Применение аддитивных технологий в производстве изделий машиностроения

Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2 УДК 621.373.826

ПРИМЕНЕНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В ПРОИЗВОДСТВЕ

ИЗДЕЛИЙ МАШИНОСТРОЕНИЯ

А.Н. Чемодуров

Проведён анализ преимущества и недостатков современных аддитивных технологий. Представлена терминология, используемая в данной области знаний. Рассмотрены особенности применения SLM-технологии.

Ключевые слова: аддитивные технологии, АМ-технологии, ЗБ-печать, SLM-технология, селективное лазерное плавление.

Одним из наиболее перспективных направлений развития современного машиностроения является разработка новых технологий быстрого производства изделий (rapid fabrication). Суть подобных технологий заключается в послойном построении изделий из порошкового материала на основе CAD-модели - модели, трёхмерная геометрия которой описана в цифровом виде с помощью программ твёрдотельного моделирования (SolidWorks, CATIA, ProE, AutoCAD и др.) [1].

Аддитивная технология, получившая развитие с 80-х гг. XX в., открывает возможность изготовления (выращивания) объектов посредством поэтапного нанесения материала построения на генерируемый объект.

Так как, в отечественной нормативной документации не даны определения аддитивным технологиям (такие работы усиленно ведутся), можно рассмотреть зарубежный опыт.

Вопрос терминологии отдельно рассматривался в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), которая занимается разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. ASTM (в своем стандарте ASTM F2792.15493231) так определяет аддитивные технологии: «The process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies», или по-русски: «Процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3D -модели, как правило, слой за слоем, в отличие от "вычитающих" производственных технологий».

Под "вычитающими" технологиями подразумевается механообработка - удаление («вычитание») материала из массива заготовки.

Таким образом, рекомендованы два основных термина - Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), и мы будем далее говорить АМ-технологии, а также легитимные» синонимы additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication. Все они в русскоязычном варианте могут быть корректно переведены как «аддитивные технологии» (в разговорной речи профессионалов можно услышать и прочитать: «выращивание», «3D - печать», «3D -принтер», «3D - принтинг»).

Основные предпосылки и преимущества применения аддитивных технологий заключаются в следующих факторах:

исключение извечного конфликта «конструктор - технолог»; возможность изготовления деталей любой геометрической сложности;

возможность внесения изменений в проект на этапе передачи изделия в производство (например, при необходимости осуществления его функциональной оптимизации);

изготовление изделий в рамках опытного производства; отсутствие необходимости изготовления инструментальной оснастки, свойственной традиционным методам обработки;

минимизация потерь материала и отходов производства (например, стружки);

возможности для упрощения логистики, сокращения времени поставок, уменьшения объемов складских запасов.

переход от массового производства к массовой кастомизации (возможность удовлетворения как можно большего числа индивидуальных заказчиков), увеличение номенклатуры изделий.

Процессы, используемые в АМ-технологиях, определяются состоянием применяемых материалов:

жидкое (полимеры) - стереолитография, послойная наплавка, струйная печать;

порошкообразное (полимеры, керамика) - 3D - печать, селективное лазерное спекание, селективная лазерная плавка;

порошкообразное (металлы) - прямое лазерное спекание металлов, электронно-лучевая плавка, прямое нанесение металлов, точное лазерное формование;

твёрдое (полимеры, металлы, керамика, композиционные материалы) - послойное изготовление объектов из листового металла (листы), произвольное экструзионное формование (проволока).

По методу формирования слоя АМ-технологии можно разделить на два вида: Bed Deposition и Direct Deposition.

Первой технологии достаточно точно соответствует термин «селективный синтез» или «селективное лазерное спекание» (по-английски SLS -Selective Laser Sintering), если «отверждающим» инструментом является лазер, который здесь, в отличие от лазерной стереолитографии (SLA-технологии), является источником тепла, а не ультрафиолетового излучения (рис. 1) [2].

Второй вид аддитивных технологий можно перевести, как «прямое или непосредственное осаждение (материала)», т. е. непосредственно в точку, куда подводится энергия и где происходит в данный момент построение фрагмента детали (рис. 2) [2].

Рис. 1. Технология селективного лазерного спекания

Рис. 2. Технология прямого осаждения материала

Наиболее эффективным методом прямого получения конечных изделий является технология послойного лазерного сплавления (selective laser melting - SLM) [3, 4]. Процесс послойного лазерного сплавления металлического порошка впервые был реализован в 2004 году компанией SLM Solutions GmbH (Германия). Суть этого процесса заключается в следующем: CAD-модель изделия разбивается на слои от 30 до 100 мкм, на подложку наносится слой порошка, затем лазерный луч, сфокусированный на слое порошка, расплавляет его частицы, которые при последующей кристаллизации формируют твердую массу, в соответствии с геометрией текущего сечения изделия. Процесс происходит до тех пор, пока не будут изготовлены все слои изделия [5].

Говоря о серийном производстве, мы подразумеваем количество, измеряемое тысячами или сотнями тысяч единиц. Однако существует и другое серийное производство, измеряемое десятками и сотнями изделий. Таких изделий, зачастую сложной геометрии, из специальных материалов достаточно много в авиационной промышленности, космической индустрии, энергетическом машиностроении и ряде других отраслей. Например:

212

лопатка турбины из никелевого сплава, детали системы топливоподачи (материал Ti64), деталь шасси самолёта (материал Т16А14У), сегмент колеса компрессора и т.д.

Мотивацией применения данных технологий здесь является не возможность создать что-то уникальное, с необычными свойствами, а экономическая целесообразность.

Одним из перспективных направлений применения AM-технологий является изготовление технологической оснастки - приспособлений и инструментов для серийного производства. В ряде случаев отпадает необходимость в дорогостоящей инструментальной оснастке, выдерживающей десятки и сотни тысяч циклов. Посредством АМ-технологий можно сделать матрицу или пресс-форму из легкого сплава с меньшим ресурсом.

Для традиционного литейного производства АМ-технологии дают новые возможности. Например, пресс-форма может быть выращена вместе с каналами охлаждения произвольной конфигурации, что невозможно сделать при обычных методах механообработки (каналы охлаждения прокладываются в массиве формы так, как необходимо, а не так, как позволяют традиционные технологии). Применение литейных форм с равномерным или регулируемым охлаждением позволяет сократить время пребывания отливки в форме до 30 %.

Имеется также положительный опыт использования AM-технологий для ремонта дорогостоящих изделий, например, рабочих органов турбин ГТД, валов и т. д., а также для нанесения защитных и износостойких покрытий (технологии DMD, LENS).

Очень удачный опыт применения технологии послойного синтеза металла в инструментальном производстве получен немецкой компанией Mapal. Серия прецизионных сверл с твердосплавными вставками выпускается компанией с использованием, так называемого гибридного (смешанного) подхода: режущая пластина инструмента спекается традиционным способом, а его корпус изготавливается методом селективного лазерного плавления. Технология может применяться для построения объектов любой сложной геометрической формы, имеющих сложные внутренние каналы, тонкие стенки и полости. Гибридные технологии при изготовлении сверл показали себя как оптимальные: простые компоненты обрабатываются на традиционных станках с ЧПУ, а более сложные - строятся на аддитивном оборудовании. При этом главным фактором перехода от традиционного производства к аддитивному стала получаемая возможность изготовления принципиально новой геометрии инструментов, улучшающей их рабочие характеристики.

Проведение вариантных исследований, быстрое изготовление опытных образцов позволило на порядок сократить время проведения НИОКР и, как следствие, значительно сжать сроки выхода новой продукции на рынок.

Разнообразие моделей машин для выращивания изделий из металла позволяет сделать оптимальный выбор оборудования под конкретные задачи производства. Разработчики машин, как правило, тесно сотрудничают с университетским научным сообществом для решения фундаментальных металлургических проблем, совершенствования лазерной техники, программного обеспечения и т. д. Общей проблемой 8ЬМ-технологий является проблема обеспечения надлежащей микроструктуры синтезированного материала, устранения пористости, в той или иной мере характерной для всех видов АМ-технологий. В ряде исследований, в частности [6, 7], показано, что пористость зависит как от материала, так и от параметров режима сплавления. Например, для алюминиевых сплавов пористость может достигать 4...5 %, для сплавов Л - до 2 %, тогда как для сталей - менее 0,2 % (см. табл. 1) [7].

Таблица 1

Физические и механические свойства материалов, полученных

SLM-технологией

Материал Плотность, г/см3 Пористость, % Твёрдость Размерность

в центре с края

H13 7,6059 <0,2 47-55 57 HRC

Ti 4,3928 1,6-1,7 24 27 HRC

AlSi 2,5807 4,7-4,9 90 100 HV1

Для устранения внутренней пористости для особо ответственных деталей применяют специальные методы термической обработки и обработки давлением, включая HIP (Hot Isostatic Pressure) - горячее изостати-ческое прессование.

Одним из основных показателей качества изделий, изготовленных при помощи селективного лазерного плавления, является наличие показателей удельной и усталостной прочности, которые не уступают по своим значениям аналогичных показателей деталей, изготовленных из материалов методами традиционной обработки из заготовок, полученных ковкой или литьём (табл. 2) [8, 9].

Современные исследования [10] показывают, что прочность образцов изделий, изготовленных при помощи метода селективного лазерного плавления, зависит не только от грануломорфометрических свойств и геометрических размеров частиц используемого порошкового материала, но и от внутренней микроструктуры и наличия дефектов (пор, трещин, дополнительных включений и пр.), которые появляются, в том числе, от выбранной стратегии обработки порошкового материала в каждом сплавляемом слое при помощи лазерного луча.

Металлографические исследования показывают, что у образцов изделий, изготовленных при помощи метода селективного лазерного плавления, можно наблюдать выраженную столбчатую микроструктуру, а при

214

помощи сканирующего электронного микроскопа можно различить сплавляемые слои в изделии, на которые была предварительно разделена трёхмерная модель, и входящие в каждый состав слоя единичные треки - следы сплавления порошкового материала при помощи лазерного луча (рис. 3).

Таблица 2

Физико-механические характеристики сплава 316Ь (аналог 03Х17Н14М3), полученного при использовании различных технологий

Технология Характе -р истика~"\ Литьё Прокатанный Холоднотянутый Отожжённый SLM Спекание Прес-сование MIM-технология

Предел прочности (при растяжении), ов, МПа 485 570 620 515 600 365 579 517

Удлинение до разрыва, % 40 70 45 40 67 7 58 50

Плотность, г/см3 8,0 8,0 8,0 8,0 7,93 - - 7,6

Направление сканирования концентрированного лазерного излучения

Хг <8> =>

Рис. 3. Микроструктура образцов изделий [8]

Для каждого нового материала режим обработки подбирается экспериментально, чтобы исключить сфероидизацию расплавленных капель и пористость в деталях.

В настоящее время не существует общих требований к металлопо-рошковым композициям, применяемым в AM-технологиях. Разные компании-производители AM-машин предписывают работу с определенным перечнем материалов, обычно поставляемых самой этой компанией. В разных машинах используются порошки различного фракционного состава. Одним из параметров, характеризующих порошок, является величина d50 -«средний диаметр частиц». Например, d50 = 40 мкм означает, что у 50% частиц порошка размер частиц меньше или равен 40 мкм.

За рубежом вопросы стандартизации по материалам для аддитивных технологий находятся в компетенции NIST - National Institute of Standards and Technology (США); Международной организация по стандартизации ISO и ASTM.

Особенностью процесса лазерного синтеза по технологии SLM является то, что при построении детали лазерный луч не только сплавляет частицы порошка, формируя тело детали, но и «портит» материал, непосредственно прилегающий к поверхности строящейся детали. Поэтому в практике работы с SLS-машинами применяют методы просеивания отработанного материала с целью удаления «бракованной» части с дальнейшем перемешиванием «работавшего» порошка со свежим. В какой пропорции -каждая компания решает по-своему. Таким образом, идентичность образцов, построенных на одной машине, из одного и того же порошка, но с учетом этих нюансов, также не гарантирована.

Общим требованием к порошкам для AM-машин является сферическая форма частиц. Это связано, во-первых, с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. И, во-вторых, необходимо обеспечить «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. Это как раз достигается при сферической форме частиц.

Определенные трудности при работе с мелкодисперсными порошками возникают в связи с их повышенной склонностью к комкованию.

Более 90% всех порошков, применяемых в аддитивных технологиях, получают методами диспергирования расплава. Основными технологиями получения порошков для AM-машин являются:

газовая атомизация;

вакуумная атомизация;

центробежная атомизация.

Аддитивные технологии имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции. Степень использования AM-технологий в материальном производстве является верным индикатором реальной индустриальной мощи государства, индикатором его инновационного развития.

По мнению экспертов, к 2018 году реально освоить серийное промышленное производство деталей по технологии 3Б-печати. Залог успеха -наличие национальной программы и координированные действия заинтересованных сторон.

Список литературы

1. Кузнецов В.Е. CAD/CAM/CAE Observer. 2003. №4 (13). С. 2-7.

2. Довбыш В.М., Забеднов П.М., Зеленко М.А. Аддитивные технологии и изделия из металла. [Электронный ресурс]. URL: http://nami.ru/uploads/docs/centr technology docs/55a62fc89524bAT metall.p df. (Дата обращения 10 апреля 2016).

3. Rombouts M., Kruth J.P., Froyen L. and Mercelis P. // Manufacturing Technology, 2006. V. 55. I. 1. P. 187-192.

216

4. Hao L., Dadbakhsh S., Seaman O., Felstead M. // Journal of Materials Processing Technology. 2009. V. 209. I. 17.9. P. 5793-5801.

5. Аддитивное производство с помощью лазера / И.Ю. Смуров, И. А. Мовчан, И. А. Ядройцев [и др.] // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. Т. 2, № 4. с. 144-146.

6. Sabina L. Campanelli et. al, Capabilities and Performances of the Selective Laser Melting Process. Polytechnic of Bari, Department of Management and Mechanical Engineering, Viale Japigia, 182 Italy. [Электронный ресурс]. URL: http: //cdn. intechweb .org/pdfs/12285 .pdf.

7. ASM Metals HandBook Vol. 1. Properties and Selection: Irons Steels and High Performance Alloys. ASM International, 2002. 2521 p.

8. Анализ структуры образцов, полученных DMLS- и SLM- методами быстрого прототипирования / Ю.А. Безобразов, М.А. Зленко, О.Г. Зотов [и др.] // Материалы 6-й Международной молодежной научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлургии и машиностроении», Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2012. С. 154-157.

9. Грязнов М.Ю., Шотин С.В., Чувильдеев В. А. Эффект мезострук-турного упрочнения стали 316L при послойном лазерном сплавлении // Вестник Нижегородского университета. 2012. №5 (1). С. 43-45.

10. I. Yadroitsev, L. Thivillon, Ph. Bertrand, I. Smurov. Strategy of manufacturing components with designed internal structure by selective laser melting of metallic powder // Applied Surface Science, 2007. №254. P. 980-983.

Чемодуров Андрей Николаевич, ст. преп., chem.andrey. hrynagmail.com, Россия, Брянск, Брянский государственный технический университет

THE USE OF ADDITIVE TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OF ENGINEERING

PRODUCTS

А.Н. Chemodurov

Advantages and disadvantages of modern additive technologies have heen analyzed. The terminology used in the field of knowledge has heen presented. Features of application of SLM - technology are considered.

Key words: additive techniques, АМ - techniques, 3D - printer, SLM - technology, selective laser melting.

Chemodurov Andrey Nikolayevich, senior lecturer, chem. andrey. hryna gmail. com, Russia, Bryansk, Bryansk State Technical University