Показатели скорости сканирования для SLM-машин — что это и как выбрать нужный режим

Что такое скорость сканирования в SLM-принтерах?

SLM 3D-принтеры используют лазер для послойного сплавления металлического порошка и создания сложных деталей по цифровым моделям.

Скорость сканирования — это расстояние, на которое перемещается пятно лазера по поверхности материала в единицу времени (обычно — в секунду).

Она определяет количество энергии, которое лазер передает металлическому порошку. Поэтому, чем скорость выше, тем быстрее происходит построение слоев изделия, но при этом энергии передается меньше и прочность сплавления слоев может снизиться. И наоборот: если скорость сканирования (перемещения лазерного пятна по материалу) ниже, то передача энергии возрастает, сплавляемость частиц усиливается.

На что обратить внимание при выборе скорости сканирования?

Мощность лазера и их количество. Например, лазер мощностью 1000 Вт плавит материал быстрее чем 500 Вт, что позволяет увеличивать скорость сканирования, хотя при этом необходимо учитывать и особенности материала. Также на скорость сканирования влияет количество лазеров в лазерной системе. Мощность лазера и скорость сканирования должны быть сбалансированы.

Длина волны лазера. Разные материалы имеют различные коэффициенты отражения и поглощения для определенных длин волн. Лазеры с оптимальной для конкретного материала длиной волны обеспечивают более эффективное плавление, что позволяет увеличить скорость сканирования.

Геометрия изделия. Сложные формы, много мелких деталей и стенок зачастую требуют более медленного сканирования для качественного плавления и предотвращения дефектов.

Стратегия сканирования. В SLM-принтерах применяются разные стратегия сканирования: когда лазер перемещается по прямым линиям, по диагонали, меняет направления движения и другие. Разные стратегии требуют настройки скорости для достижения наилучшего качества.

На фото ниже представлены стратегии: a) однонаправленное сканирование; b) двунаправленное/зигзагообразное; c) сканирование; d) вариации последовательностей, основанных на однонаправленном сканировании; e) вариации последовательностей, основанных на двунаправленном сканировании; f) спиральное; g) контурное сканирование. И другие.

Диаметр пятна лазера. Диапазон этого параметра варьируется, в среднем, от 30 до 200 мкм. Малый диаметр (30-50 мкм) позволяет использовать более высокую скорость, так как концентрированная энергия лазера обеспечивает качественное плавление даже при быстром движении. Многие современные SLM-принтеры позволяют менять диаметр лазера в процессе построения изделия для достижения максимальных результатов.

Тип материала. Разные металлические порошки обладают различной теплопроводностью и вязкостью, что обуславливает необходимость различных настроек скорости. Скорость сканирования конкретного материала зависит от его состава, настроек оборудования и желаемого качества изделия.

Подробнее о материалах

Медь является одним из самых “медленных” материалов с точки зрения скорости сканирования SLM-машиной, т.к. ее высокая теплопроводность приводит к трудностям в сплавлении. Для качественного сплавления слоев требуется низкая скорость сканирования — около 300-800 мм/с.

Алюминий по сравнению с медью имеет меньшую теплопроводность и менее эффективен в рассеивании тепла. Это позволяет использовать более высокие скорости сканирования без риска перегрева (с учетом других параметров печати). Считается самым “быстрым” материалом для сканирования SLM-принтером.

Сталь. Нержавеющие стали обычно обладают более высокой теплопроводностью, чем инструментальные. В силу этого сплавы из инструментальной стали имеют в целом более низкую скорость сканирования, чем из нержавеющей.

Титан имеет высокую температуру плавления (около 1668 °C), что требует значительных усилий для его сплавления, в сочетании с низкой теплопроводностью. Обычная скорость сканирования составляет примерно 300-1000 мм/с — в зависимости от состава порошка и других условий.

Основные диапазоны скорости сканирования

Скорость сканирования для SLM 3D-принтеров колеблется от 600 до 1500 мм/с, в зависимости от модели устройства и настроек печати. Некоторые принтеры могут достигать более высоких значений.

Низкая скорость (50-200 мм/с)

Используется для построения деталей с высокой точностью, а также при работе с материалами, требующими медленного и равномерного расплавления.

Средняя скорость (200-1000 мм/с)

Подходит для большинства стандартных материалов и большинства задач. При средней скорости сканирования достигается баланс между производительностью и качеством.

Высокая скорость (1000-7000 мм/с)

Используется для массового производства, когда важна скорость построения, а не на сверхточность изделий.

Очень высокая скорость (7000 мм/с и выше)

Такие скорости сканирования встречаются в высокопроизводительных промышленных системах, где используются многолучевые или многолазерные конфигурации.

На что влияют показатели скорости сканирования?

Скорость получения готовой детали

Чем выше скорость сканирования, тем быстрее принтер может закончить печать объекта. Это важно для производственных процессов, где время изготовления влияет на себестоимость продукции.

Качество и точность изделия

Скорость, не учитывающая особенности материала и другие параметры, может привести к дефектам в виде грубых или неполных слоев, особенно если порошок не успевает полностью расплавиться. Важен оптимальный баланс скорости и мощности лазера, а также контроль и за другими параметрами.

Плотность энергии лазера

Количество энергии, передаваемое лазером на единицу площади за единицу времени. Выражается в ваттах на квадратный миллиметр (Вт/мм²). Имеет критическое значение для качества деталей и напрямую связана со скоростью сканирования. Правильный баланс между этими параметрами позволяет оптимизировать процесс печати и улучшить механические свойства конечного продукта.

Относительная плотность детали

Т.е. то, насколько деталь заполнена материалом. Чем выше относительная плотность, тем лучше механические качества SLM-детали. Для достижения оптимальной относительной плотности необходимо найти баланс между мощностью лазера и скоростью сканирования. Например, увеличение мощности может компенсировать увеличение скорости сканирования.

Примеры скорости сканирования в конкретных моделях SLM-принтеров

Onsint AM350

Отечественная промышленная система SLM печати. По требованию заказчика устанавливается один или два лазера мощностью 500/1000 Вт. Скорость сканирования до 10000 мм/сек. Производительность до 100 см³ в час.

Farsoon FS121M

Компактная SLM-машина. Подходит для лабораторий и небольших производств. Мощность лазера 200 Вт. Скорость сканирования до 15200 мм/сек.

ZRapid iSLM 280

Промышленная система 3D-печати из металлических порошков, оснащенная рабочим объемом 280х280х350 мм (27,5 л.). Использует одинарный или сдвоенный микрототечный лазер мощностью 500 Вт, подходящий для изготовления объектов со сложной геометрией. Скорость сканирования до 10000 мм/сек.