Повышение эффективности лазерного спекания порошковых материалов при изготовлении горношахтного оборудования Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

© Н.А. Спарыкина, А.А. Сапрыкин, 2012

Н.А. Спарыкина, А.А. Сапрыкин

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ ПОРОШКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ ГОРНОШАХТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

Рассмотрена проблема повышения качества поверхностного слоя изделий, изготовленных методом селективного лазерного спекания, применяемых в горношахтном оборудовании. Представлено описание специальной экспериментальной установки и четырехфакторного эксперимента по спеканию медного порошка ПМС-1. Предложена математическая модель влияния технологических режимов спекания на шероховатость спеченного поверхностного слоя. Даны рекомендации по повышению качества поверхности изделия-прототипа.

Ключевые слова: горношахтное оборудование, послойное лазерное спекание, режимы спекания, качество поверхностного слоя, экспериментальная установка.

Современная экономика требует ускорения продвижения новой продукции на рынок. Сократить сроки выпуска нового изделия на всех этапах от конструирования и проектирования до изготовления позволяют технологии быстрого прототипирования. Прототипы используются для: оценки эргономики и внешнего вида; оценки функциональности; в качестве мастер-модели [6].

Наиболее перспективной является технология быстрого изготовления прототипов и функциональных изделий методом послойного селективного лазерного спекания физической копии различных объектов из порошковых материалов на основе 3D CAD-модели [3]. Получение сложных деталей из металлических порошковых материалов при селективном лазерном спекании с требуемыми геометрическими и физико-механическими свойствами позволяет значительно расширить сферы использования данной технологии. При этом уменьшение сроков изготовления происходит за счет сведения комплекса типовых процессов в единую технологическую установку, позволяющую изготовить изделия любой сложно-

сти поверхностей и точности без предварительных затрат на подготовку традиционной технологической оснастки [7]. Данная технология предусматривает использование широкого спектра исходных материалов- от пластиков до различных металлических сплавов.

Анализ литературных источников показал, что производители установок послойного синтеза, работающие с металлическими порошками, в спецификации указывают точность используемых механических и оптических систем, минимальную толщину слоя изделия и др. Эти данные отражают технически достижимую точность, которая не всегда соответствует реальным результатам, даже с применением рекомендуемых порошков и на указанных режимах. Сведения по точности изделия и качеству поверхности, как правило, не приводятся. При этом получить качественные изделия можно только в узком диапазоне режимов спекания, ведь в основе процесса спекания лежит термическое воздействие лазерного излучения на порошковый материал, которое сопровождается достаточно сложными и разнообразными по своей природе физическими явлениями, оказывающими значительное влияние на качество поверхности изделия-прототипа [4].

В данной работе представлена оценка влияния технологических режимов спекания, таких как мощность излучения, скорость перемещения луча лазера, шаг сканирования, температура подогрева порошкового материала на качество поверхностного слоя, спеченного из медного порошка ПМС-1 под воздействием непрерывного лазерного излучения. Химический состав порошка: медь- 99,5 %, кислород -0,3 %, свинец- 0,05 %, железо- 0,02 %, другое- 0,13 %.

Исследования проводились на оригинальной установке послойного лазерного спекания, позволяющей регулировать все технологические параметры спекания. Экспериментальная установка представляет собой технологический лазерный комплекс формирования поверхностей деталей сложной пространственной формы. Она включает в себя иттербиевый волоконный лазер ЛК — 100 — В (длина волны 1,07 мкм), трехкоординатный стол, персональный компьютер, система

ЧПУ, устройство засыпки порошка и оригинальное программное обеспечение (рис. 1).

к

1 □н щ

и )

Т 1 ав а 1 си г

Рис. 1. Установка селективного лазерного спекания: 1 — лазер, 2 — трехкоординатный стол, 3 — персональный компьютер

Для теоретического описания процесса лазерного воздействия необходимо найти режимы, при которых происходит эффективное спекание поверхности заданного качества и без дефектов. Математическая модель создана по результатам проведенного четырехфактор-ного эксперимента [5]. В ней учитывается влияние технологических режимов спекания на шероховатость поверхностного слоя.

Уровни и интервалы варьирования выбирались по результатам предварительных поисковых экспериментов. Мощность Р изменялась от 15 до 30 Вт, скорость перемещения лазера V от 200 мм/мин до 3000 мм/мин, температура порошкового материала t от 26 0Ы до 200 0Ы , шаг сканирования s от 0,1 до 0,3 мм. Диаметр пятна лазера при спекании составлял 0,5 мм. Эксперимент был поставлен по программе центрального планирования второго порядка. Реализованы шестнадцать опытов полного факторного эксперимента 24 и семь опытов в центре плана, дополнены восьмью опытами в «звездных» точках [5]. Шероховатость измерялась на цифровом микроскопе ИМЦ 100х50, с точностью 0,01 мм. После преобразований математическая модель получила следующий вид:

RZ = 0,356 + 0,015 • Р + 0,0001 -V + 0,000057 • t + 0,425 • 5 (1)

Графические зависимости влияния режимов спекания на шероховатость поверхности, построенные по формуле (1) представлены на рис. 2 и 3. Влияние мощности и скорости показаны на рис. 2. Увеличение скорости с 200 до 3000

мм/мин, при Р=15Вт приводит к уменьшению Rz с 615 до 280 мкм. Изменение мощности с 15 до 30 Вт увеличивает Rz с 615 до 840 при \/=3000 мм/мин.

........Теор.кривая \/=200мм/мин

Рис. 2. Теоретические кривые по (1) и экспериментальные точки Rz спеченного медного поверхностного слоя в зависимости от мощности лазера и скорости перемещения луча лазера V, при =26>С, s=0,1 мм

На рис. 3 показана зависимость мощности лазера и шага сканирования на Rz . Увеличение шага сканирования с 0,1 до 0,3мм приводит к увеличению шероховатости Rz с 690 до 600 мкм. Изменение мощности с 15 до 30 Вт увеличивает шероховатость 605 до 830 мкм, при S=0,1 мм.

Увеличение мощности в диапазоне от 15 до 30 Вт приводит не только к увеличению шероховатости спеченного поверхностного слоя но и образованию трещин (рис. 4), вследствие увеличения термических напряжений. Таким образом, мощность интенсивно влияет на шероховатость.

Варьирование скорости от 3000 до 200 мм/мин приводит к увеличению шероховатости с Rz 320 до 520 (рис. 2) и появлению поперечных и продольных трещин.

Увеличение шага сканирования изменяет шероховатость Яг с 600 до 820 (рис. 6).

Теор.кривая з=0,1мм -Теор.крмеая 5-0,Змм

■ А Экспе Экспе р .точку р.ТОЧКУ 3=0,Зг им йм

1

■ -... £1

1 1

14 16 16 20 22 24 28 28 30

Р, Вт

Рис. 3. Теоретические кривые по (1) и экспериментальные точки Rz спеченного медного поверхностного слоя в зависимости от мощности лазера и шага сканирования S, при V=200мм /мин и 1=260С

а б

Рис. 4 Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС

V = 200/ / / I ё' ^ = 20С0, в = 0,3/ I : а — Р = 30До, б — Р = 15Ао

а

б

Рис. 5. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС

Р = 15 Вт Г = 200 С, б = 0,3 мм : а — V = 3000 мм / мин, б — V = 200 мм/ мин

а б

Рис. 6. Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2). Режимы СЛС

Р = 30 Вт V = 200 мм/ мин, Г = 200 С: а — б = 0,3 мм, б — б = 0,1 мм

Температура подогрева порошкового материала имеет незначительное влияние на Rz . Мощность излучения, скорость перемещения луча лазера и шаг сканирования являются основными параметрами, влияющими на шероховатость спеченного поверхностного слоя, но температура подогрева порошкового материала должна обязательно включаться в модель управления.

После обработки данных, полученных в процессе эксперимента, составлен график изменения ширины Y и толщины Z спекаемого слоя порошковой меди в зависимости от изменения плотности мощности лазерного излучения Е (рис. 7). Из рис. 7 видно, что вначале при увеличении плотности мощности лазерного излучения происходит плавное увеличение глубины и ширины слоя. Это объясняется увеличением глубины проникновения теплоты, достаточной для спекания порошка. Затем наблюдается резкое увеличение толщины и ширины спекаемого слоя. При сравнении графика и результатов наблюдения за процессом можно обратить внимание, что подъем в графике обусловлен, во-первых, вспучиванием поверхности, а затем образованием усадки и проплавлением. Вероятно, в данном случае сказывается резкое увеличение теплопроводности модельного материала в момент плавления. Далее процесс стабилизируется, и увеличение плотности мощности излучения не

оказывает влияния на толщину и ширину спекаемого слоя порошка [4].

После обработки большого количества экспериментальных данных и наблюдая почти четкую границу изменения качества поверхности спеченного порошкового материала рис. 8, предлагается ввести понятие черновых и чистовых режимов спекания порошковых материалов лазерным излучением. Это позволяет, например, разделить режимы формирования поверхности прототипа и его внутреннего объема. На рис. 9 представлен энергетический спектр воздействия лазерного излучения на металлы [1, 2].

1 у

I 1 1 8 / & / * / г

J 1 /

& * Г У у

^ ф

101 10' 211 103 321 103 431101 541103 Е, Вт/сч2

Рис. 7. График зависимости глубины и ширины спеченного слоя порошка ПМС-1 от плотности мощности лазерного излучения

а б в

Рис. 8. Фотографии поверхности спеченного слоя порошка ПМС-1 (х150): а — качественная поверхность; б — вспучивание поверхности (увеличение шероховатости); в — проплавление

■■■■■■ Уда ъвая энергия, Дж/см2

—- режимы —106

..... — режимы Ш^улл// ю4

102 Ю3 104 106 107 Е, Вт/см2

Рис. 9. Энергетический спектр воздействия лазерного излучения на металлы при послойном лазерном спекании

□

7.

1

1

Рис. 10. Стратегия процесса спекания единичного слоя.

На черновых режимах, более производительных, необходимо формировать основной объем изделия-прототипа. Увеличение шероховатости поверхности (вспучивание) в данном случае играет положительную роль для прочного соединения слоев между собой.

На чистовых режимах обработки производительность процесса послойного синтеза снижается значительно, но при этом отпадает необходимость или значительно снижается трудоемкость дополнительной обработки поверхности прототипа для придания ей высоких точности и качества (рис. 10).

Отделочная обработка может проводиться по необходимости. Режимы отделочной обработки можно назвать форсированными. Они включают в себя высокую плотность мощности излучения с коротким временем воздействия. В результате можно добиться, в зависимости от необходимости, процесса сублимации выступов микронеровностей поверхности или плакирования поверхности прототипа.

Направленное изменение свойств спеченного порошка путем разделения режимов обработки единичного слоя на чистовые для поверхности и черновые для основного объема приведет к повышению производительности процесса послойного лазерного синтеза без ухудшения качества поверхности изделия-прототипа. Эмпирические зависимости дают возможность изменять шероховатость спеченной поверхности в значительных пределах, регулируя технологические режимы лазерной обработки.

- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: справочник/ Под ред. Н.Н. Рыкалина и др. — М.: Машиностроение, 1986. — 496 с.

2. Обработка поверхности и надежность материалов: пер. с англ. / Под. ред. Дж. Бурке, Ф. Вайса. — М.: Мир, 1984. — 192 с.

3. Отто А. Объединение лазерной обработки материалов с процессом формообразования // Фотоника. — 2007. — № 5. — С. 2 — 6.

4. Сапрыкина Н.А., Сапрыкин А.А., Шигаев Д.А. Исследование факторов, влияющих на качество поверхности, полученной лазерным спеканием // Обработка металлов. — 2011. — № 4. — С. 78-82.

5. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. — М.: Машиностроение, 1981. — 184с.

6. Технологии быстрого прототипирования в современном производстве. — http://www. sibai. ru/texnologii-byistrogo-prototi pirovaniya-v-sovrem ennom-proizvodstve.

7. Beaman J.J., Barlow J.W., Bourell D.l., Crawford R. Solid Freeform Fabrication // A New Direction in Manufacturing: With Research and Applications in Thermal Laser Processing. — Kluwer Academic Pub. 1997. — P. 104-106. fi^re

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -

Сапрыкина Наталья Анатольевна — старший преподаватель, nat_anat_sapr@mail.ru,

Сапрыкин Александр Александрович — кандидат технических наук, зав. кафедрой, alex_sapr@rambler.ru,

Юргинский технологический институт (филиал), Национального исследовательского Томского политехнического университета.