Лазерная система для исследования аддитивного формообразования изделий из металлических порошков Текст научной статьи по специальности «Нанотехнологии»

УДК 621.372.826, 621.7

ЛАЗЕРНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ АДДИТИВНОГО ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ

Сергей Геннадиевич Баев

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, главный специалист, тел. (383)333-24-91, e-mail: baev@ iae.nsk.su

Виктор Павлович Бессмельцев

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, кандидат технических наук, зав. лабораторией лазерной графики, тел. (383)333-24-91, e-mail: bessmelt @iae.nsk.su

Николай Владимирович Голошевский

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, младший научный сотрудник, тел (383)333-24-91, e-mail: nickolayg@iae.nsk.su

Eвгений Петрович Горяев

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер-конструктор, тел. (383)333-24-91, e-mail: goryaev_e@mail.ru

Вадим Викторович Кастеров

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, инженер-электроник, тел. (383)333-24-91, e-mail: kasterov@iae.nsk.su

Константин Константинович Смирнов

Институт автоматики и электрометрии СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск, пр. Академика Коптюга, 1, ведущий инженер-программист, тел. (383)333-24-91, e-mail: kot@ iae.nsk.su

В статье представлены основные результаты работы по созданию экспериментального образца лазерного 3D принтера высокого разрешения для формирования металлических изделий методом послойного сплавления или спекания.

Ключевые слова: лазерная микрообработка, аддитивное производство, селективное лазерное плавление.

LASER SYSTEM FOR STADYING ADDITIVE TECHNOLOGIES OF SELECTIVE LASER MELTING OF METALLIC POWDERS

Sergey G. Baev

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, chief specialist, tel. (383)333-24-91, e-mail: baev@ iae.nsk.su

Victor P. Bessmeltsev

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, Ph. D., Head of Laboratory of the Laser Graphics, tel. (383)333-24-91, e-mail: bessmelt @iae.nsk.su

Nikolay V. Goloshevsky

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, junior research fellow, tel. (383)333-24-91, e-mail: nickolayg@iae.nsk.su

Evgeny P. Goryaev

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, leading constructor, tel. (383)333-24-91, e-mail: goryaev_e@mail.ru

Vadim V. Kasterov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, electronics engineer, tel. (383)333-24-91, e-mail: nickolayg@iae.nsk.su

Konstantin K. Smirnov

Institute of Automation and Electrometry SB RAS, 630090, Russia, Novosibirsk, 1 Аkademik Koptyug Prospect, leading software engineer, tel. (383)333-24-91, e-mail: kot@ iae.nsk.su

The main results of the work on the creation of an experimental sample of a high-resolution laser 3D printer for the manufacturing of metal products by the method of selective laser melting or sintering are presented.

Key words: laser micromachining, additive manufacturing, selective laser melting.

Разработки новых технологий 3D синтеза и прототипирования были начаты в Институте в 90-е годы прошлого века на основе созданного задела по системам точного лазерного сканирования мощным лазерным лучом. Проведены исследования технологий, материалов, технических и программно-аппаратных решений для послойного синтеза: методом фотополимеризации (совместно с ИПЛИТ РАН г. Шатура), из порошковых материалов и с помощью термохимических аддитивных технологий (совместно с ИХТТМ СО РАН), из листовых материалов, формирования 3D объектов методом микрофрезерования.

В рамках участия в «Сибирском металлурго-машиностроительном кластере аддитивных цифровых технологий и производств» создан экспериментальный образец лазерного принтера для проведения исследований трехмерного аддитивного формообразования изделий из металлических порошков методом послойного лазерного сплавления (спекания). Лазерный принтер выполнен по технологии «Bed Deposition», при которой формирование рабочего слоя порошка заданной толщины осуществляется методом его переноса из предварительно заполненного бункера на рабочую платформу с помощью ракеля. Сформированный слой селективно обрабатывается сфокусированным лазерным лучом, при этом частички порошка сплавляются (или спекаются) в соответствии с текущим сечением исходной CAD-модели. Система формирования и позиционирования лазерного излучения реализована на основе двухкоординатного гальванометрического модуля быстрого сканирования и объектива плоского поля. Блок подготовки рабочего слоя помещен в герметичный бокс, что позволяет производить обработку в неактиничной атмосфере инертного газа.

Структура системы управления принтером показана на рис. 1.

Пневматические линии Линии интерфейса обмена данными

М-►

Оптическая связь

Рис. 1. Структура системы управления лазерного принтера

Система содержит управляющий компьютер с установленным программным обеспечением, соединенный при помощи интерфейса Ethernet и USB с системой технического зрения и модулем электроники, обеспечивающим формирование управляющих воздействий для исполнительных модулей и механизмов принтера.

Для управления лазерным принтером разработан контроллер ScanControl_v5, основанный на системе на кристалле (SoC), совмещающей в себе процессор с архитектурой ARM A9 и ПЛИС (программируемую логическую интегральную схему). 32-х разрядный 2-х ядерный процессор ARM используется для организации взаимодействия с персональным компьютером по каналам Ethernet и USB, организацией интерфейса с памятью типа DDR3 и QFLASH, декодирования команд и выполнения сложных вычислительных операций с плавающей точкой. Все функции по управлению модулями лазерной системы реализованы в ПЛИС.

Программное обеспечение управления лазерным принтером обеспечивает выполнение следующих функций:

• импорт трехмерных моделей из файлов в формате STL, их преобразование в отдельные слои для последующего синтеза;

• управление технологическими процессами подачи исходного материала, его разравнивания, лазерной обработки, послойного перемещения синтезируемого изделия;

• контроль технологических параметров по датчикам системы.

САМ модули принтера обеспечивают растровое и векторное формирование слоев. Заполнение слоя производится с заданными скоростью, мощностью, шагом растра и углом растрового заполнения (рис. 2а). Угол растра может автоматически изменяться на каждом новом слое. Режим прорисовки контура слоя задается отдельно. Для больших моделей может быть выбран режим клеточного (шахматного) заполнения с регулируемым размером клетки, специальным алгоритмом обхода клеток и автоматическим изменением обхода, угла и сдвига клетки при сканировании каждого нового слоя (рис. 2б).

В экспериментах по лазерному сплавлению и спеканию был использован металлический порошок марки ПР-12Х18Н10Т производства АО «Полема», г. Тула. Дисперсность исходного материала соответствовала диапазону 0-40 мкм. Дальнейшая обработка исходного порошка заключалась в его классификации с целью удаления фракции с размером частиц менее 10 мкм.

Основной задачей экспериментов было определение технологических параметров процесса лазерного сплавления, а именно значений мощности лазерного излучения пучка и скорости его сканирования для процесса лазерного формообразования с разрешающей способностью не хуже 0,05 мм. Для этого на рабочей платформе лазерного принтера формировался слой порошка толщиной 0,05 мм и записывался тест в виде изолированных линий длиной 10 мм, с расстоянием между соседними линиями 0,2 мм. По результатам экспериментов были выбраны диапазоны мощностей (60-75 Вт) и скоростей сканирования (0,3-0,6 м/с), при которых выполнялись последующие эксперименты по трехмерному моделированию (рис. 3).

Рис. 2а. Растровое заполнение

Рис. 2б. Клеточное заполнение

Рис. 3. Тест формообразования, 15 слоев, толщина слоя 0,05 мм, высота 5мм

Проведенные металлографические измерения и анализ структуры, состава и прочностных характеристик тестовых изделий показал, что образцы по основным характеристикам близки к изделиям полученным методом литья, существенно превосходя их по точности изготовления.

На рис. 4 представлены экспериментальные образцы 3D моделей, изготовленных на лазерном принтере с разрешающей способностью 0,05 мкм.

Рис. 4. 3D модель, диаметр шестеренок 12мм, высота 5 мм, 103 слоя:

а) внешний вид; б) шлиф верней части модели

Основные технические характеристики принтера:

• Максимальный размер изделия

• Спецификация процесса синтеза: - скорость построения

разрешение по XY координатам скорость движения луча при записи скорость перемещения луча, толщина слоя

100 х 100 х 110 мм (высота)

5 см3 - 30 см3 в час 0,003 мм 200-1000 мм/с до 3000 мм/с 0,01-0,1 мм

минимальная толщина стенки дисперсность порошка

0,15 мм 10-45 мкм

• Спецификация лазерного канала:

- диаметр лазерного луча в плоскости записи 50-100 мкм для лазера 500 Вт

- лазер волоконный иттербиевый, ИРЭ-Полюс, Россия 500 Вт

Разработанный в ИАиЭ СО РАН экспериментальный образец лазерного 3D принтера для формирования металлических изделий обладает высоким разрешением, точностью и скоростью обработки, широким диапазоном алгоритмов микрообработки. Созданное программное обеспечение объединяет средства импорта CAD-модели из стандартных (в том числе отечественных) CAD продуктов с оригинальным ПО подготовки, обработки и ПО контроля качества на профилометрах ИАиЭ СО РАН - автоматическое совмещение, поиск границ объектов, определение размеров и формы структурных элементов объекта и эффектов обработки. Адаптивная аппаратно-программная платформа управления принтером, обеспечивает широкие возможности индивидуальной конфигурации системы под заказчика. Стоимость системы в 1,5-3 раза ниже, чем у сопоставимых по характеристикам аналогов.

Работа выполнена при поддержке Правительства Новосибирской области и участников кластера: ЗАО «ЭПОС», ИХТТМ СО РАН, НГТУ.

1. 3D лазерные информационные технологии : монография - Новосибирск : ИАЭ,

• Формат входных данных

• Внешние размеры

• Вес

• Потребляемая мощность

• Инертный газ

файлы формата STL

1540 х 650 х 420 мм 120 кг

220 В, 2,5 кВт Ar/N2, 2,5 л/мин

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

2003. - 550 c.

© С. Г. Баев, В. П. Бессмельцев, Н. В. Голошевский, E. П. Горяев, В. В. Кастеров, К. К. Смирнов, 2017