CC BY
23
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
КОНСТРУКЦИЯ УСТАНОВКИ С СИСТЕМОЙ КОНТРОЛЯ ЮСТИРОВКИ
УСТРОЙСТВА НАНЕСЕНИЯ СЛОЕВ ПОРОШКА ДЛЯ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ _ПОЛИЭФИРКЕТОНА*_
* Данная работа проводилась в рамках государственного контракта № 14^56.17.21.49-МК от 22 февраля 2017 г.
Назаров Алексей Петрович1, Скорняков Иннокентий Алексеевич2,
Денисов Александр Сергеевич3
ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», Россия 127055, Москва, Вадковский пер. 1 2ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», Россия 127055, Москва, Вадковский пер. 1 3АО «ОКБГидропресс», Россия 142103, Подольск, Орджоникидзе, 21
Ключевые слова: селективное лазерное спекание, установка, конструкция, полиэфиркетон.
Резюме. В данной работе представлена конструкция первой в России аддитивной установки с системой контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка для селективного лазерного спекания материалов на основе полиэфиркетона.
Введение
Селективное лазерное спекание (далее СЛС) является одним из наиболее перспективных методов в аддитивных технологиях [1-8]. СЛС позволяет изготавливать изделия с уникальной формой и физико-механическими свойствами [1-8]. Например, детали, изготовленные по технологии СЛС из некоторых видов порошков на основе полиэфирке-тона, имеют высокие значения предела прочности (до 95 МПа против 45 МПа для обычных полиамидов) и модуля Юнга (до 4400 МПа против 1500 МПа для обычных полиамидов), обладают высокой теплостойкостью (сохранение физико-механических свойств при кратковременном воздействие температуры до 310° С и при долговременном воздействии температуры 260° С), а также отличной биосовместимостью и изолирующими (диэлек-тричсекими) свойствами [9-10]. Набор данных свойств в сочетании с возможностями метода СЛС позволяет создавать уникальные детали. Данные детали все чаще находят применение в аэрокосмической отрасли, медицине, авто- и мотоспорте [912]. Следует отметить, что в КБГУ впервые в России разработан синтез целого спектра материалов на основе полиэфиркетонов, в том числе, в порошковом виде с необходимыми для СЛС гранулометрическими характеристиками [13-14]. В России аддитивных установок, работающих по технологии СЛС с порошками на основе полиэфиркетона, не существует, что ограничивает возможности российских предприятий, занимающихся выпуском наукоемкой продукции.
Целью данной работы является описание конструкции российской аддитивной установки с системой контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка для селективного лазерного спекания материалов на основе полиэфиркетона.
Анализ установок-аналогов
Анализ установок-аналогов ведущих мировых производителей [9-10, 19-20] показал, что в мире существует только одна установка способная работать по технологии СЛС [9] с материалом на основе полиэфиркетона. Это установка Eosint P800 фирмы Electro Optical Systems (EOS) (Германия). Политика данной фирмы в России сводится к тому, что вместе с установкой покупателю поставляется закрытое программное обеспечение, которое не позволяет управлять процессом изготовления детали, а также установка может работать только с одним типом порошка на основе полиэфирэфиркетона иностранного производства, который также поставляется только фирмой производителем установки. Информация о технических характеристиках (помимо приведенных в рекламных проспектах и на официальном сайте) установки Eosint P800 в научной и технической литературе отсутствует, не говоря уже о конструктивных решениях, принятых при ее разработке. Известно только, что установка Eosint P800 разработана в результате серьезной доработки установки Eosint P760 с учетом подогрева рабочего пространства до 385 °С.
Особенности технологии СЛС для порошков на основе полиэфиркетона
Рис. 1. Схематическое изображение СЛС для изготовления деталей из полиэфиркетона: 1- платформа, 2 - нагреватель, 3 - сменная рама, 4 и 5 -нагреватели, 6 - рабочая камера, 7 -двойной нож, 8 - шлице-вой вал, 9 - дозатор, 10 - шлицевой вал, 11 - бункер сбора порошка, 12 - верхние нагреватели, 13 - дозатор, 14 - бункер сбора порошка, 15 - лазерно-сканирующая система
Из литературных источников [9-12] известно, что наилучшими физико-механическими характеристиками обладают детали из полиэфиркетона, полученные по специальной технологии СЛС, имеющей ряд принципиальных отличий от технологии СЛС для обычных полиамидов и металлов. Опишем основные этапы технологии СЛС для изготовления деталей из полиэфиркетона (рис.1): а) встроенные в платформу и сменную раму нагреватели разогреваются до температуры 360°С; б) проводится прокачка защитным газом Азотом рабочей камеры до необходимой чистоты и вся установка выстаивается в течении двух часов для равномерного нагрева всех ее элементов с целью исключения их теплового искажения при работе; в) платформа опускается на толщину наносимого первого слоя порошка (обычно 120 мкм); г) двойной нож подъезжает в крайнее левое положение под шлицевый вал и из дозатора при помощи шлицевого вала дозируется с запасом необходимая порция порошка в нож; д) нож перемещается в крайнее правое положение (показано пунктиром) по ходу движения нанося и разравнивая на платформе первый слой порошка; е) при помощи верхних нагревателей проводится подогрев нанесенного слоя порошка до температуры 3850С; и) платформа опускается на толщину второго наносимого слоя порошка; ж) нож при помощи шлицевого вала и дозатора по аналогии наносит второй слой порошка поверх первого слоя на платформе, сбрасывая излишки порошка в бункер сбора порошка; з) процесс нанесения предварительных слоев порошка (всего наносится около пятидесяти слоев) проводится по пунктам г-к без обработки лазерным излучением и нужен для равномерного прогрева установки с порошком, а также проверки правильности установки ножа относительно платформы, при этом нагреватели поддерживают постоянную температуру нанесенных слоев порошка около 3600С; и) если нож выставлен относительно платформы правильно начинается
непосредственное изготовление детали; к) поверх пятидесяти разогретых слоев порошка наносится пятьдесят первый слой порошка; л) проводится подогрев пятьдесят первого слоя порошка до температуры 385°С при помощи верхних нагревателей; м) при помощи лазерно-сканирующей системы проводится спекание лазерным лучом порошка в отдельных зонах нанесенного слоя в зависимости от формы изготавливаемой детали; н) далее наносится новый слой порошка и процесс повторяется до полного изготовления детали; о) после окончания построения всей детали, она очень медленно вместе с объемом неспеченного порошка остывает в установке в сменной раме при помощи управления нагревателями (время остывания как правило в два раза больше времени построения детали); п) после полного остывания детали вместе с неспечен-ным порошком, сменная рама удаляется из установки и перемещается в станцию очистки, где деталь подвергается очистке от неспеченного порошка.
Основные технические характеристики и требования к разрабатываемой установке
С целью изготовления различных крупногабаритных деталей, учитывая особенности технологии СЛС для порошков на основе полиэфиркетона, к установке были предъявлены следующие технические требования (приведены наиболее сложнореа-лизуемые характеристики): а) возможность СЛС для различных типов порошков на основе поли-эфиркетона; б) рабочая зона 500 х 500 х 300 мм (длина х ширина х высота); в) предварительный подогрев нанесенного слоя порошка до 3850С с точностью по всей площади 500 х 500 мм ±20 С; г) защитная атмосфера Азота (чистота до 99,8%); д) точность наносимого слоя порошка ±10 мкм; е) возможность поддержания и управляемого медленного охлаждения всего объема изготавливаемой детали с неспеченным порошком от 3850 С до 200 С;
ж)озможность автоматизированного контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка; з) возможность изменения распределения интенсивности лазерного излучения в пятне с «гаусс» на «обратный гаусс» или «топ-хэт».
Проблематика разрабатываемой установки
Основные технические характеристики и требования, предъявляемые к разрабатываемой установке, в сочетании с особенностями технологии СЛС для порошков на основе полиэфиркетона усложняют задачу конструкторской разработки, поскольку вызывают ряд проблем: а) тепловые деформации в силовых рамах установки; б) использование специальных материалов для деталей и узлов, находящихся под нагревом; в) использование специальных материалов для пружин, находящихся под нагревом (стандартные пружины рассчитаны на работу при температурах до 200-300 °С); г) тепловые воздействия на сканирующую лазерную систему установки (защита оптических приборов от высоких температур, а также от термических расширений и искажений); д) герметизация рабочей камеры (большинство стандартных уплотнений реально работают при температурах до 280-300 °С); е) тепловая изоляция рабочей камеры; ж) система контроля тепловой картины процесса СЛС.
Описанные выше проблемы решены только в единственной в мире установке Eosint P800. Установки Eosint P800 являются лабораторными, производятся в единичных экземплярах под конкретного заказчика и могут работать только с одним порошковым материалом EOS PEEK HP3. Следует также учитывать, что разработчики находились в условиях крайне ограниченных ресурсов, а именно: время от разработки до изготовления 1,5 года; объем финансирования составил 30% от стоимости
сериинои немецкой установки; возможности российской промышленности крайне ограниченны в сравнении с иностранными. Все это несомненно являлось важными факторами, влияющими на конструктивные решения, принимаемые при разработке российской установки.
Описанная в данной работе аддитивная установка с системой контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка для СЛС порошков на основе полиэфиркетона (далее установка) является разработкой ОАО НИАТ [15] при содействии специалистов МГТУ «СТАНКИН» [16] и КБГУ [14]. Финансирование работ осуществлялось Фондом Перспективных Исследований [17]. Описание научных результатов работы дополнительно финансировалось министерством образования РФ [18].
Аддитивная установка с системой контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка для селективного лазерного спекания порошков на основе полиэфиркетона
В результате подробной конструкторской и технологической проработки была разработана аддитивная установка с системой контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка для селективного лазерного спекания материалов на основе полиэфиркетона. Внешний вид установки изображен на рис. 2. Установка оснащена генератором азота и станцией охлаждения, которые на рис. 2 условно не показаны. Разрез вдоль установки с основными узлами приведен на рис. 3. В данном труде дан общий взгляд на разработанную конструкцию установки, более подробное описание каждого узла будет приведено в дальнейших публикациях.
Рис. 2.
Внешний вид установки (наружные панели условно показаны прозрачными). Габариты 2470 х 1570 х 2480 мм (длина х ширина х высота). Генератор Азота и станция охлаждения условно не показаны.
При разработке установки приходилось постоянно решать две противоречивые задачи: 1) в защитной атмосфере Азота (чистотой 99,8%) необходимо было реализовать предварительный подогрев нанесенного слоя порошка до 3850 С, а также поддерживать весь объем изготавливаемой детали вместе с неспеченным порошком при температуре 360° С с последующим медленным управляемым остыванием до 20° С; 2) необходимо сохранить точность наносимого слоя порошка в 120±10 мкм на всей площади рабочей зоны 500 х 500 мм, а также сохранить сфокусированное лазерное пятно и точность его позиционирования при лазерной обработке. Задачу предварительного подогрева нанесенного слоя порошка до 385° С и поддержания всего объема изготавливаемой детали вместе с неспеченным порошком при температуре 360°С с последующим медленным управляемым остыванием до 20° С удалось решить благодаря следующим нагревательным элементам (рис. 3): кварцевым нагревателям, установленным в верхней части камеры защитной; плоским керамическим нагревателям, встроенным в рабочий стол верхний и в сменную раму. Кон-
5 , 18 15
троль точности предварительного подогрева нанесенного слоя порошка до 385° С осуществлялся благодаря пирометру (на рисунках условно не показан) установленному в верхней части камеры защитной. Задачу сохранения точности наносимого слоя порошка в 120±10 мкм на всей площади рабочей зоны в 500 х 500 мм, а также сохранения сфокусированного лазерного пятна и точности его позиционирования при лазерной обработке удалось решить благодаря введению в конструкцию множества дополнительных водяных, газовых и воздушных контуров охлаждения, предотвращающих возникновение тепловых деформаций в элементах установки, а также защищающих от перегрева электрические разъемы, датчики, оптические элементы и др. элементы установки, работа которых невозможна при нагреве более чем на 40-50° С. Основные контуры охлаждения установки приведены на рис. 7.
В разработанной установке предусмотрена система контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка, которая описана ниже.
В настоящий момент времени активно ведется изготовление разработанной установки.
,11 4 Д6
13 19 14 6 3 20 7
Рис. 3. Разрез вдоль установки с основными узлами: 1- рама силовая; 2 - кабинет; 3 - устройство поджима сменной рамы; 4 - устройство поджима бункера подачи порошка правое; 5 - устройство поджима бункера подачи порошка левое; 6 - узел рабочей зоны с механизмом прецизионного вертикального перемещения рабочего стола; 7 - устройство поджима бункера сбора порошка правое; 8 - устройство поджима бункера сбора порошка левое; 9 - рама силовая для защитной камеры; 10 - дверь теплозащитная (не показана); 11 - стакан сканирующей лазерной системы; 12 - подузел камера защитная; 13 -сменная рама; 14 - рабочий стол верхний; 15 - лазерно-сканирующая система; 16 - шкаф электроавтоматики; 17 - шкаф пневмо-газового оборудования, 18 - кварцевые нагреватели, 19 - плоские керамические нагреватели, 20 - плоские керамические нагреватели.
Рис. 7. Дополнительные контуры охлаждения установки: 1- воздушное охлаждение защитного ZnSe-стекла со стороны сканатора; 2 - охлаждение защитным газом привода механизма разравнивания порошка; 3 - водяное охлаждение плиты с нанесенным порошком; 4 - водяное охлаждение фланца подузла
стакан сканирующей лазерной системы, на котором установлен защитное ZnSe-стекло; 5 - водяное охлаждение штанги перемещающей рабочий стол; 6 - водяное охлаждение рамки устройства поджима сменной рамы; 7 - охлаждение защитного ZnSe-стекла защитным газом со стороны рабочей камеры. Помимо данных контуров на все индуктивные датчики положения в устройстве поджима сменной рамы реализован локальный поток воздуха для предохранения от перегрева.
Разработка принципов функционирования системы контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка установки селективного лазерного спекания
Соблюдение точности толщины для каждого наносимого слоя ±10 мкм (см. «Основные технические характеристики и требования к разрабатываемой установке») порошка на всей длине и ширине 500 мм, в условиях значительного нагрева до 385° С во многом зависит от правильной высокоточной юстировки устройства нанесения слоев порошка относительно платформы, на которую наносятся слои. До недавнего времени правильная юстировка устройства нанесения слоев порошка проводилась в ручном режиме оператором перед началом спекания порошка при настройке установки. Далее процесс изготовления детали проводился в автоматическом режиме, без контроля устройства нанесения слоев порошка. В случае неправильной изначальной юстировки и/или последующем отклонении устройства нанесения слоев порошка возникают дефекты в наносимом слое порошка в виде полос или
неровностей, приводящие в последствии к потере качества или разрушению изготавливаемой детали. Разработанная установка снабжена автоматизированной системой контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка, основанной на оценке тепловой картины нанесенного слоя порошка. Функционирования этой системы контроля основано на следующих принципах (рис. 8): а) разравнивающий двойной нож выставляется оператором в ручном режиме перед началом работ относительно верхней поверхности платформы; б) разравнивающий двойной нож всегда имеет перекос относительно верхней поверхности платформы и при нанесении слоя порошка из крайнего левого положения (рис. 8, а) толщина наносимого слоя определяется лезвием 4; в) при нанесении слоя порошка из крайнего правого положения (рис. 8, б) толщина наносимого слоя определяется лезвием 5, таким образом, разность толщин для наносимого слоя из крайнего левого положения и крайнего правого положения составит 5 мкм; г) нагреватели, установленные над наносимым слоем порошка, в случае
правильной настройки, сообщают одинаковое количество тепла каждому нанесенному слою порошка; д) пирометр, установленный над нанесенным слоем порошка и фиксирующий нагрев нанесенного слоя порошка, будет фиксировать немного отличающиеся значения нагрева для слоев порошка, нанесенных из крайнего левого положения и слоев порошка, нанесенных из крайнего правого положения из-за разности толщины слоев величиной 5; е) просуммировав, значения нагрева для нескольких слоев порошка, нанесенных из крайнего
левого положения и слоев порошка, нанесенных из крайнего правого положения можно будет однозначно сделать вывод о степени перекоса разравнивающего двойной ножа относительно верхней поверхности платформы; ж) контроль юстировки двойного ножа по описанным выше принципам необходимо проводить перед началом построения для проверки правильности юстировки оператором, а также непосредственно в процессе построения.
а)
б)
Рис. 8. Схематичное изображение функционирования системы контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка для установки СЛС поли-эфиркетонов: а - нанесение слоя порошка из крайнего левого положения, б - нанесение слоя порошка из крайнего правого положения.
Выше описанные принципы позволят в автоматическом режиме контролировать юстировку устройства нанесения слоев порошка в разработанной установке СЛС, однако для их полной реализации на практике необходима серия экспериментов с определением целого ряда эмпирических величин и связей (например, времени включения нагревателей, силы питающего тока нагревателей, момент и продолжительность включения пирометра, необходимое минимальное количество слоев для суммирования теплового нагрева с целью однозначного определения перекоса двойного ножа, связь между углом наклона перекоса двойного ножа и разницей сообщаемого тепла для минимального количества суммируемых слоев и т.д.). Все эти исследования планируется провести при пуско-наладке разработанной установки.
Заключение
В данной работе представлена конструкция первой в России аддитивной установки с системой контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка для селективного лазерного спекания материалов на основе полиэфиркетона. Приведены ее общий вид с разрезами, описаны виды и типы контуров охлаждения, а также раскрыты принципы функционирования системы контроля юстировки устройства нанесения слоев порошка. Данные материалы могут быть полезны разработчикам аддитивного оборудования.
Список литературы
1. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально - градиентных мезоструктур и объемных изделий. - М.:ФИЗМАТЛИТ, 2009 - 424 с.
2. Назаров А. П. Перспективы быстрого про-тотипирования методом селективного лазерного спекания/плавления // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. № 4. С. 46-51.
3. Волосова М.А., Окунькова А.А. Пути оптимизации процесса селективного лазерного плавления при помощи выбора стратегии обработки лазерным лучом // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2012. Т14. №4 (2). С. 587-591.
4. Тарасова Т.В., Назаров А.П. Исследование процессов модификации поверхностного слоя и изготовления трехмерных машиностроительных деталей посредством селективного лазерного плавления // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2013. №2 (25). С. 17-21.
5. Тарасова Т.В., Гвоздева Г.О. Структурооб-разование в заэвтектических сплавах системы Al-Si при лазерной обработке поверхности // Упрочняющие технологии и покрытия. 2012. № 12 (96). С. 35-40.
6. Gibson I., Rosen D. W., and Stucker B. Additive Manufacturing Technologies: Rapid Prototyping to Direct Digital Manufacturing. — New York, NY: Springer. — 2009
7. Григорьев С. Н., Тарасова Т. В., Назаров А. П. Влияние термообработки на структурно-фазовый состав и свойства жаропрочных кобальтовых сплавов, полученных методом селективного лазерного плавления // Перспективные материалы. 2014. №7 (2). С. 73-80.
8. Григорьев С.Н. Решение задач технологического перевооружения машиностроения // ИТО: Инструмент - технология - оборудование. 2008. № 10. С. 14-19.
9. Additive manufacturing = аддитивное производство [электронный ресурс] : офиц. сайт / компания «Electro-optical Systems». — Краилинг, Германия, 2000. — Режим доступа: http://www.eos.info/ (дата обращения 14.08.2017).
10. Официальный сайт ООО «ИФ АБ Универ-сал»[электронный ресурс] : офиц. сайт // ООО «ИФ АБ Универсал» — Режим доступа: http://abuniversal.ru/ (дата обращения 14.08.2017).
11. S. Berretta, K.E. Evans, O. Ghita. Processability of PEEK, a new polymer for High Temperature Laser Sintering (HT-LS) // European Polymer Journal, Volume 68, July 2015, Pages 243266.
12. M.Schmidt, D.Pohle, T.Rechtenwald. Selective Laser Sintering of PEEK// CIRP Annals - Manufacturing Technology, Volume 56, Issue 1, 2007, Pages 205-208.
13. Саламов А.Х., Микитаев А.К., Беев А.А., Беева Д.А. Синтез полиэфиркетонов и полиэфир-эфиркетонов // Современные наукоемкие технологии. 2016. № 4 (часть 1). С. 53-56.
14. Официальный сайт ФГБОУ ВО ВПО «Кабардино-Балкарский государственный университет им. Х.М. Бербекова» [электронный ресурс] : офиц.
сайт // КБГУ — Режим доступа: http://www.kbsu.ru/ (дата обращения 14.08.2017).
15. Официальный сайт ОАО НИАТ [электронный ресурс] : офиц. сайт // ОАО НИАТ — Режим доступа: http://www.niat.ru/ (дата обращения 14.08.2017).
16. Официальный сайт ФГБОУ ВО ВПО «МГТУ «СТАНКИН» [электронный ресурс] : офиц. сайт // МГТУ «СТАНКИН» — Режим доступа: http://www.stankin.ru/ (дата обращения 14.08.2017).
17. Официальный сайт Фонд Перспективных Исследований [электронный ресурс] : офиц. сайт // ФПИ — Режим доступа: http://fpi.gov.ru/ (дата обращения 14.08.2017).
18. Официальный сайт Министерства образования науки Российской Федерации [электронный ресурс] : офиц. сайт // Минобр РФ — Режим доступа: http://минобрнауки.рф/ (дата обращения 14.08.2017).
19. Официальный сайт фирмы «Concept Laser» [электронный ресурс] : офиц. сайт // компания «Concept Laser». — Режим доступа: http://www http://www.concept-laser.ru (дата обращения 14.08.2017).
20. Официальный сайт фирмы «3D Systems» [электронный ресурс] : офиц. сайт // компания «3D Systems». — Режим доступа: http://www.3dsystems.com (дата обращения 14.08.2017).
СРОК ДОСТАВКИ ГРУЗА - ВАЖНОЕ КОНКУРЕНТНОЕ _ПРЕИМУЩЕСТВО_
Псеровская Елена Дмитриевна
канд. техн. наук, доцент кафедры «Логистика, коммерческая работа и подвижной состав», Сибирский государственный университет путей сообщения,
Россия, г. Новосибирск Балаганская Анастасия Сергеевна аспирант кафедры
«Логистика, коммерческая работа и подвижной состав», Сибирский государственный университет путей сообщения,
Россия, г. Новосибирск
Аннотация
В статье рассматривается одно из главных преимуществ использования услуги «Грузовой экспресс» - сокращенный срок доставки. Особое внимание уделяется одному из перспективных направлений развития услуги - ежедневное формирование и отправления поезда. Производится оценка влияния от увеличения частоты отправления поезда на производителей и потребителей перевозимой продукции.
Abstract
The article considers one of the main advantages of using the «Cargo Express» service - shortened delivery time. Particular attention is paid to one of the promising areas of the development of the service - the daily formation and departure of the train. The effect of increasing the frequency of train departure on producers and consumers of products is evaluated.
Ключевые слова: грузовой экспресс, срок доставки, срок реализации, грузовые перевозки, услуга.
Keywords: cargo express, delivery time, implementation period, freight operation, service.
В сфере грузовых перевозок существенная конкуренция возникает между железнодорожным и автомобильным транспортом. Она наиболее ощутима примерно с отметки 1500 км. Из-за специфики построения железнодорожных тарифов и большой
продолжительности начально-конечных операций, железнодорожный транспорт не может эффективно конкурировать с автомобильной перевозкой, таким образом на данном расстоянии автомобильный транспорт может обеспечить несопоставимо более
