CC BY
3
УДК 621.77.04
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ОБРАЗЦОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ПОМОЩИ ЗЭ-ПЕЧАТИ ПОРОШКАМИ 12Х18Н10Т И AlSi10Mg
В.А. Васильева1, Ю.А. Устьянцев2, С.И. Корягин3
Балтийский Федеральный Университет имени Иммануила Канта, Россия, 236041, Калининград, ул. Александра Невского, 14.
Представлены результаты испытаний на прочность образцов, полученных при помощи 3D-ne4ara методом DMLS (Direct Metal Laser Sintering - прямое лазерное спекание металлов) из металлических порошков марок 12Х18Н10Т и AlSilOMg. Полученные результаты сравнены с данными образцов, изготовленных при помощи традиционных технологий.
Ключевые слова: испытания на разрыв, аддитивные технологии, 3D-печать, исследование образцов,
сталь.
STUDY OF THE PROPERTIES OF SAMPLES OBTAINED USING 3D PRINTING WITH
12Х18Н10Т AND AlSilOMg POWDERS
V.A. Vasilyeva, U.A. Ustyantsev, S.I. Koryagin
Immanuel Kant Baltic Federal University, Russia, 236041, Kaliningrad, st. A. Nevsky, 14 Was provided the results of strength testing of samples obtained by 3D printing using the DMLS (Direct Metal Laser Sintering) method from metal powders of the 12Х18Н10Т and AlSi10Mg. The results are compared with data from samples manufactured using traditional technologies.
Keywords: tensile testing, additive technologies, 3D printing, sample examination, steel.
Введение
Предпосылками к написанию настоящей статьи является возрастающая роль аддитивных технологий в современном производстве и развитии научно-технического потенциала страны.
Об этом свидетельствует как увеличивающееся количество научных работ, связанных с данной тематикой, так и тот факт, что на сегодняшний день многие предприятия различных отраслей (автомобилестроение, аэрокосмическая отрасль, производство медицинского оборудования, судостроение и т.д.) внедряют аддитивные технологии на своих производствах. Кроме того, согласно [1] предусматривается запланированный рост объёма российского рынка аддитивных технологий в период с 2023 года по 2030 году более чем в 3 раза (с 3897,1 млн. руб. до 11883,6 млн. руб. при консервативном сценарии и с 4152,1 млн. руб. до 13204 при целевом сценарии).
Возросший интерес к данному виду технологий, в частности, к 3D-печати, можно объяснить возможностями, которые она предоставляет: быстрое прототипировние, создание топологически оптимизированных деталей [2], бионический
дизайн, производство изделий со сложной геометрией и т.д.
Изготовление компонентов с сложными формами не всегда реализуемо с использованием традиционных технологий, таких как литье и сварка. Это особенно актуально в случае современных конструкций, которые характеризуются сложной геометрией. При этом создание форм для отливки металла в случае мелкосерийного производства не всегда оправдано с экономической точки зрения, и возникает вопрос об оптимизации производственных мощностей.
Технология 3D-печати предоставляет возможность изготовления деталей на основе готовой модели. Этот метод обеспечивает возможность производства в соответствии с требованиями эксплуатации, путем выбора подходящего материала для печати.
Целью данного исследования является сравнение физических характеристик образцов, полученных при помощи 3D-печати с характеристиками образов, изготовленных с применением традиционных технологий, например, точения и фрезерования (для образцов 12Х18Н10Т), а также литья (для AlSi10Mg).
EDN DVUCLQ
1Васильева Валерия Александровна - аспирант образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»; тел.: +79520501147; e-mail: valervasileva@mail.ru, ORCID: 0000-0002-3788-8846,
2Устьянцев Юлиан Александрович - аспирант образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»; тел.: +79114701068; e-mail: uyulian@internet.ru, ORCID: 0000-0002-8748-4102;
3Корягин Сергей Иванович - доктор технических наук, профессор образовательно-научного кластера «Институт высоких технологий»; тел. +7 (4012) 595 585; e-mail: SKoryagin@kantiana.ru, ORCID: 0000-0002-83333251, SCOPUS ID: 6603786974.
В.А. Васильева, Ю.А. Устьянцев, С.И. Корягин
Для исследования выбраны стандартные образцы в соответствии с [3], напечатанные при помощи метода DMLS [4] из популярных порошков марок 12Х18Н10Т и AlSi10Mg.
Исходные данные
Для испытаний на разрыв были подготовлены стандартные модели в соответствии с ГОСТ 1497-84, тип IV, образец № 7 (см. рис. 1 и табл. 1).
Пг20 V <*0 4«, г
- )
1
г 1 >
n Л,
Печать образцов осуществлялась на промышленном 3D-принтере по металлу Renishaw АМ 600 по технологиЬ DMLS порошками 12Х18Н10Т и AlSi10Mg.
Данная технология представляет собой метод, при котором объемная фигура формируется пошагово по следующей последовательности:
В бункере создается полость, изменение объема которой приводит к вытеснению необходимого слоя используемого материала. Этот материал затем равномерно распределяется по поверхности с помощью валика.
Спекание слоев осуществляется при помощи лазера на поперечной поверхности каждого слоя. Это один цикл распределения спекаемого материала валиком, операция сопровождается смещением рабочей плоскости для формирования следующего слоя.
Данный процесс имеет циклический характер и соответствует количеству слоев изготавливаемого элемента.
По завершении процесса рабочая плоскость, на которой создавалась деталь, достигает нулевого положения. Это обеспечивает возможность демонтажа стола вместе с заготовкой для удобного удаления поддержек и других дополнительных элементов.
Применялись порошки из следующих сплавов:
- 12Х18Н10Т дисперсность 10-63 мкм;
- AlSi10Mg (АСП-45), дисперсность до 150 мкм. Ближайший отечественный аналог - сплав АК9. Их элементные составы приведены ниже, в таблицах 2, 3.
Таблица 2 - Элементный состав 12Х18Н10Т [5]
Элемент Массовая доля, %
Железо Fe < 67
Хром & 17,0.19,0
Никель № 9,0.11,0
Марганец Mn < 2
Титан ТС 0,4.1,0
Кремний Si < 0,8
Медь ^ < 0,3
Углерод C < 0,12
Фосфор P < 0,035
Сера S < 0,02
Таблица 3 - Элементный состав AlSi10Mg [6]
Элемент Массовая доля, %
Алюминий Al Остаток
Кремний Si 9,0...11,0
Магний Mg 0,2...0,45
Железо Fe < 0,35
Титан ТС < 0,15
Медь ^ < 0,05
Марганец Mn < 0,45
Кислород O < 0,08
Все три образца AlSi10Mg располагались под углом 45° к печатной подложке. Для образцов 12Х18Н10Т расположение было следующее: 1-2 образцы были также размещены под углом 45° к печатной подложке, образцы 3-6 располагались вертикально, образцы 7, 8 были размещены горизонтально.
После завершения печати все образцы были подвергнуты пескоструйной обработке для снятия брызг металла, возникающих в процессе выращивания детали.
Образцы AlSi10Mg дополнительно подверглись термической обработке на режиме Т6 [6], которая обеспечила равномерное спекание
Рисунок 1 - Образец для испытаний на растяжение
Таблица 1 - Размеры образцов для испытаний
мм
1о, мм
1, мм
D, мм *
Ш, мм
г, мм
5,0
20,0
24,0
9,0
10,0
3,0
* ГОСТ 1497-84 указывает, что для образцов типа IV № 7 участок Ы должен быть выполнен с резьбой М9 для закрепления галтели в испытательном оборудовании. В рассматриваемом случае резьба не выполнялась ввиду того, что закрепление образца осуществлялось при помощи специальной оснастки.
Исследование свойств образцов, полученных при помощи 3D-печати порошками.
слоев, снятие напряжений и формирование цельной кристаллической решетки.
Испытания проводились на разрывной машине United STM-50kN-E.
Результаты и их обсуждение
В результате испытаний на разрыв напечатанных образцов получены данные, представленные в таблицах 4, 5, где о - временное сопротивление, 55 - относительное удлинение при разрыве, у - относительное сужение
Таблица 4 - Результаты испытаний образцов 12Х18Н10Т
№ образца о, МПа 55, % у, %
1 538,39 5,00% 4,30%
2 424,33 2,25% 0,87%
3 516,81 4,70% 1,74%
4 582,91 3,15% 3,31%
5 601,54 5,90% 3,70%
6 526,62 0,80% 2,48%
Средние значения 531,77 3,63% 2,73%
Для образцов № 7, 8 произошел отрыв от рабочей пластины в процессе печати вследствие неравномерной усадки, что могло являться результатом недостаточного отвода тепла при выращивании детали.
Таблица 5 - Результаты испытаний образцов AlSilOMg
Рисунок 2 - Результаты испытаний на разрыв образцов из 12Х18Н10Т
Рисунок 3 - Результаты испытаний на разрыв образцов из AlSilOMg
Таблица 6 - Сравнение результатов
№ образца о, МПа 55, % у, %
1 253,31 1,60% 21,50%
2 254,38 1,55% 19,79%
3 252,52 2,05% 22,25%
Средние значения 253,40 1,73% 21,18%
Образец о, МПа 55, % у, %
12Х18Н10Т (печать) 532 3,6% 2,7%
12Х18Н10Т (ГОСТ 5949-75) 510 40,0% 55,0%
AlSi10Mg (печать) 253 1,7% 21,2%
АК9 (ГОСТ 1583-93) 235 1,0%
В графической форме результаты выглядят следующим образом (см. рис. 2, 3).
Сравнение средних значений данных результатов с результатами образцов, изготовленных при помощи традиционных методов обработки даёт следующие данные (см. табл. 6)
Таким образом, можно выделить следующие тенденции: напечатанные образцы характеризуются значениями временных сопротивлений разрыву близкими к значениям образов, изготовленных с применением традиционных технологий, при этом, данные выводы актуальны как для образцов из 12Х18Н10Т, так и AlSi10Mg.
Однако при этом, для 12Х18Н10Т относительное удлинение при разрыве и относительное сужение были кратно меньше у напечатанных образов, что свидетельствует о разрушении практически без образования площадки текучести, а следовательно, о хрупкости полученных галтелей.
Возможной причиной таких результатов является пористость полученных образов, которая могла стать следствием применения старого порошка для 3D-печати. Доводом в пользу данного предположения является тот факт, что порошок 12Х18Н10Т находился на хранении 7 лет (начиная с 2017 года), в течение которых частицы
А.Е. Симчук, Е.Н. Симчук, М.Ю. Горский
могли образовать окислы, что в свою очередь нарушило установленный режим печати.
Заключение
В результате проведенных испытаний на разрыв установлено, что образцы из порошков марок 12Х18Н10Т и A1Si10Mg имеют значения временных сопротивлений разрыву близкие стандартным в соответствии с [5, 6].
При этом, изучение показателей относительного удлинения и сужения даёт основание полагать, что образцы из коррозионностойкой стали 12Х18Н10Т отличаются повышенной хрупкостью, что ограничивает её использование в ответственных конструкциях.
На основании вышеизложенного, можно выделить следующие факторы, влияющие на качество напечатанных изделий:
1. Состояние и характеристики порошка для 3D печати. Такие как фракция гранул, количество окислов и содержание влаги, а также наличие инородных примесей, в частности, оставшихся после использования его в печати ранее.
При использовании порошков от остатков предыдущих печатей необходимо обеспечить качественное просеивание для достижения однородности фракции, исключающее наличие частиц, с размером гранул вне заданного диапазона.
Старые порошки могут быть восстановлены путём смешивания их с новыми в определенных пропорциях, исключающих негативное влияние состояния исходного порошка.
2. Расположение деталей на печатной плоскости, а также размещение поддержек (ферм). В результате испытаний было установлено, что образцы, расположенные горизонтально склонны к отрыву от рабочей пластины в процессе печати из-за неравномерной усадки.
Однако данный эффект может быть нивелирован благодаря корректному размещению ферм, которые помимо поддержания изделия в
процессе печати способствуют равномерному распределению температуры.
3. Режимы печати. Параметры печати задаются для 3D-модели, заранее спроектированной и загруженной в специализированное программное обеспечение, которое осуществляет перевод заданных режимов в код для принтера.
Ошибки в формировании 3D-модели и подготовке параметров могут привести к снижению качества готовой модели и возникновению дефектов, которые не всегда могут быть устранены во время постобработки.
Здесь также важно учитывать возможное изменение конечных габаритов готового изделия после постобработки со снятием металла (пескоструйная обработка, точение и т.д.) для корректной регулировки масштаба 3D-модели перед подготовкой печати.
Литература
1. Распоряжение Правительства РФ от 14.07.2021 N 1913-р «Об утверждении Стратегии развития аддитивных технологий в Российской Федерации на период до 2030 года». Дата обновления: 22 июля 2021 // Доступ из системы ГАРАНТ
2. Barbieri L., Muzzupappa M. Performance-Driven Engineering Design Approaches Based on Generative Design and Topology Optimization Tools: A Comparative Study. // Applied Sciences. Switzerland: MDPI, 2022
3. ГОСТ 1497-84. МЕТАЛЛЫ. Методы испытаний на растяжение. - Взамен ГОСТ 1497-73. - М. : Изд-во стандартов, 1984. - 26 с.
4. Муканов, Э. М. Методы 3D-печати металлами / Э. М. Муканов // Автоматизированное проектирование в машиностроении. - 2023. - № 15. - С. 121-127
5. ГОСТ 5632-72. Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие, жаростойкие и жаропрочные марки. - взамен гост 5632-61. - м. : изд-во стандартов, 1997. - 38 с.
6. ГОСТ 1583-93 сплавы алюминиевые литейные. Технические условия. - взамен гост 1583-89. - М. : Изд-во стандартов, 2003. - 29 с.
