CC BY
206
Ю О
с^
N о
т
5 <
СО
о
Инновационное
цифровое производство
на базе аддитивных технологий
йШ
И. Ю. Смуров,
к. ф.-м. н., начальник Лаборатории инновационных
аддитивных технологий, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
С. Г. Конов,
к. т. н., доцент кафедры измерительных информационных систем и технологий, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
Д. В. Котобан,
аспирант, инженер Лаборатории инновационных аддитивных технологий, ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН»
А. П. Назаров,
к. т. н., начальник конструкторского отдела по проектированию аддитивного технологического оборудования, Национальный институт авиационных технологий (ОАО НИАТ)
С. К. Сундуков,
к. т. н., ассистент кафедры технологии конструкционных материалов, Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)
Инновационные технологии аддитивного производства получили широкое распространение за рубежом. В статье показано применение аддитивного производства, исследование технологии и перспективы коммерциализации.
Статья посвящена научному и научно-техническому прогрессу в области аддитивного производства за последние несколько лет. Показаны финансовые аспекты аддитивных технологий и современное научно-техническое состояние данных вопросов в мире. Представлены результаты исследования процессов аддитивного производства и получения изделий, свидетельствующие о широких возможностях и гибкости аддитивных технологий. Проведен анализ проблем развития аддитивных технологий в отечественной экономике и рассмотрены возможные пути их решения. Активное развитие и внедрение аддитивных технологий за рубежом показывает, что перспективные методы производства деталей машин способны занять важную отраслевую нишу в отечественной промышленности.
Ключевые слова: аддитивное производство и технология, селективное лазерное плавление, селективное электронно-лучевое плавление, прямое лазерное нанесение металла, холодное газодинамическое напыление.
Введение
Применение методов аддитивного производства (АП) началось менее десяти лет назад и уже достигло промышленного внедрения в странах Европы и США. Аддитивные технологии (АТ) показывают революционные темпы развития, что совпало с совершенствованием комплекса средств автоматизированного
проектирования, расчетов и производства, а также поддержки жизненного цикла изделия. Современная стратегия развития промышленности развитых стран показывает, что экономике требуются не виртуальные деньги, а реальный сектор производства [1, 2]. Учитывая современное состояние экономики, отечественная промышленность имеет возможность активного подъема путем проведения реформ и индустриализации.
ИННОВАЦИОННАЯ ЭКОНОМИКА
Аддитивные технологии и аддитивное производство, 3D-ne4aTb, аддитивный процесс, аддитивная техника, послойный синтез — взаимозаменяемые термины, относящиеся к технологиям послойного изготовления объектов по электронным моделям. Современные комплексы АП позволяют изготавливать из металлических, композиционных, металлокерамиче-ских, керамических, пластиковых порошков функциональные изделия, которые не требуют существенной механической обработки.
Наиболее активно развивающимся направлением АП является изготовление функциональных изделий и деталей из пластиковых, металлических и неметаллических материалов. В связи с этим наиболее востребованными технологиями в настоящее время являются селективное лазерное плавление (СЛП — Selective laser melting, SLM), селективное электроннолучевое плавление (СЭЛП — Selective electron beam melting, EBM) и прямое лазерное нанесение металла (ПЛНМ — Direct laser metal deposition, DLMD).
Научная активность в области АТ в России в основном не носит комплексного характера, несмотря на достаточное количество технологического оборудования на отечественных академических и промышленных предприятиях (порядка 50 установок СЛП металлических порошков).
Материалы и методы
При изготовлении изделий с помощью аддитивных технологий применяют различные источники энергии с целью послойного добавления материала/ формирования детали по программе, разработанной с использованием электронной компьютерной модели. Наиболее перспективным направлением аддитивных технологий является производство функциональных изделий из металла с незначительной последующей обработкой или без нее, которые работают как детали машин.
Технологии СЛП и СЭЛП основаны на избирательном плавлении порошка, расстеленного в слой на
платформе (подложке) в зоне воздействия лазерного или электронного луча. Технология ПЛНМ основана на применении лазерного излучения и соосной с ним (или боковой) подаче порошка на подложку. Поток порошка и лазерное излучение сфокусированы в одну точку. В технологиях СЛП, СЭЛП и ПЛНМ порошок полностью плавится и образует прочный контакт с предыдущим слоем или материалом подложки. Для выполнения работ использовались установки СЛП Concept M3 Linear (Concept Laser GmbH, Германия) и EOSINT M280 (EOS GmbH, Германия), лабораторный стенд СЛП на базе волоконного лазера (собственной разработки), лабораторный стенд СЛП на базе СО2-лазера (на базе лазерного комплекса), установка СЭЛП Arcam A2 (Arcam AB, Швеция), лазерный многофункциональный комплекс ПЛНМ TruCell 3008 LMD (Trumpf GmbH, Германия).
Существует более 130 технологических параметров, влияющих на процессы селективного лазерного (СЛП) и электронно-лучевого (СЭЛП) плавления [4]. При проектировании технологии производства изделия применяется параметрическое исследование для получения зависимостей между входными (мощность излучения, скорость сканирования, толщина слоя/подача порошка, защитная атмосфера и другие) и выходными (качество изделия, определяемые требования к нему) параметрами технологического процесса.
Преимущества и недостатки вышеуказанных методов аддитивного производства АП представлены в табл. 1. Для всех методов использовался бесконтактный оптический контроль (диагностика) с помощью высокоскоростной камеры (до 7,5 тыс. кадров/с); четырехканального многоволнового пирометра с разрешающей способностью <100 мкм при скорости измерения не более 10 мкс; инфракрасной камеры с высоким пространственным и временным разрешением (спектральный диапазон: 0,4-1,7 мкм; временное разрешение: 400-999 мс, разрешение 320x256 пикселей). Применение оптической диагностики процессов АП позволяет понять принцип консолидации частиц,
Таблица 1
Преимущества и недостатки различных методов аддитивного производства
Методы* Качество деталей Многофункциональность метода и оборудования Преимущества Недостатки
СЛП Очень хорошее, значительной механической обработки не требуется Применение широкой номенклатуры материалов, использование для гравировки Высокая точность изделий, получение тонких стенок (до 50 мкм) Низкая производительность, высокая вероятность образования трещин
СЭЛП Использование для сварки Более высокая производительность, уменьшение трещинообразования за счет снижения градиента температур, возможность предварительного подогрева электронным лучом Необходимость вакуума, точность ниже, чем при СЛП (больший диаметр сфокусированного пятна)
ПЛНМ Очень хорошее, требуется механическая обработка в большинстве случаев Применение широкой гаммы материалов, использование для резки, сварки, гравировки, ремонта Более высокая производительность, чем при СЛП/СЭЛП, более контролируемый процесс Относительно СЛП/СЭЛП - низкая точность (больший диаметр сфокусированного пятна), невозможность использовать мелкие фракции порошков, высокая вероятность образования трещин
ю о
CN
cJ о N
оо
J <
СО
СЛП — селективное лазерное плавление, СЭЛП — селективное электронно-лучевое плавление, ПЛНМ — прямое лазерное нанесение металла.
ю о
о?
о ^
оо
< со
Рис. 1. Порошки, использованные в исследовании: а — б — нержавеющая сталь 03Н18К9М5Т
1.4540; в — никелевый сплав Ш-Сг20-Ш10-Мо9-Си4-С1-В1^е1; г — Ш75-А123-Сг2-Ш1-Мо1-Со1-Т (ВКНА);
д — та5-А165; е — Ni85-A115; ж — №-Со16-Сг7-Ш5-A14-Mo3-Ti2-Nb1; з — наноструктурированный порошок 75%WC-Ni
поведение расплава и определить другие параметры, которые в макромасштабе могут позволить контролировать качество производства каждого валика, слоя и изделия в целом.
Порошковый материал перед работой подготавливается (измельчение, смешивание, просеивание, просушивание в вакуумном шкафу) и исследуется (лазерная гранулометрия, анализ морфологии и химический анализ частиц). Для информационного обеспечения работ разработаны программы, методики, инструкции, регламентирующие производство работ и обучение сотрудников.
В рамках исследований авторами применялись порошковые материалы отечественного и зарубежного производства, такие как титановый сплав ВТ6, стали 03Х17Н14М3, 06ХН28МДТ, 03Н18К9М5Т, 12Н18Н10Нб, 12Х18Н9, Х20Н80, 40Х13, бронза БрА9, кобальтовые сплавы Со-27Сг-6Мо, Co-30Cr-8WC, медный трибологический сплав (никелевая бронза) Си-№10, никелевые суперсплав 1псопе1 625 и №-16Сг-6А1^, интерметаллидные сплавы №85-А115, №75-А123, М70-А130, Т165-А135, композиционные смеси и сплавы с нанометрическими порошками WC, W, ТК что позволило охватить материалы с различными механическими, оптическими, грануломорфометрическими свойствами (рис. 1).
Существует достаточно большая вероятность возникновения анизотропии, поэтому для оптимизации свойств изделий применялись стратегии обработки: для изделий, получаемых методами СЛП и СЭЛП, применялась двухзонная стратегия, основанная на дополнительном проходе лазерного или электронного луча между уже сплавленными валиками (рис. 2), а для изделий, получаемых методами СЛП, СЭЛП, ПЛНМ и ХГН, применялось попеременное изменение направления изготовления (рис. 3).
Полученные детали, изделия и образцы использовались для металлографического анализа (оптическая микроскопия, РЭМ, РФА, измерение твердости) и исследования их свойств: прочностных (электромеханическая испытательная машина), поверхностных (трибометрическая машина), термофизических (анализатор теплопроводности), коррозионной стойкости
Рис. 2. Схема применения двухзонной обработки (а), получаемые макроструктуры (слоистые), характерные
для послойного синтеза изделий (б) и схема одно-и двухзонной обработки с порошковым слоем (в) [3, 5]
(потенциостат). Для изменения структуры образцов и снятия остаточных напряжений проводилась термическая обработка.
Применение аддитивных технологий для производства изделий
На этапе оптимизации параметров технологических режимов АП изготавливаются примитивы — единичные валики. Форма валиков является отражением применяемых технологических режимов. Валики, полученные методами СЛП и СЭЛП, представлены на рис. 4. Для понимания физических процессов, корреляции параметров АП и качества валиков комбинированные параметры (1) и (2) указываются при построении параметрических карт (рис. 6).
EL = P/(DV) = Вт/(мм (мм/с)) = Дж/мм2
(1)
где EL — удельный энерговклад от лазерного излучения [Дж/мм2], Р — мощность лазерного излучения [Вт], d — диаметр лазерного луча на обрабатываемой поверхности [мм], V — скорость сканирования лазерного луча [мм/с].
FG = G/V = (г/с)/(мм/с) = г/мм,
(2)
где FG — удельная подача порошка [г/мм], С — подача порошка [г/с], V — скорость сканирования лазерного луча [мм/с].
Рис. 3. Схема штриховой техники сканирования слоев (а) и полученные микроструктуры (б, стрелками показано направление сканирования)
а)
Рис. 4. Валики, полученные методом селективного лазерного (а) [6] и электронно-лучевого плавления (б) [7]
Удельный энерговклад от лазерного излучения ЕЬ показывает количество энергии, пришедшееся на единицу длины валика, а удельная подача порошка FG — количество порошка, пришедшееся на единицу длины валика. Величины ЕЬ и FG характеризуют относительные параметры режима.
Проведен анализ геометрических размеров валиков и их микроструктуры. Типичные микроструктуры, получаемые методами аддитивного производства, представлены на рис. 5. Микроструктура представляет собой слоистую структуру с отчетливо различаемыми единичными валиками. Термообработка позволяет изменить структуру материала в соответствии с требованиями, однако целью исследований было по-
Рис. 6. Изделия, изготовленные из различных материалов методом селективного лазерного плавления: а — сепаратор цилиндрический из бронзы Бр-А9; б — ячеистая фигура из никелевого сплава 1псопе1 625; в — образец из сплава №85-А115; г — изделие со спиральными внутренними каналами из стали 03Н18К9М5Т; д, е — многоматериальные образцы
а) б)
Рис. 5. Характерные слоистые структуры сплавленных материалов, полученные методом холодного газодинамического напыления (а) [9], селективного лазерного и электронно-лучевого плавления, прямого лазерного нанесения металла (б) [7, 10, 11]
лучение заданной структуры непосредственно после изготовления.
По оптимальным параметрам технологических режимов получены трехмерные объекты различной сложности, воспроизводящие модели деталей машин промышленности, авиации, автомобилестроения. Полученные в Лаборатории инновационных аддитивных технологий образцы представлены на рис. 6.
Проведены испытания прочности образцов, полученных различными методами, включающие плавление порошка. Установлено, что прочность полученных (сплавленных) материалов выше, чем прочность литых или кованых материалов [26]. Это объясняется характером воздействия концентрированных потоков энергии, при обработке которыми скорость охлаждения расплава достигает 106 К/с, что определяет структуру закалки, наличие метастабильных фаз, неоднородность химического состава и повышенные остаточные напряжения. Основные рекомендации при работе с такими материалами — тщательный подбор технологических параметров, применение схем обработки (например, предварительный подогрев), термообработки и механической обработки поверхностных слоев.
Получаемые изделия представлены на рис. 7.
Контроль качества
Процессы послойного выращивания продолжаются от нескольких часов до нескольких дней. В процессе производства оператор не имеет доступа к изделию, а установки АП не оснащены необходимым диагностическим оборудованием, которое позволило бы контролировать выполнение процесса или полученные слои/ изделия. В МГТУ «СТАНКИН» применяется комплексный двухуровневый подход к оптической диагно-
ю о
со
Рис. 7. Изделия, изготовленные из титана и меди (а) О
и из алюминия, титана и меди (б) методом холодного х
газодинамического напыления [9] ^
пирометр
лазер CCD камера
Ю
О CN
cJ о N
оо
J <
со
ОПТОВОЛОКНО
L
рабочее поле
| .iuJ.
>4. -
f \Л
а
* / ч\\
Рис. 8. Схема оптической системы [12]
стике. Для контроля процесса во время производства применялась схема, представленная на рис. 8.
Температура в ванне расплава измеряется высокоточным пирометром, параллельно CCD-камера (ПЗС, прибор с зарядовой связью) измеряет размер ванны расплава и лазерного пятна по отраженному от ванны расплава излучению. Сигнал пирометра и температурный профиль на подложке пучка излучения представлены на рис. 9 [13].
Показано, что яркостная температура при увеличении продолжительности обработки возрастает, что, по-видимому, объясняется аккумулированием тепловой энергии в подложке. Установлено также, что с увеличением расстояния между валиками — ванна расплава увеличивается, что объясняется уменьшением тепловых потерь с удалением от соседнего валика.
Одним из важнейших показателей качества продукции, изготавливаемой при помощи аддитивных технологий, является геометрическая точность поверхностей изделия. Для решения задачи контроля параметров геометрической точности изделий сложной формы используют целый ряд серийно выпускаемых средств измерения. Однако применение контактных средств измерения для контроля макрогеометриче-ских параметров точности изготовления поверхностей изделий, полученных по АТ, не представляется возможным. Это обусловлено характером и величиной неровностей на поверхностях объектов. Таким образом, размеры измерительных наконечников, применяемых в бесконтактных информационно-измерительных системах, сопоставимы с характерными размерами микрорельефа, что вносит дополнительную неопределенность в результаты координатных измерений.
Для решения поставленной задачи применяют лазерные триангуляционные сканеры, фотограмметрические информационно-измерительные системы [14] или модификации указанных приборов. Так, за рубежом получили широкое распространение приборы V-Stars (Geodetic Systems, Inc, США), работающие на основе принципов триангуляции в сочетании с фотограмметрическими технологиями. При реализации принципов оптической триангуляции необходимо обеспечить структурированное излучение известной априори формы из известного положения в пространстве, на-
5' ' Поперечный профиль, пиксел
Рис. 9. Контроль методом оптической диагностики изделия в процессе его изготовления: а — сигнал пирометра в относительных единицах; б — температурный профиль ванны расплава при расстоянии между валиками 70 (—), 110 (---) и 160 мкм (.....)
правленное в сторону объекта измерений (например, в виде лазерного луча малой мощности). С противоположной по отношению к падающему лучу стороны необходимо поместить фотоприемник (ПЗС-линейка или ПЗС-матрица), который распознает координаты точек проекций лучей, падающих на поверхность объекта измерения, и пересчитывает их из системы координат фотоприемника в пространственные координаты. Важной особенностью применения триангуляционных сканеров является необходимость применения алгоритмов быстрого поиска координат проекций точек источника структурированного света для последующего пересчета пространственных координат указанных точек. При этом необходимы соблюдение условий измерения (отсутствие фоновой подсветки) и ограничение охватываемого измерительного пространства (с использованием триангуляционных сканеров возможно сканирование только 2,5D-объектов).
Принципиальным отличием фотограмметрических информационно-измерительных систем от триангуляционных сканеров является наличие пары фотоприемников (ПЗС-матриц), положение которых в пространстве аттестовано и определена общая система координат. Таким образом, необходимость аттестации положения источника структурированного света отпадает, но при этом возникает новая задача, связанная с идентификацией точек, являющихся проекциями одной и той же точки. Решение указанной задачи является основным источником погрешностей.
Существенным недостатком в использовании бесконтактных информационно-измерительных систем является ощутимая зависимость погрешности от типа исследуемой поверхности [15]. Поверхность, полученная методами аддитивного производства, обладает характерной зернистостью (~0,05-0,1 мм), которая при сглаживании концентрированным потоком энергии практически не изменяется, образуя почти полированную поверхность, обладающую высокой волнистостью.
Таким образом, контроль поверхностей, получаемых методами АП, при помощи бесконтактных систем измерения (БСИ) затруднен ввиду образования бликов от отраженного лазерного излучения. Достижимый в настоящее время уровень погрешности подобных сканеров составляет величину не менее 0,05 мм, а достоинством БСИ остается высокая скорость сканирования и значительный объем измерительной информации.
При использовании контактных средств измерения (КСИ) (например, координатно-измерительных машин) возникают проблемы другого рода. Вследствие высокой волнистости поверхности измерительный щуп при получении сигнала о контакте может касаться как непосредственно поверхности, так и отдельных неровностей, обусловленных волнистостью. При этом возникает неопределенность, связанная с неизвестным направлением касания. Кроме того, негативное влияние оказывает применение измерительных наконечников больших (по сравнению с величиной волнистости) диаметров, осуществляющих пространственную фильтрацию результатов измерения по сравнению с реальным расположением точек на поверхности исследуемого объекта [16].
Выводы
Проведенные исследования демонстрируют возможности и гибкость наиболее востребованных методов аддитивного производства: селективного лазерного и электронно-лучевого плавления, прямого лазерного нанесения металла. Систематизация знаний в данной области на базе МГТУ «СТАНКИН» позволила комплексно подойти к решению поставленных задач, выполняя новые и актуальные для российской науки и промышленности исследования. Разработаны технологии производства изделий из отечественных и зарубежных материалов широкой номенклатуры, определены границы применимости методов АП, ведутся работы по инновационному многоматериальному АП, оптической диагностике и метрологическому контролю.
Полученные в результате выполнения работ данные о свойствах спеченных (сплавленных) материалов и получаемых изделий являются подтверждением необходимости внедрения новых методов производства для обновления отечественной промышленности и новой индустриализации.
Данная работа финансировалась из средств Российского Научного Фонда (соглашение № 14-1901647 от 04.07.2014 г.).
Список использованных источников
1. Романова О. А. Стратегический вектор экономической динамики индустриального региона//Экономика региона. 2014. № 1. С. 43-55.
2. Григорьев С. Н., Смуров И. Ю. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом// Инновации. 2013. Т. 10. С. 2-8.
3. Yadroitsev I. et al. Strategy of manufacturing components with designed internal structure by selective laser melting of metallic powder//Applied Surface Science. 2007. Т. 254. № 4. P. 980983.
4. Klocke F., Wagner C., Ader C. Development of an integrated model for selective laser sintering. Proc. 36th CIRP International Seminar on Manufacturing Systems. June 03-05. 2003. Saarbrucken. Germany. P. 387-392.
5. Смуров И. Ю., Мовчан И. А., Ядройцев И. А., Окунькова А. А., Цветкова Е. В., Черкасова Н. Ю. Аддитивное производство с помощью лазера. Вестник МГТУ «СТАНКИН» № 4 (16). 2011.
6. Okunkova A. et al. Experimental approbation of selective laser melting of powders by the use of non-Gaussian power density distributions//Physics Procedia. 2014. Т. 56. P. 48-57.
7. Перетягин П. Ю., Окунькова А. А. Повышение качества изделий, получаемых методом селективного электронно-лучевого плавления с помощью подбора оптимальных технологических параметров//Сборник трудов: Материалы и технологии XXI века. XI Международная научно-техническая конференция. 2013. С. 111-114.
8. Kotoban D., Grigoriev S., Shishkovsky I. Study of 3D-laser cladding for Ni85Al15 superalloy//Physics Procedia. 2014. Т. 56. P. 262-268.
9. Sova A. et al. Potential of cold gas dynamic spray as additive manufacturing technology//The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2013. Т. 69. № 9-12. P. 2269-2278.
10. Смуров И. Ю., Мовчан И. А., Ядройцев И. А., Окунькова А. А., Конов С. Г., Антоненкова Г. В. Экспериментальное аддитивное прямое производство с помощью лазера//Вестник МГТУ «СТАНКИН». № 2 (20). 2012.
11. Смуров И. Ю., Ядройцев И. А., Мовчан И. А., Окунькова А. А., Черкасова Н. Ю., Антоненкова Г. В. Аддитивное производство с помощью лазера. Проведение экспериментальных работ// Вестник МГТУ «СТАНКИН». № 1 (18). 2012.
12. Doubenskaia M., Grigoriev S., Zhirnov I., Smurov I. Parametric analysis of SLM using comprehensive optical monitoring//Rapid Prototyping Journal. T. 22. № 1. P. 144-156.
13. Телешевский В. И., Жирнов И. В., Дубенская М. А., Конов С. Г. Бесконтактное измерение температуры на поверхности материала INOX 304 L в зоне лазерного воздействия//Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2013. № 4 (27). С. 61-64.
14. Назаров А. С. Фотограмметрия. Мн.: ТетраСистемс. 2006.
15. Конов С. Г., Логинов А. А., Крутов А. В. Система слежения за пространственными перемещениями подвижных узлов станков и робототехники//Измерительная техника. М.: ФГУП «Российский научно-технический центр информации по стандартизации, метрологии и оценке соответствия». 2012. № 2. С.10-12.
16. Конов С. Г. Разработка координатно-измерительной машины контактного типа на базе фотограмметрической системы// Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2010. № 2. С. 119-121.
Innovative digital manufacturing based on additive technologies
I. Yu. Smurov, Candidate of Physical and Mathematical Sciences (PhD), Director of Laboratory of innovative additive technologies, Moscow State university of Technology «STANKIN».
S. G. Konov, Candidate of Technical Sciences (PhD), Leading researcher of Laboratory of innovative additive technologies, Moscow State university of Technology «STANKIN».
D. V. Kotoban, PhD-student, Engineer of Laboratory of innovative additive technologies, Moscow State university of Technology «STANKIN».
A. P. Nazarov, Candidate of Technical Sciences (PhD), chief of design department of design of additive processing equipment, JSC NIAT MOSCOW.
S. K. Sundukov, Candidate of Technical Sciences (PhD), Assistant of the Department «Technology of construction materials», Moscow Automobile and Road Construction University (MADI).
Advanced technologies of additive manufacturing are became widespread abroad. This article shows the application of additive manufacturing, technology research and technology commercialization prospects of additive manufacturing.
Keywords: additive manufacturing and technology, selective laser melting, selective electron beam melting, direct laser metal deposition, cold gas dynamic spraying.
ю о
CN
cJ о N
oo
J <
CQ О
ж * *
