Адитивные технологии и получение металлопорошковых материалов

 

 

 

 

 

МОСКОВСКИЙ

орденов Ленина, Октябрьской Революции

и Трудового Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н. Э. Баумана

Кафедра МТ-12

Реферат на тему:

«Адитивные технологии

и получение металлопорошковых

материалов»

 

 

Студент ( Сосновский К.Г. ) МТ12-101

 

 

 

 

 

Москва - 2014

Содержание

Введение                                                                                                                                      3

1.Классификация                                                                                                                       4

2.Сферы применения «металлических» AMтехнологий                                              6

3.Машины и оборудование для выращивания изделий из металла                       8               

4. Материалы для «металлических»  AMмашин                                                            25

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение.

 

 Технология  «трехмерной печати» появилась  в конце 80-х годов прошлого  века. Пионером в этой области  является компания 3D Systems, которая разработала первую коммерческую стереолитографическую машину – SLA – Stereolithography Apparatus (1986 г). До середины 90-х годов она использовалась главным образом в научно- исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. Первые лазерные машины – сначала стереолитографические (SLA- машины), затем порошковые (SLS-машины), были чрезмерно дороги, выбор модельных материалов весьма скромный. Широкое распространение цифровых технологий в области проектирования (CAD), моделирования и расчетов (CAE) и механообработки (CAM) стимулировало взрывной характер развития технологий -печати, и в настоящее время крайне сложно указать область материального производства, где в той или иной степени не использовались бы -принтеры.

И, тем не менее, прогресс не просто очевиден, он – фантастический, если иметь в виду, что первые аддитивные машины появились на рынке всего 20 лет назад. Но уже производится синтезированная металлическая технологическая оснастка, изготавливаются инструменты, детали авиалайнеров, спутников, ракет, подводных лодок, уже есть десятки тысяч протезов и имплантов, ювелирных изделий и многое другое, что невозможно было себе представить несколько лет назад. И есть все основания полагать, что аддитивные технологии уже в самое ближайшее время приобретут статус стратегически важных, приоритетных технологий машиностроения. Во всяком случае в США это уже произошло. Летом 2012 года в городе Янгстоун (Youngstown, Ohio) был открыт National Additive Manufacturing Innovation Institute NAMII– первый из 15 институтов чисто технологической направленности, создаваемых по инициативе Президента Обамы с целью, по заявлению Департамента торговли, «ускорить инновационное развитие и усилить конкурентоспособность США». Всего на создание 15-ти институтов выделено около $1 млрд. Машинный парк института уже включает 10 аддитивных машин, причем три из них Renishaw AM 250, ExOne MLab и POM Synergy 5 – это самые современные машины для синтеза деталей из металла.

В в проффесиональном языке авиастроителей есть фразеологизм “buytofly” ratio, который можно перевести как «отношение того, что купил, к тому, что полетело», т. е. сколько материала было куплено и сколько реально «полетело» в качестве детали в составе самолета. По разным данным это отношение составляет 15:1 или даже 20:1 для сложных деталей. Использование аддитивных технологий позволяет свести этот показатель до 1,5-2,0:1 [1]. Машины, строящие детали из металла - поистине верх инженерного искусства. Здесь сконцентрированы самые передовые знания по металлургии, лазерной технике, оптике, электроники, системам управления, измерительным устройствам, механике, вакуумной технике и т. д. В этой статье приведены данные по наиболее продвинутым и успешным на рынке машинам для послойного синтеза изделий из металла.

1.Классификация.

Рекомендованы два основных термина - Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), и мы будем далее говорить АМ-технологии, а также легитимные» синонимы additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication.

В международном сообществе, так же, как и в России, устоявшейся классификации аддитивных технологий пока не принято. Различные авторы подразделяют их: - по применяемым строительным или модельным материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т. д.); - по наличию или отсутствию лазера; - по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т. д.); - по методам формирования слоя. Последнее, пожалуй, единственное, что принципиально отличает два вида аддитивных технологий.

Первый вид: сначала формируют слой, например, насыпают на рабочую платформу дозу порошкового материала и разравнивают порошок с помощью ролика или «ножа», создавая таким образом ровный слой материала определенной толщины; затем выборочно (селективно) обрабатывают порошок в сформированном слое лазером или иным способом, скрепляя частички порошка (сплавляя или склеивая) в соответствии с текущим сечением исходной CAD-модели. Эта технология в англоязычной традиции называется «Bed Deposition», т. е. предполагается, что есть некая платформа – Bed (англ. - постель), на которой сначала формируют слой, а затем в этом слое выборочно отверждают строительный материал. Положение плоскости построения неизменно. При этом часть строительного материала (в данном случае - порошка) остается в созданном слое нетронутой. Этой технологии достаточно точно соответствует термин «селективный синтез» или «селективное лазерное спекание» (по-английски SLS – Selective Laser Sintering), если «отверждающим» инструментом является лазер, который здесь, в отличие от лазерной стереолитографии (SLA-технологии), является источником тепла, а не ультрафиолетового излучения.

Второй вид аддитивных технологий – «Direct Deposition», по-русски не очень точно, но более-менее понятно, можно перевести, как «прямое или непосредственное осаждение (материала)», т. е. непосредственно в точку, куда подводится энергия и где происходит в данный момент построение фрагмента детали.

Вопрос терминологии отдельно рассматривался в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), которая занимается разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. Упомянутая ASTM несколько раз возвращалась к вопросу терминологии, определений и классификации и в последней, 2012 года версии классифицирует аддитивные технологии следующим образом, разделяя их на 7 категорий: 1. Material extrusion – «выдавливание материала» 2. Material etting – «разбрызгивание материала» «струйные технологии» 3. Binder jetting – «разбрызгивание связующего»; 4. Sheet lamination – «соединение листовых материалов»; 5. Vat photopolymerization – «фотополимеризация в ванне»; 6. Powder bed fusion – «расплавление материала в заранее сформированном слое»; 7. Directed energy deposition «прямой подвод энергии непосредственно в место построения»; (Здесь дан авторский перевод, не претендующий на лаконичность и точность, но по возможности коротко характеризующий основную черту каждой технологии). К первой категории относится, например, вышеуказанная технологий MJS, в соответствии с которой в место построения модели через подогреваемый экструдер выдавливается пастообразный строительный материал – смесь металлического порошка и связующего-пластификатора. Построенную таким образом грин-модель («green» - в смысле «зеленая», не зрелая, сырая) помещают в печь для удаления связующего и дальнейшего спекания [2], как это делается в традиционных MIMтехнологиях (Metal Injection Molding). Примером следующей технологии может быть технология Polyjet, согласно которой модельный материал – обычно фотополимер или воск, подается в зону построения через многоструйную головку. В технической литературе эту технологию иногда именуют как Multi jetting Material. К третьей категории относятся так же струйные технологии или InkJet-технологии, где в отличие от технологии Material jetting, в зону построения впрыскивается не модельный материал, а связующий реагент (например, технология ExOne), К четвертой категории относят технологии, предполагающие использование в качестве строительного материала листовой материал в виде, полимерной пленки, металлической фольги, листов бумаги и т. д. Примером, здесь может быть технология UAM (ltrasonic additive manufacturing, Fabrisonic), в соответствии с которой тонкие металлические пластины сваривают с помощью ультразвука и затем «лишний» металл удаляют фрезерованием. Это, конечно, не вполне аддитивная технология, скорее, комбинация аддитивной и «вычитающей» технологии. К пятой категории относят технологии, предполагающие использование жидких модельных материалов – фотополимерных смол, в частности SLA-технология (3D Systems) и DLP-тмехнология (Digital Light Procession, Envisiontec). Это не «металлические» технологии, и в данной работе они не рассматриваются. В шестую категорию входит многочисленная группа SLS-технологий, в которых применяется лазер в качестве источника тепла, а также ряд других, не лазерных технологий, например, Arcam, где используется электронный луч, или SHS (Selective Heat Sintering (Blueprinter), в которой источником тепла являются ТЭНы. В последнюю, седьмую категорию входят технологии, согласно которым строительный материал и энергия для его сплавления подводятся одновременно в место построения изделия. Эти технологии предполагают применение машин, рабочий орган которых – головка, оснащена системами подвода строительного материала и энергии, обычно в виде сфокусированного лазерного излучения (Optomec, POM) или электронного луча (Sciaky). В ряде случаев головку устанавливают на роботизированной «руке».

2. Сферы применения «металлических»  AMтехнологий.

Обычно, когда говорят о серийном производстве, подразумевают количество, измеряемое тысячами или сотнями тысяч единиц. Однако существует и другое серийное производство, измеряемое десятками или сотнями изделий. Таких изделий, зачастую сложной геометрии, из специальных материалов достаточно много в авиационной промышленности, космической индустрии, энергетическом машиностроении и ряде других отраслей. И именно там возник интерес к AM-технологиям, «непосредственному выращиванию» металлических изделий, в качестве альтернативы традиционным технологическим методам для производства не прототипов или опытных образцов, а вполне товарной продукции. Причем мотивацией здесь является не возможность создать что-то уникальное, с необычными свойствами, а экономическая целесообразность. В ряде случаев при объективных расчетах реальных затрат аддитивные технологии оказываются менее дорогостоящими, чем традиционные.

 

Развитию AM-технологий в этом секторе промышленности, безусловно, способствовало существенное расширение номенклатуры металлопорошковых материалов. Если в начале нулевых годов это был перечень не более 5-6 наименований, то сегодня предлагаются десятки видов разнообразных композиций от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. И этот перечень стремительно расширяется.

Одним из перспективных направлений применения AM-технологий является изготовление технологической оснастки – приспособлений и инструментов для серийного производства. В частности, изготовление вставок для термопласт-автоматов (ТПА). Современное пост-индустриальное производство характеризуется относительно быстрой сменой продуктов, причем часто меняется не основные компоненты, определяющие функциональные качества продукта, а дизайн – корпусные детали, элементы декора, обычно изготавливаемые литьем, в частности и на термопласт-автоматах. По этой причине в ряде случаев отпадает необходимость в дорогостоящей инструментальной оснастке, выдерживающей десятки и сотни тысяч циклов. Посредством АМ-технологий можно сделать матрицу или пресс-форму из легкого сплава с меньшим ресурсом.

Но и для традиционного литейного производства технологий АМ-технологии дают новые возможности. Например, пресс-форма может быть выращена вместе с каналами охлаждения произвольной конфигурации, что невозможно сделать при обычных методах механообработки. AM-машины POM, Omtomec и Fabrisonic успешно используют для изготовления пресс-форм с медными охлаждающими сердечниками, а также с так называемой конформной системой охлаждения, конфигурация которой соответствует геометрии формуемой детали. Иными словами каналы охлаждения прокладываются в массиве формы так, как необходимо, а не так, как позволяют традиционные технологии. Применение литейных форм с равномерным или регулируемым охлаждением позволяет сократить время пребывания отливки в форме до 30%. В данном случае AM-технологии это не противопоставление традиционной ЧПУ-обработке, а предложение новых возможностей для оптимизации затрат и повышения эффективности производства.

Обслуживание серийного производства также связано с необходимостью изготовления специальных приспособлений, шаблонов, кондукторов и т. д., и здесь применение АМ-технологий может быть экономически эффективно. Многие компании сталкиваются с проблемой оценки реального объема производства какого-либо изделия. От этого зависят затраты на технологическую подготовку. И все чаще возникает вопрос, какую стратегию принять: вырастить партию деталей на AM-машине, или делать «нормальную» оснастку, но с риском, что через короткое время потребуется внесение изменений и оснастку придется переделывать, или, что продукт «не пойдет» на рынке по каким-либо причинам? Direct Manufacturing или «прямое производство» - изготовление металлических деталей в качестве коммерческих изделий, серийной продукции также является одной из целей AM-технологий. Это направление стремительно развивается по мере того как растет перечень строительных материалов, но говорить о серьезной конкуренции «вычитающим» технологиям пока преждевременно. Однако в ряде отраслей –авиационной промышленности, в судостроении, энергетическом машиностроении, а также дентальной медицине и восстановительной хирургии внедрение аддитивных технологий наиболее заметно. Например, российская компания ОАО «НИАТ НТК» успешно провела работы по замене сварных топливных форсунок авиационного двигателя на «выращенные» из никелевого сплава CL 100, рис. 8. Результат – значительно снижен процент брака, масса изделия уменьшена на 17%. Имеется также положительный опыт использования AM-технологий для ремонта дорогостоящих изделий, например, рабочих органов турбин ГТД, валов (рис. 9) и т. д., а также для нанесения защитных и износостойких покрытий (технологии DMD, LENS) [3]. И, безусловно, аддитивные технологии имею огромное преимущество перед традиционными за счет сокращении времени и стоимости при проведении НИОКР. Здесь AMтехнологии уже получили постоянную прописку. Проведение вариантных исследований, быстрое изготовление опытных образцов позволило на порядок (без преувеличений!) сократить время проведения НИОК и, как следствие, значительно сжать сроки выхода новой продукции на рынок. Послойный метод построения детали сам по себе дал новые возможности, открыл для конструктора новые горизонты творчества, снял многие технологические ограничения. Стало возможным то, что было в принципе невозможным ранее. Можно вырастить «деталь в детали», можно вырастить деталь с переменными по толщине свойствами материала (так называемые градиентные материалы), можно выращивать сетчатые конструкции, которые невозможно получить ни литьем, ни механообработкой. И т. д. и т.п. Это фундаментальное преимущество аддитивных технологий и определяет их роль в современном материальном производстве. И будем помнить, то, что мы видим сейчас, это всего лишь бледные контуры будущего.