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

Селективное лазерное спекание (3D Systems, EOS);7. Лазерное формообразование (Optomec, POM, Aeromet, MCP);8. Безмасочное мезомаcштабирование нанесением металлов, оксидов,керамики, композитов и пластиков (Optomec);9. Плавление электронным лучом (Arcam);10. Соединение листового материала (Helisys (LOM), Schroff Development,Toyoda MachineWorks, Kira);11.

Лазерная наплавка с присадочной стальной проволокой (Roders);12. Нанесение металлических пленок спреем (Ford Motor Company, IdahoNational Engineering and Environmental Lab, 3D Systems);13. Технологии быстрого литья (MCP);В последнее время RP-технология делится на системы выращивания изжидкой фазы, из твердой фазы и из порошковых материалов:1. к RP-системам из жидкой фазы относятся следующие процессы: SLA,SGC, SCS, SOUP, SLP и др.2. к RP-системам из твердой фазы относятся следующие процессы: LOM,FDM, PLT, MJM, M-RPM и др.3. к RP-системам из порошковых материалов относятся следующиепроцессы: SLS, 3DP, LENS, MJS, EBM, DMD, LMD и др.Кроме того, на данный момент существует огромная номенклатураматериалов, в том числе и композиционных, которые имеют различные физикомеханические свойства.

Основной целью современного машиностроения изадачей материаловедов является снижение стоимости этих материалов,7повышение физико-механических свойств и снижение трудоемкости ихобработки.К сожалению, в Российской Федерации нет ни готового серийногооборудования для получения деталей лазерной обработкой порошковыхматериалов, ни технологии такой обработки, что делает данную научнотехническую задачу очень актуальной.1. Современные системы в основном используются инженерами длянаилучшегопониманияипредварительногоиспытанияихконструкторских разработок – для опытных партий изделий до ихсерийного производства. Лишь в некоторых случаях технологиииспользуют для серийного производства: это, обычно, обработка металловдавлением, медицина и авиация [2..4].Предложенная концепция ориентирована на применение, в первуюочередь, при производстве сложных наукоемких изделий машиностроения.

Ееполноценная реализация позволит вооружить отечественное машиностроениемощныминструментомповышениякачестваиконкурентоспособностипродукции, а также значительно расширит возможности проектирования новойтехники.8Глава 1. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ АДДИТИВНЫХТЕХНОЛОГИЙ1.1. Лазерные аддитивные технологииНаиболее яркая тенденция современного выращивания деталей –повышение производительности процесса и сокращение времени производстваот создания компьютерной модели до получения трехмерной металлическойдетали.

Методы выращивания заготовок с помощью лазерного излучения вданном отношении выигрывают по сравнению с традиционными, благодаряминимальному тепловому вложению в материал, благодаря чему достигаютсявысокие свойства материала, малым припускам на механическую обработку.1) Возможно изготовление объектов из нескольких материалов с послойнымизменением состава;2) Возможно изготовление объектов высокой сложности геометрии, включаяподнутрения, скрытые полости;3)Процессвысокоавтоматизированный,благодаряэтомуснижаетсячеловеческий фактор и достигается высокая воспроизводимость траекторииобработки при выращивании объектов.В настоящее время существует большое количество методов получениядеталей сложной формы из металла: специальные методы литья [5], порошковаяметаллургия [6], многокоординатная фрезерная обработка на станках с ЧПУ [7]и др.

Методы широко распространены, имеют низкую себестоимость единицыпродукции. Преимущество методов литья – высокая производительностьпроцесса и высокая повторяемость геометрических размеров полученныхдеталей. Недостатком группы методов литья является трудность созданиялитейной формы для деталей единичного и мелкосерийного производства. Посравнению с литьем, методы аддитивных технологий позволяют выраститьдетали без создания промежуточных литейных форм. Это существенно снижаеткак сроки изготовления, так и стоимость конечного изделия.

Кроме того, для9методов литья очень сложной задачей является получение деталей изкомпозиционного материала.Создание деталей сложной формы на станках фрезерной группы – внастоящее время наиболее распространенный метод получения деталеймашиностроения с требуемой точностью. Однако, при необходимостииспользования дорогостоящих, в том числе композиционных материалов,методымеханическойобработки,«удаления»материала,проигрываютразвивающимся в настоящее время методам «добавления» материала. Главныенедостатки: высокая длительность процесса подготовки технологии, низкийкоэффициент использования материала, высокая трудоемкость процесса.

Крометого, обработка высокопрочных материалов точением и фрезерованием требуетспециального инструмента, что повышает и время обработки, и её стоимость.Срединаиболеепроизводительныхираспространенныхметодовполучения металлических деталей «добавлением» материала, можно выделитьследующие:- наплавка проволоки электрической дугой [8]- наплавка порошкового материала электронным лучом [9];- селективное лазерное спекание порошкового материала;- прямое лазерное нанесение порошкового материала.Каждый из методов широко известен в литературе. В тех случаях, когдаглавным критерием при выборе технологии создания детали является точность,а не производительность процесса, выбирают методы с минимальной толщинойслоя и минимальным размером источника тепловложения.

Лазерный источникизлучения в данном случае является неоспоримым лидером, благодаря гибкостинастраиваемых параметров, широкому выбору используемых материалов ипростоте управления.Лазерная обработка порошковых материалов, впервые описанная в 1988году [10], открыла новые горизонты в получении деталей сложной формы, нетолько для мономатериалов, но и для сложных композиционных составов,необходимых при производстве высоконагруженных деталей механизмов и10машин. Существует два метода выращивания объектов лазерной обработкойпорошковых материалов:1. Послойная обработка порошка лазерным лучом по насыпанному слою.2.Обработка порошка, подаваемого непосредственно в зону выращивания,коаксиально с лазерным излучением.Преимущества и недостатки двух методов широко описаны в литературе[11].

Выделим лишь основные, существенные для данной работы.Технология послойной обработки насыпанного слоя заключается вобработке порошкового материала, расположенного в поддоне с порошком.Порошок переплавляется лазерным излучением минимальной достаточноймощности. После обработки каждого слоя металл в необходимых местахсплавляется с подложкой или предыдущим слоем. Затем дно ванны опускается,добавляется слой порошка, и операция оплавления повторяется для следующегослоя, сохраненного в управляющей программе. Толщина слоя составляет неболее 100 мкм, благодаря чему достигается высокая точность выращенныхобъектов.Покинематическойреализациисхемыиданныйметодпрограммноговыгодноотличаетобеспечения.простотаЕгоширокоераспространение обусловлено применимостью в медицине и авиации. Однако, уданной группы методов существует несколько серьезных недостатков:1.

Сложность выращивания объектов сколь-нибудь значимых габаритов:размер заготовки больше чем 0,3х0,3х0,3 метра достижимы в настоящее времяспециальнымимерами:введениемнесколькихисточниковизлучения,многоступенчатого производства, и требует в каждом случае дополнительныхисследований.2. Технология позволяет выращивать объекты лишь из мономатериаловили готовых смесей порошков. Изменить состав в процессе выращиванияневозможно.3.

Производительность процесса селективного плавления составляет внастоящее время от 5 см3/час до 80 см3/час и сильно зависит от сложностивыращиваемого объекта.114. Высокие требования к используемому порошковому материалу.Номенклатура применяемых материалов для технологии селективного лазерногоплавления является в настоящее время недостаточно широкой. Большинствофирм – производителей установок выпускает свои специальные порошки.

Врезультате эксплуатация таких машин замыкается лишь на одном поставщикематериалов с завышенными ценами.5. Неудовлетворительное качество материала выращенных заготовок.Выращенный данным методом объект требует последующей обработки дляполучения требуемых свойств материала. Существует ряд методов повышениякачества материала полученных заготовок: виды термической обработки,механической обработки и обработки давлением.Коаксиальная лазерная обработка порошковых материалов, в отличиеот селективной послойной обработки, происходит не в емкости, а свободно, взащитной атмосфере. Метод известен в мире под именами LENS (LaserEngineered Net Shaping), DMD (Direct Metal Deposition), LMD (Laser MetalDeposition) и др.С помощью защитного газа, коаксиально с лазерным лучом в зонуобработки подается порошковый материал. В зоне их взаимодействия возникаетвалик нанесенного металла.

Таким образом, перемещая луч относительнозаготовки, шаг за шагом выращивается заготовка будущей детали. Наиболееважно в процессе то, что заготовка не погружена в емкость, а выращиваетсянапрямую от подложки. В связи с такой свободойсуществует множествокинематических схем для обработки всей траектории выращивания. В схемахреализовано либо движение по трем осям, либо по трем осям с наклономзаготовки, либо, в более сложных системах, осуществляется наклон кактехнологической головы, так и заготовки. Обратной стороной такогоразнообразия кинематических схем является тот факт, что поддержаниестабильности процесса в данном методе выращивания является задачей напорядок более сложной, чем послойное выращивание в ванне порошка.