CC BY
73
Фактор экологичности должен стать определяющим при проектировании и реализации строительных объектов и осуществлении внутренних отделочных работ.
Список литературы:
1. Румянцева Е.Е. Экологическая безопасность строительных материалов конструкций и изделий. - М.: Университетская книга, 2005. - 200 с.
2. Тускаева З.Р., Басиева З.Б. Проблемы экологического жилищного строительства в современной России // Международный научно-исследовательский журнал. - 2016. - Выпуск № 2-2 (44). - С. 52-54.
3. Асбестоз: Общие сведения [Электронный ресурс]. - Режим доступа: www.humbio.ru
4. Экологичность строительных материалов [Электронный ресурс]. -Режим доступа: www.materialsworld.ru.
5. Санитарно-гигиеническая оценка стройматериалов с добавлением промотходов. Методические указания 2.1.674-97. (Утверждены Минздравом Российской Федерации 08.08.1997).
АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И ЛАЗЕРНАЯ ПОВЕРХНОСТНАЯ ОБРАБОТКА КАК АЛЬТЕРНАТИВА КЛАССИЧЕСКИМ МЕТОДАМ ПРОИЗВОДСТВА И ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ
© Шальнова С.А.1
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого,
г. Санкт-Петербург
Аддитивные технологии (Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, в настоящее время являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Принцип заключается в том, что изделие создают, послойно добавляя материал различными способами, например наплавляя или напыляя металлический порошок, жидкий полимер, композитный материал. Данная концепция призвана дополнить традиционные методы производства, основанные на удалении первичного материала (например: фрезерование, точение, строгание, шлифование). В статье описаны сферы применения аддитивных технологий, их сравнение с классическими, известными много сотен лет назад, методами точного литья и литейного син-
1 Студент.
теза. Приведены преимущества аддитивных технологий, по сравнению с классическими методами, а так же существующие проблемы и способы их решения.
Ключевые слова: аддитивные технологии, выращивание изделия, прямое лазерное выращивание, лазерная обработка поверхности, лазерная полировка, шероховатость.
Аддитивные технологии сегодня - наиболее динамично развивающаяся отрасль инновационного производства, своеобразный индикатор реальной индустриальной развитости государства. Интерес к АМ-технологиям (Additive Manufacturing) не случаен: с помощью спекания материала можно производить инструменты, технологическую оснастку, детали двигателей, спутников, ракет и многое другое. Кроме того, непосредственное «выращивание» изделия на принтере по металлу является экономически оправданной альтернативой традиционным методам производства продукции в авиации, космической промышленности и энергетическом машиностроении.
Прямое лазерное выращивание - технология аддитивного производства является основой происходящей сейчас промышленной революции. Ее смысл заключается в том, что вместо традиционных широко используемых технологий литья и механической обработки, изделия изготавливаются путем выращивания из металлического порошка. Контролируемое плавление частиц порошка в поле лазерного излучения обеспечивается совмещением газопорошковой струи с лазерным лучом. Тогда частицы останутся в двухфазном состоянии, то есть будут частично жидкими и частично твердыми [5]. После кристаллизации такой материал будет иметь структуру с мелким зерном, которая является залогом высокого уровня механических свойств.
Прямое лазерное выращивание позволяет значительно увеличить производительность процесса. Например, корпус камеры сгорания для небольшого газотурбинного двигателя можно вырастить и провести поверхностную лазерную обработку, другими словами полировку поверхности, с нуля за 3 часа, в то время как при использовании традиционных технологий на это уйдет около двух недель [2]. Выигрыш производительности также заключается в том, что конструктор мгновенно видит результаты конструирования и может быстро вносить в них изменения. Процесс проектирования и создания новой техники посредством данной технологии повышается в десятки раз, поэтому внедрение в производство аддитивных технологий и называют новой технологической революцией.
Технология нашла свое применение в таких наукоемких отраслях промышленности, как авиационное двигателестроение, судовое машиностроение, производство специальных изделий для машиностроения и даже в ме-
дицине, так как позволяет производить высокоточные имплантаты суставов и костей, в том числе из титана.
Технология дает возможность комбинации нескольких газопорошковых струй и подачи различных материалов в зону выращивания, создавая тем самым изделия с градиентными свойствами, то есть одна часть детали может быть коррозионностойкой, а другая - жаростойкой. Тем самым значительно расширяются возможности конструкторов при разработке техники нового поколения [1].
Для выращивания деталей используется металлические порошки, которые имеют тот же химический состав, что и заготовки для традиционных методов обработки. Однако результаты прочностных свойств, полученные на образцах соизмеримы с заготовками полученными литьем и уступают пока штампованным. Существует и другая проблема - шероховатость поверхности, во многом определяющая эксплуатационные характеристики деталей и узлов, их износостойкость. Износостойкость определяет способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении-скольжении, трении-качении, а также при микроперемещениях, обусловленных вибрациями. Износ деталей приводит к потере точности, снижению КПД, понижению прочности, увеличению динамических нагрузок, которые являются следствием увеличения в сопряжениях, повышению труда. Износ является причиной выхода из строя подавляющего большинства машин и их деталей.
Согласно ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики выделяется 14 классов шероховатости. Так, например, детали, полученные лазерной аддитивной технологией выращивания из металлического порошка без обработки поверхности относятся к 1-4 классу шероховатости, что не обеспечивает требуемого качества конечной продукции. Для уменьшения шероховатости и улучшения эксплуатационных характеристик применяется последующая обработка изделий, важной частью которой является полирование. Существующие в настоящее время традиционные методы полирования поверхности - механические, химические и электрохимические, не в полной мере удовлетворяют современным требованиям машиностроения по производительности, себестоимости, технологической трудоемкости и получаемому качеству.
Так, механической обработкой получают поверхность с нужными параметрами, однако при этом происходит загрязнение поверхности абразивом и механическая деформация поверхностных слоев изделия. К тому же, применение этого метода затруднено при обработке деталей малого размера и сложной геометрической формы. Химический метод обработки позволяет обрабатывать изделия сложной формы, но при полировке происходит за-
грязнение поверхности продуктами реакций, в качестве растворов используются смеси концентрированных минеральных кислот, выделение токсичных веществ в ходе процесса полировки. После обработки этим методом необходимо провести дополнительные операции по нейтрализации и пассивации поверхности. С помощью электрохимического метода можно обрабатывать поверхность различного профиля и размеров, но использование в качестве основы концентрированных растворов, энергоемкость и экологическая опасность процесса не позволили широко распространиться этому методу.
Одним из перспективных современных направлений, является технология лазерной полировки плавлением. Тонкий слой расплавленного металла выступов в процессе лазерной полировки за счет сил поверхностного натяжения перемещается к впадинам, тем самым выравнивая профиль поверхности. Данный метод не предполагает удаление материала, происходит лишь его перераспределение по поверхности обрабатываемого изделия. Как и другие методы лазерной обработки, метод лазерной полировки обладает высокой производительностью, локальностью, точностью, широкими возможностями контроля и управления процессом обработки, простотой и экологической чистотой. Лазерная обработка не требует применения механического абразива и адаптированных к поверхности инструментов. Метод лазерной полировки может быть применен к широкому классу материалов -от металлов до стекла [2]. Действие поверхностного натяжения при лазерном поверхностном нагреве сглаживает рельеф шероховатой поверхности, а также способствует отжигу приповерхностного слоя и улучшению его структуры, причем, никакой дополнительной механической обработки поверхности после лазерного полирования не требуется.
В качестве примера рассмотрим шероховатость поверхности стали. На рисунке 1 указана шероховатость поверхности стали после механической токарной обработки [4].
Рис. 1. Исходный R-Proffl поверхности образца из инструментальной стали после токарной обработки (Яа = 3,77)
Шероховатость поверхности стали после лазерного полирования представлена на рисунке 2.
Рис. 2. R-Profile поверхности образца из инструментальной стали после
лазерной обработки (Ra = 0,37) в режиме «чернового» полирования
Как видно из рисунков лазерная обработка обеспечивает меньшее среднее арифметическое значение отклонения профиля (Ra), а следовательно более высокий класс шероховатости.
Кроме того, применение метода особенно предпочтительно при обработке не только сферических поверхностей, а так же и других поверхностей, не являющихся поверхностями вращения, что является особенно важным при полировке изделий, полученных лазерной аддитивной технологией.
Современные оптоволоконные лазеры имеют небольшие геометрические размеры, низкое энергопотребление, небольшой вес, не требуют создания специальных условий по климатике и загрязненности атмосферы, поэтому достаточно легко интегрируются в технологические линии производств практически всех отраслей промышленности [3].
Сочетание лазерных аддитивных технологий и лазерной обработки изделий в одной установке, позволяющее производить геометрически сложные и специфические 3D-дeтали за короткое время, представляет экономически целесообразную альтернативу классическим методам производства и обработки деталей.
Список литературы:
1. Григорьянц А.Г. Основы лазерной обработки материалов. - М.: «Машиностроение», 1989. - 301 с.
2. Григорьянц А.Г., Соколов А.А. Лазерная техника и технология. -1988. - 191 с.
3. Зленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. - М., 2015. - 157 с.
4. Вейко В.П., Смирнов В.Н., Чирков А.М., Шахно Е.А. Лазерная очистка в машиностроении и приборостроении. - СПб., 2013. - 21 с.
5. Turichin G., Klimova O., Zemlyakov E., Babkin K., Somonov V, Sham-ray F. Technological bases of high-speed laser direct growth of products by heterophase powder metallurgy method. Photonika, Issue4, 2015, 68-83 p.
