SLM-ТЕХНОЛОГИЯ: АНАЛИЗ ОПОРНЫХ СТРУКТУР ИЗДЕЛИЙ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ МАТЕРИАЛА

SLM-TECHNOLOGY: ANALYSIS OF PRODUCT SUPPORT STRUCTURES DEPENDING ON MATERIAL

Danila Kravets

student, Department of Engineering Graphics,  Moscow Aviation Institute (National Research University),

Russia, Moscow

АННОТАЦИЯ

Цель исследования — составление классификации опорных структур изделий аддитивного производства (SLM-технологии) в зависимости от применяемого для 3D-печати материала на основе анализа англоязычных литературных источников. В статье рассмотрены опорные конструкции различных типов (блочные, конические, решетчатые, сетчатые, трубные и опоры типа Y, «IY») для следующих материалов: нержавеющая сталь 316L, титановый сплав Ti-6Al-4V, алюминиевый сплав AlSi10Mg. Наиболее распространенными и универсальными являются блочные опоры, они хорошо подходят для всех трех типов рассмотренных материалов.

ABSTRACT

The purpose of this work was to consider the support structures of products depending on the material based on the analysis of English-language literary sources. The article discusses various support structures (block, conical, lattice, web, pipes and supports of type Y, "IY"), depending on the following materials: stainless steel 316L, titanium alloy Ti-6Al-4V, aluminum alloy AlSi10Mg. Based on the analyzed literature, a table was compiled - the classification of support structures depending on the material. The most common and versatile are block supports, which work well for all three types of materials reviewed.

Ключевые слова: SLM-технология; Опорные структуры; нержавеющая сталь 316L; титановый сплав Ti-6Al-4V; алюминиевый сплав AlSi10Mg.

Keywords: SLM-technology; Support structures; stainless steel 316L; titanium alloy Ti-6Al-4V; aluminum alloy AlSi10Mg.

Технология селективного лазерного сплавления (Selective laser melting, далее — SLM-технология) требует опорных структур, которые обеспечивают теплопередачу и структурную поддержку во время изготовления и при этом могут быть легко удалены из готового изделия. Несмотря на важность поддерживающих структур существует очень мало количественных данных, чтобы охарактеризовать их поведение. В процессе SLM используются различные опорные конструкции, такие как конические, блочные, древовидные или опоры в виде сетки, со своими преимуществами. Наиболее подходящую опорную конструкцию следует выбирать в соответствии с материалом и геометрией детали на этапе проектирования.

Нержавеющая сталь (316L)

Порошок нержавеющей стали широко используется в индустрии аддитивного производства из-за его высокой прочности, отличной коррозионной стойкости и хороших механических свойств.

В работе [1] описан анализ двух групп образцов из нержавеющей стали 316L, изготовленных по технологии SLM: одна группа с коническими опорами, а другая — с блочными опорами. Конструкции опоры конуса и опоры блока различны, и аналогичная прочность опоры может быть получена за счет использования различной плотности и параметров печати. Чтобы избежать накопления энергии и концентрации напряжений в каждом новом слое в процессе печати, для опорных конструкций конуса и блока применены различные стратегии сканирования. Результаты исследования показали, что конические опорные конструкции не такие жесткие, как блочные опорные конструкции. Даже если блочные могут вызывать локальный сдвиг, они достаточно прочные, чтобы предотвратить обрушение из-за их структурной жесткости.

Одним из больших преимуществ аддитивного производства является формирование решетки структур, которые могут заменить твердый материал внутри корпуса и тем самым снизить общий вес и расход материала. Решетчатые конструкции также могут использоваться в качестве поддержки. Форм, размеров и возможностей изготовления конструкций много. В работе [2] исследованы решетчатые опорные конструкции с разным диаметром соединительных элементов, где в качестве материала использована нержавеющая сталь 316L. Наиболее подходящей структурой с точки зрения израсходованного материала является структура Tetragon Vertex диаметром 0,7 мм, представляющая собой четырехугольник, в котором стержни от центра указывают на углы правильного тетраэдра и образуют угол 109°.

В исследовании [3] изучены Y-образные, перевернутые Y-образные (IY) и трубные опорные конструкции, изготовленные с помощью технологии SLM из нержавеющей стали 316L. Производство Y-образных опорных конструкций остановлено из-за тепловых деформаций, которые связаны с неравномерным отводом тепла, вызывающим различную усадку на одном и том же слое. Опорные конструкции «IY» превосходили опорные конструкции «Y» и трубные, создавая относительно выровненную поверхность малыми точками контакта выступа с опорой. Исследование показало, что опорная конструкция не должна поддерживать равномерную площадь горизонтального поперечного сечения и не должна состоять из регулярных структур (решетки).

Титановые сплавы (Ti6Al4V)

Используя технологии аддитивного производства (AM), такие как селективное лазерное плавление на основе порошкового слоя, можно реализовать новые бионические конструкции для аэрокосмических компонентов Ti6Al4V, что значительно снизит вес.

В работе [4] рассмотрены различные опорные конструкции Ti6Al4V: блочные, трубные и волнистые. Волнистые опорные конструкции являются прочными и жесткими опорными конструкциями, используемыми для создания прочной опоры на критических свесах, но точки зрения постобработки легче обработать блочные и трубные, чем волнистые, что связано различной объемной долей материала.

В работе [5] рассмотрены несколько типов опорных структур для Ti-6A-14V. Первый тип поддержек достигнут с помощью программного обеспечения Magics® Materialize: сетчатые (web) и блочные опорные структуры. Второй тип опор — это решетчатые конструкции (диагональная и октетно-ферменная). Регулируя топологию и диаметр балки, можно контролировать и численно реализовывать относительную жесткость и относительную плотность глобальной структуры. Результаты исследования показали, что структуры решеток хотя и менее жесткие, чем структура блоков, но позволяют регулировать механическое поведение общей заготовки при динамическом запросе операции фрезерования.

Алюминиевые сплавы(AlSi10Mg)

Алюминиевые сплавы привлекают повышенное внимание исследователей с точки зрения аддитивного производства, поскольку предоставляют технические и экономические возможности, включая хорошее соотношение прочности к весу и стоимости к прочности, высокую теплопроводность и отличную коррозионную стойкость. AlSi10Mg — часто используемый сплав в технологии SLM, одним из больших преимуществ является простота обработки.

В работе [6] исследованы блочные опоры, изготовленные из алюминиевого сплава AlSi10Mg. В ходе исследования выявлено, что деформация изготовленной геометрии может происходить во время SLM-процесса, когда поддерживающая структура «отслаивается» от рабочей плиты из-за остаточных напряжений, возникающих во время охлаждения. Очень короткие опорные конструкции значительно прочнее, чем более высокие конструкции, из-за более коротких опорных конструкций, имеющих большую минимальную площадь поперечного сечения. Увеличенное расстояние между опорами, а также увеличенная высота опоры приводят к большему сопротивлению теплопроводности и увеличению пиковой температуры во время изготовления. Это численно наблюдаемое явление для алюминиевых сплавов можно переоценить для материалов с более низкой проводимостью, таких как титан.

В исследовании [7] изучены конические опоры различных размеров для выступающих конструкций из AlSi10Mg. Для создания нависающих конструкций, чтобы изучить влияние опоры на качество сборки, использовались как толстые, так и тонкие конические опоры. Основное различие между двумя типами опоры заключается в том, что опора с тонким основанием предлагает больше контактных площадей по сравнению со толстой опорой. Деформация, заметная для всех деталей, построенных с толстыми опорными конструкциями, заметно увеличилась при увеличении номинального диаметра нависающей конструкции. Напротив, полнокруглые конструкции, построенные с тонкой базовой опорой, не имели дефектов деформации, даже когда номинальный диаметр был увеличен. Результаты исследования демонстрируют влияние опорных конструкций на технологичность и механические свойства навесных конструкций из AlSi10Mg, производимых по технологии SLM.

На основе рассмотренной литературы составлена таблица 1 – классификация опорных структур в зависимости от материала.

Таблица 1.

Классификация опорных структур в зависимости от материала

Из таблицы 1 следует, что чаще всего в SLM используются конические и блочные опоры, которые в основном не зависят от типа материала. От свойств материала зависят параметры 3D-печати поддерживающих структур.

Выводы

Для нержавеющей стали больше подходят блочные опоры, так как конические опорные конструкции не такие жесткие, как блочные. Даже если блочные могут вызывать локальный сдвиг, они достаточно прочные, чтобы предотвратить обрушение из-за их структурной жесткости. Из решетчатых структур наиболее подходящей структурой является структура Tetragon Vertex. Опорные конструкции «IY» превосходят конструкции типа «Y» и трубные, так как демонстрирует хорошую практичность с точки зрения минимального свеса опорных точек и максимального пространства между ними. Y-образные не подходят для печати в связи с неравномерным отводом тепла.

Для титановых сплавов, в частности для Ti6Al4V, с точки зрения постобработки больше подходят блочные и трубные, нежели волнистые, так как у первых объема материала меньше. Структуры решеток, хотя и менее жесткие, чем структура блоков, позволяют регулировать механическое поведение общей заготовки при динамическом запросе операции фрезерования.

Блочные и конические опоры являются наиболее распространенными и универсальными и для алюминиевых сплавов(AlSi10Mg). Очень короткие блочные опорные конструкции значительно прочнее, чем более высокие конструкции. Увеличенное расстояние между блочными опорами, а также увеличенная высота опоры приводят к большему сопротивлению теплопроводности и увеличению пиковой температуры во время изготовления. Что касается конических опорных конструкций, то конструкции, построенные с тонкой конической опорой, практически не имеют дефектов деформации, чем построенные с толстой.

Таким образом, при изготовлении металлических деталей следует тщательно учитывать выбор подходящих опорных конструкций, чтобы гарантировать структурную целостность и геометрическую точность, в то же время ограничивая операцию постобработки, связанную с удалением этих структур.

Список литературы:

1. Qiqiang Cao, Yuchao Bai, Jiong Zhang, Zhuoqi Shi, Jerry Ying Hsi Fuh, Hao Wang. Removability of 316L stainless steel cone and block support structures fabricated by Selective Laser Melting (SLM) // Materials & Design. - 2020, Vol. 191. 16 p.
2. Jiří Hajnyš, Marek Pagáč, Tomáš Zláma, Jana Petrů, Lukáš Kousal. Stiffness of 316L stainless steel support structures proposed for the SLM process. // MATEC Web of Conferences. - 2018, Vol. 244. 8 p.
3. M.X. Gan, C.H. Wong. Practical support structures for selective laser melting. // Journal of Materials Processing Technology. - 2016, Vol. 238. P. 474-484.
4. Wolfgang Hintze, Robert von Wenserski, Sebastian Junghans, Carsten Möller. Finish machining of Ti6Al4V SLM components under consideration of thin walls and support structure removal. // Procedia Manufacturing. - 2020, Vol. 48. P. 485–491.
5. P. Didier, G. Le Coz, G. Robin, P. Lohmuller, B. Piotrowski, A. Moufki1, P. Laheurte. Consideration of SLM additive manufacturing supports on the stability of flexible structures in finish milling. // Journal of Manufacturing Processes. 2021, 15 p.
6. Peter Nils Johannes Lindeckea, Heiko Blunka, Jan Philip Wenzla, Mauritz Möllera, Claus Emmelmann. Optimization of support structures for the laser additive manufacturing of TiAl6V4 parts. // Procedia CIRP. - 2018, Vol. 74. P. 53–58.
7. Quanquan Han, Heng Gu, Shwe Soe, Rossi Setchi, Franck Lacan, Jacob Hill. Manufacturability of AlSi10Mg overhang structures fabricated by laser powder bed fusion. // Materials & Design. - 2018, Vol. 160, P. 1080-1095