Анализ производительности процесса послойного синтеза армированных изделий

© А.В. Вальтер, В.М. Орешков, А.В. Опарин, 2011

УДК 67.02

А.В. Вальтер, В.М. Орешков, А.В. Опарин

АНАЛИЗ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ПРОЦЕССА ПОСЛОЙНОГО СИНТЕЗА АРМИРОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ

Существующие способы послойного синтеза отличаются невысокой производительностью, в то же время классические способы формообразования требуют наличия технологической оснастки и имеют существенные ограничения к сложности геометрии получаемых изделий. Предложен способ, совмещающий послойное и субтрактивное формообразование, и приведены некоторые оценки его производительности.

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

Современный подход к проектированию изделий и внедрению их в производство предполагает активное использование средств автоматизации инженерной деятельности с целью максимального сокращения сроков технической подготовки производства. При этом ряд этапов последней предполагает создание физических моделей изделий, например, изготовление макетов изделий для их согласования с заказчиками, изготовление прототипов для оценки функциональных свойств, изготовление модельной оснастки для процессов литья, изготовление электрод-инструментов и т. п. Подобные задачи не могут быть решены исключительно посредством САПР и, согласно современным тенденциям, требуют привлечения технологий синтеза объемных изделий свободной формы (СОИ - SFF, Solid Freeform Fabrication). СОИ подразумевает любые методы изготовления объемных изделий на основе их электронных моделей, полученных в САПР, выполняемые без участия технологической оснастки непосредственно в формообразовании и проходящие без вмешательства человека. Среди всех способов СОИ в настоящее время наибольшее распространение получили технологии послойного синтеза [1] такие, как стереолитография, селективное лазерное спекание, LOM-технология (Laminated Object Manufacturing) и др.

Послойный синтез основан на аддитивном принципе формообразования, т. е. заключается в придании формы изделию, путем последовательного добавления объемов материала или материалов. Такой подход обуславливает как преимущества послойного синтеза: изделие формируется непосредственно на основе его компьютерной модели, геометрия однозначно определяет процесс изготовления, сложность формируемых изделий практически не ограничена; так и его недостатки: низкая производительность и высокая энергоемкость процесса изготовления изделий. Указанные недостатки связаны с тем, что при послойном синтезе изготовлению подлежит каждая единица объема будущего изделия, в то время как в традиционных технологиях (обработка резанием, обработка давлением и т. п.) объем изделия, не участвующий в формообразовании, получен на предыдущих высокопроизводительных этапах производства.

В связи с этим представляется перспективным усовершенствование технологии послойного синтеза путем совмещения последней с традиционными методами изготовления изделий. С целью решения данной задачи предложен способ - синтез армированных объемных изделий, совмещающий субтрактивное и аддитивное формообразование на основе известного способа селективного лазерного спекания при использовании в качестве технологической среды суспензии вместо порошкового материала [2]. При этом часть изделия, не образующая форму (армирующий элемент) изготавливается заранее обработкой резанием, а остальная часть - послойным лазерным спеканием.

Сокращение затрат времени на изготовление изделия данным способом по сравнению с селективным лазерным спеканием можно определить по формуле:

Ф - кФ

Дt = —£------к • 100%

ФЕ

где Фь - послойно формируемый объем изделия, л; Ф^ - общий объем изделия, л; к - коэффициент относительной объемной производительности данного способа и прототипа. к=^’

где Q - объемная производительность формирования слоев по данному способу, л/час; Qп - объемная производительность формирования слоев по способу прототипа, л/час.

Таблица 1

Величины сокращения затрат времени для некоторых тел

Форма

изделия

Форма вписанного тела

Цилиндр

Призма с треугольником в основании

Величина к зависит от технической реализации способа и конкретных режимов формирования слоев изделия (мощности излучения Р, скорости движения пятна лазера V, шага между линиями траектории s и высоты слоев ІЇ).

Сокращение затрат времени зависит от формы изделия и формы выбранного армирующего элемента. Сокращение затрат времени можно оценить через соотношение объема изделия и объема наибольшего вписанного в него элементарного тела, такого как цилиндр, конус, куб, параллелепипед.

Величины сокращения затрат времени для некоторых тел при условии Q = Qn приведены в таблице.

Для оценки объемной производительности формирования слоев по предложенному способу была предложена модель квазиста-ционарного теплового поля в процессе послойного лазерного спекания [3]:

2T

Т

П \ J

где ф, град; r, м; z, м - координаты точки теплового поля в подвижной цилиндрической системе координат, связанной с центром источника тепла (рис. 3.1); v - скорость движения источника тепла, м/с; TC - предельная температура центральной точки неподвижного нормально-кругового источника тепла, K; T0 - начальная температура материала, C.

exp

2 , 2

А

о 1 + Ш

где ш - переменная интегрирования. т^) = kz2;

где к - коэффициент сосредоточенности нормально-кругового источника, м-2.

п(г) = кг2. р(У) = k(vtо)2.

1

^ =------, с;

0 4ак

где а - коэффициент температуропроводности материала, м2/с.

Предельная температура центральной точки неподвижного нормально-кругового источника тепла определяется следующим уравнением:

Те = ^, к;

где X - коэффициент теплопроводности материала, Вт/(мК); Р -эффективная мощность теплового источника, Вт.

На основе модели (3) предложена методика определения геометрических параметров спекаемой области, основанная на предположении, что спекание дисперсной фазы суспензии

у

Рис. 1. Изотермическая поверхность T = 92,5 °Є:

протекает в областях, в которых в данный момент времени его температура имеет значения, превышающие критическую величину Тт. Таким образом, в первом приближении (без учета реологических процессов, в т. ч. возможной усадки), вычисление геометрических характеристик спекаемой области для установившегося процесса заключается в определении характерных размеров изотермической поверхности Т = Тт (рис. 1).

На основе указанной методики были определены зависимости площади поперечного сечения спекаемых треков для технологической среды глицерин-полистирол от режимных параметров: скорости движения пятна лазера и мощности источника тепла (рис. 2).

Зная размеры поперечного сечения треков можно найти объемную производительность процесса спекания:

Q = Fv • 10 3, см3/мин

где F - площадь поперечного сечения трека, мм ; V - скорость движения пятна лазера, мм/мин.

На рис. 3 изображены зависимости производительности Q от скорости V для различных значений мощности Р, рассчитанные для суспензии полистирол - глицерин по уравнению (6).

Поскольку модель (3) дает оценку размеров поперечного сечения треков 11 и Ь оценим её состоятельность путем сравнения с экспериментальными данными. Эксперименты проводились по схеме, представленной на рис. 4. Ёмкость 1, содержащая суспензию, перемещалась относительно луча лазера 2 по зигзагообразной траектории. Длина каждого отдельного хода составляла L = 20 мм.

200 400 600 800 1000 1200

V

Рис. 2. Зависимость площади сечения треков от скорости движения пятна лазера V и мощности теплового источника Р

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

у

Рис. 3. Зависимость производительности спекания треков Q от скорости пятна лазера V

Рис. 4. Схема эксперимента

Треки спекались сериями по три штуки, расстояние между треками соседних серий составляло Ь1 = 7 мм.

При проведении эксперимента варьировалась скорость V перемещения ёмкости относительно луча лазера и мощность лазерного излучения Р. Полученные треки (рис. 5) извлекались из ёмкости, промывались водой, после чего производилось измерение размеров их поперечного сечения Ь и Ь посредством микроскопа инструментального ИМЦ 100x50 А.

Для каждой пары входных параметров мощность-скорость получено от 5 до 8 образцов треков. Общее количество спеченных треков составило 222 штуки. Полученные результаты приведены совместно с теоретическими кривыми на рис. 6 и рис. 7.

Для оценки модели используем коэффициент детерминации (табл. 2).

Рис. 5. Спеченные треки

Таблица 2

Оценка состоятельности модели

Коэффициент детерминации Средняя относительная ошибка А

Параметр R2 Качественная характеристика силы связи (шкала Чеддока) Дисперсия D

Ширина Ь 0,586 Заметная 0,8743 0,303

Высота Ь 0,687 Заметная 0,1580 0,215

Рис. 6. Теоретические кривые и экспериментальные точки ширины спекаемых треков Ь от скорости V движения пятна лазера

На основании полученных результатов можно сделать вывод о корректности описания зависимости ширины и высоты треков на основе модели (3), с учетом принятых допущений, при наличии ошибок умеренной величины, что означает и состоятельность зависимостей на рис. 3.

В соответствии с предложенным способом было изготовлено композиционное изделие (рис. 8). На токарном станке из алюминиевого сплава АМг6 ГОСТ 4784-97 был изготовлен армирующий элемент диаметром 19,5 мм и длиной 30 мм с шероховатостью цилиндрической поверхности RZ = 32 мкм. Армирующий элемент был помещен в емкость. Воздействием лазера были сформированы слои из суспензии глицерин-полистирол. Всего было сформировано 15 слоев. Скорость перемещения луча лазера относительно емкости составила V = 1200 мм/мин, толщина слоев составила h = 0,4 мм.

Рис. 7. Теоретические кривые и экспериментальные точки высоты спекаемых треков h от скорости V движения пятна лазера

Общий объем изделия составил 11 см3, объем спеченных слоев 2,1 см3. Затраты времени на формирование изделия составили 6 мин.

Согласно сведениям, приведенным в [4], производительность классического способа селективного лазерного спекания [5] составляет единицы мм по высоте в минуту, что значительно ниже, чем в предложенном способе. Помимо того, зависимости на рис. 3 показывают наличие суще-Рис. 8. Изделие, полученное ственного ресурса в повышении производительности предложенной технологии.

синтезом армированных объемных изделий

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

2. Вальтер А.В., Петрушин С.И. Формообразование армированных изделий послойным синтезом // Инновации в машиностроении: материалы I Международной научно-практической конференции 7-9 октября 2010. - Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - С. 39-42.

3. Орешков В.М., Опарин А.В., Вальтер А.В. Расчет теоретической производительности селективного спекания порошков маломощным лазерным излучением // XV Международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009. - Т. 1. - С. 323 - 324.

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

5. Пат. 4863538 США, МПК B27N 3/00. Method and Apparatus for Producing Parts by Selective Sintering / Deckard C.R.; заявитель и патентообладатель UVP, Inc. - №638905 ; заявл. 17.10.1986; опубл.5.09.1989. И

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ ------------------------------------------------------------

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

Орешков Владимир Михайлович - Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, факс. 8(38451)62683

Опарин Артем Владимирович - Юргинский технологический институт (филиал) Национального исследовательского Томского политехнического университета, студент, тел. 8(38451)62248.