Автореферат (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 2

Н.Э. Баумана. Москва, 2013,2014, 2015, 2016. Основные результаты работы докладывались и обсуждались намеждународных научных форумах и конференциях: «Технологии упрочнения инанесения покрытий и ремонта: теория и практика». Санкт-Петербург, 2013;«Технологии упрочнения, нанесения покрытий и ремонта: теория и практика»Санкт-Петербург, 2014; The International Conference on Coherent and NonlinearOptics Lasers, Applications and Technologies (ICONO/LAT), Минск, 2016.ПубликацииОсновное содержание диссертации отражено в 7 научных статьях из перечняВАК РФ, а также в 2 патентах ФИПС на полезную модель.3Объем работыДиссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, заключения исписка литературы из 66 наименований; содержит 150 страниц машинописноготекста, 76 рисунков и 23 таблицы.СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении перечислены основные аддитивные технологии и компании,занимающиеся исследованиями в данной области.

Большинство фирмрасположено в США и Германии. К сожалению, в Российской Федерации нет ниготового серийного оборудования для получения деталей лазерной обработкойпорошковых материалов, ни массовой технологии такой обработки, что делаетданную научно-техническую задачу очень актуальной.Современные системы в основном используются инженерами длянаилучшего понимания и предварительного испытания их конструкторскихразработок – от опытных партий изделий до их серийного производства. Лишь внекоторых случаях технологии используют для серийного производства: насегодняшний день это обработка металлов давлением, медицина и авиация.Рассматриваемые технологии востребованы, в первую очередь, припроизводстве сложных наукоемких изделий машиностроения.

Полноценнаяреализация этих технологий в России позволит вооружить отечественноемашиностроениемощныминструментомповышениякачестваиконкурентоспособности продукции, а также значительно расширит возможностипроектирования новой техники.В первой главе изложена актуальность задачи разработки лазернойтехнологии изготовления деталей сложной формы методом коаксиальной лазернойобработки порошковых материалов. Перечислены основные преимуществатехнологий по сравнению с традиционными:1) Возможность изготовления объектов из нескольких материалов с послойнымизменением состава.2) Возможность изготовления объектов с высокой сложностью геометрическойформы, включая поднутрения, скрытые полости.3) Высокая автоматизация процесса, благодаря чему снижается человеческийфактор и достигается высокая воспроизводимость траектории обработки привыращивании объектов.Прямое лазерное нанесение материала является аддитивным методомлазерной обработки, который позволяет послойно изготавливать металлическиедетали по заданной компьютерной модели в одном технологическом цикле.Изготовленный материал имеет механические и физические характеристики,идентичные свойствам материала, полученного традиционной ковкой или литьем.В отличие от технологий порошковой металлургии, а также селективнойпослойной обработки, технология позволяет:– изготавливать детали из композиционного материала со 100%–ой плотностью;– воспроизводить форму изделия по компьютерной модели, снижая потериматериала при механической обработке;4– изменять состав материала во время нанесения согласно функциональнойособенности поверхностной и внутренней части детали;– получать материалы со специфическими свойствами, характерными только длялазерной обработки;– использовать коммерчески доступные порошковые материалы;– осуществлять локальное упрочнение (модификацию) рабочей детали.В результате анализа литературных и экспериментальных данных, выделеныосновные параметры оценки технологии:1.

Стабильность геометрических размеров одиночных валиков. В случаеудовлетворительной стабильности входных параметров процесса, таких, какрасход порошка и газов, мощности лазерного излучения и скорости процесса, ониявляются нестабильными, в основном, по двум причинам:а) краевые эффекты технологии – вход и выход с каждой траекторииобработки;б) переменные условия охлаждения при постоянных условиях нагревалазерным лучом при обработке программы от слоя к слою.2. Производительность процесса.3. Дефектность процесса, в частности рассмотрены такие дефекты, какпоры, трещины, несплавления.В результате взаимного рассмотрения всех указанных параметров выделеныосновные недостатки технологии выращивания объектов методом коаксиальноголазерного плавления:- сравнительно невысокая точность выращиваемых объектов;- высокая зависимость свойств полученного материала от параметровпроцесса и геометрических особенностей каждой конкретной детали;- высокая наукоёмкость, как самого технологического процесса, так ипроцесса разработки файла траектории обработки.Для снижения перечисленных недостатков в данной работе проведен рядисследований по взаимосвязи между геометрическими параметрами одиночныхваликов и размерами полученных объектов, а также взаимосвязи стратегииобработки модели и геометрической формы объекта.Во второй главе проведен поэтапный анализ проектированиякинематической и технологической оснастки комплекса.Поскольку для выращивания габаритных объектов из металлическихпорошков требуется высокопроизводительное оборудование с множествомнаукоемких механизмов и устройств, обладающими широкими функциональнымивозможностями, в работе проведено исследование наиболее известных зарубежныханалогов.

После анализа их кинематических и технологических особенностей,были определены наиболее значимые для воспроизведения в данном комплексе.В результате выделены специфические требования для различныхкинематических узлов комплекса, а также рассмотрена технологическая начинкасистемы выращивания. Спроектированный комплекс имеет ряд особенностей посравнению с иностранными аналогами:51.Система изменения диаметра пятна лазерного излучения в процессевыращивания. Система позволяет повысить производительность процессавыращивания благодаря пропорциональному увеличению мощности, расходапорошкового материала и скорости процесса на участках выращивания,находящихся внутри протяженного контура. Благодаря такой стратегиивыращивания точность конечного изделия остается высокой.2.Развитое многофункциональное программное обеспечение дляпроектирования многоэтапного послойного процесса выращивания.

Программноеобеспечение, позволяет выполнять все подготовительные операции от созданиятрехмерной модели выращивания до ее корректировки, оптимизации и разделенияна элементарные объекты выращивания.3.Система последовательного измерения геометрических размеровобъекта в процессе выращивания. Система, основанная на бесконтактном датчикеизмерения, позволяет проводить по ходу процесса контроль уровня выращенного вдействительности материала и сравнить его с теоретическими размерами объекта.В случае несовпадения, система корректирует программу обработки и смещаетпоследовательность выращивания к ближайшему слою.Технические характеристики комплекса указаны в Таблице 1. Указанныепараметры позволяют решить требуемую задачу с учетом ряда особенностейтехнологии и материала.Таблица 1.Технические характеристики разработанного комплекса№ Наименование1 Рабочий ход продольной осям Х и У(горизонтальная плоскость), не менее2 Рабочий ход вертикальной оси Z, не менее3 Погрешность позиционирования по линейнымосям, не более4 Максимальнаялинейнаяскоростьперемещения5 Диапазон угловых перемещений по оси А6 Диапазон угловых перемещений по оси В7 Погрешность позиционирования по угловымкоординатам, не более8 Наибольший вес обрабатываемой детали, неболее9 Наибольший габарит обрабатываемой детали,не более10 Максимальная средняя мощность лазерногоизлучения11 Диапазон регулировки диаметра лазерноголуча в зоне обработки12 Размер фракции подаваемого порошка6Ед.ммЗначение610мммкм/м61030м/с10градусградусугловыхсекундкг-135...

+135непрерывно10мм400х400х400Вт3000ммОт 0,5 до 3мкмОт 20 до 150500В третьей главе рассмотрена разработка стратегии выращиваниямногослойных объектов. Выделены этапы планирования траектории обработки:1.Создание набора элементарных объёмов, каждый из которых возможновырастить в послойном процессе без значительного изменения ориентации деталив пространстве (то есть, без поворота осей).2.Разбиение каждого элементарного объема на плоские слои. Разбиениена слои подразумевает чередование направлений обхода лазерного луча. Именнона данном этапе закладываются, как точность будущей детали, так и еешероховатость.3.Формирование траекторий обхода для каждого слоя каждогоэлементарного объема.

Задание режимов обработки.В число параметров любого слоя входят следующие:Геометрические: последовательность обхода; шаг между проходами;толщина слоя; порядок начала / окончания обработки каждой конкретной линии;скорость взаимного перемещения заготовки и лазерного источника.Технологические: мощность лазерного излучения на каждой линии обхода;расход порошкового материала; порядок включения лазерного излучения; расходтехнологических газов.Идеология разбиения твердого тела произвольной формы на элементарныеобъекты состоит в том, что существуют элементарные объемы, получаемые безизменения положения плоскости выращивания в пространстве, и выращиваниекаждого такого объема, при соблюдении ряда технологических приемов, являетсястабильным, с удовлетворительным совпадением соответствия теоретического ипрактического размеров детали.