3D tisk kovine (SLM): nerjavno jeklo 316L in aluminij AlSi10Mg

Kovinski 3D tisk je dolgo veljal za tehnologijo letalske industrije in medicine. Danes je dostopen tudi za posamezne kose in male serije: nosilec, hladilnik ali prirobnico po meri naročite prek spleta enako preprosto kot plastični del. V tem članku razložimo, kako deluje SLM postopek, kaj zmoreta nerjavno jeklo 316L in aluminij AlSi10Mg, katera pravila oblikovanja veljajo in kdaj je kovinski tisk pametnejša izbira kot CNC obdelava.

Kako deluje SLM

Selektivno lasersko taljenje (SLM, tudi DMLS ali LPBF) poteka v komori, napolnjeni z inertnim plinom (argon ali dušik). Na gradbeno ploščo se nanese sloj kovinskega prahu debeline 20 do 50 µm, močan laser pa v celoti stali prah na mestih, ki pripadajo prerezu modela. Plošča se spusti, nanese se nov sloj in postopek se ponovi. Po nekaj tisoč slojih nastane polno gost kovinski del, sprijet z gradbeno ploščo.

Za razliko od najlonskega tiska (MJF, SLS) kovinski del med tiskom potrebuje podpore. Te ne le držijo previsov, ampak odvajajo toploto in preprečujejo, da bi se del zaradi notranjih napetosti zvil ali odtrgal od plošče. Po tisku se del skupaj s ploščo toplotno obdela za sprostitev napetosti, nato se odreže s plošče, podpore se odstranijo mehansko, površina pa se peska.

Rezultat je kovina z gostoto nad 99,5 %, mehansko primerljiva z litimi in v nekaterih lastnostih tudi z valjanimi materiali.

Lastnosti materialov

Vrednosti so orientacijske za stanje po toplotni obdelavi in se med serijami rahlo razlikujejo.

316L izberite, kadar je pomembna korozijska odpornost, žilavost ali visoka temperatura: nosilci v vlažnem okolju, deli v stiku s tekočinami, orodja, vijačni elementi in vse, kar mora prenesti udarce. Je tudi lepo polirljivo.

AlSi10Mg izberite, kadar potrebujete nizko težo ali dobro odvajanje toplote: hladilniki po meri, nosilci za elektroniko v vozilih in dronih, ohišja z zahtevo po EMC zaščiti in lahke prirobnice. Je manj žilav kot jeklo in ga ni priporočljivo uporabiti za zaskočne ali upogibne elemente.

Pravila oblikovanja za SLM

Kovinski tisk ima svoja pravila, ki jih velja upoštevati že pri modeliranju:

• Debelina stene: najmanj 0,8 mm, priporočeno 1,0 mm in več. Tanjše stene se med tiskom zvijejo.
• Previsi: ploskve, nagnjene manj kot 45 stopinj od vodoravnice, potrebujejo podpore. Kjer je mogoče, previse oblikujte pod kotom 45 stopinj ali več oziroma jih nadomestite z ločnimi oblikami.
• Vodoravne luknje: do premera 6 do 8 mm se tiskajo brez podpor; večje oblikujte kot kapljico ali romb, da se strop lukjne sam podpira.
• Navpične luknje: najmanjši premer 1 mm; luknje za navoje modelirajte kot gladke luknje premera jedra in navoj vrežite po tisku.
• Notranji kanali: najmanjši premer 1,5 mm, s pobranimi ali kapljastimi prerezi; dolgi kanali potrebujejo odprtine za odstranitev prahu.
• Ostri notranji vogali: zaoblite z radijem vsaj 0,5 mm, ker koncentrirajo napetosti.
• Velike ravne ploskve vzporedno z gradbeno ploščo se rade zvijejo; dodajte rebra ali ploskev nagnite.
• Masivni bloki: kovina je draga na volumen, zato masivne dele izvotlite ali oblikujte z mrežasto strukturo, kjer je to smiselno; odprtine za prah so obvezne.
• Tolerance: računajte na ±0,1 mm ali ±0,2 % po tisku. Funkcionalne mere (ležajni sedeži, tesnilne površine, luknje s tesnim ujemom) predvidite z dodatkom 0,3 do 0,5 mm za naknadno obdelavo.

Za kovinski tisk vedno izvozite STEP datoteko, ker ohrani natančne valje in ravnine, ki jih potrebuje priprava za obdelavo.

Podpore in orientacija

Podpore so pri SLM najpomembnejši dejavnik cene in kakovosti. Odstranjujejo se mehansko (rezanje, brušenje) in za sabo puščajo grobo površino. Pri oblikovanju zato:

• določite, katere površine so vidne ali funkcionalne, in jih pri modeliranju obrnite tako, da so lahko med tiskom zgoraj ali navpične,
• izogibajte se podporam v notranjih votlinah, kamor orodje ne seže,
• pri delih z zahtevo za lepo površino to označite v opombi naročila.

Orientacijo dela določi proizvodni partner na podlagi geometrije, a boljši model pomeni manj podpor in nižjo ceno.

Naknadna obdelava

Standardni del po tisku je peskan, kar poenoti površino v mat sivo. Dodatne možnosti:

• Strojna obdelava funkcionalnih površin (CNC rezkanje, vrtanje, vrezovanje navojev) za tolerance ±0,02 mm.
• Poliranje za sijajno površino pri 316L.
• Anodizacija aluminija za trdo, barvano in električno izolirano površino.
• Toplotna obdelava T6 pri AlSi10Mg za višjo trdnost.
• Bobnanje (tumbling) za zaobljene robove in enakomerno površino manjših delov.

Kdaj kovinski tisk premaga CNC obdelavo

CNC rezkanje ostaja najboljša izbira za preproste, prizmatične dele iz palice ali plošče, kadar je pomembna gladka površina in visoke tolerance po vsem delu. SLM je boljši, kadar:

• ima del notranje kanale (hladilne poti, vodenje tekočin), ki jih ni mogoče rezkati,
• je geometrija organska ali topološko optimizirana in bi rezkanje zahtevalo več vpetij ali pet osi,
• bi CNC obdelava odstranila več kot 80 % materiala iz surovca,
• gre za en kos ali nekaj kosov z zapleteno obliko, kjer priprava CNC programa in vpetja stane več kot sam tisk,
• je pomembna teža, ki jo z mrežnimi strukturami in optimizacijo zmanjšate za tretjino ali več.

Za serije nad nekaj deset kosov preprostih delov ostane CNC ali litje cenejše. Dobra praksa je, da natisnjeni kovinski del CNC dodelate le tam, kjer je natančnost res potrebna.

Tipične uporabe v elektroniki

Pri razvoju elektronskih naprav kovinski tisk najpogosteje uporabimo za:

• Hladilnike po meri iz AlSi10Mg za močnostne module, LED ali procesorje, z rebri in kanali, prilagojenimi točnemu razporedu komponent na vezju.
• Nosilce in konzole za pritrditev vezij, senzorjev in anten v vozila, stroje ali ohišja, kjer je plastika prešibka ali pretopla.
• Kovinska ohišja z EMC zaščito za občutljive merilne module in radijske sklope.
• Prirobnice in adapterje za senzorje, kabelske uvodnice in konektorje v industrijskih napravah.
• Orodja in priprave za testiranje vezij: nosilce testnih igel, vpenjala in pripomočke za sestavo.
• Dele iz 316L za vlažno ali kemijsko okolje: sonde, ohišja senzorjev, nosilce v prehrambeni industriji.

Kako naročiti

Postopek je enak kot pri plastiki: na strani za naročilo 3D tiska naložite STEP ali STL datoteko, izberete tehnologijo SLM in material (316L ali AlSi10Mg), obdelavo in količino. Cena z DDV in dostavo se prikaže takoj. Dobavni rok pri kovini je daljši kot pri plastiki, običajno dva do tri tedne, zaradi toplotne obdelave in odstranjevanja podpor.

Potrebujete pomoč?

Če razmišljate o kovinskem delu, ga naložite v spletno naročilo 3D tiska in preverite ceno za obe kovini. Če model šele potrebujete, na primer hladilnik ali nosilec, prilagojen vašemu vezju, ga izdelamo v okviru storitve 3D modeliranje z upoštevanjem vseh pravil za SLM, vključno z orientacijo in dodatki za naknadno obdelavo.