Конструирование и постобработка металлических деталей для SLM: поддержки, снятие напряжений, HIP

Что делает SLM с деталью

Технология DMLS и её синоним SLM описаны в статье о сравнении технологий печати металлом. Здесь важно то, что определяет и проект детали, и всё, что делают после печати. Лазер плавит слой порошка толщиной 20–50 мкм, расплав остывает за доли секунды, и в детали остаются напряжения. Деталь растёт на металлической платформе, к которой её привязывают поддержки из того же металла. Они держат деталь, отводят тепло и не дают ей отрываться от платформы, когда напряжения тянут её вверх.

Отсюда все правила проектирования. Нависания без опоры провисают, толстые сечения поддаются короблению, закрытые полости набиваются порошком, а поверхность остаётся шероховатой из-за зернистого сырья.

Правила проектирования

Руководства Hubs и Protolabs дают близкие, но не совпадающие числа. Расхождения объясняются разными машинами, материалами и тем, что Protolabs пишет рекомендации для своих режимов. Для проекта берут более осторожное значение, а в остальном согласуют с бюро.

Protolabs называет и допуск: ±0,003 дюйма (0,076 мм) на первый дюйм плюс ±0,001 дюйма на каждый следующий. Для детали длиной 100 мм получается 0,076 + 0,001 × (100 − 25,4) ≈ ±0,15 мм. Hubs обобщает типичную точность как ±0,1 мм.

Две подсказки помогают избежать поддержек. Отверстия, которые не совпадают с направлением роста, рисуют каплей с вершиной вверх, а не кругом. Под свободным краем делают фаску 45° вместо горизонтальной полки.

Вторая подсказка: сечения толще 10 мм Hubs называет склонными к короблению и дефектам. Толстый блок заменяют полостью с рёбрами или решёткой. У решёток есть свои пределы: Protolabs рекомендует стойки не тоньше 0,38 мм (0,25 мм на высоком разрешении), угол к платформе больше 45° и мосты до 2 мм.

Ориентация, коробление и число слоёв

Детали стоят на платформе не по осям, а под углом. Hubs показывает кронштейн, повёрнутый на 45°: так уменьшается коробление, а нагрузка вдоль слоёв приходится на важные направления. Цена за это растёт: больше поддержек, больше времени, больше порошка.

Время печати зависит в основном от высоты. Пример: деталь высотой 40 мм при слое 30 мкм состоит из 40 ÷ 0,03 ≈ 1333 слоёв, при слое 20 мкм из 2000. На каждый слой тратится нанесение порошка и проход лазера, поэтому высокая и тонкая деталь дороже, чем лежащая. Если форма позволяет, деталь укладывают плашмя, но тогда наклонная плоскость ложится на поддержки и шероховатость нижней грани растёт: Protolabs отдельно предупреждает, что первая нижняя поверхность получается грубее номинальной толщины слоя.

Внутренние каналы и вывод порошка

Закрытая полость после печати набита порошком. Hubs замечает, что крупные полые участки в металлической печати редки, потому что поддержки внутри не удалить. Каналы проектируют так, чтобы порошок можно было вытрясти, а поддержки не требовались: каплевидный или ромбовидный профиль, вход и выход, плавные изгибы. В руководстве Hubs по binder jetting для полостей требуют не меньше двух выводных отверстий Ø5 мм; для SLM величину согласуют с бюро, но логика такая же.

Контроль не заканчивается взглядом в отверстие. Protolabs использует компьютерную томографию, чтобы проверить внутренние каналы и убедиться, что внутри нет несплавленного порошка и пор.

Порядок постобработки

Порядок важен. Hubs пишет, что напряжения снимают до любых других операций. Обзор Materials 2023 года советует шлифовать, полировать и фрезеровать после термообработки, чтобы не испортить свойства. Если отрезать деталь от плиты до снятия напряжений, она «поведёт», и посадки уйдут.

Отрезка от платформы

Деталь приварена к платформе поддержками, поэтому её отрезают. По данным Hubs и Protolabs, применяют ленточную пилу и электроэрозию проволокой. Электроэрозия обычно точнее и не греет деталь, пила быстрее и дешевле. Protolabs также предлагает на деталь, которую будут фрезеровать, добавлять жертвенную часть для зажима: плоскость или бобышку, которую отрежут после обработки.

HIP и термообработка

Горячее изостатическое прессование прижимает деталь газом под давлением при высокой температуре и схлопывает внутренние поры. Давление обычно составляет 50–310 МПа, чаще всего 100 МПа, а температура выдержки колеблется от 482 °C для алюминиевых отливок до 1320 °C для никелевых суперсплавов. Hubs говорит, что пористость после печати составляет 0,2–0,5 % и падает почти до нуля после термообработки. Protolabs добавляет, что HIP убирает остаточную пористость и снижает анизотропию, и применяют его для нагруженных деталей в авиации.

Режимы зависят от сплава, и вот примеры из обзора Materials 2023 года по исследованиям лазерного плавления.

Это иллюстрация диапазонов, а не рецепт. Режим для детали определяет бюро по стандарту и паспорту порошка. Protolabs применяет HIP прежде всего для авиационных деталей под большой нагрузкой.

Шероховатость

Шероховатость влияет на усталость: Hubs связывает с ней и с остаточной пористостью более низкую усталостную прочность напечатанных деталей. Для сравнения значений Ra и Rz пользуйтесь калькулятором и справочником шероховатости. Полировка требует доступа инструмента. Hubs перечисляет ручную и виброполировку, химическую полировку и механическую обработку, но в узкий канал инструмент не пройдёт, поэтому гладкую геометрию канала закладывают в модель.

Резьбы и посадки: припуск

Резьбу и посадки в напечатанной детали не оставляют «как есть»: точность ±0,1 мм и поверхность Ra до 10 мкм не дают посадки. Protolabs предлагает нарезать резьбу и развернуть отверстия после печати и не рекомендует делать резьбу мельче 0-80 (около 1,5 мм).

Расчёт. Нужна резьба M6. Сверло под резьбу 5,0 мм (по таблице отверстий под резьбу). Печатаем отверстие Ø4,2 мм: припуск на сторону (5,0 − 4,2) ÷ 2 = 0,4 мм, это покрывает допуск печати ±0,1 мм и верхний шероховатый слой. Дальше сверлим до 5,0 мм и нарезаем метчиком. Для посадки Ø10 H7 (поле допуска +0,015 мм по справочнику допусков и посадок) печатаем Ø9,2 мм с тем же припуском 0,4 мм на сторону и разворачиваем. Protolabs называет типичной точностью обработки ±0,025 мм, поэтому H7 с полем 15 мкм требуют как отдельную операцию. Значение припуска 0,3–0,5 мм на сторону — наш ориентир, а не норма: уточните его у бюро для вашей геометрии. Что такое припуск и как его выбирают, описано в глоссарии.

Контроль

Protolabs ведёт контроль на каждой плите: образцы на растяжение по ASTM E8 и образцы на плотность по ASTM B311. Размеры проверяют на КИМ, внутренние каналы — на томографе. Для лётных деталей применяют отчёт по первой детали по AS9102. Hubs называет пористость после печати 0,2–0,5 %, и именно это число проверяют на образцах.

Типичные ошибки

• Деталь отрезали до снятия напряжений. После отрезки она деформируется, размеры уходят. Печь ставят до отрезки.
• Круглый канал большого диаметра. Свод канала провисает. Свыше 8 мм делают ромб или каплю.
• Тонкая высокая стенка без рёбер. Получается волна и коробление. Для стенок тоньше 1 мм держат отношение высоты к толщине до 40.
• Резьбу оставили на печать. Напечатанная резьба не держит класс. Печатают отверстие меньше и нарезают.
• Припуск не на всех посадочных гранях. Припуск нужен на каждую поверхность, которую обрабатывают, иначе станок упрётся в пористый шероховатый слой.
• Полировка внутренних каналов в чертеже. Туда инструмент не пройдёт, значит, чертёж требует невозможного.