CC BY
28
_ АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И.С. Полькин
УДК 621.7
DOI: 10.24412/0321-4664-2023-2-7-10
МИНИМИЗАЦИЯ КОРОБЛЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ МЕТАЛЛОПОРОШКОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ
Андрей Олегович Даглдьян, Константин Александрович Донгаузер, Константин Николаевич Москалев, Леонид Борисович Бушуев
АО «ОДК-Авиадвигатель», Пермь, Россия, e-mail: dagldyan-ao@avid.ru
Аннотация. В статье представлена схема минимизации короблений металлических изделий, полученных аддитивным способом, путем внесения предеформаций в исходную геометрическую модель изготавливаемого изделия. Алгоритм внесения предеформаций основывается на использовании численного моделирования в связке с результатами 3D-сканирования реально изготовленных деталей. Схема верифицирована на примере кронштейна авиационного двигателя, когда были получены отклонения точности его изготовления выше допустимых. В результате применения схемы на установке селективного лазерного сплавления получена заготовка детали, которая соответствовала техническим требованиям по точности изготовления.
Ключевые слова: аддитивное производство; селективное лазерное сплавление; математическое моделирование; 3D-сканирование; компенсация короблений
Minimization of the warpage of complex-shaped products made by the selective laser melting of metal powder compositions. Andrey O. Dagld'yan, Konstantin A. Dongauzer, Konstantin N. Moskalev, Leonid B. Bushuyev
JSC UEC-Aviadvigatel, Perm, Russia, e-mail: dagldyan-ao@avid.ru
Abstract. This paper presents a scheme for minimizing the warpage of metal products made by the additive manufacturing due to introducing a pre-deformation into the initial geometric model of the part to be produced. The algorithm for introducing the pre-deformation is based on the use of numerical simulation combined with the results of 3D scanning of actually manufactured parts. The scheme is verified using an aircraft engine bracket as an example, in the situation where deviations of manufacturing accuracy were above permissible limits. As a result of application of the scheme, a part blank that meets the requirement specifications for manufacturing accuracy was produced at the SLM machine.
Keywords: additive manufacturing; selective laser melting; mathematical simulation; 3D-scaning; warpage equalization
Введение
Аддитивное производство (АП) получило широкое распространение в высокотехнологических сферах производства, поскольку оно позволяет быстро создавать изделия сложной фор-
мы, которые невозможно произвести любыми другими методами. Так, например, в авиастроении требуется создание легких и сложных по форме изделий из металла, поэтому АП широко внедрено в авиастроительную отрасль, в част-
ности метод селективного лазерного сплавления (СЛС). Но в АП существует ряд недостатков, связанных с технологией производства, которые не позволяют использовать потенциал технологии на полную мощность. К этим недостаткам можно отнести: отрыв поддержек в процессе печати, трудоемкость удаления поддержек, перегрев заготовки, столкновение лезвия нанесения нового слоя порошка с деталью и возникновение высоких внутренних деформаций, приводящих к короблению формы изделия.
Многие авторы пытаются решить эти проблемы. Так, например, в работе [1] рассматривается проблема предсказания отрыва цилиндрических поддержек в процессе печати по результатам компьютерного моделирования. Авторы [2] представили методику автоматического удаления поддержек с применением многоосевого программируемого инструмента, в работе [3] предложен подход к удалению поддержек для изделия из титана в растворе 5М Н2304 и 0,25М №2Мо04. Но главной и до конца нерешенной проблемой АП остается коробление изделий. Для анализа короблений, как правило, используют численные расчеты методом конечных элементов с применением технологии рождения и смерти элементов [4]. Проблему короблений невозможно решить до конца, но можно постараться уменьшить коробление изделия, изменив форму изделия таким образом, чтобы после изготовления деталь приняла номинальную форму, и отправлять на печать уже предеформированную деталь [5].
Существует несколько способов внесения предеформаций в геометрическую модель изделия. Первый способ - проведение численного моделирования с применением готового проблемно-ориентированного ПО [6], второй способ - использование 3D-сканирования реально изготовленной детали [5]. Но результаты численного моделирования не всегда могут предсказать точное коробление изделия на макроуровне из-за множества неучтенных в процессе моделирования факторов, возникающих при печати (испарение материала, эффект Марангони, учет направления штриховки лазера и т.д.) [7]. А при использовании 3D-сканирования без предварительного численного расчета требуется изготовление заведомо негодной детали, что увеличивает стоимость и время производства.
Схема внесения предеформаций
В работе предложен интегральный метод внесения предеформаций, объединяющий в себе преимущества как численного моделирования, так и 3D-сканирования. Таким образом, на печать не будет отправляться заведомо негодная номинальная геометрическая модель детали, а изготавливаться деталь будет с применением численного предеформирования. Численную предеформацию можно проводить в несколько итераций до тех пор, пока результаты расчета короблений не будут удовлетворять требованиям по точности изготовления детали. Если изготовленная деталь все еще не попадает в допуск, следует получить оцифровку детали на 3D-сканере и по этой оцифрованной геометрии доработать численно предеформи-рованную модель. Блок схема минимизации короблений представлена на рис. 1.
Для численного моделирования применяется классический для задач аддитивного производства метод внутренних деформаций в связке с алгоритмом рождения и смерти элементов. Для получения деформированной геометрической модели изготовленной детали применяется установка 3D-сканирования ДТОБ.
Таким образом, открывается возможность изготавливать часть деталей, которые будут выращены в допуск с первой итерации, и не придется выращивать гарантированно негодную деталь.
Рис. 1. Алгоритм минимизации короблений
Верификация схемы на реальном изделии
Схема верифицирована на примере кронштейна авиационного двигателя, полученного с отклонениями точности изготовления выше допустимых. Геометрия кронштейна с поддержками представлена на рис. 2, материал КХ28М6.
Вычисление остаточных напряжений и деформаций основано на методе внутренних деформаций, который предполагает изготовление тестовых образцов для калибровки параметров материала в связке с конкретной установкой. Таким образом, для моделирования процесса СЛС предварительно были изготовлены калибровочные образцы из материала КХ28М6 на установке РгоХ DMP320 (рис. 3).
Данные о прогибах калибровочных образцов служат для определения внутренних напряжений для каждого расчетного слоя при проведении расчета технологических и остаточных напряжений и перемещений. Результаты расчета в виде отклонений от исходной геометрии кронштейна представлены на рис. 4, на котором видно, что отклонения в кронштейне
Рис. 2. Геометрическая модель
превышают величину максимально допустимого отклонения в 0,2 мм, следовательно, необходимо предеформировать геометрию для уменьшения возникающих отклонений. Далее была создана предеформированная геометрия кронштейна с инвертированными перемещениями по результатам расчета, представленного на рис. 4. Затем проведена серия расчетов пре-деформированной геометрии до тех пор, пока отклонения не станут меньше заданных. На рис. 5 показаны результаты нескольких итераций расчета предеформированной геометрии.
Рис. 4. Расчетные отклонения от исходной геометрии
Рис. 3. Калибровочный образец
Рис. 5. Расчетные отклонения предеформированной геометрии от исходной:
а - первая итерация предеформации; б - вторая итерация предеформации
Рис. 6. Отклонение от номинальной геометрии по результатам изготовления:
а - модель без предеформаций; б - предеформированная модель
Рис. 7. Отклонение от номинальной геометрии по результатам изготовления
Как видно из рис. 5, для компенсации короблений потребовалось провести две итерации внесения предеформаций. Полученная геоме-
трическая модель была передана для печати на 3D-принтере. Результаты обмера оптической метрологической системой ATOS для номинальной и предеформированной геометрии представлены на рис. 6.
Внесение предеформаций позволило существенно снизить итоговое коробление детали, но на детали все еще есть участки, выходящие за пределы допуска 0,2 мм (см. рис. 6). Согласно разработанной схеме проведена дополнительная предеформация по сканированной системой ATOS внешней поверхности выращенной предеформированной модели. Результаты оценки отклонений детали, изготовленной по полученной конечной предеформированной модели, представлены на рис. 7. В результате применения схемы на установке селективного лазерного сплавления получена заготовка детали, которая соответствует техническим требованиям по точности изготовления.
Таким образом, применение схемы позволит с высокой долей вероятности получать годные детали уже с первого выращивания.
Заключение
В работе представлена схема внесения пре-деформаций, позволяющая сократить издержки на производство изделий методом СЛС. Предложенный алгоритм был верифицирован на реально изготовленном кронштейне авиационного двигателя. Внедрение представленной схемы в производственную цепочку изготовления деталей аддитивным способом поможет уменьшить процент брака изделий и избавиться от необходимости выращивать заведомо негодную деталь при первой итерации предеформаций.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Bresson Y., Tongne A., Selva P., Lionel A. Numerical modelling of parts distortion and beam supports breakage during selective laser melting (SLM) additive manufacturing // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2022. Vol. 119(9). P. 5727-5742.
2. Nelaturi S., Behandish M., Mirzendehdel A., de Kleer J. Automatic Support Removal for Additive Manufacturing Post Processing // Computer-Aided Design. 2019. Vol. 115. P. 135-146.
3. Raikar S., Heilig M., Mamidanna A., Hildreth O. Self-terminating etching process for automated support removal and surface finishing of additively manufactured Ti-6Al-4 V // Additive Manufacturing. 2021. Vol. 37. 101694.
4. Maksimov P., Smetannikov O., Dubrovskaya A., Dongauzer K., Bushuev L. Numeric simulation of aircraft engine parts additive manufacturing process // MATEC Web Conf. 2018. Vol. 224. 1065.
5. Afazov S., Semerdzhieva E., Scrimieri D. et al. An improved distortion compensation approach for additive manufacturing using optically scanned data // Virtual and Physical Prototyping. 2021. Vol. 16(1). P. 1-13.
6. Peter N., Pitts Z., Thompson S., Saharan A. Benchmarking build simulation software for laser powder bed fusion of metals // Additive Manufacturing. 2020. Vol. 36. 101531.
7. Soundararajan B., Sofia D., Barletta D., Poletto M. Review on modeling techniques for powder bed fusion processes based on physical principles // Additive Manufacturing. Vol. 47. 2021. 102336.
