Какие опоры используются в металлическом SLS и насколько сложно их удалить?

С инженерной точки зрения, то, что многие называют «металлическим SLS», на практике обычно относится к технологиям послойного лазерного сплавления порошков, таким как DMLS (прямая лазерная 3D-печать металлом) или SLM (селективное лазерное плавление). В отличие от полимерного SLS, эти процессы требуют применения специальных опорных структур, которые создаются из того же металлического порошка, что и сама деталь. Такие опоры необходимы для управления тепловыми потоками и предотвращения деформации, но их удаление и последующая обработка требуют значительных усилий.

Типы опор, используемых в металлическом SLS

При лазерном сплавлении металлического порошка применяются несколько типов опор: сплошные блочные для крупных свесов, решетчатые или «матричные» — сочетающие жёсткость и лёгкость удаления, а также тонкие игольчатые или древовидные опоры для мелких элементов. Все они создаются послойно из того же сплава, формируя металлургическую связь с деталью.

Построение начинается на массивной базовой пластине, к которой первые слои детали и опор привариваются напрямую. После завершения печати и удаления лишнего порошка первым этапом является отделение детали с опорами от пластины, обычно с помощью ленточной пилы или проволочной электроэрозии (EDM). Только после этого специалисты могут приступить к удалению оставшейся опорной сети.

Почему металлические опоры необходимы

В металлических процессах опоры нужны не только по геометрическим причинам, но и для термической и металлургической стабильности. Свесы с углом менее ~45° к платформе построения, тонкие стенки и длинные перемычки склонны к короблению и растрескиванию без жёсткой фиксации. Опоры действуют как теплоотводы, проводя энергию от зоны плавления и снижая остаточные напряжения, которые иначе привели бы к деформации или расслоению.

Для жаропрочных сплавов, таких как Inconel 718, детали подвергаются особенно высоким тепловым нагрузкам, поэтому проектирование опор имеет решающее значение. Мы рассматриваем опоры как часть инженерной модели: подбираем их жёсткость, схему контакта и плотность при подготовке построения, а затем оптимизируем через итерации, балансируя между надёжностью печати и сложностью удаления.

Насколько сложно удалить опоры?

Удаление опор в процессах металлического SLS/DMLS значительно труднее, чем в полимерном SLS. Поскольку опоры состоят из плотного металла и связаны металлургически, их невозможно просто смыть или счистить. Сложность зависит от твёрдости сплава, геометрии опор и доступа к ним.

Сначала деталь отделяется от базовой пластины. Затем основные опоры удаляются с помощью ленточных пил, зубил, твердосплавных фрез или абразивных инструментов. Для прецизионных поверхностей мы обычно передаём деталь в Центр ЧПУ-обработки, где остатки опор фрезеруются до контрольной базы. Критические посадочные и уплотнительные поверхности часто доводятся методом шлифования на ЧПУ, чтобы восстановить точность и качество поверхности.

Даже после механического удаления могут оставаться мелкие следы и зоны термического влияния. Они обычно устраняются с помощью виброабразивной обработки, дробеструйной очистки или ручной доработки. Для сложных внутренних каналов удаление опор может быть крайне трудным или невозможным, поэтому необходимость внутренних опор следует исключать ещё на стадии проектирования.

Стратегии проектирования для снижения сложности удаления опор

Чтобы облегчить удаление опор, мы проектируем деталь и её ориентацию одновременно. Оптимальная ориентация, минимизация свесов под малым углом, добавление самоподдерживающихся элементов (например, скосов и крыш под углом 45° вместо плоских поверхностей), а также разделение модели на несколько частей значительно сокращают объём опор.

Мы также стараемся размещать зоны контакта опор на нефункциональных поверхностях или на припуске, который впоследствии снимается при ЧПУ-прототипировании. Это гарантирует, что следы опор будут удалены механически, сохранив целостность критически важных зон. Во многих индивидуальных проектах металлический SLS рассматривается как этап получения заготовки, после которого выполняется традиционная механическая обработка для достижения окончательной геометрии и чистоты поверхности.

Итак, металлический SLS не использует растворимые или легко отделяемые материалы для опор — это полноценные металлические структуры, требующие резки, фрезеровки и шлифования для удаления. При грамотном проектировании и комбинированном аддитивно-субтрактивном подходе их влияние можно минимизировать, однако они остаются важной частью всего производственного цикла.