Пятница, 28.04.2017, 17:00
Регистрация RSS
Приветствую Вас, Гость
Статистика



Онлайн всего: 11
Гостей: 11
Пользователей: 0
Мини-чат
Ресурсы

Канал YOUTUBE autoscienceAiD

Профиль Google+ Autoscience

Группа Вконтакте Autoscience

Главная » 2016 » Декабрь » 12 » Направления развития современных металлических аддитивных технологий
23:36
Направления развития современных металлических аддитивных технологий

В России, как и во всём международном сообществе, устоявшейся классификации АДТ пока не принято. Чаще же их подразделяют:

  • по применяемым строительным или модельным материалам (жидким, сыпучим, полимерным, металлопорошковым и т. д.)
  • по наличию, либо отсутствию лазера;
  • по методам подвода энергии для фиксирования слоя построения (тепловое воздействие, облучение ультрафиолетом или видимым светом, связующим составом и т.д.);
  • по способу образования слоя.

Единственным фактором принципиально отличающим два вида АДТ можно назвать последний пункт. В первом случае на некоей платформе формируется слой, в котором затем выборочно обрабатывается строительный материал (обычно лазером или ультрафиолетовым излучением). Обработанный материал отвердевает, формируя слой. Этот метод называется “Bed deposition” (рис.1).

Pис. 1. Пример построения детали по принципу “Bed Deposition

Во втором случае “Direct Deposition” (Рис.2.) происходит прямое (непосредственное) осаждение материала в точку, куда подводится энергия и где в настоящий момент происходит построение фрагмента детали (для наглядности можно вспомнить фильм «5 элемент» 1997 года - эпизод где, используя фрагмент уцелевшей руки, наращивается скелет главной героини).

 Pис. 2. Пример построения детали по принципу “Direct Deposition

Наибольшее распространение «металлические» АТД в настоящее время получили в серийном производстве, обычно не превышающим тысячу изделий. И подобные изделия, нередко (если не сказать практически всегда) сложной геометрии, из специальных материалов достаточно много в авиационной промышленности, космической индустрии, энергетическом машиностроении и ряде других отраслей. Поэтому там и возник интерес к идее «выращивания» готовых металлических изделий, как альтернативе классическим технологиям, основанным на «отсечении всего лишнего» от заготовки. Главным стимулом интеграции АДТ в данных сферах является не стремление создать уникальный продукт с необычной конфигурацией и свойствами, а экономическая целесообразность. Во многих случаях традиционные технологии уже стали существенно отставать от АДТ при расчёте реальных затрат.

Реальным толчком к развитию АТД в промышленности стало расширение порошковых материалов, для печати. Ведь 10 лет назад их было всего 5-6 видов, а сейчас насчитываются уже десятки разнообразных вариантов от обычных конструкционных сталей до жаропрочных материалов и драгоценных металлов и этот список только растёт.

В настоящее время одним из перспективных направлений применения АДТ является изготовление технологической оснастки – приспособлений и инструментов для серийного производства. Современное производство характеризуется относительно быстрой сменой продуктов, причём часто меняется не основные компоненты, определяющие функциональные качества продукта, а дизайн – корпусные детали, элементы декора, обычно изготавливаемые литьем. По этой причине в ряде случаев отпадает необходимость в дорогостоящей инструментальной оснастке, выдерживающей десятки и сотни тысяч циклов. Посредством АДТ можно сделать матрицу или пресс-форму из легкого сплава с меньшим ресурсом.

Так же и для традиционного литейного производства АДТ дают новые возможности. Например, пресс-форма может быть выращена вместе с каналами охлаждения произвольной конфигурации, что невозможно сделать при обычных методах механообработки. Каналы охлаждения прокладываются в массиве формы так, как необходимо, а не так, как позволяют традиционные технологии. Применение литейных форм с равномерным или регулируемым охлаждением позволяет сократить время пребывания отливки в форме до 30%. В данном случае АДТ это не противопоставление традиционной ЧПУ-обработке, а предложение новых возможностей для оптимизации затрат и повышения эффективности производства. Обслуживание серийного производства также связано с необходимостью изготовления специальных приспособлений, шаблонов, кондукторов и т. д., и здесь применение АДТ может быть экономически эффективно. Многие компании сталкиваются с проблемой оценки реального объема производства какого-либо изделия. От этого зависят затраты на технологическую подготовку. И все чаще возникает вопрос, какую стратегию принять: вырастить партию деталей на 3D-принтере, или делать «нормальную» оснастку, но с риском, что через короткое время потребуется внесение изменений и оснастку придется переделывать, или, что продукт «не пойдет» на рынке по каким-либо причинам?

Direct Manufacturing или «прямое производство» - изготовление металлических деталей в качестве коммерческих изделий, серийной продукции также является одной из целей АДТ. Это направление стремительно развивается по мере того как растет перечень строительных материалов, но говорить о серьезной конкуренции «вычитающим» технологиям пока преждевременно. Однако в ряде отраслей, а именно в авиационной промышленности, в судостроении, энергетическом машиностроении, а также дентальной медицине и восстановительной хирургии внедрение аддитивных технологий наиболее заметно. Например, российская компания ОАО «НИАТ НТК» успешно провела работы по замене сварных топливных форсунок авиационного двигателя на «выращенные» из никелевого сплава CL 100NB. Результат – значительно снижен процент брака, масса изделия уменьшена на 17%. Имеется также положительный опыт использования АДТ для ремонта дорогостоящих изделий, например, рабочих органов турбин ГТД, валов и т. д., а также для нанесения защитных и износостойких покрытий.

 

Pис. 3. Восстановление деталей авиационного двигателя

Принтеры работающие по принципу Bed Deposition

Рассмотрим основные 3D-машины работающие по принципу “Bed Deposition” на рынке наиболее многочисленны по производителям. Большая часть компаний-производителей использует в своих машинах лазер в качестве источника энергии для соединения частиц металлопорошковых композиций. К ним относятся:

  • Arcam (Швеция);
  • Concept Laser (Германия);
  • EOS (Германия);
  • Phenix Systems (Франция);
  • Realizes (Германия);
  • Renishaw (Великобритания);
  • SLM Solutions (Германия);
  • 3D Systems (США).

(В машинах Arcam используется EBM (Electron Beam Melting) - технология).

Почти все компании, использующие лазер, по-разному называют свои технологии, вероятно, чтобы таким образом как-то отличит себя на рынке от конкурентов, однако по технической сути все они являются технологиями селективного лазерного сплавления – SLM (Selective Laser Melting) - технологиями, но именно это название негласно закреплено за компанией SLM Solutions.

Общей особенностью технологий, использующих лучевой источник тепла, является необходимость применения специальных поддержек – своеобразных якорей, которые удерживают строящуюся деталь от термических деформаций. При построении деталей из полимерных порошков в этом нет необходимости, деталь при построении находится в массиве порошка, и неспеченный порошок сам выполняет функцию поддержек. При сплавлении металлических порошков концентрация тепловой энергии в рабочей камере чрезвычайно высока, и без удерживающих «якорей» деталь может «уплыть», покоробиться и даже повредить элементы дозирующей системы машины. Соответствующее программное обеспечение машины предлагает оператору конфигурацию поддержек, но многое зависит и от оператора, от его опыта и мастерства – часто приходится редактировать предлагаемое машиной решение. Кроме того, удаление поддержек – это достаточно ответственный процесс. Необходимо, во-первых, снять остаточные напряжения. Для этого нужно иметь соответствующее термическое оборудование. Во-вторых, необходимо иметь подходящий инструмент для аккуратного отделения построенной детали от платформы и последующего удаления поддерживающих структур. В-третьих, необходимо оборудование для пост-обработки построенных деталей. Кроме того, машина печатающая 3D – это целый комплекс, включающий в себя устройства для просеивания и смешения порошков, загрузки, разгрузки и очистки машины, системы фильтрации и охлаждения, системы хранения порошков, системы генерации и подачи инертных газов и др. Все это необходимо иметь ввиду при решении вопроса о приобретении такой машины для рационального обустройства места инсталляции.

Компания Concept Laser входит в группу Hofmann и производит 3D-принтеры с 2002 года. Название технологии – LaserCUSING (в слове «Fusing» – сплавление, первая буква заменена на «С» от Concept). В машинах используется волоконные лазеры с иттербиевым легированием (Yb-лазер). Построение деталей производится в среде защитного газа (N2, Ar). Модельный ряд содержит пять машин две из которых представлены на Рис.4. Самая маленькая - M-lab, выпущена в 2011 г, разработана специально для исследовательских целей, медицинского и ювелирного рынков, имеет диаметр пятна лазера 25 мкм, что обеспечивает высокое качество поверхности. Самая большая - X line 1000R разработана совместно с Фраунхоферским институтом лазерных технологий (FILT) при участии Daimler AG. Первая машина уже установлена на Daimler AG для выращивания автомобильных компонентов из алюминия. Отметим, что эта работа была выполнена при поддержке Министерства образования и исследований Германии (в рамках реализации проекта "Alu generative research and development project“) и является примером продуктивного государственного «вмешательства» в рыночные отношения. Машина X line 1000R с момента разработки позиционировалась как «индустриальная машина», т. е. для серийного производства.

Рис. 4. Машина M-lab и презентация машины X line 1000R на выставке Euromold 2012

Компания EOS – одна из наиболее известных и успешных на рынке АДТ, в последние два года продает более 100 машин, из них треть приходится на «металлические» машины.  EOS – одна из немногих Европейских компаний, занявшая твёрдые позиции на рынке США. Например, Американская компания Morris Technology (ныне входит в состав GE Aviation) имеет в своём парке двадцать «металлических» 3D-машин от EOS. Свою технологию компания называет как DMLS (Direct Metal Laser Sintering), хотя металлографические исследования показывают, что здесь происходит все-таки сплавление металла (melting), а не спекание (sintering). В настоящее время EOS выпускает машину EOSINT 280, улучшенную версию предыдущей модели EOSINT 270. Машина имеет встроенный генератор азота, который используется при построении деталей из металлопорошковых композиций на основе железа. Для титановых, никелевых и алюминиевых композиций используется аргон. Машина выпускается в двух модификациях – с лазером 200 Вт и 400 Вт для работы с увеличенным шагом построения. С 2013 года выпускается новая машина PRECIOUS M 080 (См. Рис.5.), имеющая возможность работы с драгметаллами.

Рис. 5. Машины EOSINT 280 и PRECIOUS M 080

EOS также интенсивно ведет работы по созданию MLS-машин (Micro Laser Sintering) с высоким разрешением, для применения в изготовлении медицинских инструментов (для эндоскопических операций), микроэлектроники и др. Опытный образец машины с размерами рабочей зоны Ø50, высота 30 мм позволяет строить детали с шагом 1-5 мкм и шероховатостью Ra около 2 мкм.

Отличительной чертой машин Phenix Systems (Франция) является оригинальный способ формирования слоя строительного материала, который позволяет обеспечить шаг построения 20 мкм. В качестве модельных материалов используются металлопорошки со средним размером частиц d50=6-9 мкм. На этих машинах также возможно изготовление деталей из керамических композиций, которые после построения требуют спекания в высокотемпературной печи. В частности, могут быть изготовлены керамические стержни для специальных видов литья. Около 50 машин PXS Dental установлено в различных лабораториях для изготовления дентальных изделий из сплавов Co и Cr. Машины PXS также могут быть эффективно использованы для проведения НИР с целью исследований особенностей рабочих процессов лазерного синтеза и отработки SLM-технологий для различных порошковых композиций. Далее на Рис. 6. приведены некоторые модели компании Phenix Systems.

 

PXL                                                                PXM                                            PXS

Рис. 6. Машины Phenix Systems

Компания SLM Solution (Германия) – один из мировых лидеров в области технологий лазерного синтеза. SLM Solution, как и многие другие, активно сотрудничает с FILT, и в результате этого сотрудничества появилась, пожалуй, наиболее продвинутая на сегодняшний день машина SLM 280, представлена на Рис.7. В качестве опции в машину может быть интегрирован второй лазер 1000 Вт. Внешний контур детали и тонкие стенки «прорабатывает» первый лазер 400 Вт, а основное тело детали – второй, мощный лазер.

 

Рис. 7. Машины SLM Solutions SLM 280 и SLM 500

Вообще при построении сложных деталей регулирование мощности лазера является крайне желательным, но весьма сложным в реализации делом. Чем больше мощность лазера, тем быстрее происходит расплавление металла и тем быстрее строится деталь. Но с другой стороны, при этом в точку расплава подводится большое количество энергии, процесс идет очень интенсивно, с взрывным характером расплавления частиц металла, металл кипит, происходит его разбрызгивание и часть строительного материала выбрасывается из пятна расплава. Это может привести к повышенной пористости, значительному ухудшению качества поверхности. В таких условиях построение сложных тонкостенных элементов детали становится весьма затруднительным – частицы металла просто разлетается в стороны, а не сплавляются. Для формирования этих элементов нужен более деликатный инструмент – лазер меньшей мощности, но при этом и с уменьшенной производительностью. Сочетание двух лазеров разной мощности в машине SLM 280 – это удачный компромисс. На машине могут быть построены детали с толщиной отдельных фрагментов до 0,3 мм. Это придает машине существенные преимущества: во-первых, значительно (до 5 раз), увеличивается скорость построения детали, и, во-вторых, улучшается структура материала внешней поверхности (Ra 5-10). С 2013 года выпускается ещё одна модель SLS 500, в которой двухлазерная система применяется уже в базовой комплектации.

Компания Realiser (Германия) с 2010 года самостоятельно вышла на рынок и раньше работала как фирма-партнер  с  SLM  Solutions. Поэтому унаследовала и много общего от машин своего бывшего партнера. Особенностью машин является оригинальная оптическая система, уменьшающая диаметр пятна лазера и позволяющая строить детали с повышенной точностью, но на уменьшенной зоне построения.

Из линейки машин Realiser SLM 50 - SLM 100 следует выделить модель SLM 50 класса Desktop, наименьшую из всех «металлических» машин и хорошо подходящую как для проведения НИР, так и для изготовления ювелирных и дентальных изделий. В качестве опции в машину может быть интегрирован стереомикроскоп. Машина может быть также использована в качестве агрегата для лазерной сварки.

Рис. 8. Машины Realiser

Машина SLM 100 предназначена для изготовления малых серий деталей относительно небольшого размера с высокой точностью. Оригинальная оптическая система фокусирует пятно лазерного луча до размера 20 мкм, это позволяет строить фрагменты детали с толщиной стенки до 60 мкм.

В машине SLM 250 опционально предусмотрена дополнительная оптическая система, позволяющая уменьшить диаметр пятна лазера с 40 мкм до 20 мкм, а новая система подачи материала позволяет сформировать слой для построения всего за 4 секунды.

Компания Renishaw - одна из ведущих мировых компаний в области измерительной техники, в 2010 г. включила в свой бизнес аддитивные технологии, приобретя фирму MTT Technology, которая незадолго до этого «развелась» с упомянутой ранее SLM Solutions, но сохранила независимое производство SLM-машин. В США эти машины продаются под брэндом 3D Systems. При разработке новых компания Renishaw к своим

приоритетам относит решение проблемы охраны окружающей среды, снижение энергозатрат, дорогостоящих расходных материалов и т. д. В настоящее время производятся две машины – AM 125 и AM 250, конструкции которых во многом аналогичны машинам SLM Solutions. К достоинствам машин следует отнести высокую степень герметизации рабочей камеры. Это позволяет производить глубокую откачку воздуха перед началом построения, и после заполнения камеры аргоном (или азотом для не реактивных металлов) обеспечивать рабочий процесс при концентрации кислорода в камере ниже 50 ppm с весьма умеренным расходом инертного газа.

 

Рис. 9. Машина АM 125

Компания Arcam одна из немногих, которая использует в своих машинах EBM-технологию. Особенности технологии, во всяком случае, сейчас ограничивают размер пятна электронного пучка в зоне расплава диаметром 0,2 - 1,0 мм, тогда как при использовании лазера эта величина на порядок меньше. Поэтому в плане чистоты поверхности и точности  EBM-технологии  уступают  лазерным  SLM-технологиям. Однако существует множество приложений, когда деталь «обречена» на финишную обработку на ЧПУ, будь она получена литьем или с помощью АДТ.

В этих случаях чистота поверхности построенной детали не имеет значения, более важным является плотность и однородность материала. И здесь технология Arcam имеет преимущество. Ряд независимых авторов отмечает, что при сравнительно низкой частоте поверхности плотность материала деталей от Arcam выше, и его структура лучше, чем при использовании лазерных технологий. И если принять во внимание высокую производительность EBM-машин – 55-80 см3/ч против 2-20 см3/ч у аналогичных по размерам лазерных машин, то станет понятно, почему эти машины занимают доминирующее положение в сфере производства титановых протезов, имплантов и др. более-менее серийной продукции медицинского назначения. Компания продала более 100 систем в десять стран мира. Особенностью технологии Arcam является то, что процесс построения детали происходит в камере, предварительно отвакуумированной до <1x10-4 мбар. Газовая среда – воздух или иной газ, создает слишком высокое сопротивление электронному лучу, поэтому рабочую камеру вакуумируют. Но это позволяет получать качественные изделия из титана и титановых сплавов. При этом обеспечивается приемлемая точность построения – на уровне ±0,2 мм на длине 100 мм.

 

Рис. 10. Машина Arcam  

Практически все перечисленные машины либо в базовой версии, либо опционально могут работать с наиболее востребованными на индустриальном рынке металлопорошковыми композициями: инструментальные стали, мартенситностареющие стали, алюминиевые сплавы, чистый титан и его сплавы, жаропрочные стали и др.

Разнообразие моделей машин позволяет сделать оптимальный выбор оборудования под конкретные задачи производства. Разработчики машин, как правило, тесно сотрудничают с университетским научным сообществом для решения фундаментальных металлургических проблем, совершенствования лазерной техники, программного обеспечения и т. д. Общей проблемой SLM-технологий является проблема обеспечения надлежащей микроструктуры синтезированного материала, устранения пористости, в той или иной мере характерной для всех видов АДТ.

Для устранения внутренней пористости для особо ответственных деталей применяют специальные методы термической обработки и обработки давлением, включая HIP (Hot Isostatic Pressure) – горячее изостатическое прессование.

Обычно каждая компания-производитель 3D-машин предлагает определенный набор строительных материалов и подробную инструкцию для настройки параметров машины под каждый из материалов. Включению в список материалов предшествует длительная работа по определению оптимальных режимов построения. Зачастую эта работа проводится совместно с университетами, обладающими необходимым исследовательским оборудованием. В ходе этой работы определяются оптимальная взаимосвязь таких параметров как мощность лазера, фракционный и химический состав порошка, шаг «штриховки» лазера (или шаг сканирования) в плоскости X-Y, шаг построения, скорость сканирования лазера (скорость лазерного луча), температура плавления материала. Чем выше скорость сканирования, тем выше производительность машины и тем меньше шероховатость поверхности, но тем выше вероятность образования пористости. Особое значение имеет согласование шага сканирования, свойств материала и других параметров с целью минимизации пористости и оксидных включений во внутренней структуре строящейся детали.

Интересный способ минимизации пористости предложен Yasa E. и Kruth J. (Католический университет г. Лёвен), согласно которому производят повторное сплавление слоя, т. е. каждый слой «обрабатывается» лазером дважды. В результате пористость снижается на порядок, однако при этом почти вдвое увеличивается время построения детали.

Элитный клуб компаний-производителей машин для выращивания деталей из металла постоянно расширяется. В 2012 году в него вошли китайские компании Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems и Trump Precision Machinery.

Принтеры работающие по принципу Direct Deposition

К группе Direct Deposition относятся машины компаний POM Group*, Optomec, Sciaky (все США), Irepa Laser (Франция), InssTek (Ю. Корея).

(*Компания POM Group в декабре 2012 года приобретена другой американской компанией DM3D).

POM (Precision Optical Manufacturing) является разработчиком DMD-технологии (Direct Metal Deposition) и держателем патентов на оригинальные технические решения по лазерным системам и системам управления с обратной связью с одновременным регулированием в режиме реального времени основных параметров построения детали – величины подачи материала, скорости перемещения головки и мощности лазера, обеспечивающих стабильность и качество рабочего процесса. Технология позволяет производить параллельную или последовательную подачу двух видов материала с различными физико-химическими свойствами и создавать би-металлические компоненты. Например, формы для литья пластмасс: тело формы из меди, рабочая часть из инструментальной стали (рис. 11), или же наносить специальные покрытия, например, на гильзы цилиндров, поршневые кольца, кулачковые валы, седла клапанов (рис. 12).

 

Рис. 11. Комбинированная вставка ТПА              Рис. 12. Нанесение износостойкого                                                                           покрытия на   седла клапанов ДВС

POM Group работает в тесной кооперации с компанией Trumpf (Германия) и предлагает несколько моделей 3D-машин, предназначенных для ремонта инструментальной оснастки (штампы, матрицы, кокили и т. д), нанесения защитных покрытий, а также для изготовления литейных форм с конформной системой охлаждения, внутренними теплоотводными элементами и др. Возможности машин позволяют также производить детали из композитных материалов, используя две или несколько систем подачи разнородных порошков. Есть опыт создания так называемых градиентных материалов путем послойного нанесения и сплавления двух или нескольких материалов с различными физико-химическими свойствами.

Новые модели:  44R, 66R и IC106  - используют 6-ти осевые роботы. Машины DMD 105D и 505D выполнены в традиционной компоновке на базе 5-ти осевых обрабатывающих центров. Мощные лазеры (по выбору - от 1 до 5 кВт), обеспечивают высокую производительность – скорость синтеза составляет 24-160 см3/ч. Оригинальная система управления позволяет регулировать  размер  пятна  расплава  в зависимости от конфигурации элементов строящейся детали: уменьшая размер пятна и, соответственно, подачу материала в зону расплава при проработке тонкостенных элементов и увеличивая - при построении массивных элементов.

 

Рис. 13. Машина DMD IC106

Машины DMD 105D и IC106 имеют герметичное исполнение рабочих камер для работы с реактивными материалами, причем модель IC106 оснащена также специальной системой мониторинга зоны расплава «ин ситу» для контроля и управления процессом создания градиентных структур. Материалы: инструментальные сплавы, стеллиты, Инконели, титановые сплавы.

Optomec – один из мировых лидеров технологий Direct Deposition. Последние годы компания стабильно продает 3-4 установки в год. В настоящее время производятся три модели: LENS 750, LENS MR-7, в основном для научно-исследовательских целей, и машина LENS 850, предназначенная для промышленного использования. (См. Рис.14.) Опционально машины могут быть оборудованы двумя или более бункерами для подачи разных материалов в зону расплава. Процесс построения деталей производится в среде аргона. Преимуществом машин Optomec является быстрая смена материалов - практически за минуты. Высокая скорость охлаждения, более 1000⁰С, дает возможность регулирования и управления микроструктурой строящейся детали.

 

LENS MR-7                         LENS 850-R

Рис. 14. Машины Optomec

Модели LENS 750, LENS MR-7 в базовой версии имеют 3 оси управления, в качестве опции дополнительно может быть установлен поворотный стол, обеспечивающий 4-ю и 5-ю оси управления. Точность позиционирования 0,25 мм, производительность до 100 г/ч. LENS 850-R в базовой версии имеют пять осей управления и оснащены двумя бункерами по 14 кг. В машинах используются порошки с фракционным составом 36 - 150 мкм.

Технология,  разработанная компанией Irepa Laser (Франция) именована, как EasyCLAD (где CLAD - Construction Laser Additive Directe). Коммерческую реализацию этой технологии осуществляет французская компания BeAM (Be Additive Manufacturing). BeAM предлагает четыре типа машин с возможностью выбора размеров рабочей зоны, мощности лазера, системы подвода порошкового материала в зону расплава – одно- или двухсопловую. В зависимости от применяемого сопла ширина наносимого слоя может варьировать от 0,6 до 5,0 мм. В рабочей камере поддерживается инертная атмосфера с содержанием O2<40 ppm и H2O< 50 ppm. Машины разработаны в рамках национального проекта по созданию технологий для производства деталей аэрокосмического назначения, ремонта деталей авиационных двигателей и технологической оснастки. В качестве строительного материала применяются обычные (для аддитивных   технологий)   металлопорошковые композиции дисперсностью в пределах 45-75 мкм и 50-150 мкм. Система подачи материала коаксиальная.

Оригинальную аддитивную технологию применяет компания Sciaky (США). Компания специализируется на разработке технологий и оборудования для сварки и свои «сварочные» компетенции использовала для создания машины, в которой построение детали производится методом послойного наваривания материала в расплаве, сформированном не электрической дугой, а электронным лучом.

Технология называется EBDM - Electron beam Direct Manufacturing («прямое производство посредством электронного пучка»).

Рис. 15. EBDM –машина компании Sciaky

Sciaky рассматривает технологию EBDM как наиболее перспективную для промышленного применения, подчеркивая основное преимущество этой технологии – высокую производительность – 7…18 кг/ч, что позволяет выращивать крупные детали, размеры которых исчисляются метрами, и что невозможно или чрезмерно дорого обеспечить, используя другие АДТ. Безусловно, сам принцип формирования детали обусловливает низкое качество поверхности синтезированной детали. Однако, сочетание EBDM-технологии с традиционными технологиями механообработки позволяет получить результат с приемлемыми затратами. Модельным материалом здесь является металлический пруток или проволока. Это также является преимуществом технологии, поскольку в таком виде доступны материалы весьма широкого спектра: никелевые сплавы, нержавеющие и инструментальные стали, сплавы Co-Cr и многие другие, стоимость которых существенно ниже, чем стоимость в порошковом состоянии.

 

Рис. 16. Изготовление детали по технологии Sciaky

Относительно новый процесс IFF (Ion Fusion Formation) в 2004 г запатентовала компания Honeywell Aerospace. Технология относится к группе Direct Deposition и аналогична технологии Sciaky, но в качестве источника энергии для плавления предполагает использование плазматрона, ионизирующего инертный газ и генерирующего поток плазмы. Температура плазмы достигает 5000-30000K.

В качестве «чернил» используется металлический пруток. Материалы: алюминиевые и титановые сплавы, инконели, конструкционные стали и др. К достоинствам этой технологии авторы относят относительно невысокую стоимость по сравнению с лазерными системами.

 

Основной рабочий орган Direct Deposition машин – это лазерная головка, представляющая собой чрезвычайно сложный агрегат, в котором расположены система фокусировки лазера, система охлаждения, система подачи материала, а также элементы системы управления (датчики, видеокамеры и т. д.). В процессе построения детали необходимо согласовать несколько параметров: мощность лазера, размер пятна расплава, интенсивность подачи материала, дисперсность порошкового материала, скорость движения головки, обеспечив при этом точную фокусировку подачи металлопорошковой композиции в зону расплава. В зависимости от сочетания параметров построения коэффициент использования материала может варьировать от 0,2 до 0,9, т. е. от 20 до 90% материала, поступившего через сопловые отверстия системы подачи, фактически формируют деталь.

 

а)                                                           б)

Рис. 17. Системы Optomec (a), Fraunhofer ILT (б)

Разные компании используют различные системы подачи материала: одноканальные, многоканальные (например, Optomec), коаксиальные (например, POM, Fraunhofer ILT), рис. 17, рис.18. Те и другие имеют свои достоинства и недостатки. Совершенствование систем подачи материалов ведется очень            высокими темпами. В опытных образцах с мощными – 4-10 кВт лазерами, достигнута производительность (или темп осаждения материала) до 9-15 кг/ч.

 

Рис. 18. Коаксиальная и многоканальная системы подачи материала

АД-процесс из группы Sheet lamination (соединение листовых материалов), применительно к металлу нашел практическое воплощение только в оборудовании компании Fabrisonic (США).

Саму технологию в 90-х годах разработала компания Solidica. Суть технологии, ее называют UAM (Ultrasonic additive manufacturing), заключается в следующем, рис. 19. Металлическую фольгу накатывают роликом, к которому при этом прикладывают нормальную силу. С помощью ультразвукового генератора создают микро-перемещения в направлении, поперечном направлению движения ролика. В результате этого в месте контакта двух листов фольги происходит разрушение оксидной пленки, возникает пластическая деформация и тепловыделение, которого достаточно для диффузионного проникновения молекул одного металла в другой. Происходит своего рода сварка слоев фольги. Затем сформированный слой фольги обрабатывают фрезерованием, удаляя «лишний» металл. Таким способом могут быть получение композитных изделий из, в принципе, не свариваемых материалов, например композиция сталь-титан-медь. Данную технологию применяют как для создания композиционных материалов, так и для изготовления изделий: технологической оснастки, пресс-форм с конформной системой охлаждения, матриц для термовакуумной формовки и т. д.

 

Рис. 19. Схема процесса UAM (сверху). Форма для литья под давлением и машина SonicLayer 7200 (снизу)

Компания выпускает три различные машины: SonicLayer, специально разработанную для университетов, научно-исследовательских организаций и малого бизнеса; и две индустриальные SonicLayer 4000 и SonicLayer 7200. В обе последние машины интегрирован 3-х координатный обрабатывающий центр. Производительность машины SonicLayer 7200 составляет около 60 дюйм3/ч (983 см3/ч).

Безусловно, аддитивные технологии имею огромное преимущество перед традиционными за счет сокращения времени и стоимости при проведении НИОКР(Научно исследовательских и опытно-конструкторских работ). Здесь АДТ уже основательно вошли работу. Проведение вариантных исследований, быстрое изготовление опытных образцов позволило существенно сократить время проведения НИОКР, за счёт чего значительно сжались сроки выхода новой продукции на рынок. Послойный метод построения детали сам по себе дал новые возможности, открыл для конструктора новые горизонты творчества, снял многие технологические ограничения. Стало возможным то, что было в принципе невозможным ранее. Можно вырастить «деталь в детали», можно вырастить деталь с переменными по толщине свойствами материала (так называемые градиентные материалы), можно выращивать сетчатые конструкции, которые невозможно получить ни литьем, ни механообработкой и многое другое. Это фундаментальное преимущество АДТ по сути определяет их роль в современном материальном производстве. И ведь настоящие достижения это лишь первые шаги серьёзного внедрения АДТ в производство.

Таким образом многие современные компании уже достаточно активно используют АДТ в своей работе. Так по заявлению руководства General Electric через 5 лет примерно половина деталей энергетических турбин и авиационных двигателей будет изготавливаться с помощью АДТ. В последние годы компания Boeing значительно увеличила номенклатуру деталей, изготавливаемых по АДТ. Сейчас таким образом изготавливается более 22 тысяч деталей 300 наименований для 10 типов военных и коммерческих самолетов, включая Dreamliner. По сообщениям представителей компании Boeing планирует производить новый беспилотный самолет практически полностью по АДТ.

Просмотров: 287 | Добавил: sqmen | Теги: 3d, Аддитивные технологии, 3D-принтеры, Металлические 3D-машины | Рейтинг: 3.2/4
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]