Послойный синтез армированных объемных изделий

УДК 67.02 А.В. Вальтер

ПОСЛОЙНЫЙ СИНТЕЗ АРМИРОВАННЫХ ОБЪЕМНЫХ ИЗДЕЛИЙ

Предложен способ послойного синтеза армированных объемных изделий, совмещающий традиционные технологии формообразования с аддитивными. Рассмотрена схема реализации процесса и использующиеся исходные материалы. Выполнено сравнение признаков предложенного способа с селективным лазерным спеканием.

Ключевые слова: послойный синтез, производительность, армирующий элемент, селективное лазерное спекание, суспензия, технологическая среда.

Формообразование - центральная задача, решаемая в процессе производства изделий машиностроения. В связи с непрерывным ростом сложности изделий, увеличением их номенклатуры и ужесточением требований по срокам внедрения в производство новых видов продукции во всем мире идут активные разработки в области создания новых способов формообразования изделий. В настоящее время общепринятой является классификация методов формообразования, предложенная М. Бёрнсом (США)[1]. Согласно ей выделяют три принципиально разных метода формообразования (рис. 1): субтрактивный, формативный и аддитивный.

Субтрактивный метод формообразования заключается в придании формы изделию, путём образования новых поверхностей удалением части материала исходной заготовки. К субтрактивному методу относят все виды обработки резанием, за исключением деформирующего резания, а также размерную физико-техническую обработку и разрезание. Субтрактивные способы позволяют достигать наивысшей точности формообразования для большинства конструкционных материалов. Для реализации большей их части (обработка резанием, электроэрозионная обработка и др.) требуется наличие формообразующей технологической оснастки - инструмента, форма которого целиком или частично определяет геометрию образуемых поверхностей.

Рис. 1. Классификация методов формообразования

Формативный метод формообразования заключается в придании формы изделию, путем воздействия на исходную заготовку или материал элементов технологической оснастки, без удаления с поверхности объёмов материала. При этом заготовка полностью или частично копирует форму элементов технологической оснастки. К формативному методу относят все виды литья, обработку давлением, размерную обработку поверхностным пластическим деформированием (ППД), деформирующее резание. Формативные способы служат основой для промышленного производства заготовок и готовых изделий в значительных количествах и представлены, главным образом, высокопроизводительными способами штамповки и литья. Реализация формативного метода возможна только с использованием формообразующей технологической оснастки - литейные формы, штампы, ковочный инструмент и т. п.

Успехи в области автоматизации проектирования, ЧПУ и физико-технических способов обработки способствовали развитию идей о способах изготовления изделий непосредственно на основе их компьютерных моделей. К началу 1980-х гг. несколько исследовательских групп по всему миру (США, Япония, Европа) уже искали способы реализации технологии, названной позднее быстрым прототипированием. В 1988 г. C. W. Hall (США) создал установку

стереолитографии, которая не только стёрла границу между компьютерным моделированием изделий и их физическим воплощением в материале, но и осуществила абсолютно новый метод формообразования. Новый метод был основан на последовательном добавлении объемов материала и был назван аддитивным. Аддитивный метод формообразования заключается в придании формы изделию, путем последовательного добавления объемов материала или материалов. К аддитивным методам относят послойный синтез (Layered Manufacturing, LM), при котором материал добавляется плоскими или концентричными слоями, и поточечный синтез, при котором материал добавляется локализованными объёмами (NonLayered Manufacturing, NLM - синтез локализованными объемами, СЛО). Доминирующими в аддитивных технологиях являются способы послойного синтеза: стереолитография, селективное лазерное спекание, LOM и т. п.

Несмотря на всё разнообразие различных методов послойного синтеза, использующих при создании изделий различные физические и физико-химические процессы, для всех них выделяются общие характерные черты (по материалам [[2-4]]):

1. Формообразование выполняется непосредственно на основе компьютерного геометрического образа изделия;

3. Технологическая оснастка не участвует в формообразовании;

4. Поверхности изделия формируются боковыми сторонами добавляемых слоев, аппроксимируя форму первых;

5. Точность формируемых изделий ограничена минимальной толщиной слоев;

6. Затраты времени на формирование изделия увеличиваются с уменьшением толщины слоев.

Перечисленные характерные черты обуславливают следующие преимущества послойного синтеза в сравнении с традиционными методами формообразования - субтрактивными и формативными:

1. Изделие формируется непосредственно на основе компьютерной модели, полученной в САПР, минуя этапы технологической и организационной подготовки производства;

2. Геометрия однозначно определяет процесс изготовления, т. е. отсутствует многовариантность, присущая разработке технологических процессов для традиционных методов, что исключает влияние «человеческого» фактора на качество изделия;

3. Сложность формируемых изделий практически не ограничена, что исключает малопроизводительные ручные операции, выполняемые высококвалифицированными специалистами, такими как, например модельщики.

На данный момент области применения послойного синтеза ограничены задачами изготовления уникальных изделий, в то время как в ритмичном производстве эффективность субтрактивных и формативных технологий несоизмеримо выше. Последнее обусловлено целым рядом проблем, свойственным послойному синтезу, из которых в качестве наиболее важных выделяют следующие [2, 5, 6]:

1. Низкая производительность процесса изготовления изделий в сравнении с традиционными методами;

2. Высокая энергоемкость процесса изготовления изделий в сравнении с традиционными методами;

3. Высокая стоимость исходных (строительных) материалов для процессов послойного синтеза.

Если сравнивать послойный синтез с наиболее близкими к нему методами традиционных технологий - физико-техничес-кой обработкой и обработкой резанием, то отмеченные выше проблемы в первую очередь связаны с тем, что объем изделия, не участвующий в формообразовании, получен на предыдущих высокопроизводительных этапах производства, в то время как при послойном синтезе изготовлению подлежит каждая единица объема будущего изделия.

В связи с последним предложена технология послойного лазерного синтеза армированных объемных изделий (ПСАОИ), идея которой заключается в том, что объем изделия не образующий форму (внутренний) должен быть получен субтрактивными технологиями (обработка резанием), а объем, образующий форму (выходящий на границы), должен добавляться к внутреннему. Данная идея может быть воплощена путем реализации следующей последовательности [7]:

1. Создание электронной модели изделия 1 (рис. 2, а). Данный этап дополнен процедурой декомпозиции исходной модели на модель армирующего элемента 2 и остального объема изделия 3 (далее - граничного объема изделия).

е) ж) з)

Рис. 2. Схема процесса послойного синтеза армированных объемных изделий

2. При помощи специального программного обеспечения производится рассечение модели граничного объема изделия на слои

4, расчет траекторий движений пятна лазера 5 и составляется управляющая программа (рис. 2, б).

3. В ёмкость 6 устанавливается армирующий элемент 7 (рис. 2в) и подается суспензия, которая растекаясь по поверхности дна, образует слой 8 (рис. 2, г).

4. Пятно лазера совершает движения по поверхности слоя 8 в соответствии с траекторией 5. В результате теплового воздействия частицы дисперсной фазы суспензии спекаются,

Общие черты и различия селективного лазерного спекания и послойного синтеза армированных объемных изделий

Способ СЛС 1 ПСАОИ

Общие черты Объем изделия формируется путем спекания частиц порошка

Процесс осуществляется за счет теплового воздействия лазерного излучения

Процесс формирования изделия - построчный (см. [48]), т. е. является 2,5-координатным формообразованием

Полученные изделия характеризуются пористостью

Различия Слой наносится и выравнивается механическим воздействием на массу порошка Слой наносится заливкой суспензии и выравнивается самостоятельно под действием силы тяжести

Состояние нанесенного слоя стабильно Состояние нанесенного слоя может изменяться со временем

Тепловому воздействию подвергается дисперсная система Г/Т Тепловому воздействию подвергается дисперсная система Т/Ж

В процессах переноса тепла вглубь слоя активно участвуют газы, содержащиеся в порошке. Значительная доля тепла переносится излучением В процессах переноса тепла вглубь слоя активно участвует жидкость - дисперсионная среда

Основа метода - адгезионные процессы между частицами порошка Основа метода - адгезия частиц порошка друг с другом и механическое скрепление с армирующим элементом

формируя слой граничного объема изделия 9, и приплавляются к армирующему элементу (рис. 2, д).

5. В ёмкость подается следующая порция суспензии, которая растекаясь по поверхности предыдущего слоя, образует новый слой (рис. 2, е).

6. Пятно лазера совершает движения по поверхности слоя суспензии в соответствии с траекторией 5. Частицы дисперсной фазы суспензии спекаются, формируя новый слой граничного объема изделия 10, и приплавляются к армирующему элементу и предыдущему слою (рис. 2, ж).

7. Последовательность 5 - 6 повторяется, пока не будут сформированы все слои (рис. 2, з) и, соответственно, изделие в целом

11.

Рис. 3. Некоторые образцы, полученные послойным синтезом армированных объемных изделий

8. Изделие 11 извлекается из емкости, очищается от остатков суспензии и, при необходимости, подвергается пост-обработке.

Наиболее близким к предложенному способу по технической реализации является селективное лазерное спекание (СЛС), основанное на послойном спекании слоев порошкового материала. Однако ПСАОИ имеет ряд существенных отличий, вызванных необходимостью комбинирования традиционных технологий формообразования (субтрактивных и формативных) с аддитивными. Наиболее важные общие черты и различия двух указанных выше процессов приведены в таблице.

В отличие от известных методов послойного синтеза в предложенной технологии материал, подвергающийся воздействию, суспензия в целом, не является строительным материалом, поскольку изделие формируется только из материала твердой дисперсной фазы, подвергшейся тепловому воздействию лазерного излучения.

Таким образом, твердая дисперсная фаза суспензии является строительным материалом, из которого формируется непосредственно синтезируемое изделие. Жидкая дисперсионная среда основной функцией имеет обеспечение нанесение слоя строительного материала. В целом суспензия, является технологической средой, обеспечи-

вающей реализацию процесса послойного синтеза и состоящей, по меньшей мере, из двух компонентов.

Предложенный процесс был реализован на практике посредством экспериментального стенда, созданного на основе фрезерного станка с ЧПУ 6Р13Ф3 и иттербиевого лазера YLR-100-SM. В качестве дисперсной фазы технологической среды использовался порошок полистирола ПСЭ-1 ГОСТ 20282-86, а в качестве дисперсионной среды глицерин ПК-94 ГОСТ 6824-96. Армирующие элементы изготавливались из алюминиевого сплава АМг6 ГОСТ 21488-97, стали 20 ГОСТ 1050-88 и полиамида ПА 66 Н ГОСТ 31014-2002. Некоторые из полученных образцов изделий приведены на рис. 3.

Проведенные исследования показали возможность совмещения традиционных и аддитивных технологий формообразования на основе процесса послойного синтеза армированных объемных изделий.

---------------------------------------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Burns M. Automated Fabrication: Improving Productivity in Manufacturing. -Englewood Cliffs, N.J., USA: PTR Prentice Hall, 1993. - 369 pp.

2. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально-градиентных мезо-структур и объемных изделий. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2009. - 424 с.

3. Gibson I., Rosen D. W., Stucker B. Additive Manufacturing Technologies. Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. - New York, USA: Springer, 2009. - 459 pp.

4. Castle Island’s Worldwide Guide to Rapid Manufacturing [Электронный ресурс]. URL: http://home.att.net/~castleisland/ (дата обращения: 16.01.2010).

5. Сапрыкин А.А. Повышение производительности процесса селективного лазерного спекания при изготовлении прототипов: дисс... канд. техн. наук: 05.03.01: защищена 19.11.06: утв. 13.04.07. - Юрга: Томский политехнический университет, 2006.

6. Петрушин С.И., Сапрыкин А.А., Сапрыкина Н.А. Технология послойного синтеза изделий-прототипов: учебное пособие. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - 101 с.

7. Вальтер А.В., Орешков В.М., Опарин А.В. Способ послойного изготовления армированных объемных изделий. // Заявка № 2010151804(074824) на выдачу патента РФ на изобретение. шгд=1

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ ----------------------------------------------

Вальтер Александр Викторович - ст. преподаватель, Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, avwalter@rambler.ru