CC BY
931
УДК 621.373.826
А.П. Назаров, А.А. Окунькова
ТИПОВЫЕ ОБРАЗЦЫ ИЗДЕЛИЙ,
ПОЛУЧАЕМЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ*
Освещаются вопросы применения метода селективного лазерного спекания для получения типовых образцов изделий. Рассматриваются варианты применения метода селективного лазерного спекания для создания прототипов, моделей и готовых функциональных изделий.
Селективное лазерное спекание, быстрое прототипирование, порошковый материал
* Настоящая работа выполнялась в рамках Постановления Правительства РФ №220 по государственной поддержке научных исследований, проводимых под руководством ведущих учёных в российских вузах.
76
A.P. Nazarov, A.A. Okunkova STANDARD SAMPLES OF THE PRODUCTS RECEIVED BY SELECTIVE LASER SINTERING
The article presents the issues referring the application of selective laser sintering for receiving standard samples of products. Options for the application of selective laser sintering to create the prototypes, models and finished functional products are considered.
Selective laser sintering, rapid prototyping, powders
1. Введение. Последние два десятилетия активно развивается альтернативный способ создания трехмерных объектов, получивший название «быстрое прототипирование». В отличие от классического формообразования, где от заготовки отсекается все лишнее и за счет этого получается деталь, при быстром прототипировании деталь «выращивается» послойным добавлением материала. Такой подход позволяет создавать уникальные изделия, которые практически невозможно получить традиционными методами, например, теплообменники со сложной структурой каналов охлаждения, литейная оснастка для создания корпусов новых двигателей и насосов, фильтрующие элементы, индивидуальные медицинские протезы и др. Наиболее ярким представителем технологий быстрого прототипирования является метод селективного лазерного спекания. Данный метод имеет огромный потенциал для развития возможностей отечественного проектирования и производства.
В статье рассмотрены варианты применения метода селективного лазерного спекания. Приведены образцы готовых функциональных изделий, полученных методом селективного лазерного спекания. Рассмотрены возможности использования данного метода в следующих производственных процессах: литье в песчаные формы, литье по выплавляемым моделям, литье в кокиль, литье под давлением, горячая объемная штамповка, листовая штамповка.
2. Метод селективного лазерного спекания. В методе селективного лазерного спекания порошковый материал послойно спекается лазерным излучением [1]. Для этого нужны мелкодисперсные термопластичные порошки с хорошей вязкостью и быстро затвердевающие, например, полимеры, воск, нейлон, а также возможно использование керамики или металлических порошков с добавкой легкоплавкого связующего. На сегодняшний день также освоено прямое спекание металлических порошков (без добавления легкоплавкого связующего). В герметичной камере (рис. 1), внутри которой происходит весь процесс, порошок предварительно подогревается до температуры, несколько меньшей, чем температура плавления легкоплавкой фазы.
Рис. 1. Схема метода селективного лазерного спекания
Синтезируемая модель расщепляется в компьютере на сечения по информации из файла, который имеет расширение *^Х^ После первое сечение разравнивается механизмом разравнивания порошка по поверхности зоны обработки. Лазерное излучение спекает требуемый контур, затем новый слой порошка насыпается поверх первого слоя, разравнивается (рис. 1) и процесс повторяется.
Слой за слоем формируется изделие. Когда изделие готово, оно извлекается из камеры, а излишки порошка удаляются встряхиванием или зачисткой специальным шпателем. Формирование изделия может происходить в среде газа или вакуума (в зависимости от материала порошка). Удаляемый порошок можно использовать повторно.
Таким образом можно сказать, что сущность метода селективного лазерного спекания заключается в объединении систем автоматического проектирования (САПР) с лазерной технологией послойного синтеза объемных функциональных изделий.
Процесс селективного лазерного спекания происходит в машине для селективного лазерного спекания или СЛС-машине.
3. Область применения. Первоначальным назначением систем быстрого прототипирования была визуализация трехмерных данных. Однако высокая стоимость оборудования, расширение номенклатуры применяемых материалов, увеличение производительности постоянно стимулировали ученых и инженеров к поиску новых областей применения.
Сегодня варианты применения технологии быстрого прототипирования можно разбить на три группы [1]:
- прототипы для оценки проекта и работоспособности изделия;
- модели для дальнейшего производственного процесса;
- готовые функциональные изделия.
Рассмотрим каждую группу более подробно, оценивая потенциал применения в ней селективного лазерного спекания (СЛС).
4. Прототипы для оценки проекта и работоспособности изделия [5]. По функциональному признаку выделить можно три вида прототипов: эскизные, косметические, инженерные.
К эскизным относятся модели, используемые конструкторами на первых этапах разработки. Назначение - визуализация различных идей для более эффективной их оценки с целью выбора из всего множества решений наиболее перспективных вариантов.
Косметические прототипы предназначены для оценки внешнего вида и формы (эргономики) новой детали. Они используются для получения первых комментариев от заказчиков и оперативной коррекции дизайна изделия.
Наконец, инженерные прототипы используются для оценки функциональной пригодности новой разработки. Такие прототипы применяются для оценки сопрягаемости новой детали с существующим окружением (проверка собираемости изделия), а также для выполнения функциональных тестов. Впрочем, последнее возможно только лишь в тех случаях, когда разница между свойствами материалов прототипа и будущего изделия некритична, или можно адекватно отмасштабировать испытательные нагрузки с учетом этой разницы [5].
Создание эскизных и косметических прототипов методом селективного лазерного спекания экономически нецелесообразно (дорогие порошки, мощные лазеры и др.) в сравнении с таким методами, как послойное формирование объемных моделей из листового материала, трехмерная печать, послойная заливка экструдируемым расплавом. Однако для создания инженерных прототипов прямое селективное лазерное спекание является очень актуальным методом, поскольку при использовании металлических порошков свойства моделей достаточно близки к свойствам такого же изделия, полученного классическими методами. Пример функционального прототипа (корпуса насоса), полученного на установке ЕвъШ М (Германия), приведен на рис. 2 а.
Рис. 2. Функциональный прототип, полученный прямым лазерным спеканием металлического порошка (а), отливка, полученная при помощи модели, созданной СЛС-машиной (б)
5. Модели для дальнейшего производственного процесса. Под моделями в данном случае понимаются в основном технологическая оснастка и инструмент. Для многих производственных процессов (все виды литья, объемная и листовая штамповка и т.п.) характерно применение универсального оборудования и специализированного (уникального для каждого типа детали) инструмента [5]. Изготовление каждого комплекта инструмента требует существенных материальных и временных затрат. Кроме того, зачастую необходим квалифицированный ручной труд.
Естественное стремление ускорить и, по возможности, автоматизировать процесс подготовки комплекта техоснастки в единичном и мелкосерийном производстве зачастую можно удовлетворить применением селективного лазерного спекания. В единичном производстве вышесказанное отражается в создании непосредственно инструмента, в мелкосерийном производстве - технологической оснастки.
Для создания инструмента можно выделить три принципиально отличных подхода применения селективного лазерного спекания: прямое использование (комплект инструмента создается СЛС-машиной), непрямое использование (СЛС-машина выдает промежуточный инструмент, с помощью которого изготавливается комплект основного технологического инструмента), производство без инструмента (благодаря использованию селективного лазерного спекания отпадает потребность в традиционном инструменте).
Рассмотрим наиболее интересные примеры использования селективного лазерного спекания для распространенных процессов производства металлических изделий.
Изготовление моделей и литейных форм для различных видов литья. Стоит отметить, что изготовление моделей и литейных форм является (на данный момент времени) основным направлением использования технологии селективного лазерного спекания.
Например, в процессе Rapid Tool фирмы DTM используется Fe-сплав с малым содержанием углерода, имеющий форму частиц 50 мкм, покрытых полимером [1]. Полимерный слой этого порошка расплавляется машиной для лазерного спекания. Полуфабрикат (green part), созданный таким способом, пропитывается растворимым в воде полимерным связующим веществом.
Пропитка осуществляется благодаря капиллярному эффекту в специальной ванне с полимером. Пропитанный полуфабрикат высушивается в вакууме при 50оС в атмосфере азота, таким образом, получается усиленный полуфабрикат.
Усиленный полуфабрикат взвешивается, и по результату взвешивания определяется количество медного сплава, необходимого для пропитки детали. Усиленный полуфабрикат и медный сплав помещают в графитовый тигель. Процесс начинается с того, что в два этапа выдавливается полимерный связывающий агент. Затем деталь нагревают до температуры, при которой железный порошок начинает плавиться и между соседними частицами металла начинают образовываться перемычки. Пока железный порошок не расплавился до конца, пористость остается высокой [3].
Температура печи увеличивается далее, после чего медный сплав, который был добавлен в графитовый тигель, начинает таять и проникать внутрь компонента за счет капиллярного эффекта. После охлаждения до комнатной температуры готовый компонент можно вынимать из печи. Полностью затвердевший компонент имеет в своем составе 60% стали и 40% меди.
Время, требуемое на то, чтобы изготовить полуфабрикат (green part), зависит в основном от ее размера, а не от сложности. При горизонтальных размерах базовой области 180.. .150 мм и высоте 50 мм процедура лазерного спекания полуфабриката длится примерно 2.4 ч. Пропитка полимером и последующая сушка занимают примерно 48 ч. Для завершающей обработки в печи требуется примерно 48 ч.
Таким образом, весь процесс изготовления занимает 5 дней, и это время не зависит от сложности детали. Все процессы выполняются без вмешательства человека; в частности, для завершающего процесса обработки в печи предусмотрено множество функций и соответствующие программы безопасности. По этой причине в расписание работ можно включать и выходные дни. Совокупное время подготовки примерно 4 ч [2]. Данный процесс может применяться в литье в песчаные формы, в литье по выплавляемым моделям, литье в кокиль и литье под давлением.
Литье в песчаные формы и литье по выплавляемым моделям. В данном процессе специализированным инструментом является модель, используемая как шаблон для изготовления литейной формы (песчаной для литья в песчаные формы или керамической для литья по выплавляемым моделям), повторяющей очертания будущей отливки (рис. 3) [5]. Отливка (корпус двигателя), полученная при помощи модели, созданной СЛС-машиной, изображена на рис. 2 б.
Также селективное лазерное спекание может позволить отказаться от использования традиционного инструмента путем прямого создания формы для литья (рис. 4) [5]. При литье в песчаные формы используют порошки, состоящие из песка, зерна которого покрыты фотополимеризующейся смолой. При литье по выплавляемым моделям для «выращивания» модели (рис. 3) подходят только легкоплавкие и сгорающие без расширения порошки, а для создания керамической оболочки (рис. 4) применяют керамические порошки.
Рис. 3. Создание шаблонной модели методом СЛС и использование ее в литье в песчаные формы
и в литье по выплавляемым моделям [5]
Рис. 4. Создание форм для литья методом СЛС и использование их в литье в песчаные формы
и в литье по выплавляемым моделям [5]
Литье в кокиль и литье под давлением [5]. И при литье в кокиль, и при литье под давлением используются многоразовые металлические формы, которые и являются основным технологическим инструментом.
Возможно непосредственное изготовление прочных металлических форм селективным лазерным спеканием (рис. 5) [5]. Материалы порошков - различные металлы и металлические композиции.
ЛИТЬЕ В КОКИЛЬ II ЛИТЬЕ ПОД ДАВЛЕНИЕМ
Рис. 5. Условная схема применения СЛС в процессе литья в кокиль и литья под давлением (прямое изготовление металлической формы) [5]
Следует отметить, что любое изготовление литейной формы напрямую методом селективного лазерного спекания является относительно дорогим приемом. Поэтому такой прием целесообразен для изготовления только сложных и дорогостоящих деталей. Также надо иметь в виду, что всегда
существуют альтернативные методы быстрого прототипирования (послойное формирование объемных моделей из листового материала, трехмерная печать, послойная заливка экструдируемым расплавом), которые могут снизить экономические затраты, но часто приводят к удлинению технологического цикла изготовления детали.
Горячая объемная штамповка [5]. В процессах горячей объемной штамповки разогретая металлическая заготовка деформируется между сдвигаемыми половинками штампа, принимая форму, соответствующую вырезанной в штампе фигуре (рис. 6) [5]. Условия эксплуатации штампов -тяжелейшие: высокие температуры, высокие давления, абразивное трение [8-10, 12]. Из-за этого требования к материалу штампов таковы, что селективное лазерное спекание не в состоянии их выполнить. Поэтому селективное лазерное спекание находит здесь только непрямое применение, например, изготовление сложнопрофильных электродов, которые путем прожига на электроэрозионных станках создают формообразующую поверхность штампов (рис. 6) [5, 13].
Рис. 6. Условная схема применения СЛС в процессе горячей объемной штамповки (изготовление сложнопрофильных электродов) [5]
Листовая штамповка [5]. В данном процессе требования к материалу штампов не столь высоки, как при горячей объемной штамповке (деформация ведется без предварительного нагрева металла, значительно меньше деформационные усилия и, соответственно, давление на инструмент). Поэтому возможно прямое изготовление комплекта штампов, например для рельефной формовки или вытяжки.
6. Готовые функциональные изделия
По своей сути создание готовых функциональных изделий методом селективного лазерного спекания является совершенно новым и независимым производственным процессом. Механические свойства объектов, генерируемых селективным лазерным спеканием, часто позволяют их непосредственное применении в качестве функциональных деталей [5, 14, 15]. Процесс изготовления одной детали с помощью СЛС-машины занимает обычно несколько часов, что порой на несколько порядков медленнее традиционных способов. Однако производство деталей селективным лазерным спеканием не требует разработки и отладки техпроцесса и изготовления специального инструмента - в этом и заключаются основные преимущества данного метода. Очевидно, что такого рода безинструменталь-ное производство становится экономически оправданным в том случае, когда в силу тех или иных причин существует потребность в одной-единственной или нескольких уникальных деталях. Это могут быть экспериментальные образцы для испытаний, функционально-градиентные изделия [4, 11], имплантаты [2, 7] и др. (рис. 7).
а) б)
Рис. 7. Детали, изготовленные из металлических порошков, с рекламного проспекта установки РИепіх РМ 250 (Франция) (а), деталь, изготовленная из металлического порошка со сложной структурой каналов охлаждения (б) [11]
Заключение. Варианты применения технологии быстрого прототипирования можно разбить на три группы: прототипы для оценки проекта и работоспособности изделия, модели для дальнейшего производственного процесса, готовые функциональные изделия. В каждой из этих трех групп находит широкое применение метод селективного лазерного спекания, который является ярким представителем быстрого прототипирования.
Метод селективного лазерного спекания имеет огромный потенциал для создания совершенно нового и независимого производственного процесса, а также уже находит применение в классических производственных процессах таких как: литье в песчаные формы, литье по выплавляемым моделям, литье в кокиль, литье под давлением, горячая объемная штамповка, листовая штамповка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Шишковский И.В. Перспективы быстрого прототипирования для изготовления моделей и литейных форм / И.В. Шишковский // Литейное производство. 2010. № 6. С. 23-29.
2. Шишковский И.В. Лазерный синтез функционально - градиентных мезоструктур и объемных изделий / И.В. Шишковский. М.:Физматлит, 2009. 424 с.
3. Шишковский И.В. Использование селективного лазерного спекания в литье по выплавляемым моделям / И.В. Шишковский // Литейное производство. 1999. № 7. С. 19-22.
4. Шишковский И.В. Лазерный синтез объемных изделий / И.В. Шишковский // Обзорный доклад на семинаре Отделения квантовой радиофизики ФИАН им. П.Н. Лебедева, декабрь 2009, Москва.
5. Кузнецов В. Системы быстрого изготовления прототипов и их расширения / В. Кузнецов // CAD/CAM/CAE Observer №4 (13) 2003.
6. Functional graded material synthesis via Direct Metal Deposition / I. Yadroitsev, I.V. Shishkov-sky, P. Bertrand, I. Smurov // Proceedings of the Fourth International WLT-Conference on Lasers in Manufacturing 2007, Munich, 18-22 June 2007. P. 16.
7. Назаров А.П. Перспективы быстрого прототипирования методом селективного лазерного спекания/плавления / А.П. Назаров // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. № 4. Т. 1 (16). С. 46-51.
8. Окунькова А. А. Комплекс контроля геометрических параметров продукции термопластав-томата: разработка структурной схемы / А.А. Окунькова // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. № 2. С. 75-79.
9. Рыбаков А.В. Решение задач технологической подготовки производства деталей, получаемых методом электроэрозионной проволочной обработки (на примере деталей пресс-форм в Pro/Engineer) / А.В. Рыбаков, А.А. Окунькова // Вестник Брянского государственного технического университета. 2009. №1 (21). С. 20-28.
10. Cutting tools nitriding in plasma produced by a fast neutral molecule beam / A. Metel, S. Grigoriev, Y. Melnik, V. Panin, V. Prudnikov // Japanese Journal of Applied Physics. 2011. Vol. 50 (8 part 2). P. 08JG04-1-08JG04-4.
11. Аддитивное производство с помощью лазера / И.Ю. Смуров, И.А. Мовчан, И. А. Ядроицев, А.А. Окунькова, Е.В. Цветков, Н.Ю. Черкасова // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. Т. 2. № 4. С. 144-146.
12. Григорьев С.Н. Перспективы развития кросплатформенных компьютерных систем числового программного управления высокотехнологичного оборудования / С.Н. Григорьев, А.Г. Андреев, Г.М. Мартынов // Автоматизация в промышленности. 2011. № 201105. С. 03-08.
13. Григорьев С.Н. Модификация поверхности режущего инструмента из быстрорежущей стали путем вакуумно-плазменной обработки / С.Н. Григорьев, М.А. Волосова, В.Н. Климов // Физика и химия обработки материалов. 2005. № 5. С. 11-18.
14. Григорьев С.Н. Технология комбинированного поверхностного упрочнения режущего инструмента из оксидно-карбидной керамики / С.Н. Григорьев, М.А. Волосова // Вестник машиностроения. 2005. № 9. С. 32-36.
15. Григорьев С.Н. Разработка теории непрерывного формообразования изделий из ультра-дисперсных композиционных порошковых материалов / С.Н. Григорьев, А.Н. Красновский // Вестник МГТУ «Станкин». 2011. № 1. С. 12-16.
Назаров Алексей Петрович - AlexeyP.Nazarov -
аспирант кафедры «Станки» Postgraduate
Московского государственного технологического Machines Department
университета «Станкин» Moscow State Technological University «Stankin»
Окунькова Анна Андреевна - Anna A. Okunkova -
кандидат технических наук, Ph. D., Senior Researcher
старший научный сотрудник Moscow State Technological University «Stankin»
Московского государственного технологического университета «Станкин»
Статья поступила в редакцию 12.06.12, принята к опубликованию 06.09.12
