Адитивные технологии и получение металлопорошковых материалов

                      M-flex                                                  M-print

К перспективным InkJetтехнологиям можно также отнести технологию fcubic, недавно приобретенную компанией Höganäs AB (Швеция) вместе с одноименной фирмой-прародительнецей этой технологии. Суть ее состоит в том, что вместо связующего, как у ExOne, при построении грин-модели впрыскивают специальный состав, ускоряющий поглащение теплового излучения. После построения грин-модель не извлекают из массива материала, а вместе с ним помещают в печь, где происходит спекание обработанной указанным составом модели, тогда как не обработатанная часть материала остается не спеченной. Это принципиальное отличие от упомянутых выше технологий ExOne и Systems: грин-модель не инфильтруют бронзой или иным сплавом, а именно спекают, обеспечивая однородность химического состава материала. Строительные материалы: титановые сплавы, нержавеющие и инструментальные стали. Данная технология накладывает определенные ограничения на размеры деталей – в пределах 10….20 мм. Фирма не продает оборудование, но работает как сервис-бюро, изготавливая по заказам детали из нержавеющих сталей, цветных металлов. Заявляемые преимущества – высокая производительность, умеренная цена. Существует и другая, родственная fcubic технология, так называемая SIS-технология - Selective Inhibition Sintering [7], в соответствии с которой на неотверждаемую часть материала наносят ингибитор – раствор соли металла. После построения, так же как и в технологии fcubic, весь бункер с материалом помещают в печь, где необработанная часть материала спекается, а обработанная ингибитором остается неспеченной. Однако эта технология пока не вышла из стадии НИР и перспективы ее коммерческой реализации остаются не ясными.

             LUMEX Avance-25

Компания Matsuura Machinery предлагает гибридную технологию – сочетание SLM-технологии и механообработки [8]. В рабочей камере машины LUMEX Avance25 ведется послойное построение детали, как и в других AM-машинах. Через каждые 10 слоев производится чистовое фрезерование выращенной части детали (шпиндель 43000 мин-1). Размеры зоны построения (обработки) 250х250х100 мм. На рис. 22 представлен пример изготовления прессформы для литья корпуса фотокамеры. Время послойного синтеза для деталей А и В, соответственно, 68 час 21 мин и 36 час 00 мин; время механообработки – 29 ч 08 мин и 53 ч 30 мин. Машина предназначена главным образом для изготовления литейной оснастки с конформной системой охлаждения. LUMEX Avance25 специально разработана для рынков Китая, Тайваня, Индонезии и других стран Ю-В Азии, которые стали мировыми центрами производства пластмассовых изделий. Базовая цена машины около € 800 тыс.

Разнообразие моделей машин позволяет сделать оптимальный выбор оборудования под конкретные задачи производства. Разработчики машин, как правило, тесно сотрудничают с университетским научным сообществом для решения фундаментальных металлургических проблем, совершенствования лазерной техники, программного обеспечения и т. д. Общей проблемой SLMтехнологий является проблема обеспечения надлежащей микроструктуры синтезированного материала, устранения пористости, в той или иной мере характерной для всех видов AM-технологий. В ряде исследований, в частности [4, 5, 9], показано, что пористость зависит как от материала, так и от параметров режима сплавления. Например, для алюминиевых сплавов (рис. 24) пористость может достигать 4-5%, для сплавов Ti – до 2%, тогда как для сталей – менее 0,2%. Для устранения внутренней пористости для особо ответственных деталей применяют специальные методы термической обработки и обработки давлением, включая HIP (Hot Isostatic Pressure) – горячее изостатическое прессование. Обычно каждая компания-производитель AM-машин предлагает определенный набор строительных материалов и подробную инструкцию для настройки параметров машины под каждый из материалов. Включению в список материалов предшествует длительная работа по определению оптимальных режимов построения. Зачастую эта работа проводится совместно с университетами, обладающими необходимым исследовательским оборудованием. В ходе этой работы определяются оптимальная взаимосвязь таких параметров как мощность лазера, фракционный и химсостав порошка, шаг «штриховки» лазера (или шаг сканирования) в плоскости , шаг построения, скорость сканирования лазера (скорость лазерного луча), температура плавления материала. Чем выше скорость сканирования, тем выше производительность машины и тем меньше шероховатость поверхности, рис. 25а [9]. Однако и тем выше вероятность образования пористости, рис. 25б. Для приведенного на рис. 25 варианта наилучшая плотность структуры обеспечивается при скорости сканирования 120-130 мм/с. Особое значение имеет согласование шага сканирования, свойств материала и других параметров с целью минимизации пористости и оксидных включений во внутренней структуре строящейся детали.

                             а)                                                                                      б)

Рис.25

Интересный способ минимизации пористости предложен Yasa E. и Kruth J. (Католический университет г. Лёвен, [10, 11]), согласно которому производят повторное сплавление слоя, т. е. каждый слой «обрабатывается» лазером дважды. В результате пористость снижается на порядок (рис. 27), однако при этом почти вдвое увеличивается время построения детали.

Рис.26 Механизм образования пористости и оксидных включений.

Элитный клуб компаний-производителей машин для выращивания деталей из металла постоянно расширяется. В 2012 году в него вошли китайские компании Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems и Trump Precision Machinery.

 Основные параметры машин для послойного синтеза из металлопорошковых композиций

Вторая группа машин Direct Deposition

К этой группе относятся машины компаний POM Group, Optomec, Sciaky (все США), Irepa Laser (Франция), InssTek (Ю. Корея). (*Компания POM Group в декабре 2012 года приобретена другой американской компанией DM3D).

POM Precision Optical Manufacturingявляется разработчиком DMD-технологии и держателем патентов на оригинальные технические решения по лазерным системам и системам управления с обратной связью с одновременным регулированием в режиме реального времени основных параметров постоения детали – величины подачи материала, скорости перемещения головки и мощности лазера, которые обеспечивают стабильность и качество рабочего процесса. Технология позволяет производить параллальную или последовательную подачу двух видов материала с различными физико-химическими свойствами, и, таким образом, создавать би-металлические компоненты, например, формы для литья пластмасс: тело формы из меди, рабочая часть из инструментальной стали (рис. 28), или же наносить специальные покрытия, например, на гильзы цилиндров, поршневые кольца, кулачковые валы, седла клапанов (рис. 29).

POM Group работает в тесной кооперации с компанией Trumpf (Германия) и предлагает несколько моделей AM-машин, предназначенных для ремонта инструментальной оснастки (штампы, матрицы, кокили и т. д), нанесения защитных покрытий, а также для изготовления литейных форм с конформной системой охлаждения, внутренними теплоотводными элементами и др. Возможности машин позволяют также производить детали из композитных материалов, используя две или несколько систем подачи разнородных порошков. Есть опыт создания так называемых градиентных материалов путем послойного нанесения и сплавления двух или нескольких материалов с различными физико-химическими свойствами. Новые модели и и 66, 106 используют 6-ти осевые роботы. Машины DMD 105и 505[13] выполнены в традиционной компоновке на базе 5-ти осевых обрабатывающих центров. Мощные лазеры (по выбору - от 1 до 5 кВт), обеспечивают высокую производительность – скорость синтеза составляет 24-160 см3/ч. Оригинальная система управления позволяет регулировать размер пятна расплава в зависимости от конфигурации элементов строящейся детали: уменьшая размер пятна и, соответственно, подачу материала в зону расплава при проработке тонкостенных элементов и увеличивая - при построении массивных элементов.

DMD IC106

Машины DMD 105и 106 имеют герметичное исполнение рабочих камер для работы с реактивными материалами, причем модель 106 оснащена также специальной системой мониторинга зоны расплава «ин ситу» для контроля и управления процессом создания градиентных структур. Материалы: инструментальные сплавы, стеллиты, Инконели, титановые сплавы. Стоимость машин достаточно высокая – более $500 тыс., так же как и стоимость работ. Например, российская компания ФГУП «Производственное объединение «ОКТЯБРЬ» предлагает услуги по восстановлению технологической оснастки на машине DMD 5000 из расчета $1,5-3,0 за 1 см3 материала. Учитывая стоимость подготовительных операций: доставку детали, создание 3D-модели, управляющей программы, и стоимость финишной механообработки, экономическая целесообразность такой работы становится не очевидной. Optomec – один из мировых лидеров технологий Direct Deposition. Последние годы компания стабильно продает 3-4 установки в год. В настоящее время производятся три модели: LENS 750, LENS MR7, в основном для научно-исследовательских целей, и машина LENS 850, предназначенная для промышленного использования. Опционально машины могут быть оборудованы двумя или более бункерами для подачи разных материалов в зону расплава. Процесс построения деталей производится в среде аргона. Преимуществом машин Optomec является быстрая смена материалов - практически за минуты. Высокая скорость охлаждения, более 1000⁰С , дает возможность регулирования и управления микроструктурой строящейся детали.

                          LENS MR-7                                                Lens 850-R

Модели LENS 750, LENS MR7 в базовой версии имеют 3 оси управления, в качестве опции дополнительно может быть установлен поворотный стол, обеспечивающий 4-ю и 5-ю оси управления. Точность позиционирования 0,25 мм, производительность до 100 г/ч. LENS 850в базовой версии имеют пять осей управления и оснащены двумя бункерами по 14 кг. В машинах используются порошки с фракционным составом 36 - 150 мкм. Технология, разработанная компанией Irepa Laser (Франция) именована, как EasyCLAD (где CLAD - Construction Laser Additive Directe). Коммерческую реализацию этой технологии осуществляет французская компания BeAM (Be Additive Manufacturing). BeAM предлагает четыре типа машин с возможностью выбора размеров рабочей зоны, мощности лазера, системы подвода порошкового материала в зону расплава – одно- или двухсопловую. В зависимости от применяемого сопла ширина наносимого слоя может варьировать от 0,6 до 5,0 мм. В рабочей камере поддерживается инертная атмосфера с содержанием <40 ppm и H< 50 ppm.

Машины разработаны в рамках национального проекта по созданию технологий для производства деталей аэрокосмического назначения, ремонта деталей авиационных двигателей и технологической оснастки. В качестве строительного материала применяются обычные (для аддитивных технологий) металлопорошковые композиции дисперсностью в пределах 45-75 мкм и 50-150 мкм. Система подачи материала коаксиальная. Однако, судя по общему количеству инсталляций (четыре) работы компании Irepa Laser в области АМ-технологий все еще находятся на стадии ОКР. Последняя модель - MAGIC LF6000, с рабочей зоной построения 1500x800x800 мм оснащена двумя сопплами для подачи строительного материала и объявлена готовой к коммерческой реализации в 2012 году. Базовая цена машины около € 750 тыс.

                 MAGIC LF6000                                                            MX-3

Южно-Корейская компания InssTek разработала машину MX, во многом схожую с машинами Optomec и POM. Машина имеет -лазер от Trumpf, пять осей управления и оснащена многоканальной системой подачи материала.

Оригинальную аддитивную технологию применяет компания Sciaky (США). Компания специализируется на разработке технологий и оборудования для сварки и свои «сварочные» компетенции использовала для создания AM-машины, в которой построение детали производится методом послойного наваривания материала в расплаве, сформированном не электрической дугой, а электронным лучом. Технология называется EBDM - Electron beam Direct Manufacturing («прямое производство посредством электронного пучка»).

Sciaky рассматриавает технологию EBDM как наиболее перспективную для промышленного применения, подчеркивая основное преимущество этой технологии – высокую производительность – 7…18 кг/ч, что позволяет выращивать крупные детали, расмеры которых исчисляются метрами, и что невозможно или чрезмерно дорого обеспечить, используя другие AM-технологии. Безусловно, сам принцип формирования детали обусловливает низкое качество поверхности синтезированной детали. Однако, сочетание EBDM-технологии с традиционными технологиями механообработки позволяет получить результат с приемлемыми затратами. Модельным материалом здесь является фидсток в виде металлического прутка или проволоки. Это также является преимуществом технологии, поскольку в таком виде доступны материалы весьма широкого спектра: никелевые сплавы, нержавеющие и инструментальные стали, сплавы CoCr и многие другие, стоимость которых существенно ниже, чем стоимость в порошковом состоянии.