwaliteitscontrole
- Materiaalkosten van geschikte metaalpoedergrondstoffen
- Afwerken van onderdelen – bewerken, boren, ontbramen etc.
- Overhead – faciliteiten, inert gas, onderhoud
- Initiële procesontwikkeling met vallen en opstaan
- De kosten dalen naarmate de productie-ervaring en het volume toenemen
- Wordt zuinig bij volumes van ongeveer 1-500 eenheden
- Biedt het hoogste kostenvoordeel voor complexe geometrieën
Het wordt aanbevolen om gekwalificeerde legeringen van gerenommeerde leveranciers te kiezen om defecten te voorkomen. Samenwerken met een serviceprovider biedt een sneller adoptietraject met lagere risico's.
SLM vergeleken met andere processen
| Proces | Vergelijking met SLM |
|---|---|
| CNC-bewerking | SLM maakt complexe vormen mogelijk die niet machinaal kunnen worden bewerkt via een subtractief proces. Geen hard gereedschap vereist. |
| Metaal spuitgieten | SLM kent geen hoge toolingkosten. Betere materiaaleigenschappen dan MIM. |
| Spuitgieten | SLM heeft lagere gereedschapskosten. Geen maatbeperkingen. Zeer complexe geometrieën haalbaar. |
| Lamineren van vellen | SLM creëert volledig dicht en isotroop materiaal in vergelijking met gelamineerde composieten. |
| Binder jetting | SLM creëert volledig dichte groene onderdelen versus poreuze, met bindmiddel gespoten onderdelen die sinteren vereisen. |
| DMLS | SLM biedt een hogere nauwkeurigheid en betere materiaaleigenschappen dan polymeer DMLS. |
| EBM | Het smelten van elektronenbundels heeft hogere bouwsnelheden maar een lagere resolutie dan SLM. |
Elk proces biedt specifieke voordelen op basis van de toepassingsvereisten, batchgrootte, materialen en prestatiebehoeften.
Toekomstperspectieven voor SLM Additive Manufacturing
SLM is klaar voor een aanzienlijke groei in de komende jaren, gedreven door:
- Voortdurende materiaaluitbreiding met meer beschikbaarheid van legeringen
- Grotere bouwvolumes maken productie op industriële schaal mogelijk
- Verbeterde oppervlakteafwerkingen en nauwere toleranties
- Verhoogde systeembetrouwbaarheid en productiviteit
- Nieuwe hybride systemen waarin CNC-bewerkingen zijn geïntegreerd
- Dalende kosten verbeteren de levensvatbaarheid van de business case
- Verdere optimalisatie-algoritmen en simulatie
- Geautomatiseerde ondersteuningsverwijdering en naverwerking
- Groei in gekwalificeerde onderdelen voor gereguleerde industrieën
- Voortdurende vooruitgang van ontwerpen met een hoge complexiteit
SLM zal mainstream worden voor een groeiend aantal toepassingen waarbij de mogelijkheden ervan een duidelijk concurrentievoordeel opleveren.
Veelgestelde vragen
Welke materialen kun je verwerken met SLM-technologie?
Titanium, aluminium, roestvrij staal, gereedschapsstaal, nikkellegeringen en kobaltchroom worden vaak verwerkt.
Hoe nauwkeurig is SLM?
Een nauwkeurigheid van ongeveer ±0,1-0,2% is typisch, met een minimale functieresolutie van ~100 micron.
Wat zijn de kosten van SLM-systemen?
SLM-apparatuur varieert van $300.000 tot $1.000.000+, afhankelijk van de grootte, mogelijkheden en opties.
Welke soorten nabewerking zijn vereist?
Warmtebehandeling, HIP, oppervlakteafwerking en/of machinale bewerking kunnen worden toegepast. Het verwijderen van ondersteuning is ook nodig.
Welke industrieën gebruiken SLM additive manufacturing?
De lucht- en ruimtevaart-, medische, automobiel-, industriële en defensiesector zijn early adopters van SLM.
Voor welke materialen werkt SLM niet goed?
Sterk reflecterende metalen zoals koper of goud blijven een uitdaging. De materiaaleigenschappen van sommige legeringen zijn nog steeds in opkomst.
Welke oppervlakteafwerkingen kunnen worden bereikt?
As-built SLM-oppervlakteruwheid varieert van 5-15 micron Ra. Afwerking kan dit verder verbeteren.
Hoe groot kun je onderdelen maken met SLM?
Standaard bouwvolumes variëren tot 500 mm x 500 mm x 500 mm. Grotere machines zijn geschikt voor grotere componenten.
Is SLM geschikt voor productieonderdelen voor eindgebruik?
Ja, SLM wordt steeds vaker gebruikt voor eindproductiecomponenten, met voorbeelden in de lucht- en ruimtevaart- en medische industrie.
