Селективное лазерное и электрононо-лучевое плавление

Селективное лазерное и электронно-лучевое плавление (Laser/Electron Beam Powder Bed Fusion, L/EB-PBF) — это группа технологий аддитивного производства, использующих лазер (L - PBF) или электронный луч (E - PBF) для сплавления разных типов порошков в прочные 3 D -объекты. Согласно ГОСТ Р 57556-2017 (ASTM F42), PBF включает L-PBF (ранее Selective Laser Melting / SLM/, и Selective Laser Sintering / SLS/ и Electron Beam Melting /EBM/). Эти методы применяются для создания сложных деталей с высокой прочностью в аэрокосмической, медицинской и автомобильной отраслях.

Принцип работы PBF

Процесс начинается с нанесения тонкого слоя порошка (толщина 20–100 мкм) на рабочую платформу в герметичной закрытой камере. Источник энергии — лазер ( L - PBF ) или электронный луч ( E - PBF ) — выборочно сплавляет порошок по заданной траектории, формируя слой детали. После этого платформа опускается, наносится новый слой порошка, и процесс повторяется до завершения изделия.
Особенность: Не сплавленный порошок остается в камере как поддержка, устраняя необходимость формирования дополнительных структур.

Технологии PBF

1. Селективное лазерное плавление (L - PBF)
   Лазер (обычно волоконный, 200–1000 Вт, длина волны 1064 нм) полностью плавит металлический порошок (титан, алюминий, сталь), оксидную или карбидую керамику или спекает полимеры (поликарбонат, полиамид, PEEK etc). Процесс проходит в инертной атмосфере (аргон, азот) для предотвращения окисления.
   Пример: Титановые имплантаты с пористой структурой.
   Оборудование: EOS M 290, SLM Solutions 280.
2. Электронно-лучевое плавление ( E - PBF)
   Электронный луч (мощность до 3 кВт) плавит порошок в вакуумной камере при высокой температуре (до 1000° C ). Подходит для сложных сплавов ( Ti -6 Al -4 V , Inconel ). Керамика или полимеры не используются.
   Пример: Детали турбин с минимальными остаточными напряжениями.
   Оборудование: Arcam Q20.

Этапы процесса

1. Подготовка модели: Создание CAD -модели с учетом термических деформаций и поддержек (см. 'Дизайн в аддитивном производстве').
2. Слайсинг: Преобразование в слои через ПО ( Materialise Magics , EOSPRINT).
3. Печать: Спекание / плавление порошка в камере с контролируемой атмосферой.
4. Постобработка: Удаление лишнего порошка, термообработка (отжиг), механическая обработка (шлифовка, фрезерование).
   Примечание: Остаточный порошок можно повторно использовать после просеивания и восстановления.

Материалы

• Металлы: Титановые сплавы ( Ti -6 Al -4 V ), нержавеющая сталь, сплавы алюминия, суперславы никеля, кобальт-хром.
• Полимеры: Нейлон ( PA12), полиэфирэфиркетон ( PEEK ).
  Пример: PA 12 для легких прототипов, Ti-6Al-4V для авиации.

Преимущества и недостатки

• Преимущества:
• Высокая прочность и плотность (до 99,9% для L - PBF ).
• Сложные геометрии (внутренние каналы, решетки).
• Отличные механические свойства (сопоставимы с литьем).
• Недостатки:
• Высокая стоимость оборудования ($100,000+) и порошков.
• Длительное время печати для крупных деталей.
• Требуется постобработка и контроль остаточных напряжений.
  Сравнение: FDM быстрее и дешевле, но PBF превосходит в прочности и точности (±0,05 мм).

Применение

PBF используется для производства турбинных лопаток ( E - PBF), топливных форсунок (L - PBF), ортопедических имплантатов и легких конструкций в авиации. Это ключевые технологии для высокоточных, а главное, функциональных изделий. Для аэрокосмических приложений в качестве пост-обработки рекомендуется ГИП. Технология позволяет производить детали, которые сложно или невозможно изготовить традиционными методами, такими как литье или фрезерование и востребована в мелкосерийном производстве. Для песонифицированной медицины этой технологии нет альтарнативы.