Производственные инновации для профессионалов

Оборудование для аддитивного производства

В статье рассмотрены вопросы организации аддитивного производства. Стратифицированное представление аддитивного производства позволяет раскрыть взаимодействие разнородных по своей природе уровней и межуровневых связей, имеющих различные интерфейсы. Приведена иерархическая абстракция, состоящая из технологической, инструментальной, измерительной, информационной, алгоритмической, системной страт. Приведено оборудование для получения порошка и реализации технологии селективного лазерного синтеза изделий.

Введение

Под аддитивным производством (additive manu-facturing) понимается процесс изготовления деталей, основанный на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства и традиционного формообразующего производства [6, 7]. В данном определении следует «распредметить» [2] несколько важных понятий, которые существенно отличают аддитивное производство (АП). Прежде всего, это изготовление изделия исключительно по цифровой 3D-модели, разработанной в среде CAD-системы. Следовательно, использование современных компьютерных аппаратных и программных средств обязательно. Впервые настолько ясно основная функция в технологии отведена именно программной составляющей (компьютерное моделирование деталей, полигонизация/триангуляция, разбиение модели по слоям, деление площади слоя на ячейки спекания/сплавления и др.). Следует также отметить, что наряду с принципом «слой за слоем», в стандарте допускается использование иных подходов к синтезу изделий. Отличительной чертой АП является неразрывность и целостность всего процесса от проектирования изделия до ее изготовления, что позволяет сократить ряд технологических операций.
Оборудование для реализации аддитивных процессов является программируемым и имеет много общего с технологиями обработки изделий на станках с числовым программным управлением. Современная технологическая система АП (additive manufacturing system) включает установку АП и вспомогательное оборудование [6]. В свою очередь, установка АП (AM machine), представляющая собой часть системы АП, включает в себя аппаратную часть, программное обеспечение для настройки и контроля установки, а также периферийные приспособления, используемые для обслуживания установки [6].

Иерархическое представление АП

Аддитивное производство можно рассматривать как сложную производственную систему, к характерным особенностям которой относятся: многокритериальность оценок процессов, разнородность и семиотическая природа информационных связей между подсистемами и элементами; многообразие различных форм связей. В основу организации производства положена ее системная архитектура, которая определяет не только структуру и поведение системы, но и пользовательские свойства, функциональность, производительность, гибкость, экономические показатели.
Теория иерархических систем [8] облегчает раскрытие внутренних закономерностей АП, позволяет выявить различные способы ее декомпозиции в виде иерархий абстрагирования, организации и сложности принятия решений. В работе [1] сложная система представляется в виде многоуровневой иерархической структуры, которая характеризуется последовательным вертикальным расположением подсистем, приоритетом действий подсистем верхнего уровня, зависимостью действий подсистем верхнего уровня от фактического исполнения нижними уровнями своих функций. Стратифицированное описание АП включает семейство моделей на каждом абстрактном уровне (страте). При этом каждая страта определяется собственными законами, переменными и т. д.
Для абстрактного представления АП введем следующие страты: системную, алгоритмическую, информационную, измерительную, инструментальную и технологическую (рис. 1).
Оборудование для аддитивного производства
Рис. 1. Иерархическая декомпозиция аддитивного производства
Технологическая страта. Под технологическим процессом (ТП) понимается часть производственного процесса, содержащая целенаправленные действия по изменению и/или определению состояния предмета труда [4]. АП — многомерный объект управления с векторными входами и выходами измеряемых и неизмеряемых параметров. На уровне технологической страты АП протекают все базовые динамические процессы синтеза изделий. Основной задачей на данном уровне является анализ закономерностей протекания элементарных технологических операций (ТО).
Инструментальная страта. На инструментальной страте рассматривается аппаратное обеспечение для выполнения ТО. Элементами подсистемы, соответствующей инструментальной страте, являются элементы установки АП, к которым в зависимости от метода формирования слоя и вида концентрированного потока энергии можно отнести рабочую камеру, разнородные источники питания, роботизированные комплексы, электромеханические исполнительные механизмы, вакуумные станции, блоки подготовки контролируемой инертной среды, сопловые устройства, узлы водяного охлаждения и др.
Измерительная страта. На измерительной страте рассматриваются функции очувствления состояния ТП и установки АП. Элементами измерительной страты, образующими интерфейс между подсистемами технологической и информационной страт, являются видеокамеры, электронные приборы и нормализаторы, фотодатчики положения исполнительных механизмов установки, расходомеры, датчики давления и воды, преобразователи, реле, различные средства измерительной техники и др. Общее пространство состояний включает векторы переменных ТП и установки АП.
Информационная страта. На информационной страте рассматривается множество взаимосвязанных и взаимодействующих элементов управления, выполняющих самостоятельные и общесистемные функции управления и передачи данных. Элементами информационной страты являются оборудование вычислительных цифровых сетей, промышленные компьютеры (ПК), программируемые логические контроллеры (ПЛК), устройства числового программного управления, микропроцессорные и другие аналогичные устройства.
Алгоритмическая страта. Алгоритмический уровень объединяет в себе общие алгоритмы управления, математические модели (ММ), технологические карты процесса синтеза изделий. Согласно ГОСТ
34.003–90, под алгоритмом понимается задание условий и последовательность действий компонентов системы при выполнении ею своих функций [5]. Элементами данной страты являются алгоритмы управления, записанные в виде программ на алгоритмических языках в памяти микропроцессорных устройств.
Системная страта. На системной страте рассматриваются задачи оценки качества моделей на нижестоящих уровнях с учетом основных структурных и параметрических характеристик, общие комплексные вопросы, определяется методика оптимизации параметров процесса на базе векторного критерия. На данной страте анализируются все технические и экономические вопросы, задаются проектные ограничения. Системная страта, подобно кровеносной системе биологического организма, обеспечивает коммуникационные процессы всех разнородных страт АП для достижения главной задачи: получения изделия заданных размеров и свойств.
Особенностью современного этапа развития АП является усиление взаимодействия алгоритмической, информационной, системной и измерительной страт, значение которых неуклонно растет. Расширение и дополнение функций связано с использованием математических и алгоритмических основ искусственного интеллекта.

Оборудование для реализации аддитивных технологий

Разрабатываемое и производимое ПАО «Электромеханика» технологическое оборудование позволяет создавать автономные производственные комплексы. Организация их систем управления предполагает интеграцию в промышленные структуры, реализованные в парадигмах концепции Индустрии 4.0 с полным сопровождением жизненного цикла технологического оборудования

Установка для получения порошка

В качестве исходного сырья в процессах селективного синтеза изделий используются порошки, под которыми понимают сыпучие материалы с характерным размером частиц до 100 мкм. Аддитивные технологии предъявляют особые требования к металлическим порошкам (однородный химический состав, насыпная плотность, форма и распределение размеров частиц). Важным условием использования порошка является его текучесть, поскольку технология селективного спекания/сплавления предусматривает распределение порошка по поверхности.
Общим требованием к порошкам является шаровидная форма частиц. Такие частицы более компактно укладываются в определенный объем, а также обеспечивают текучесть порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. Если порошок имеет слишком малый размер частиц, то в процессе построения легкие частицы будут вылетать из зоны расплава, что приведет к повышенной шероховатости детали и микропористости.
Структура, технологические и эксплуатационные свойства порошковых и композиционных материалов определяются на этапах получения порошков, послойного синтеза или компактирования. В общем случае на изменение плотности и свойств порошковых изделий влияют величина и форма частиц, состояние их поверхности, химический состав, степень несовершенства кристаллического строения порошка и другие факторы. Посредством варьирования технологических параметров в процессе распыления можно изменять средний размер частиц, гранулометрический состав порошка, морфологию частиц, их химический состав и структуру.
В промышленности используются различные методы, обеспечивающие получение порошка: плазменное распыление быстровращающейся заготовки, распыление с вращающимся тиглем, газоструйное распыление, распыление растворенным водородом и др. Одним из наиболее распространенных является метод PREP (плазменное центробежное распыление вращающейся заготовки), к преимуществам которого относится получение плотных безгазовых частиц шаровидной формы.
Для получения порошка методом PREP в ПАО «Электромеханика» разработан целый ряд оборудования типа «УЦР», «УЦРТ», «Гранула», отличающегося как конструктивными решениями, так и уровнем автоматизации технологического процесса.
Особенностью конструкционного решения установки является возможность непрерывного распыления десятков заготовок за счет непрерывной подачи заготовок из загрузочного устройства в блок приводов. Партия специально подготовленных заготовок загружается в накопитель и устанавливается в загрузочное устройство, из которого заготовки поочередно через разделитель подаются в блок приводов. Узел вращения заготовки выполнен на двух опорных вращающихся барабанах. Удержание вращающейся заготовки на барабанах осуществляется прижимным роликом специальной конструкции, компенсирующей вибрации. Вращающаяся заготовка подается в камеру распыления, где в ее торце образуется тонкая жидкая пленка вследствие нагрева плазменной струей. Капли расплава, оторвавшиеся от вращающейся заготовки, перемещаясь в инертной среде, образуют частицы, которые из камеры распыления перемещаются в приемный бункер.
Технология получения порошка имеет следующие стадии:
— создание вакуума в камере распыления;
— заполнение объема камеры распыления смесью аргона и гелия;
— загрузка на барабаны заготовки;
— прижим заготовки к барабанам роликом;
— разгон заготовки до рабочей частоты вращения;
— включение плазмотрона;
— задание рабочего зазора между торцом заготовки и плазмотроном;
— начало процесса распыления;
— продольное перемещение распыляемой заготовки;
— контроль длины огарка;
— остановка вращения заготовки;
— сброс огарка.
Установки типа «Гранула» обеспечивают получение порошка крупностью 20–70 микрон с низким содержанием газовых элементов для реализации аддитивных технологий и газостатической обработки; широкий диапазон получаемых порошков различного химического состава (жаропрочные никелевые сплавы, титан, молибден, интерметаллиды и др.).
При проектировании установки «Гранула‑2500» реализован целый ряд новых конструкторских решений:
— привод вращения обеспечивает максимальную частоту вращения заготовки до 30000 об/мин и 43600 об/мин при диаметрах заготовки соответственно 80 мм и 55 мм;
— увеличен диаметр камеры распыления и, следовательно, длина полета частиц;
— обеспечивается широкий диапазон скорости перемещения заготовки в продольном направлении;
— разработан двухрычажный механизм прижимного ролика с амортизирующей пружиной;
— поддержание зазора между плазмотроном и торцом заготовки выполняется в автоматическом режиме.
Установка «Гранула-2500» (рис. 2) имеет следующие основные узлы: камеру распыления, блок приводов, устройство загрузочное, энергетический комплекс (плазмотрон и источник питания), вакуумную станцию, газовый блок, систему водяного охлаждения, систему управления.
Оборудование для аддитивного производства
Рис. 2. Установка «Гранула» для получения порошка методом PREP
Формирование порошка осуществляется в камере распыления, в торце которой расположена откатная дверь. На откатной двери устанавливаются плазмотрон и механизмы его перемещения для поддержания рабочего зазора и эксцентриситета относительно оси заготовки. С другой стороны камеры распыления находится блок приводов, внутри которого расположены барабаны с электроприводом и механизм передвижения заготовки.
Автоматизация ТП получения порошка методом PREP на базе современных вычислительных средств открывает новые возможности управления. С развитием микропроцессорных устройств и локальных вычислительных сетей появилась возможность создания целостных технологических систем обработки данных ТП.
В составе системы установки типа «Гранула» применяется блок оптического измерения зазора между торцом заготовки и плазмотроном. Оптическая камера, направленная в область распыления, обрабатывает сигналы, пропорциональные энергии излучения, и передает по цифровому протоколу информацию в компьютер (рис. 3).
Оборудование для аддитивного производства
Рис. 3. Пульт оператора установки «Гранула», реализованный на базе компьютера
На компьютере выполняется обработка полученных данных, осуществляется визуализация зазора с учетом расстояния и пропускной способности стекла иллюминатора. Использование видеокамеры позволяет компенсировать недостатки априорной технологии получения порошка с заранее заданными значениями параметров процесса.
Контур автоматизированного управления предполагает наличие измерительного канала (рис. 4а) выходной переменной процесса. В качестве стабилизируемой выходной переменной рассматривается зазор S(t) между торцами распыляемой заготовки и плазмотрона. Среди множества всех состояний технологических процессов, на которые можно воздействовать, в данном контексте следует ограничиться: скоростью продольной подачи заготовки V(t), частотой вращения заготовки n(t), вертикально-поперечными перемещениями плазмотрона, энергетическими параметрами плазмотрона. Перечисленные переменные состояния могут управляться как вручную, так и автоматически с помощью системы управления зазором, содержащей контуры управления скоростью продольной подачи заготовки, частотой вращения заготовки, вертикально-поперечными перемещениями плазмотрона, энергетическими параметрами плазмотрона.
а) Оборудование для аддитивного производства
б) Оборудование для аддитивного производства
Рис. 4. Структура устройства управления зазором (а) и формирование измерительного канала (б)
Сложность реализации измерительного канала для определения зазора заключается в необходимости использования бесконтактного способа измерения, поскольку объект измерения помещен в вакуумную камеру. Измеряемое значение зазора является быстро изменяющейся случайной функцией времени, а наибольшую сложность представляет уровень помехи, которая обусловлена наличием плазменной струи, практически скрывающей объект измерения. Кроме того, плазменная струя является очень ярким источником излучения, случайно изменяющим свою форму и яркость. Контуры зазора случайным образом проявляются под завесой плазменной струи. Необходимо выделить изображение зазора, отфильтровав завесу плазменной струи, с последующим измерением его геометрического размера методом сравнения с калиброванной измерительной шкалой координатной сетки.
Поставленная задача достигается тем, что для измерения зазора в плазменной струе между плазмотроном и заготовкой в производстве металлических порошков используют видеосъемку процесса плавления заготовки цифровой цветной FHD-видеокамерой с черным фильтром высокой плотности, передачу изображения на ЭВМ, при этом полученное цифровое изображение подвергается операциям исключения засветок, бликов и избыточности посредством цифрового кадрирования, фильтрации синего и интерактивного формирования полихромного цифрового профиля, последующего преобразования в изображение в градациях серого, бинаризации с заданным порогом, выделения информативной области черно-белого изображения по максимуму плотности пиксельного горизонтального заполнения в продольно-вертикальной плоскости и сравнения со шкалой измерительной калиброванной размерной сетки; минимизацию случайных погрешностей результата измерений посредством накопления выборки измерений с последующей оценкой среднего значения величины зазора и дисперсии.
Интенсивность распыления заготовки зависит от требований к параметрам технологического процесса. Контур управления скоростью продольной подачи заготовки должен обеспечивать постоянство значения зазора S(t) между плазмотроном и заготовкой в плазменной струе. Измерительный канал реализован аппаратно-программными средствами, взаимодействие которых показано на рис. 4б.
Программно-аппаратные средства системы управления позволяют реализовать режим «Обучение», при котором с заданной периодичностью обеспечивается определение и запись в энергонезависимую память параметров ТП. Тем самым формируется управляющая программа непосредственно в ходе ручного или автоматизированного управления под управлением опытным оператором. Процесс подготовки управляющей программы в этом случае упрощается и занимает значительно меньшее время.
На установке типа «Гранула-2500» были получены порошки из жаропрочных сплавов на никелевой основе марок ЭП741 НП, ЭП962 П, ЭИ698 П, ЭП962 НП, ЭП975 П, Inconel 625M и другие, титановые сплавы, интерметаллиды TiAl, молибден (рис. 5).
Оборудование для аддитивного производства
Рис. 5. Внешний вид порошка сплавов на основе титана, никеля и интерметаллидов (фотографии выполнены на электронном микроскопе) ВТ6 С (а), IN718 (б), ЭП741 НП (в), TiAl (г)

Установка для синтеза изделий по технологии селективного лазерного сплавления

Процесс синтеза изделий по технологии селективного лазерного сплавления (Selective Laser Melting, SLM) выполняется циклически посредством повторения отдельных технологических операций: подача дозированного количества металлического порошка; выравнивание слоя порошка на подложке: горизонтальное перемещение каретки с ножами; обработка поверхности лазерным пучком по заданному алгоритму; перемещение подложки вниз на толщину слоя. Концептуальная модель селективного синтеза изделий включает семейство математических моделей (ММ), описывающих различные физические процессы: лазерное излучение, взаимодействие лазерного пучка с подложкой, сканирование пучка, плавление активного слоя порошка в инертной среде, растекание частиц по поверхности подложки, затвердевание частиц, охлаждение изделия в контролируемой инертной среде и др.
Концептуальная модель установки для синтеза изделий методом SLM включает в себя следующие основные элементы: рабочую камеру, энергетический комплекс (лазерный источник и сканатор), дозатор порошка, строительную платформу, вакуумную станцию, блок подачи газа, систему управления, узел охлаждения (рис. 6).
Оборудование для аддитивного производства
Рис. 6. Схема аддитивного производства методом селективного лазерного сплавления
Декомпозиция АП методом SLM позволяет выделить основные группы взаимосвязанных задач, определить семейство ММ, предложить эффективные методы их численной реализации, выявить основные закономерности ТП. Общая модель разделяется на семейство моделей, что позволяет описать операции процесса, прогнозировать значения неизмеряемых параметров ТП в реальном масштабе времени (скорость плавления порошка, скорость кристаллизации материала частиц, время растекания частиц и др.), выбрать значения конструкционных и энергетических параметров установки.
Установка «СЛС‑1» (рис. 7) производства ПАО «Электромеханика» предназначена для производства сложнопрофильных объемных изделий по технологии селективного послойного лазерного спекания металлических порошковых материалов на основе титановых, никелевых и других сплавов. Для формирования лазерного излучения используется иттербиевый волоконный комплекс (мощность 1000 Вт). Высокоскоростное отклонение осуществляется поворотным зеркалом с прецизионными гальванометрическими сканерами и температурной компенсацией.
Оборудование для аддитивного производства
Рис. 7. Установка «СЛС‑1» для реализации технологии SLM
Стол представляет собой силовую конструкцию для выполнения технологических переходов. В состав стола обычно входят следующие узлы: несущий каркас; бункер-дозатор; механизмы дозированной подачи порошка, выравнивания с набором ножей, вертикального перемещения подложки (рис. 8).
Оборудование для аддитивного производства
Рис. 8. Стол установки «СЛС‑1»
Рабочая камера представляет собой замкнутый объем, предназначенный для создания контролируемой среды; размещения стола, исполнительных механизмов, инфракрасных нагревателей, бункера-дозатора, электрической разводки, технологической оснастки. На потолочной части рабочей камеры расположены сканатор энергетического комплекса, видеокамера, освещение.
Вакуумная станция установки обеспечивает предварительное разряжение в рабочей камере. Низковакуумный режим откачки воздуха из рабочей камеры выполняется по двухступенчатой схеме: механический насос и двухроторный насос Рутса.
Блок напуска инертного газа обеспечивает заполнение рабочей камеры аргоном после предварительного разрежения. Напуск осуществляется из газовых баллонов. Во время работы осуществляется постоянная прокачка аргона для охлаждения газовой среды и удаления продуктов испарения. Система очистки газа включает: рампу напуска газа, устройство для фильтрации газа, воздуходувку для подачи и охлаждения газа.
Ключевым преимуществом АП является обеспечение максимальной свободы конструирования и изготовления изделия непосредственно по цифровой 3D-модели изделия. Аддитивные технологии предоставляют уникальную возможность изготавливать и воспроизводить сложнейшие пространственные формы, объекты, инженерные конструкции и механизмы широкого спектра технического назначения. При этом отсутствует необходимость в технологической оснастке. Основой для реализации преимуществ АТ являются процедуры численной оптимизации изделий. Методология такой оптимизации обуславливается конкретными показателями, видом соответствующей задачи и осуществляется посредством применения методов математического моделирования и различными программными комплексами. ■

Литература

1. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении / Под общ. ред. Ю. М. Соломенцева, В. Г. Митрофанова.  М.: Машиностроение, 1986. 256 с.
2. Богин Г. И. Обретение способности понимать: Введение в филологическую герменевтику.  Тверь, 2001.  126 с.
3. Внедрение и развитие Индустрии 4.0. Основы, моделирование и примеры из практики. Под ред. Армина Рота.  М.: ТЕХНОСФЕРА, 2017.  294 с.
4. ГОСТ 3.1109–82. Единая система технологической документации. Термины и определения основных понятий.  М.: Изд-во стандартов, 1982.  14 с.
5. ГОСТ 34.003–90. Информационная технология. Комплекс стандартов на автоматизированные системы. Автоматизированные системы. Термины и определения.  М.: Изд-во стандартов, 1990. 14 с.
6. ГОСТ Р 2.0.182–1.001.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2017. 22 с.
7. ГОСТ Р 2.0.182–1.002.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования. М.: Стандартинформ, 2017. 14 с.
8. Месаревич М., Мако Д., Такахара Я. Теория иерархических многоуровневых систем.  М.: Мир, 1973.  344 с.
9. Шваб К. Четвертая промышленная революция.  М.: Издательство «Э», 2018.  208 с.
Автор: В.В. Константинов, Ю.А. Соколов
Поделиться

Заметили ошибку? Сообщите нам: выделите текст и нажмите Ctrl+Enter
This site is protected by reCAPTCHA and the Google Privacy Policy andTerms of Service apply.