SLM

Selective Laser Melting ( SLM)

Prelucrarea cu fascicul de fotoni (cu laser) Unul din cele mai noi procedee utilizate în construcţiile de maşini, electrotehnică, electronică, mecanică fină, aeronautică şi comunicaţii este cel cunoscut sub denumirea de LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation = Amplificarea luminii lum inii prin stimularea emisiei de radiaţii). Explicaţia fenomenelor care conduc la emisiunea laser se bazează pe teoria mecanicii cuantice a lui Max Planck (1858  –  1947) care arată că punerea în libertate şi absorţia de energie radiantă se  produce în mod dis discontinuu continuu în anumite cantităţi numite cuante de energie. Dacă un atom primeşte o rază de lumină, considerată ca fiind constituite din  particule  particule elementare elementare cu o anumită cantitate cantitate de energie numite  fotoni, electronii atomului absorb câte un foton şi işi măresc astfel cantitatea de energie. Această creştere face ca un astfel de electron să treacă de pe orbita staţionară din jurul nucleului, corespunzatoare nivelului energetic fundamental, pe o altă orbită mai îndepărtată, corespunzatoare unui alt nivel energeti c, atomul situându-se într-o stare nouă, numită stare excitată (fig. 6.7. a, b). Starea excitată se caracterizează prin instabilitate şi electronii revin pe orbita intermediară, cedând o parte din energia câştigată în momentul excitaţiei (fig. 6.7. c). În final, electronii revin pe orbita staţionară (fig 6.7. d), cedând şi restul de energie, sub formă de fotoni. Trebuie menţionat că pentru obţinerea emisiunii laser, toţi fotonii emişi de electroni la revenirea lor pe orbita staţionară trebuie să aibă aceeaş i frecvenţă sau aceeaşi culoare. Deci, trecerea atomilor 

Fig. 6.7. Schema de principiu a laserului

de pe orbite mai îndepărtate pe orbita staţionară a atomului determină o emisiune stimulată de fotoni, aceasta fiind schema de principiu a laserului (fig. 6.7. e). Fenomenul laser se produce în mod eficient dacă are loc într -un spaţiu numit rezonator optic (fig 6.8). Instalaţia este formată din camera cu mediu activ 1, marginită de oglinda cu reflexie totală 2 şi oglinda semitransparentă 3. Sub acţiunea  pompajului optic, mediul activ (solid, lichid sau gazos) va produce o emisie de fotoni care se va amplifica prin oscilarea între cele doua oglinzi reflectorizante. Datorită timpului Fig. 6.8. Schema generării fascicului laser  scurt în care se produce emisiunea stimulată şi amplificarea (10 -6s) şi  posibilităţii de a fi condus, concentrat şi focalizat, fasciculul laser poate ajunge la densităţi de putere de 10 10W/cm2 şi la temperaturi de 18000 C  care topesc şi vaporizează orice material existent. Forma oglinzilor de capăt ale rezonatorului poate fi plană, sferică sau prismatică, iar mediile active pot fi solide (rubin sintetic impurificat cu crom), semiconductoare (GaAs, InP), lichide (soluţie de EuB 3 în alcool) sau gazoase (He  –  Ne, Ne –  O2, Hg –   Ne). Fasciculul laser poate fi sub formă de impulsuri sau continuu. 

In 20-23 Aprilie 2005 Int. Conf. Polymers & Moulds Innovations (PMI), Gent, Belgium a efectuat un studiu privind o comparatie intre diferentele dintre procesele SLS si SLM, efectuat de J.-P. Kruth, B. Vandenbroucke, J. Van Vaerenbergh, P.

Mercelis Division PMA, Department of Mechanical Engineering, Katholieke Universiteit Leuven, Belgium. In acest studiu s-a realizat un model de referinta  produs de 5 masini SLS/SLM prin mai multe tipuri de consolidare a pulberii: Solid State Sintering, Liquid Phase Sintering, Partial Melting or Full Melting. Sunt studiati mai multi parametrii cum ar fi precizia, material, proprietati mecanice, viteza şi fiabilitatea. A fost efectuata o analiză dimensională şi a rugozitatii suprafeţelor,  au fost testate proprietatile mecanice , cum ar fi densitatea, duritatea, rigiditatea. În cele din urmă, sunt discutate viteza şi repetabilitatea ca fiind factori impor tanti pentru fabricaţie. Această lucrare prezintă stadiul actual al tehnologiei în SLS / SLM şi are ca scop înţelegerea limitările proceselor SLS / SLM pentru a forma o imagine de ansamblu a potenţialului de producţie ale acestor procese. Selective Laser Melting ( SLM)

(reprezentare schematica SLM, preluare internet)

SLM este o tehnica de fabricare prin adaugare de material care foloseste un laser de mare putere controlat de calculator pentru a fuziona particulele mici de metal (strat cu strat) a materialului sub forma de pulbere într-o masa care are forma dorita 3-D. Avantajele competitive ale SLS / SLM sunt libertatea geometrica, masă  personalizare şi flexibilitate material. In comparatie cu tehnicile de fabricatie prin inlaturare de material, pot fi realizate forme complexe fără a fi nevoie de scule s i dispozitive suplimentare iar pulberea rămasă neprelucrata poatet fi refolosita. Datorită imbunatatirilor tehnice, a controlului procesului şi posibilitatii de a prelucra toate tipurile de metale, in ultimii ani SLM se foloseste din ce in ce mai mult în  primul rând pentru realizarea de scule si dispozitive Rapid Tooling (RT) şi în al doilea rând pentru fabricarea rapida Rapid Manufacturing (RM). Multe aplicaţii ar  putea profita de acesta evoluţie prin utilizarea SLM nu numai pentru a vizualiza modele concept şi prototipuri funcţionale, ci si pentru realizarea de matrite, scule utilizate pe termen lung. Pentru a transforma procesul SLM din Rapid Prototyping in Rapid Manufacturing (tehnica de fabricare rapida de componente reale) , trebuie să fie îndeplinite unele condiţii. În primul rând, creşterea cerinţelor privind materialul şi proprietăţile mecanice. Procesul trebuie să ofere garanţie pe toata perioada de utilizare a  produsului. În al doilea rând, precizia, rugozitatea şi caracteristicile geometrice devin foarte importante pentru procesul de fabricaţie. În cele din urmă, pătrunderea

 procesului SLM ca Rapid Manufacturing va depinde de fiabilitatea, performanţa şi aspectele economice cum ar fi timpul de producţie şi costul. Barierele în calea acceptării sunt ridicate şi problemele de conformitate rezulta din perioadele lungi de certificare si calificare. Acest lucru este demonstrat în prezent de lipsa unor standarde internaţionale pe deplin formate prin care să se măsoare  performanţa unor sisteme concurente. Un astfel de standard este ASTM F2792-10 Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies realizat de ASTM International (American Society for Testing and Materials). Acesta include termeni, definiţii ale termenilor, descrieri de termeni, nomenclatură, şi acronime asociate cu tehnologiile Additive Manufacturing (AM) într-un efort de a standardiza terminologia utilizată de către utilizatorii AM, producători, cercetători, educatori, presa / massmedia şi altele. La fel ca la celelalte tehnologii RP, procesul SLM are aceeasi pasi de baza: -Se creaza modelul 3D cu ajutorul unui soft „Computer Aided Design” (CAD). -Se face conversia CAD în model STL . F iecare formă de software CAD salvează datele geometrice reprezentând modelul 3D în moduri diferite. Cu toate acestea, formatul STL (elaborat iniţial pentru stereolitografie) a devenit formatul de fişier standard pentru procesele de RP. Prin urmare, fişierele CAD trebuie să fie convertite la acest format de fişier. Formatul STL reprezintă suprafeţele modelul ui 3D, ca un set de triunghiuri, depozitand coordonatele pentru varfurile şi direcţiile nor male  pentru fiecare triunghi. - Modelul STL este preluat de un soft specializat care reteaza fişierul de date STL în straturi, de obicei, de la 20 la 100 μm grosime, creaza o imagine 2D a fiecarui strat in  planul XOY. Fiecare strat va fi construit pe stratul anterior, care se deplasează în sus în direcţia Z. Operatorul desemnează locaţia şi orientarea în maşină, pentru a reduce cat mai mult timpul de executie.Maşina construieşte partea din modelul STL prin formarea secvenţial de straturi de material pe partea de sus a straturilor formate anterior. La SLM fata de alte tehnologii RP nu este necesara crearea de straturi de sprijin, piesa fiind formata in stratul de pulbere de material care preia si acest rol. Procesul are loc prin adaugare succesiva (strat cu strat) a materialului sub forma de pulbere. In funcţie de calitatea suprafetei şi viteza de productie, pulberea se aplică automat cu grosimi de strat de la 20 la 100 μm. În următorul pas, se topeste selectiv pulberea de material într-un mod foarte precis , prin direcţionarea unei raze laser concentrate cu ajutorul a două oglinzi de scanare de inalta frecventa în cadrul axelor X şi Y. Energia laser este suficient de intensa pentru a permite topirea completă (sudare) de particule pentru a forma metal solid . Astfel, pot fi produse  piese cu o densitate absolută cu grosimi de perete de la 40 μm. Când procesul de topire este terminat pentru un anumit strat, platforma este coborata cu grosimea respectivului strat si un alt strat de pulbere poate fi aplicat,piesa de  prelucrat fiind realizata strat cu strat în acest mod. Procesul are loc in incinta inchisa in atmosfera de gaz inert argon sau azot, nivelul de oxigen fiind sub nivelul de 500  parti pe milion. Durata procesului depinde mai degraba de cantitatea de material utilizat şi de numărul de straturi decât de complexitatea piesei. Structura strat cu strat facilitează producţia de piese extrem de complexe si structuri „fagure” care nu pot fi produse folosind alte metode.

Cu procesul SLM,structura este construita doar strict utilitar nefiind necesare structuri suplimentare de prindere in masini de prelucrat, suporturi, etc. Unul dintre  beneficii aici este, reducerea greutatii piesei prin utilizarea optimizata materialului. Prin mijloace de SLM sunt produse componente de o impermeabilitate absolută şi calitate mecanica foarte buna, proprietatile fiind aproape egale cu cele ale componentelor produse prin tehnologii conventionale. În funcţie de utilizarea  preconizată dupa creare se pot executa operatii de curăţare şi de finisare de suprafaţă, cum ar fi sablare, acoperire, sau vopsire, pentru a îmbunătăţi aspectul şi durabilitatea la fel ca la produsele realizate în mod convenţional. Atunci când o piesa de metal funcţională trebuie să fie produsa în cel mai scurt timp posibil, SLM face prototipuri disponibile folosind proiectul de CAD fără a fi necesara producerea de scule sau dispozitive. Acest proces nu este doar mai rapid, dar si mai economic pentru a genera un eşantion perfect funcţional. Prin tehnologia SLM, spre deosebire de alte metode conventionale, pretul nu este influentat de complexitatea piesei produse.Tehnologia SLM este tehnologia optima pentru executia de piese unicat sau in numar limitat de  bucati. Masina SLM Cele mai multe masini operează cu o cameră constructie de 250mm in planul X Y şi  până la 350 mm in planul Z. Exista unele maşini mai mari de până la 500 mm Componente: 1. Laser cu deplasare pe raza XOY 2. Sistem de scanare 3. Incinta pentru materialul pudra 4. Incinta de fabricatie a piesei cu deplasare pe axa OZ 5. Rola pentru nivelare pudra. In incinta de fabricare a piesei se intinde un strat de material pudra pe care rola il taseaza si il niveleaza. Laserul executa o topire selectivă a materialului in secţiunile transversale, generate de soft de pe suprafaţa de pat pulbere. După ce fiecare secţiune transversală este scanata, piesa coboara cu grosimea unui strat, un nou strat de material este aplicat pe partea de sus, iar procesul se repetă până când  piesa este finalizată. Tehnologia SLM se foloseste in domenii de mare precizie cum ar fi: industrie (aeronautica, bijuterie, realizarea de matrite) Poate cel mai important domeniu de utilizare SLM este industria medicala. Prin  posibilitatea realizarii de piese functionale, SLM se foloseste ca tehnica in domeniul ortopediei si stomatologiei folosindu-se materiale ca titan, cobalt crom pentru realizarea de implanturi. Materiale folosite prin SLM: Cele mai folosite materiale sunt:, aluminiu, cupru, fier, crom, aliaje de nichel, titan şi compozite din aceste materiale, otel inox, otel de scule. Se pot de asemenea realiza piese din aur si aliajele sale. O lucrare privind SLM de aur  pur de 24 carate cu dimensiunea granulelor de 24 μm este prezentata intr-o lucrare realizata de Mushtaq Khan and Phill Dickens.

Masini SLM: 1.EOSINT M 270 prezentata intr-o lucrare facuta de Drd. Ing. Ciobota Nastase-Dan, Prof. Univ. Dr. Ing. Gh. Ion Gheorghe, CS I Alexandru Moldovanu Institutul  National de Cercetare Dezvoltare pentru Mecatronica si Tehnica Masurarii, Bucuresti

si M 280 realizata de firma germana EOS GmbH (Electro Optical Systems)

2. Pro DM250 si DM125 realizate in colaborare de firmele MTT si 3D Systems din USA

3. ReaLizer SLM 50; ReaLizer SLM-100; ReLizer SLM-250 realizate de firma ReaLizer GmbH Din Germania.

ReaLizer În 1990, fizicienii Dr. Matthias Fockele şi Dr. Dieter Schwarze fondat compania F & S. Ca pionieri de Rapid Prototyping, au fost printre primii la nivel global care au dezvoltat şi produs echipamente de stereolitografie (STL) pentru producţia de  prototipuri din material plastic. În 1995, compania a început dezvoltarea tehnologiei de SLM ™ ( Topire selectiva cu laser) pentru producţia de componente din materiale metalice. În 1999, compania a livrat prima maşină SLM din lume pentru metale la centrul de cercetare din Karlsruhe (SLM-50). În 2004, Dr. Matthias Fockele a fondat ReaLizer GmbH, o altă întreprindere care se axează pe dezvoltarea şi producţia de  maşini SLM pentru fabricarea pieselor metalice. SLM ™ este o marcă înregistrată. (anexa5’)

ReaLizer SLM-250

SLM ReaLizer-250 a fost proiectata pentru a se putea folosi atat in laboratoare  precum şi la productia industriala a componentelor. Spatiul de construcţie a pieselor  masoara 250mm x 250mm x 220 mm si poate realiza  piese de dimensiuni corespunzătore. Poate fi de asemenea utilizata pentru a realiza piese stivuite una peste alta sau una langa alta producandu-se astfel număr   maxim de bucăţi posibile. Dacă o la piesă este necesara o focalizare mai mare, SLM-250 poate fi echipat cu un laser special de mare capacitate de până la 400w .Focalizarea minima a masinii este de 45 μm. Optional este disponibil un modul de lentile de schimb pentru aplicatii care necesită un nivel de focalizare mai mare. Acest model poate reduce spaţiul disponibil maxim de construcţie, dar fasciculul laser poate fi concentrată la 20 μm pentru a produce structuri cu o calitate ridicată a suprafeţei. Realizer ofera deasemenea o masina complet automatizata pentru cernerea de  pulbere iar sistemul de extragere recicleaza optim pulberea din zona de prelucrare. Maşina de cernere de la ReaLizer facilitează reciclarea optima de pulbere de metal în exces. PS Realizer-01 este o masina de cernere cu vibratii complet automata cu sistem de extragere a pulberii din zona de procesare. E xtracţia, cernerea si revenirea automata la containerul de pulbere are loc într-o atmosferă de gaz inert. Pulberea poate fi apoi

returnata direct în procesul de lucru.

Proces tehnologic -Se creaza modelul 3D cu ajutorul unui soft „Computer Aided Design” (CAD) „SolidWorks”. -Se face conversia CAD în model STL . Formatul STL reprezintă suprafeţele modelului 3D, ca un set de triunghiuri, depozitand coordonatele pentru varfurile şi direcţiile normale pentru fiecare triunghi. - Modelul STL este preluat de softul specializat al masinii ReaLizer SLM-250 ReaLizer control software care reteaza fişierul de date STL în straturi 100 μm grosime. Se alege aceasta grosime a straturilor fiindca nu este o piesa care necesita o  precizie foarte mare de executie si pentru a realiza piesa in cel mai scurt timp posibil. Acesta creaza o imagine 2D a fiecarui strat in planul XOY. Fiecare strat va fi construit pe stratul anterior, care se deplasează în sus în direcţia Z. Operatorul desemnează locaţia şi orientarea în maşină, pentru a reduce cat mai mult timpul de executie. Fiind o piesa cu dimensiuni mici este posibila constructia simultana a tuturor celor cinci piese, masina ReaLizer SLm 250 permitand acest lucru. Maşina construieşte partea din modelul STL prin formarea secvenţial de straturi de material  pe partea de sus a straturilor formate anterior. La SLM fata de alte tehnologii RP nu este necesara crearea de straturi de sprijin, piesa fiind formata in stratul de pulbere de material care preia si acest rol. Se foloseste o raza laser continua de 100W. Pentru a

se crea atmosfera de gaz inert se leaga masina la un tub de argon. Se introduce pudra de material. Dupa verificarea tuturor parametrilor de functionare se porneste  procesul. Pentru piesele realizate cu aceasta tehnologie, nu mai sunt necesare operatii ulterioare, putand fi folosite imediat.