Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов)

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТИМЕНИ Н.Э. БАУМАНА(НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)На правах рукописиСТАВЕРТИЙ Антон ЯковлевичРАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫРАЩИВАНИЯОБЪЕКТОВ МЕТОДОМ КОАКСИАЛЬНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-техническойобработкиДИССЕРТАЦИЯна соискание ученой степеникандидата технических наукНаучный руководительДоктор технических наук, профессорГРИГОРЬЯНЦ Александр ГригорьевичМосква – 20171ОГЛАВЛЕНИЕСтр.ВВЕДЕНИЕ ..................................................................................................................

4Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АДДИТИВНЫХТЕХНОЛОГИЙ ............................................................................................................ 81.1. Лазерные аддитивные технологии ................................................................... 81.2. Параметры технологии .....................................................................................

131.2.1. Геометрические размеры валиков ................................................................. 131.2.2. Производительность ....................................................................................... 181.2.3. Дефектность ..................................................................................................... 191.3. Выводы по главе 1 .............................................................................................. 21Цели и задачи .............................................................................................................

23Глава 2. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕКТОВ .............................................................................. 242.1. Анализ существующих систем ...................................................................... 242.2. Известные комплексы для коаксиальной лазерной обработкиматериалов ............................................................................................................. 342.3. Технологические особенности разработанного комплекса ..........................

382.3.1. Датчик расстояния .......................................................................................... 392.3.3. Исследование эффективности способов подачи порошка ......................... 412.4. Программное обеспечение комплекса ........................................................... 522.5.

Технические параметры разработанного опытно-промышленногокомплекса ............................................................................................................... 562Стр.Глава 3. РАЗРАБОТКА СТРАТЕГИИ ВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕКТОВМЕТОДОМ ЛАЗЕРНОЙ МОДИФИКАЦИИ ПОРОШКОВЫХМАТЕРИАЛОВ ......................................................................................................

613.1. Параметры многопроходного процесса выращивания объектов .................. 613.2. Стратегия разбиения и выращивания .............................................................. 633.3. Кинематические особенности выращивания объемов с коаксиальнойлазерной обработкой порошкового материала ......................................................

67Выводы по главе 3 ..................................................................................................... 76Глава 4. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССАПОЛУЧЕНИЯ ОБЪЕКТОВ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКОЙ ПОРОШКОВОГОМАТЕРИАЛА ............................................................................................................ 774.1. Постановка задачи расчетов ...........................................................................

774.2. Допущения расчетной модели ........................................................................ 814.3. Подача порошка в поле действия лазерного излучения................................ 854.3.1. Физическая постановка .................................................................................. 854.3.2. Математическая реализация .......................................................................... 884.4. Формирование валика и нагрев материала подложки ................................... 924.4.1. Физическая постановка ..................................................................................

924.4.2. Математическая реализация .......................................................................... 934.5. Численное моделирование процесса выращивания тестового объекта ....... 954.6. Сравнение экспериментальных и численных данных обэлементарном объекте выращивания .................................................................. 1014.6.1.

Формирование валиков с помощью математического моделирования .. 1014.6.2. Сравнение модели и экспериментальных данных ..................................... 1023Стр.4.6.3. Геометрические параметры валиков ........................................................... 1044.6.4. Температурные циклы .................................................................................. 106Выводы по главе 4................................................................................................ 109Глава 5.

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫРАЩИВАНИЯ СЗАДАННЫМИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ УСЛОВИЯМИ ................................ 1105.1. Постановка задачи ......................................................................................... 1105.2. Описание материала ......................................................................................

1125.3. Подготовка образцов для испытаний ............................................................. 1165.4. Анализ полученных образцов ....................................................................... 1205.4.1. Рентгеновская дефектоскопия ..................................................................... 1225.4.2. Исследование твердости заготовок с термообработкой и без неё ...........

1265.4.3. Фрактографический анализ .......................................................................... 1275.5. Разработка технологии выращивания объекта с учетом требованийзадания .................................................................................................................. 1355.6. Предпосылки к выращиванию опытного изделия ....................................... 138Выводы по главе 5................................................................................................ 141ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .................................................................................................

142ЗАКЛЮЧЕНИЕ ....................................................................................................... 143СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................................... 1444ВВЕДЕНИЕИнтеграция экономики Российской Федерации в мировую систему делаетисключительно актуальной проблему обеспечения конкурентоспособностиотечественной высокотехнологической и наукоемкой продукции и, преждевсего, продукции отечественного машиностроения. Большое внимание сталиуделять не только технологии обработки массивных заготовок с целью удалениялишнего материала и формообразования намеченной заготовки, но и технологиипрямого получения деталей из порошкового материала и материала в видепроволоки.

Общее название таких технологий – аддитивные технологии. Отанглийского add, добавлять. Методы объединены именно по принципу «отпростого к сложному», то есть, от заготовки в виде порошка или проволоки, кготовой детали с минимальным удалением материала. Эти технологии в мире такжеизвестныподПрототипирование)названиемили,реже,RapidRapidPrototypingPrototypingand(ПрогрессивноеManufacturing(Прогрессивное Прототипирование и Производство).Поскольку достижения компьютерной техники в последние десятилетияпозволяют любую дизайнерскую мысль реализовать в виде компьютерноймодели, данную модель можно вырастить послойно из элементарных объектов,как конструктор из кубиков. В погоне за экономией материала и повышениемэффективности механизмов, резко возрастает сложность деталей новыхмеханизмов.Традиционные технологии литья и удаления материала хоть иразвиваются, однако имеют ряд физических и экономических ограничений.

Так,например, создание цельной детали с системой каналов охлаждения методамилитья возможно, но потребует значительных затрат времени и труда напроизводство оснастки. Наиболее существенными ограничениями методов литьяявляются необходимость создания формы для отливки и разогрев всего объемаметалла до температуры выше температуры плавления. Аддитивные технологии5в данном случае позволяют получить заготовку детали со всеми каналами иподнутрениями буквально с первого запуска, минуя несколько традиционныхэтапов производства, а значит - в кратчайшие сроки.Помимо усложнения геометрической формы деталей, в развитиимашиностроения возникла еще одна тенденция: увеличение доли градиентных икомпозиционных материалов в конструкциях. Получение и использованиеградиентных и композиционных металлических материалов часто невозможнобез использования аддитивных технологий.

Методы порошковой металлургиипозволяют получать лишь слоистые материалы, и не позволяют получатьзаготовки сложной формы с изменением состава, например, от поверхности ксердцевине детали.Несмотря на разнообразие методов выращивания: источников энергии,используемых материалов, в настоящее время в мире активно развиваются ивнедряются две принципиальных технологии изготовления трехмерныхобъектов путем постепенного наращивания, а не удаления:- Послойное выращивание в объеме материала, так называемыетехнологии «bed deposition», заготовка детали выращивается на поддержках иможет так же опираться на окружающий, не использованный материал.Композиционные и градиентные материалы возможно получать даннымметодом лишь в направлении выращивания.- Прямое нанесение материала.

Выращивание объема происходит взащитной среде, в атмосфере или в вакууме. Элементы заготовки опираютсялишь на подложку и не имеют поддержек. В силу принципа выращивания «всвободномсостоянии»,методыэтогоклассапозволяютполучатькомпозиционные и градиентные материалы не только между слоями, но и внутрикаждого слоя, то есть в любом направлении.В 2003 году R.P.

George, вице-президент компании WorldTech [1]идентифицировал 13 основных методов (технологий RP) и компаний,занимающихся этими методами:61. Стереолитография (3D Systems, CMET, Denken, Meico, Unirapid,Autostrade);2. Трехмерное печатание крахмального порошка (Z Corp);3. Трехмерное печатание пластика (3D Systems, Solidscape, SDI);4. Штамповка выдавливанием нагретого пластика (Stratasys, Beijing Yinhua);5. Трехмерное печатание металлического порошка (Extrude Hone);6.