Диссертация (Разработка и исследование технологии выращивания объектов методом коаксиального лазерного плавления порошковых материалов), страница 3

Каждаяконкретная кинематическая схема требует специального технологического12решения: датчиков слежения за процессом. В зарубежной литературевстречаются описания подобных технологий, однако их широкое использованиев настоящее время затруднено в связи с низкой автоматизацией процесса итрудностями как реализации такого оборудования, так и его эксплуатации. Внастоящей работе проведена разработка кинематической схемы, необходимойдля выращивания сложных объектов с высокой производительностью иэффективностью использования порошка.Прямое нанесение порошкового материала – метод, созданный поаналогии с выращиванием объектов при помощи электрической дуги иплавящегося электрода. Однако размер электрода ограничивает толщинунаносимого слоя. Совместно с жестким термическим циклом данный методимеет непреодолимые ограничения для процесса выращивания.

Лишьвыращивание объектов с помощью микродуговых способов применимо вотдельныхнаправленияхаддитивногопроизводства,однакоточностьгеометрических размеров там составляет не выше 1 мм.Выделим основные отличительные черты исследуемой технологии.1. Коаксиальная подача порошкового материала позволяет обрабатыватьповерхности одинаково эффективно в различных направлениях. При этомкоэффициент использования порошка – не ниже, чем в технологии выращиванияс боковой подачей присадочного материала. Материал, не использованный впроцессевыращивания, не претерпевает существенных химических игеометрических преобразований, поэтому может быть использован повторно до10 раз, после предварительного просева от крупной фракции [12].2.

Коаксиальная подача позволяет получать слои материала с изменяемымсоставом порошковой смеси, не только от слоя к слою, но и от валика к валику.Предварительная подготовка смеси не требуется, порошковые материалы можносмешивать непосредственно в процессе нанесения.3. Металлургические свойства полученного материала не уступаютлитейным, и позволяют производить рабочие детали уникальной формы,востребованные в современном производстве.134. Технологическая оснастка метода коаксиальной обработки порошковыхматериалов позволяет изменять диаметр пятна обработки в процессевыращивания. Данное оборудование позволяет повысить производительностьпроцесса при выращивании массивных элементов, не теряя и механическихсвойств заготовки.

Ряд действующих зарубежных установок уже имеет сменныетехнологические головы для получения объектов.5. Габариты выращиваемой детали при стабильной организациитехнологии ограничены только возможностями системы перемещения. Еслисистему перемещения можно перемещать относительно заготовки по одной изосей на протяженное расстояние, то все правила и условия стабильноговыращивания малого объекта будут справедливы для протяженных объектов.1.2. Параметры технологииВ условиях необходимости экономической эффективности любогопроизводства, в любой аддитивной технологии можно выделить три основныхкритерия: геометрические размеры, производительность и габариты деталей. Взависимости от целей производства, используют ту или иную аддитивнуютехнологию. Наиболее распространенные из существующих технологийвыращивания можно оценить по комбинации этих параметров.

Разделениеусловно и носит лишь сравнительный характер.Остановимся подробно на отдельных критериях для понимания этихотличий.1.2.1. Геометрические размеры валиковРассмотрим единичный валик, полученный лазерным излучением изпорошка и стенку из последовательно уложенных валиков.Геометрические размеры: угол при основании валика, выступ от осиизлучения, ограничены диаметром луча и смачиваемостью металла в жидкомсостоянии и пропорциональны, таким образом, толщине слоя h. Чем вышетолщина слоя, тем больше выступает нанесенный металл за теоретическую14линию создания объекта. В данном контексте валики, полученные при прямомвыращивании, являются более грубыми, чем при послойном выращивании понасыпанному слою.

Геометрические размеры объектов, выращенных лазернымизлучениемизметалла,ограниченысвойствамижидкотекучестиисмачиваемости того или иного сплава.Изготовление объекта начинается с создания трехмерной компьютерноймодели (CAD-модели), которая затем разбивается на слои (плоскости спостоянной толщиной). Эта информация передается в систему управленияустановки, которая выращивает деталь «слой за слоем». В каждом слое валикидолжны накладываться друг на друга и быть расположены в определеннойпоследовательности, чтобы снизить дефектность и оптимизировать обходлазерным лучом по контуру.

Процесс выращивания объектов, т.е. сложныйпоследовательный процесс послойного выращивания, охлаждения и повторногонагрева одних и тех же участков следующими нанесенными валиками, изучензначительно меньше. Существует лишь несколько работ по планированиюстратегииобработкиавтоматизированнойслоялазернымподготовкилучом.траекторииДлясозданиябылпроведенсистемыанализсуществующих данных и разработка стратегии выращивания объектов, начинаяот одиночного валика и заканчивая объектом сложно формы.Первоначальнаятехнологияпроцесса,подготовкитраекториииноменклатура используемых материалов, применялись для получения покрытийлазерной обработкой порошковых материалов. Метод коаксиальной лазернойобработки порошковых материалов с целью получения покрытий подробноописан рядом авторов [13]. Суть метода заключается в подаче порошкатранспортирующим газом и создании общей ванны металла, содержащейматериал присадки и основы.

В процессе кристаллизации этой ванныформируется единичный валик. Большинство параметров процесса совпадают спараметрами процесса выращивания (Таблица 1.).15Таблица 1.Параметры процессов аддитивного выращивания деталейПараметрЕдиницаТипичный диапазон измененийизмеренийПокрытияОбъёмыот 600 до 4000от 500 до 1500мм/сот 5 до 35от 3 до 15г/минот 5 до 30от 5 до 10Средняя мощность ВтлазерногоизлученияСкоростьперемещенийРасход порошкаШагмежду ммот 0,6 до 10валикамиТолщина слояммот 0,3 до 3от 0,3 до 1Диаметр пятнамм0,5 до 120,5 до 2Однако, поскольку процесс выращивания объектов в общем случаепроисходит с переменными условиями охлаждения и формирования валиков,закономерности технологии создания покрытий в данном случае не работают.Выращивание объектов – качественно более сложный и неустойчивый процесспо ряду причин.Во-первых, теплоотвод от наносимого слоя является переменным втечение всего процесса выращивания.

Следовательно, свойства материала послевыращивания воспроизвести гораздо сложнее. Согласно исследованиям [14],микротвердость материала напрямую зависит как от условий охлаждения, так иотразмеровиформывыращиваемогообъекта,еслинеприниматьтехнологических мер: корректировки вводимой энергии и последовательностиее ввода.Во-вторых, допустимые припуски на механическую обработку покрытийзначительно грубее, чем для выращиваемых объектов. Если механическая16обработка покрытий включает в себя лишь обработку поверхности покрытия, ине затрагивает его габаритов, то при выращивании объекта его необходимообработать повсем поверхностям, включая«стартовую»поверхностьвыращивания.В-третьих,выращиваниемногослойныхобъектов–накоплениенапряжений и размеров от каждого отдельного валика.

В связи с этим оченьвысокие требования предъявляются к стабильности отдельных параметровпроцесса:- расхода порошка,- мощности лазерного излучения,- расхода сопутствующего газа.Колебания этих параметров, и их влияние на стабильность процесса,изучены в ряде работ [15], и в данной работе не затронуты. Использованиесовременного автоматизированного оборудования позволяет снизить влияниеэтих колебаний на конечный результат выращивания. В настоящее времяуровень техники позволяет реализовать задачу выращивания объектов, как состороны систем перемещения, так и со стороны лазерного излучателя.

В своюочередь, к кинематической системе, способной выполнить данную задачу,предъявляются требования по точности, грузоподъемности и повторяемостирезультатов.Геометрические отклонения, таким образом, возникают при выращиванииобъектов по двум причинам:1. Переменные условия охлаждения при постоянных условиях нагревалазерным лучом. Наибольшие трудности при создании многослойных объектоввозникают по причине того, что условия выращивания изменяются в каждыймомент времени.

Изменяющиеся условия охлаждения нанесенного металла икраевые эффекты, возникающие в общем случае вначале и при завершениивыращивания каждого отдельного валика металла, требуют глубокого изучения17и корректировки процесса для получения стабильных результатов обработки.Такие исследования необходимы не только на экспериментальных стендах, но исиспользованиемчисленныхметодовисовременныхкомпьютерныхтехнологий. Аналогичные работы [16] показали высокое совпадение результатоврасчета и эксперимента. Однако применимость работ к данной задачеограничена тем, что в них не проводился учет совокупности параметровпроцесса, происходящего в зоне воздействия и в зоне остывающего металлапеременноймассы.Моделированиепроцессаобычноограничиваетсяодиночным валиком, и лишь немногие исследователи проводят многослойноевыращивание [17].2.