Производство литейных форм методом послойной печати

От

11.10.2018

В настоящее время производство сложных габаритных высокотехнологичных отливок, таких как блок цилиндров и головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания для судостроения, автомобилестроения, тепловозостроения и т. д., на предприятиях России осуществляется по традиционной технологии, которая реализуется с помощью литья в разовые формы, созданные вручную по физическим мастер-моделям, что требует длинной технологической цепочки изготовления мастер-модели, подготовки смеси, формовки частей формы, их сушки, места для хранения моделей и т.д, либо литья в кокиль (металлическую форму), что является очень долгим (от 6 мес. до 1–2 лет), затратным, трудоёмким и экономически невыгодным способом, сопряжённым с высоким риском брака при изготовлении кокиля. Используя традиционную технологию, невозможно или крайне затруднительно выполнить сложные каналы охлаждения, оптимизировать конструкцию и снизить припуск на последующую обработку, что ограничивает потенциал разработки продукции.

Д.Н. Бычковский, генеральный директор ООО «Аддитивные технологии»

Для преодоления технологических ограничений и ускорения сроков проектирования и производства в последнее время мировыми лидерами машиностроения активно применяются аддитивные технологии. Создание литейных форм с использованием методов послойного синтеза позволяет обойти технологические ограничения традиционных технологий и сократить технологическую цепочку, отказавшись от следующих операций: изготовление мастер-модели из металла или композитных материалов, изготовление литниковой системы и прибылей, формовка частей формы (установка мастер-модели и литниковой системы в опоку и засыпка смесью). Это приводит к сокращению времени производства и снижению стоимости формы на порядок.
Для примера рассмотрим изготовление литейного стержня для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя различными методами (рис. 1, табл. 1).

Рис. 1. Пример изготовления литейного стержня

**Таблица 1. Сравнительный анализ технологий изготовления литейного стержня**
Технология	SLA и SLS	На станке с ЧПУ	На песчано-полимерном 3D-принтере
Стоимость, руб.	46 560 руб.	21 560	45
Время, дней	9	24	1

Как видно из приведённого примера, стоимость изготовления формы с использованием разрабатываемой технологии на три порядка меньше, чем по любой другой технологии. Такой экономический эффект достигается за счёт того, что 3D-принтер создаёт литейную форму сразу по цифровой модели. Цифровая модель литейной формы разбивается на слои, переносится в 3D-принтер, в котором отвердитель, согласно заданию, наносится на предварительно подготовленный слой песчаной смеси. В результате работы в зоне построения создаётся отверждённая часть песчаной смеси, точно повторяющая цифровую модель.

Технологии печати, применяемые для производства литейных форм

Для производства литейных форм методом послойной печати могут использоваться две технологии: технология струйной печати и технология спекания плакированного песка.
Технология струйной печати для производства литейных форм была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT, US) в начале 90‑х годов и носит название Binder Jetting (BJ). Принцип технологии описан в пионерских патентах MIT под названием «3D printing techniques» US5204055 от 20.04.1993, US5340656 от 23.08.1993, US5387380 от 07.02.1995.
BJ представляет собой процесс послойного синтеза, в котором жидкий связующий агент избирательно осаждается для соединения частиц порошка. Печатающая головка наносит связующее на слой порошка в соответствующих участках. Рабочая камера опускается, и затем наносится следующий слой порошка, в который добавляется связующее. BJ имеет возможность печатать большие детали и часто более рентабельна, чем другие методы производства.
Для реализации BJ используется силикатный песок преимущественно совместно с фурановым связующим. Силикатный песок является одним из самых распространённых сортов песка в мире и получен из кристаллов кварца. Он используется для широкого спектра применений, включая создание пресс-форм и сердечников для промышленных отливок. Фурановое связующее представляет собой типичное связующее, не требующее обжига, которое является основой в традиционных применениях для песчаных отливок, поэтому для его использования не требуется никаких изменений в литейном производстве. Печатные формы сразу доступны для литья без операции обжига. Также для печати могут использоваться керамические порошки, состоящие из силиката алюминия и обладающие отличными огнеупорными свойствами, высокой проницаемостью и низким тепловым расширением. Газы легко диспергируются, уменьшая потенциальную пористость при литье. Создание таких газопроницаемых форм, в том числе с применением керамики, описано в патенте EP1773559 от 18.04.2007 «Gas permeable molds». Формы, отпечатанные из таких керамических порошков, особенно рекомендуются для литья стальных сплавов или печатных сердечников, подверженных высоким условиям термического напряжения.
Недостатком известного решения является необходимость применения большого количества связующего вещества и активатора для получения достаточной прочности формы, что ведёт к большему выделению вредных веществ в рабочую зону при построении формы и при заливке металла, увеличивает газовыделение, что, в свою очередь, приводит к появлению дефектов в отливке и увеличивает стоимость изготовления.
В случае лазерного спекания плакированного песка печать осуществляется за счёт спекания песчинок, покрытых тонкой оболочкой смолы. Как и в случае струйной печати, песок наносится последовательно слоями, а каждый слой обрабатывается лазерным лучом. Главными параметрами для сравнения следует выбрать скорость построения и себестоимость получаемых форм. При одинаковых размерах зон построения скорость при печати лазером в 10 раз ниже, чем при струйной. Это при условии, что толщина слоя стремится к 200 мкм, что находится на грани возможностей технологии. Если толщина слоя будет в пределах 100 мкм, то скорость печати ещё более уменьшится и будет отставать от струйной печати почти в 20 раз. Таким образом, строить большие формы, размеры которых близки к метру или более, этой технологией просто невозможно. Сравним теперь себестоимость формы. Отбросим в расчёте отчисления на амортизацию, стоимость рабочего времени и будем сравнивать только стоимость песка. При струйной печати требования, предъявляемые к песку для печати, почти такие же, что и при классическом ХТС-процессе, за исключением требования к однородности. И это требование критично для равномерного нанесения микроскопических слоёв. Речь идёт о толщинах, лежащих в пределах 200–500 мкм. Это несколько удорожает песок, применяемый для 3D-печати, по сравнению с используемым при ручной формовке, но средняя стоимость за тонну не превосходит 5 тысяч рублей. Стоимость же плакированного песка колеблется в пределах от 170 тысяч за тонну до 340 тысяч за тонну в зависимости от марки. То есть плакированный песок дороже в 30–60 раз, чем литейный для 3D-печати! Такая космическая стоимость плакированного песка делает производство литейных форм абсолютно неконкурентоспособным. Кроме того, в России такой песок не производится, что накладывает дополнительные риски, связанные с регулярностью поставок, даже если бы эта технология и нашла себе применение.

Отечественные 3D-принтеры для литейных производств

Применение установки с большой рабочей зоной для создания нескольких однотипных форм позволяет использовать технологию для изготовления серийных и крупносерийных деталей. На западе технология для создания песчано-полимерных литейных форм развивается с 80‑х годов XX века. Основными игроками на этом рынке являются компании ExOne и Voxeljet. Несмотря на ряд достоинств, вышеуказанные машины обладают и некоторыми недостатками, затрудняющими их проникновение на рынок:

Высокое газовыделение при заливке металла с высокой температурой плавления в песчаные формы, что ограничивает использование установок при литье жаропрочных сталей и сплавов.
Стоимость оборудования, которая в зависимости от размера камер может колебаться от 1 до нескольких миллионов евро.
Стоимость расходного материала и зависимость от его поставок. Отечественные материалы не могут заместить импортные в силу особенностей технологии, используемой в импортных установках.
Стоимость сервисного обслуживания, или, иными словами, стоимость владения.

Проанализировав вышеописанные недостатки, мы задались целью создать отечественный принтер, который смог бы конкурировать с западными аналогами. С этой целью в 2015 году была создана компания ООО «Аддитивные технологии». В 2016 году нами была разработана собственная технология послойной печати, на которую были поданы две патентные заявки и получен приоритет. В 2017 году мы собрали первый отечественный песчаный принтер АТ300. Он имел камеру построения 500×300×300 мм (XYZ) и обеспечивал рост слоя толщиной 3,2 см в час, что соответствовало скорости построения 4800 куб. см в час, или 45 сек на один слой по вертикали (координата Z). Запуск первой модели позволил отточить все аспекты технологии, а также отработать систему управления печатью, состоящую из двух основных блоков: управление приводами и управление непосредственно печатью (движение головок, впрыск связующего). Усовершенствования системы, полученные в результате опытных работ, позволили сократить время нанесения песка и печати одного слоя до 20 секунд, что обеспечивает рост 7,2 см в час. Я предпочитаю говорить именно об абсолютной скорости роста по вертикальной оси, поскольку объем построения зависит от горизонтальных размеров камеры построения. Так, для одной и той же вертикальной скорости, скажем 7,2 см в час, мы получим разные значения для камер с разными горизонтальными размерами (XY) 300×500 мм и 700×700 мм. Соответствующие значения объёмов построения в этом случае будут 10800 куб. см в час и 35200 куб. см в час. Для ещё больших размеров камер мы получим ещё большие значения объёмов при равной вертикальной скорости роста. Таким образом, к 2018 году нами была создана обновлённая установка АТ300 со значительно, более чем в 2 раза большей скоростью построения — 7,2 см в час, или, другими словами, 10800 куб. см в час. Эта установка была продемонстрирована нами на выставке «Металлообработка—2018».
Параллельно с работой над усовершенствованием АТ300 велась работа по созданию принципиально новой установки АТ700. Она имеет ряд коренных отличий от младшей модели. Во‑первых, АТ700 оснащена системой автоматической подачи песка. Если АТ300 предполагает ручную засыпку песка в бункер построения после предварительного ручного смешивания с катализатором, то в АТ700 песок подаётся автоматически в бункер замеса, где происходит впрыскивание катализатора и размешивание его в массе песка. Затем песок из бункера замеса автоматически подаётся в рабочий портал, который, двигаясь в горизонтальном, обеспечивает послойное нанесение песка. Данный процесс повторяется по мере того, как заканчивается песок. Во‑вторых, АТ700 предполагает сменный бункер построения. После окончания цикла печати бункер, в котором проводилось построение форм, можно выкатить, открыв боковые дверцы, а вместо него поставить новый пустой бункер и начать следующий цикл печати. Пока машина строит следующую партию, можно заняться выемкой и очисткой уже построенных форм. Это значительно экономит время и позволяет печатать формы практически непрерывно. В‑третьих, АТ700 оснащена 4 головками вместо 1, как у АТ300, и для нее создана другая версия системы управления печатью. АТ700 обеспечивает вертикальную скорость печати 7,2 см в час, что соответствует 35200 куб. см в час. И наконец, в‑четвертых, процесс печати на АТ700 также полностью автоматизирован. На входе мы имеем STL-файл, который загружается в компьютер принтера. Далее машина все делает автоматически: разбивает файл на слои, подаёт их на систему управления, определяет необходимое количество катализатора и смолы, время замеса песка и оптимизирует процесс построения. Управление принтером может осуществляется как с выносной консоли, находящейся непосредственно на принтере, так и по удалённому доступу через Wi-Fi.

Рис. 2. Песчаные принтеры АТ300 (слева) и АТ700 (справа)

Таким образом, АТ700 является серьёзным конкурентом как для VoxelJet, так и для ExOne. Следует отметить: благодаря тому, что наши принтеры на 90% состоят из отечественных комплектующих, их стоимость в несколько раз ниже импортных аналогов. Кроме того, использование отечественных расходных материалов позволяет добиться себестоимости форм в пределах 100 рублей за кг или даже меньше при условии оптимальной заполняемости камеры построения.
К настоящему времени нашей компанией разработана линейка отечественных принтеров для производства песчано-полимерных форм: АТ300, АТ700, АТ1000 и АТ2000. Номер модели коррелирует с размером камеры построения. АТ300 имеет размеры XYZ 500×300×300 мм, АТ700 — 700×700×450 мм, АТ1000 — 1000×1000×450 мм, АТ2000 — 2000×1000—2000×700 мм.
Все модели имеют примерно одинаковую скорость построения по вертикали, колеблющуюся в пределах 7–9 см, что обеспечивает объем построения до 250 тысяч кубических см в час у старших моделей. Подробную спецификацию можно скачать с нашего сайта: https://www.add-technology.com.
В процессе создания установок нами разработан ряд ноу-хау. Владельцем всех прав как на разрабатываемую установку, так и на технологию (патенты) является ООО «Аддитивные технологии». Интеллектуальная собственность включает в себя:

собственную технологию изготовления песчано-полимерной смеси;
собственную конструкцию блока управления головками и механикой;
собственное программное обеспечение и систему управления;
собственную конструкцию блока нанесения песка;
собственный модуль подготовки песчаной смеси.

В сентябре 2018 года наша компания выиграла тендер на производство и поставку песчаного принтера АТ1000 на Магнитогорский металлургический комбинат. В тендере принимал участие дистрибьютер компании VoxelJet, производящей аналогичные принтеры, а также несколько компаний, продвигающих на рынке технологию печати литейных форм из плакированного песка. На первом этапе тендера, по сути, проходил выбор технологии путём сравнения основных параметров: скорости построения и себестоимости форм. Поскольку технология спекания плакированного песка отстаёт по скорости построения от технологии полимеризации путём послойного внесения связующего в песок более чем в 10 раз, а стоимость тонны плакированного песка почти в 60 раз дороже стоимости песка применимого для BJ, то выбор естественным образом пал на технологию послойной полимеризации, лежащую в основе наших принтеров. Сравнение остальных технико-экономических параметров привело к выбору нашей компании в качестве победителя тендера.
Литейное производство России является основной базой машиностроительного комплекса, и его развитие зависит от темпов развития машиностроения в целом. Перспективы развития литейного производства определяются потребностью в литых заготовках, их динамикой производства, уровнем развития литейных технологий и конкурентной способностью отечественных предприятий.
По данным на 2017 год, в России было около 1250 предприятий, которые производят отливки, оборудование, сопутствующие материалы. Однако уровень автоматизации литейного производства в России крайне низок: 78% отливок производится на механизированных линиях и машинах и вручную. В связи с этим разработка автоматизированных методов создания литейных форм является одним из приоритетных направлений развития отрасли.
На основе проведённого нашей компанией маркетингового исследования ведущих предприятий (консультации с главными технологами, директорами по инновационному развитию, техническими директорами), имеющих постоянную потребность в литье, можно сделать вывод, что в настоящее время многие предприятия проводят реконструкцию литейного производства на базе новых технологических процессов, материалов и перспективного оборудования. Основной целью реконструкции является расширение объёмов производства, повышение качества продукции, отвечающего современным требованиям заказчика, снижение сроков производства и себестоимости продукции, а также улучшение экологической ситуации и условий труда.
С учётом активно идущих программ технического перевооружения промышленных предприятий ОПК с ориентацией на отечественные технологии и сырьевую базу предполагается высокий платежеспособный спрос. Общий объем программ технического перевооружения на предприятиях ОПК превышает 1 трлн рублей. Также предполагается наличие спроса у малых предприятий, ориентирующихся на мелкосерийное изготовление литьевых изделий, и инжиниринговых компаний, занимающихся разработкой конструкции литьевых изделий и литьевой оснастки. Предлагаемая технология позволит им сократить издержки и сроки разработки.
С целью популяризации технологии и предоставления сравнительных данных заинтересованным предприятиям мы проводим демонстрации работы нашего оборудования на своей площадке в Санкт-Петербурге и производим для заказчиков тестовую печать различных образцов песчаных форм на принтерах АТ300 и АТ700 (рис. 3). Так, нами были отпечатаны формы для таких предприятий, как АО «Балтийский завод», Авиационная корпорация «Рубин», Камаз, ММК, АО НПО «Электромашина», ОАО «КУЛЗ», госкорпорации «Рос-
атом» и ряда других. Помимо тестовых форм мы обеспечиваем выполнение заказов по печати литейных форм на платной основе. На сегодняшний день есть подтверждённые положительные результаты отливок в наши формы следующих металлов: сталь, чугун, магний, латунь, бронза.

Рис. 3. Песчаные формы, изготовленные на оборудовании ООО «Аддитивные технологии»

Помимо самостоятельного продвижения технологии и оборудования на рынок мы заключили дилерское соглашение с компанией ООО «Современное оборудование», входящей в группу копаний «Солвер», по проведению совместной маркетинговой деятельности и внедрению продукции ООО «Аддитивные технологии» на российских предприятиях.
Немаловажным моментом при принятии потенциальным заказчиком решения о приобретении оборудования является наличие у производителя оборудования соответствующих производственных мощностей. Наращивание объёма продаж влечёт за собой огромные финансовые затраты и увеличивает финансовые риски. Мы выбрали основной производственной стратегией контрактное производство. Нами заключён лицензионный договор с компанией Zias Machinery (Барнаул), имеющей опыт в производстве подобного вида оборудования и имеющей необходимые производственные мощности и кадры для производства принтеров по лицензии ООО «Аддитивное производство». Это позволит избежать нежелательных финансовых затрат на создание производства и сконцентрироваться на основных наших компетенциях — разработке оборудования и его модификации. ■

Автор: Д.Н. Бычковский, А.Г. Неткачев, ООО «Аддитивные технологии»

ООО «АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»
195427, г. Санкт-Петербург, ул. Академика Константинова, д. 1, пом. № 14.
https://www.add-technology.com

Источник

Исследование прочностных характеристик модельного материала, получаемого методом fdm-печати

От

-

29.06.2018
0

Актуальность работы и цели исследований

Аддитивные технологии в настоящее время являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства, имеющим большие перспективы при производстве машиностроительных изделий и проведении ремонтных работ. Аддитивные технологии основаны на использовании 3D-принтеров [1]. Из семи базовых принципов процесса 3D-печати, отмеченных в [1], сегодня наибольшее распространение имеет экструзия материала, который выборочно подаётся через сопло или жиклёр. Этот вид 3D-печати в технической литературе принято называть FDM-печатью (Fused Deposition Modeling).
Широкое распространение FDM-печати объясняется относительной дешевизной 3D-принтеров для данной технологии и возможностями при производстве различного вида изделий. Однако нельзя утверждать, что прочностные характеристики материала деталей, получаемых с использованием FDM-печати, соответствуют прочностным свойствам материала нитей, которые при этом используются. Нанесение чередующихся слоёв последовательным наплавлением нитей ведёт к образованию многоуровневой физической структуры материала. Формируемая структура может отличаться анизотропией свойств относительно направления укладки нитей, различием толщин укладываемых слоёв, наличием разного вида дефектов, своеобразием механизмов разрушения материала. Перечисленные выше факторы отражаются на прочностных характеристиках получаемых материалов.
Наиболее распространёнными материалами для получения изделий методом FDM-печати являются пластики, например, часто применяемый АБС-пластик. Поэтому целью данной работы является исследование прочностных характеристик материала, получаемого FDM-печатью с использованием АБС-пластика.

Описание методики и условий изготовления образцов

Материал, получаемый FDM-печатью, может иметь разную структуру, но она обязательно будет состоять из совокупности объёмов с однонаправленно уложенными нитями. Это определяется технологическими особенностями реализации FDM-печати. Для того, чтобы оценить прочностные характеристики материала и анизотропию свойств, испытания необходимо провести вдоль и поперёк направления укладки нитей.
Форма и размеры образцов для испытаний на растяжение принимались в соответствии с ГОСТ 11262–80 «Пластмассы. Метод испытания на растяжение». Для проведения исследований был выбран образец второго типа (рис. 1). 3D-печать производилась с использованием мононити из пластика ABS+ производителя «СтримПласт», поставляемой по ТУ 2291—001—24687042—2016. В соответствии с этими техническими условиями мононить должна обладать прочностью при растяжении не менее 47 МПа и печать должна осуществляться в интервале температур 220—250°С.

<img alt="" height="138" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/statia_issledovanie_xarakteristik_materiala_ris1_at_3_2018-300×138.jpg" width="300" />

Рис. 1. Эскиз образца для проведения испытаний на растяжение

3D-печать позволяет сразу изготавливать образцы для проведения испытаний на прочность при растяжении, минуя этапы получения первичной заготовки и последующей вырезки из неё образцов. Порядок укладки нити (G‑код) готовился в программе Simplify3D версии 4.0 по ГОСТ 20999–83 «Устройства числового программного управления для металлообрабатывающего оборудования. Кодирование информации управляющих программ» с учётом, расположения нитей в рабочей части образца вдоль или поперёк направления растяжения. FDM-печать осуществлялась на 3D-принтере Picaso Designer Pro250 с диаметром сопла экструдера 0,3 мм.
Перед печатью для улучшения адгезии материала стол покрывался специальным связующим марки The3D. Температура стола составляла 110°С, а температура сопла экструдера — 240°С. Печать осуществлялась по трём режимам:
Режим 1: скорость движения сопла экструдера Vс = 30 мм/сек, толщина укладываемого слоя нити hсл = 100 мкм;
Режим 2: скорость движения сопла экструдера Vс = 45 мм/сек, толщина укладываемого слоя нити hсл = 150 мкм;
Режим 3: скорость движения сопла экструдера Vс = 60 мм/сек, толщина укладываемого слоя нити hсл = 200 мкм.
Полученные образцы испытывались на растяжение при скорости раздвижения зажимов испытательной машины, соответствующей 1±0,5 мм/сек (минимальная скорость раздвижения зажимов испытательной машины, предусмотренная ГОСТ 11262–80).

Обсуждение полученных экспериментальных данных

Экспериментальные данные по результатам испытания материала, полученного FDM-печатью с использованием АБС-пластика вдоль и поперёк укладки нитей, представлены на рис. 2. Из них видно, что прочность на растяжение материала, полученного по всем трём режимам 3D-печати в направлении укладки нитей, близка по своим значениям и находится на уровне 31–33,5 МПа. Если использовать данные производителя по прочности используемой при FDM-печати мононити (47 МПа), то эти значения примерно на 31% ниже. Однако для проведения более корректного сравнения уровней прочности этих двух материалов необходимо уточнить, насколько условия испытания мононитей совпадают с условиями их нагружения в модельном материале.

<img alt="" height="225" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/statia_issledovanie_xarakteristik_materiala_ris2_at_3_2018-300×225.jpg" width="300" />

Рис. 2. Зависимость прочности на растяжение σр модельного материала с продольной и поперечной укладкой нитей, полученного при разных режимах 3D-печати (Режим 1: Vс = 30 мм/сек, hсл =100 мкм; Режим 2: Vс = 45 мм/сек, hсл = 150 мкм; Режим 3: Vс = 60 мм/сек, hсл = 200 мкм.)
Прочность модельного материала поперёк укладки нитей существенно ниже и сильнее зависит от режимов FDM-печати (рис. 2). Скорость движения сопла экструдера в совокупности с толщиной укладываемого слоя влияют на прочность сцепления нитей. Связано это с распространением тепла от сопла в материал. При большой скорости печати в любой момент времени в конкретной точке пластику передаётся меньше тепла, нежели при малой скорости. Если производить печать малого слоя на низкой скорости, то тепла может отдаваться слишком много. Это увеличит адгезию, но возникнет вероятность образования дефектов в виде наплывов пластика. И наоборот: если производится 3D-печать с большей толщиной слоя на высокой скорости, тепла может быть недостаточно для образования хорошей адгезии между нитями.
Высказанное предположение подтверждается полученными экспериментальными данными (рис. 2). На режиме 1 (минимальная скорость печати и толщина укладываемого слоя) прочность модельного материала поперёк укладки нитей максимальна и составляет 20,2 МПа (67% от прочности материала вдоль укладки нитей), на режиме 2 — 14 МПа (41% от прочности материала вдоль укладки нитей) и на режиме 3 — 15,9 МПа (51% от прочности материала вдоль укладки нитей). То есть при переходе от режима 1 к режиму 2 3D-печати происходит снижение прочности на растяжение образцов с поперечной укладкой нитей в результате более сильного влияния увеличенной толщины укладываемого слоя нитей, чем увеличение скорости печати. А при переходе от режима 2 к режиму 3 преобладающее влияние оказывает увеличение скорость печати, что приводит к небольшому повышению прочности материала (рис. 2).
Образцы модельного материала с продольной и поперечной укладкой нитей имеют разный вид диаграммы растяжения и поверхности разрушения. Если диаграмма растяжения образцов с поперечной укладкой нитей имеет характерный вид для хрупкого разрушения, то на диаграмме растяжения образцов с продольной укладкой волокон после небольшого снижения усилия растяжения, после достижения максимума, наблюдается постепенное его падение до момента разрушения образца.
Образцы с поперечной укладкой волокон (рис. 3а) имеют абсолютно плоскую поверхность разрушения, а у образцов с продольной укладкой волокон (рис. 3б) наблюдается развитая поверхность разрушения. При исследовании этих изломов на оптическом микроскопе видно, что разрушение материала с поперечной укладкой волокон происходит в одной плоскости (рис. 4а) по поверхности уложенных нитей. Излом модельного материала с продольной укладкой волокон (рис. 4б) имеет развитый характер. Разрушение идёт в разных плоскостях, и на изломе наблюдаются как участки накопления повреждений, так и плоские зоны, характерные для магистрального распространения трещин.

<img alt="" height="114" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/statia_issledovanie_xarakteristik_materiala_ris3_at_3_2018-300×114.jpg" width="300" />

Рис. 3. Характер разрушения образцов с поперечной (а) и продольной (б) укладкой нитей

<img alt="" height="114" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/statia_issledovanie_xarakteristik_materiala_ris4_at_3_2018-300×114.jpg" width="300" />

Рис. 4 Вид излома образцов с поперечной (а) и продольной (б) укладкой нитей

Заключение

Для модельного материала, полученного FDM-печатью с использованием АБС-пластика, при укладке нитей вдоль направления приложения нагрузки не выявлено зависимости прочности на растяжение от режимов 3D-печати. Прочность на всех режимах печати составила 31–33,5 МПа, что примерно на 31% ниже прочности мононитей, заявленной производителем.
Прочность модельного материала с поперечной укладкой нитей составляет 41–67% от прочности, полученной при испытании вдоль укладки волокон, и зависит от режимов 3D-печати. Максимальное значение — 20,2 МПа — получено на режиме 1, при скорости движения сопла экструдера Vс = 30 мм/сек и толщине укладываемого слоя нити hсл = 100 мкм, а минимальное значение — 14 МПа — наблюдается на режиме 2, при Vс = 30 мм/сек и hсл = 100 мкм.
Образцы модельного материала с продольной и поперечной укладкой нитей имеют разный характер и вид поверхности разрушения:
• при их поперечной укладке наблюдается абсолютно плоская поверхность разрушения по стыку наплавленных нитей, и, следовательно, величина адгезии между ними является важнейшим фактором, влияющим на значение прочности;
• при их продольной укладке излом материала имеет развитый характер как с участками накопления повреждений, так и с зонами магистрального распространения трещин. Материал с продольной укладкой нитей при дальнейших исследованиях целесообразно рассмотреть как пучок связанных волокон, что может позволить раскрыть механизмы разрушения подобного материала. ■

Н.В. Камоничкина, И.В. Кочешков, к.т.н., доцент, кафедра «Технологии обработки материалов»
Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана

Литература
1. ГОСТ Р 57558—2-017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы» .

Источник

Послойный синтез материалов в вакууме на основе плавления присадочной проволоки электрической дугой

От

-

29.06.2018
0

Введение

Аддитивные технологии (АТ), или технологии послойного синтеза — одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства. Они позволяют значительно ускорить решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются для производства готовой продукции и являются прорывными технологиями этого столетия [1,2]. Большинство существующих в настоящее время аддитивных технологий изготовления металлических изделий основаны на использовании в качестве исходного материала для формирования изделий порошковых систем [4–6]. При этом существенно сужается круг конструкционных материалов, из которых возможно получение готовых изделий высокого качества. В частности, формирование изделий из большинства алюминиевых сплавов, а также сплавов активных металлов, таких как титановые и магниевые сплавы, приводит к повышенной пористости материала полученного изделия с существенным снижением его механических характеристик [5–8]. Производительность формирования деталей из порошковых материалов в существующих аддитивных технологиях является крайне низкой, что практически исключает перспективы применения этих технологий для производства крупногабаритных изделий.
Исследовательские работы в области аддитивных технологий, в том числе с использованием проволочных материалов, интенсивно проводятся в фирмах: 3D Systems Corporation (U. S.), 3T RPD (U. K.), Arcam AB (Sweden), Biomedical Modeling, Inc. (U. S.), Envisiontec GmbH (Germany), EOS GmbH Electro Optical Systems (Germany), Fcubic AB (Sweden), GPI Prototype and Manufacturing Services, Inc. (U. S.), Greatbatch, Inc. (U. S.), LayerWise NV (Belgium), Limacorporate SPA (Italy), Materialise NV (Belgium), Medical Modeling, Inc. (U. S.) Norsk Titanium (U. S.), Sciaky (U.S.).
Согласно стандарту ASTM F2792, процессы аддитивного производства (АП) подразделяются на две категории: Directed Energy Deposition (DED) и Powder Bed Fusion (PBF). В процессе АП используются исходные материалы, такие как порошок или проволока, и источники энергии, такие как лазер (Л) — Laser (L), электронный луч (ЭЛ) — Electron Beam (EB), плазменная дуга (ПД) — Plasma Arc (PA) или электрическая дуга (ЭД) — Gas Metal Arc (GMA). На рис. 1 представлены схемы АТ с применением различных исходных материалов и источник нагрева [1, 19].

Прямое осаждение проволочных материалов в процессе послойного синтеза крупногабаритных изделий

Формирование металлических изделий с использованием оплавления проволочного материала является ключевым вектором развития аддитивных технологий. Данное решение позволяет избавиться от проблем, связанных с низкой производительностью существующих методов, высокой стоимостью применяемого оборудования, ограниченностью типов применяемых материалов, обусловленной традиционным использованием в качестве исходного материала для аддитивного формирования изделий порошковых систем, оплавляемых мощным тепловым источником [10–13]. Потенциал развития технологии формирования деталей с оплавлением проволоки очень велик и в настоящее время в мире еще полностью не раскрыт.
Известны примеры установок, в которых изготовление детали происходит в вакууме с использованием электронного луча, что оказывается весьма производительным решением применительно к целому ряду перспективных материалов, в частности, титану и другим химически активным металлам и их сплавам. Однако электронно-лучевые установки имеют ряд недостатков, к которым можно отнести прежде всего необходимость применения высоковольтных источников напряжения для работы электронно-лучевой пушки, ступенчатых систем откачки для достижения глубокого вакуума, в ряде случаев при электронно-лучевых процессах необходима специальная защита обслуживающего персонала от тормозного рентгеновского излучения, возникающего при взаимодействии электронного луча с обрабатываемым материалом, что значительно усложняет эксплуатацию установок. Несимметричная подача проволоки в зону воздействия обуславливает трудность аддитивного формирования деталей сложной формы. Кроме того, к недостаткам также можно отнести дороговизну как самой установки, так и ее эксплуатации.
Во многих случаях целесообразно создание более простых и практически доступных для всех отраслей промышленности, а главное, более дешёвых и универсальных установок для аддитивного формирования изделий в вакууме, позволяющих максимально использовать имеющиеся элементы оборудования и технологии. Одним из наиболее распространенных источников теплоты при сварке и наплавке является электрическая дуга.

Рис. 1. Схематическое представление АТ (a) DED-L, (b) DED-EB, © DED-GMA, (d) PBF-L [1,19]

Рис. 2. Способы дуговой наплавки, применяемые для WAAM [2, 3, 4, 6]
На сегодняшний день существует большое разнообразие способов сварки, применяемых в Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM). Общая схема классификации WAAM по способам, применяемым для послойного синтеза изделий путём дуговой наплавки, показана на рис. 2 [2, 3, 4, 6].
Применение дуговых и плазменных источников для оплавления проволочного материала при реализации гибридных технологий послойного синтеза активно развивается в мире в последние годы. Норвежский стартап Norsk Titanium в 2016 году привлёк дополнительные инвестиции в 25 миллионов долларов на сертификацию материала, получаемого плазменным послойным наплавлением титановой проволоки, для использования при изготовлении деталей самолётов Boeing и Airbus (рис. 3).

Рис. 3. Процесс получения изделия методом многослойной плазменной наплавки с использованием титановой проволоки. Изображение компании Norsk Titanium

Необходимо отметить компанию WAAM на базе университета Кранфилд (Cranfield University), которая практикует технологии выращивания крупногабаритных изделий с использованием плазменных технологий или технологии наплавки плавящимся электродом с импульсной подачей проволоки с холодным переносом металла (Сold Меtal Тransfer — СМТ), разработанные фирмой Fronius. В середине 2016 года в Европе стартовал проект LASSIM с бюджетом около 5 миллионов евро на три года, объединивший 16 компаний. Его цель — создание стенда для реализации в одном пространстве нескольких процессов при гибридном производстве крупногабаритных заготовок: аддитивное производство; многокоординатная механическая обработка; послойное деформационное упрочнение, измерение; неразрушающий контроль.

Перспективы использования вакуумного дугового разряда в процессе аддитивного формирования металлических изделий

Анализ существующего положения показывает перспективным объединение возможностей технологий Sciaky (рис. 4, 5) и Norsk Titanium (рис. 6), обеспечивающее сочетание эффективности вакуумной защиты и свойств электрической дуги как источника теплоты для создания на их основе дуговых аддитивных технологий в вакууме [5, 9, 10]. Степень разряжения в вакуумной камере может быть значительно меньше, чем при использовании в качестве источника теплоты электронного луча (порядка 10…10^—1 Па), а качество защиты будет выше, чем при использовании защитных газов или камер с контролируемой атмосферой в традиционных дуговых технологиях (при давлении 1,3 Па содержание примесей меньше, чем в аргоне высшего сорта в 2…2,5 раза). Также вакуум способствует интенсивной дегазации и рафинированию расплавленного металла, что обеспечивает повышение физико-механических свойств готовых образцов.

Рис. 4. Технология Sciaky’s EBAM. Изображение компании Sciaky [9,10]

Рис. 5. Система Sciaky EBAM 110 [9, 10]

Рис. 6. Система плазменной наплавки с использованием проволоки Norsk Titanium [5]

С экономической точки зрения вакуум как защитная среда имеет ряд преимуществ по сравнению с инертными газами и прежде всего — возможность получения его непосредственно на рабочем месте только при затратах электроэнергии. Расчёты показывают, что использование вакуумной камеры объёмом свыше 1 м³ оказывается почти в 2 раза дешевле камер с контролируемой атмосферой. При использовании вакуумной защиты отпадают расходы, связанные с транспортированием баллонов высокого давления или криогенных ёмкостей. Таким образом, разработанная технология и оборудование позволят выращивать металлические заготовки из сталей, алюминиевых сплавов, а также, за счет вакуумной защиты, из сплавов активных металлов, таких как титан, магний и других химически активных, тугоплавких и редких металлов.
Развитие данной технологии осложнено рядом факторов как практического, так и теоретического характера. Во‑первых, это отсутствие математических моделей, связывающих технологические параметры с геометрическими характеристики наплавленных валиков, обусловленное комплексным характером и нелинейностью протекающих процессов. Кроме того, следует отметить низкую стабильность существования дугового разряда в вакууме; трудности управления формированием при нестационарной температуре заготовки в процессе послойного синтеза; металлургические особенности при послойном синтезе, в особенности при наплавлении разнородных материалов в процессе формирования заготовок с функционально-градиентными свойствами. Относительно небольшое тепловыделение на изделии при большом объёме электродного металла с малым теплосодержанием может привести к появлению подрезов и несплавлений (при использовании плавящегося электрода).
Таким образом, возникает целый ряд новых задач, требующих решения. Для повышения стабильности существования разряда целесообразно исследовать возможность применения импульсной подачи проволоки с использованием обратной связи по потенциалу на ней. Это позволит идентифицировать моменты замыкания-размыкания проволоки и погасания дуги. При замыкании проволоки на изделие она отдёргивается до размыкания, при размыкании проволоки или погасании дуги включается подача проволоки в направлении основного металла. Преимущества данного процесса выражаются в его саморегулировании, минимальном тепловом воздействии, минимальном образовании брызг и исключительно стабильной дуге. При наплавке в вакууме данный процесс ранее не исследовался. Дополняющим или альтернативным решением для повышения стабильности дуги и обеспечения качественного формирования может являться применение плазменного источника с использованием плазмообразующего газа или системы с полым катодом.
Для разработки научно-технологических основ формирования заготовок из специальных конструкционных материалов методом локального оплавления проволоки электрической дугой в вакууме, обеспечивающих достижение физико-механических свойств материала на уровне материалов существующих машиностроительных изделий, необходимо объединение экспериментальных и аналитических методов, основанных на построении физических и математических моделей, описывающих изучаемые механизмы. Потребуется формализация исследуемых процессов аддитивного формирования в виде математического описания горения электрической дуги в вакууме и аддитивного синтеза образцов, формирования и стабильного существования электрической дуги в вакууме, нагрева, плавления, тепломассопереноса с последующей кристаллизацией проволочного материала. Формирование дугового разряда в вакууме характеризуется возникновением неравновесной плазмы с температурой электронов, на порядки превышающей температуру нейтральных атомов [11, 16, 17]. Математическая модель может быть основана на решении системы уравнений переноса для концентрации и средней энергии электронов [7, 8]. Электрическое поле определяется из уравнения Пуассона. Для описания массопереноса тяжёлых частиц плазмы (ионов, нейтральных невозбуждённых и возбуждённых атомов) может быть использовано уравнение переноса массы для многокомпонентной смеси [14–17]. По мере удаления от зоны воздействия дуги на металл плазма становится бесстолкновительной, и диффузионные уравнения вырождаются в уравнение непрерывности для заряда, массы и энергии. Кроме термоэмиссионных процессов нужно учитывать эффект Шоттки при расчёте величины электронной эмиссии с поверхности нагретого металла. Математическая модель тепло- и массообмена в процессе аддитивного формирования изделий путём наплавления проволоки электрической дугой в вакууме будет учитывать фазовые и структурные переходы, неоднородные теплофизические свойства материалов и распределения примесей.
Экспериментальные работы должны включать исследование влияния полярности тока, формы и материала электрода, степени разряжения в камере, использования плазмообразующего газа и импульсной подачи присадочной проволоки с обратной связью по напряжению на формирование, устойчивость горения дуги и качество наплавленного слоя. Также коллективом автором предполагается проведение серии многофакторных экспериментов. Варьируемыми параметрами будут являться: скорость подачи материала, мощность, скорость перемещения источника тепла. Фиксированными параметрами будут являться: полярность тока дуги, химический состав и геометрические характеристики подаваемого материала и способ подачи (перед источником нагрева, после источника нагрева, вертикальная или горизонтальная подача). Контролируемыми показателями качества оценки результатов экспериментов являются: физико-механические свойства синтезированного наплавкой материала (предел текучести, предел прочности, твёрдость, ударная вязкость), а также отсутствие недопустимых внутренних дефектов (пор, трещин, несплавлений т. д.) и соответствие требуемым геометрическим размерам. Для оптимизации технологических процессов возможно также использование статистических методов анализа.

Выводы

В работе представлено обоснование целесообразности развития нового технологического процесса — формирования слоистых однородных материалов в вакууме с применением в качестве источника нагрева электрической дуги и цельнометаллической проволоки в качестве присадочного материала. Сформулированы задачи, требующие решения для использования предложенной технологии. Сформулированы возможные решения. Показано, что данный подход, по сравнению с известными технологическими решениями в практике мирового промышленного производства, будет способствовать повышению производительности формирования слоистых материалов, а также позволит устранить ряд недостатков существующего оборудования, применяемого для реализации аддитивных технологий.

Поддержка
Настоящий статья подготовлена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (РФФИ № 18—08—01016 А), а также при поддержке проекта «Международные исследовательские группы» Министерством образования Пермской области (C‑26/787 Дата: 21.12.2017).

Д.Н. Трушников, Ю.Д. Щицын, Д.С. Белинин
Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Россия
Елена Георгиевна Колева, Институт электроники, Болгарская академия наук
E-mail: trdimitr@yandex.ru#EMAIL%3Amailto%3Atrdimitr%40yandex.ru#>

Литература
1. W. R. Morrow, H. Qi, I. Kim, J. Mazumder and S. J. Skerlos, Environmental Aspects of Laser-Based and Conventional Tool and Die Manufacturing, J. Clean Prod., 2007, 15. Р. 932–943.
2. P. Wray, Additive Manufacturing: Turning Manufacturing Inside Out, Amer. Ceram. Soc. Bull., 2014, 93, 3. Р. 17–23.
3. D. H. Freedman, Layer by Layer, MIT Tech. Rev., 2012, 115, 1. Р. 50–53.
4.  W. E. Frazier, Metal Additive Manufacturing: A Review, J. Mater. Eng. Performance, 2014, 23, 6. Р. 917—19—28.
5. Louvis E. et. al. Selective laser melting of aluminium components. Journal of Materials Processing Technology. Department of Engineering, The University of Liverpool, Liverpool L69 3GH, United Kingdom. — 2011. — Vol. 211. — P. 275–284.
6. Sabina L. Campanelli et. аl. Capabilities and Performances of the Selective Laser Melting Process. Polytechnic of Bari, Department of Management and Mechanical Engineering, Viale Japigia, 182 Italy [Электронный ресурс]. URL: <#link#http://cdn.intechopen.com/pdfs/12285/InTech-
Capabilities_and_performances_of_the_selective_laser_melting_process.pdf
7. Безобразов Ю. А. и др. Анализ структуры образцов, полученных DMLS- и SLM-методами быстрого прототипирования. — Екатеринбург, 2012.
8. Chunlei Qiu, Chinnapat Panwisawas, Mark Ward, Hector C. Basoalto, Jeffery W. Brooks, Moataz M. Attallah. On the role of melt flow into the surface structure and porosity development during selective laser melting, Acta Materialia, Volume 96, 1 September 2015. Pages 72–79, ISSN 1359–6454, http://dx.doi.org/10.1016/j.actamat.2015.06.004. (http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1359645415003870)
9. Sciaky Inc. Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM) — Advantages of Wire AM vs. Powder AM. URL: http://additivemanufacturing.com/2015/10/14/electron-beam-additive-manufacturing-ebamadvantages- of-wire-am-vs-powder-am/

10. Sciaky Inc, Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM). URL: http://www.sciaky.com/images/pdfs/product-sheets/Sciaky-EBAM-Technology.pdf
11. Jhavar S., Jain N. K., Paul C. P. Development of micro-plasma transferred arc (μ-PTA) wire deposition process for additive layer manufacturing applications//Journal of Materials Processing Technology. — 2014. — Т. 214. — №. 5. — С. 1102–1110.
12. Spencer DJ, Dickens PM W. C. Rapid prototyping of metal parts by three dimentional welding//Mech E J. Eng. Manuf. 1998. Т. 212. Р. 175–182.
13. Ding J. и др. Development of a laminar flow local shielding device for wire + arc additive manufacture//J. Mater. Process. Technol. 2015. Р. 99–105.
14. Song Y. A., Park S. Experimental investigations into rapid prototyping of composites by novel hybrid deposition process//J. Mater. Process. Technol. 2006. Т. 171. № 1. С. 35–40.
15. Ding J. и др. A computationally efficient finite element model of wire and arc additive manufacture//Int. J. Adv. Manuf. Technol. 2014. T. 70. C. 227–236. http://doi.10.1007/s00170—013—5261‑x.
16. Aiyiti W. и др. Study on the Veritable Parameters Filling Method of Plasma Arc Welding Based Rapid Prototyping//Key Eng. Mater. 2012. Т. 522. С. 110–116.
17. Song Y.-A. и др. Welding and Milling Direct Prototyping of Metallic Parts//С. 495–502. https://sffsymposium.engr.utexas.edu/Manuscripts/1998/1998—55‑Song.pdf
18. Zhang Y. M. и др. Weld deposition-based rapid prototyping: A preliminary study//J. Mater. Process. Technol. 2003. T. 135. C. 347–357.
19. Ding D. и др. Towards an automated robotic arc-welding-based additive manufacturing system from CAD to finished part//CAD Comput. Aided Des. 2016. Т. 73. С. 66–75.

Источник

Лазерное выращивание металлических и металлокерамических изделий

От

-

29.06.2018
0

Оптимизация лазерной наплавки позволяет получить слой быстрорежущей стали любой толщины, совместить наплавку и термическую обработку в одном процессе, в три раза увеличить износостойкость поверхности изделия по сравнению с быстрорежущей сталью.

Введение

Аддитивные технологии (АТ) широко применяются во многих отраслях промышленности и продолжают развиваться. С помощью АТ возможно путём послойного наращивания материала изготовление изделий различной формы и конфигураций. Для улучшения характеристик изделий используют металломатричные композитные покрытия, состоящие из смеси порошков разных металлов с различной по содержанию и химическому составу керамикой [1, 2]. При лазерной наплавке порошковой смеси методом АТ возможно образование различных дефектов, таких как трещины, поры и т. д., что снижает механические свойства изделий. К настоящему времени не разработаны методы определения оптимальных параметров наплавки, которые обеспечивали бы низкую шероховатость, монолитность и однородность структуры. Поэтому поиск оптимальных режимов (мощности лазерного излучения, скорости сканирования, шага сканирования, размера пятна и других) для данного материала или порошка производится эмпирически.
Целью работы является исследование влияния параметров лазерного воздействия на форму и характеристики получаемых наплавленных треков. Основная задача — проведение оптимизации процесса лазерной наплавки для получения монолитной наплавленной структуры с минимальным абразивным износом.

Метод лазерной наплавки для самофлюсующегося порошка ПГ-СР3

При наплавке никель-хромового износостойкого покрытия оптимальные режимы наплавки достигались при мощности лазерного излучения 1,65 кВт. Луч лазера сканировал по поверхности поперёк движения заготовки с частотой 62 Гц, скорость движения луча составляла 3,2 м/с, размах сканирования 5 мм (рис. 1). При этом скорость подачи заготовки составляла 1,2 м/мин. В качестве технологического оборудования использовался автоматизированный лазерный технологический комплекс (АЛТК), созданный в Новосибирске на базе СО₂—лазеров, разработанных в Институте теоретической и прикладной механики СО РАН.

В результате концентрированного теплового воздействия порошковый сплав полностью расплавляется и сплавляется с предыдущим нанесённым слоем, образуя покрытие. Структура полученного покрытия дендритоячеистая (рис. 2). Тонко дифференцированная эвтектическая составляющая выделяется по границам дендритных ячеек. Выделения отдельных первичных карбоборидов не наблюдается. Твёрдый раствор имеет параметры, свидетельствующие о повышении концентрации в нем растворенных элементов. Это косвенно подтверждается в данной работе повышением микротвёрдости твёрдого раствора на 10–12% по сравнению с твёрдостью, получаемой при объёмной термической обработке.

Рис. 2. Микроструктура покрытия ПГ-СР3, оплавленного лучом СО₂-лазера

Лазерная наплавка быстрорежущей стали

Применение для обработки лазерного излучения мощностью около 2 кВт позволяет создавать на поверхности плотность мощности 2 МВт/см2. Это даёт возможность управлять градиентом температуры и локально воздействовать на зону обработки. Сочетание дозированной подачи порошковой стали типа Р6М5, защитных газов и лазерного излучения с заданным распределением интенсивности, сканирующего по поверхности обработки, позволило произвести регулируемый градиентный нагрев с целью получения тонкодисперсного распределения карбидов в первичной структуре.
Возможности повышения эксплуатационных свойств быстрорежущих сталей за счёт их легирования очевидно исчерпаны, хотя такие попытки продолжаются. Перспективным представляется путь совершенствования технологии за счёт управления процессами кристаллизации быстрорежущей стали (например, [3]). Скорость нагрева поверхности деталей излучением лазера такова, что очерёдность фазовых переходов в процессе расплавления структурных составляющих износостойких сплавов меняется. Эта особенность лазерной обработки представляет интерес в связи с возможностью совместить в одном технологическом процессе аддитивное наплавление материала и его термическую обработку. Карбиды вследствие более низкой теплопроводности плавятся позднее твёрдорастворной составляющей. Это даёт возможность использовать лазерное излучение для дробления сеток карбидов и карбидов эвтектик и эвтектоидов.
В данной работе в качестве присадки использовали порошок из стали типа Р6М5 (0,8% С; 3,9% Сr; 6,1% W; 4,9% Мо; 1,8% V), который распределялся перед лазерной обработкой на поверхности основы без какого-либо связующего с помощью специального дозатора-кристаллизатора (рис. 2). Основой служили листовые заготовки в виде диска толщиной 2 мм, изготовленные методом лазерной резки из стали 65Г (0,63% С; 1,1% Mn; 0,32% Si) после полной закалки и отпуска на твёрдость 45 HRC. Заготовка получала движение подачи V, а луч лазера сканировал поперёк направления подачи с амплитудой А. Градиент температуры в изделии регулировали, изменяя мощность излучения, скорость подачи V, толщину укладываемого слоя порошковой шихты, а также амплитуду и шаг сканирования. Наплавленный слой получали на боковой поверхности путём торцевой наплавки по краю заготовки при её угловой подаче в плоскости, перпендикулярной оси лазерного луча, а также на цилиндрической образующей диска (радиальная наплавка) при радиальном направлении лазерного пучка относительно заготовки. Оптимальные режимы наплавки достигались при мощности лазерного излучения 1,5 кВт.
Исходный порошок с частицами диаметром до 150–170 мкм имеет структуру, характерную для порошковой стали, полученной методом распыления жидкой фазы, — дендриты твёрдых растворов с дисперсными выделениями карбидов. Оплавленные зерна при охлаждении становятся центрами роста дендритных кристаллов наплавки (рис. 3). При увеличении толщины порошкового слоя, подвергаемого лазерной обработке, глубина проплавления основы уменьшается. При толщине обрабатываемого слоя более 2 мм появляются не сплавившиеся с основой участки, разделённые с ней плёнкой окислов. Измерение микротвердости структурных составляющих наплавленного слоя показали, что на границе с наплавкой температура зоны лазерного воздействия обеспечивает гомогенизацию аустенита и последующую его закалку на мартенсит с микротвердостью до 11 ГПа.
Структура наплавляемой стали Р6М5 имеет дендритное строение (рис. 3). В сечениях ветвей дендритов высоколегированного аустенита располагаются кристаллы мартенсита (рис. 4). Карбиды выделились в междендритном пространстве в виде эвтектических колоний, а также цепочками отдельных частиц, которые местами образуют сплошной каркас. Толщина полученного покрытия определяется назначением и видом наплавки. При необходимости наращивания покрытия возможна наплавка в несколько слоёв. Полученный наплавкой слой имеет достаточно высокую твёрдость, однако неоднородное распределение карбидов в виде эвтектической сетки по границам дендритных ячеек не обеспечивает необходимой вязкости и трещиностойкости материала. Для диспергирования карбидной сетки производили лазерную обработку полученной наплавки с температурно-временными параметрами, обеспечивающими твердожидкое состояние наплавленного слоя. Структура наплавленной стали Р6М5 во фронте движения лазерного луча и после повторной лазерной переплавки представлена на рис. 5. Во фронте первично переплавленного участка наблюдается увеличение травимости, обнаруживаются микропоры, имеются неметаллические включения. После вторичной переплавки карбидная эвтектика дробится на отдельные частицы. Общее количество карбидной фазы уменьшается. Одновременно увеличивается легированность твёрдого раствора. По сути, лазерная переплавка полученного слоя представляет собой разновидность зонной очистки. В зоне лазерного влияния происходит повторная закалка, развиваются диффузионные процессы на границе с наплавленным слоем. Все это способствует улучшению механических свойств получаемого металла.

Рис. 3. Металлографический анализ однослойной наплавки стали Р6М5. Распределение карбидов. Масштаб 1:1000

Рис. 4. Металлографический анализ наплавки Р6М5. Типичный мартенсит

Рис. 5. Микроструктура наплавленной стали Р6М5 во фронте движения лазерного луча и после повторной лазерной переплавки

Рис. 6. Микроструктура покрытия в несколько слоёв — высоколегированная аустенитно-мартенситная смесь с дисперсионным включением карбидов

Толщина аддитивно получаемого материала определяется назначением создаваемой детали. При необходимости наращивания покрытия возможна наплавка неограниченного количества слоёв. Толщина повторного и последующих слоёв выбиралась около 80% от глубины проплавления стали Р6М5. Нижние слои при послойной наплавке попадают в ЗЛВ. Выбранный режим повторного лазерного воздействия на ранее наплавленную сталь Р6М5 обеспечивает благоприятные изменения в распределении карбидов. Вследствие оплавления сетка карбидов разделяется на отдельные частицы (рис. 6), происходит коагуляция и растворение карбидов. Это, в свою очередь, увеличивает легированность аустенита, образующегося при последующей наплавке.
Послойным наращиванием удалось получить наплавленный слой любой толщины без каких-либо макродефектов с твёрдостью 63–64 HRC. После стандартного трёхкратного отпуска при 560°C твёрдость наплавленной стали Р6М5 увеличивается до 66–67 HRC.

Упрочнение никель-хромовых самофлюсующихся сплавов карбидом вольфрама

Как показано ранее, при испытании наплавленного самофлюсующегося сплава ПГ-СРЗ не наблюдалось охрупчивающего влияния сетки карбоборидов по границам дендритных ячеек. Было установлено, что увеличение доли твёрдых фаз в наплавленном покрытии снижает сопротивление ударно-абразивному изнашиванию. Структурные исследования показали, что это связано с выкрашиванием фрагментов покрытия по хрупкой карбидной сетке, выделившейся по границам дендритных ячеек. Однако, учитывая высокую твёрдость покрытия, можно ожидать высокой его износостойкости при работе в массе абразивных частиц и трении о закреплённый абразив.
С учётом этих данных были составлены композиции наплавочных материалов из самофлюсующегося никель-хромового сплава ПГ‑10 Н‑01 и карбида вольфрама, который вводили в виде тонкодисперсного порошка и в виде сфероидизованных частиц релита — плавленого карбида вольфрама.
Оскольчатая форма зёрен дроблёного литого карбида вольфрама благоприятна при статической нагрузке, однако при работе с ударными, циклическими нагрузками такие включения способствуют возникновению микротрещин и выкрашиванию износостойкой наплавки. В данной работе исследована технологическая возможность получения износостойкого покрытия из смеси порошкового самофлюсующегося сплава со сферическим релитом. Частицы релита преимущественно сферической формы имеют диаметр 53–83 мкм, что по ГОСТ 21448–75 соответствует классу ОМ — «очень мелкий». Порошковая шихта составлялась из 55% самофлюсующегося порошкового сплава ПГ‑10 Н‑01 (С — 0,4%; Si — 2,6%; B — 2,0%; Cr — 13,5%; Ti — 0,1% Ni — основа) с добавлением 45% релита. Шихту укладывали на основу из стали 65 Г (0,63% С; 1,1% Мn; 0,32% Si) с помощью специального дозатора-кристаллизатора. Обработку слоя осуществляли лучом непрерывного СО2-лазера номинальной мощностью 2 кВт с заглубленным фокусом. Оптимальные режимы наплавки соответствуют мощности лазерного излучения 1,65 кВт и скорости перемещения луча по поверхности 3,2 м/мин. Размах сканирования луча — 5 мм.
При плавлении Ni-Cr-B‑Si-С сплава частицы релита остаются твёрдыми. Поверхность частиц карбида вольфрама растворяется в расплавленном никель- хромовом сплаве. Происходит взаимная диффузия компонентов, увеличивается количество карбидной эвтектики и мелких карбидов при последующей кристаллизации (рис. 7а, б). Частицы релита имеют весьма высокую твёрдость. Микротвёрдость, определенная на приборе ПМТ‑3 при нагрузке на индентор 50 г, составила Н50 = 32,36 ГПа. Для сравнения — микротвердость стали 65Г, закалённой при лазерной обработке на мартенсит, составляет Н50 = 10,7 ГПа.

Рис. 7. Микроструктура наплавленного слоя самофлюсующегося никель-хромового сплава ПГ‑10 Н‑01 с 45% карбидом вольфрама

Износостойкость полученного композиционного покрытия оценивали при трении о жёстко закреплённый абразив в соответствии с требованиями ГОСТ 17367–71. Одновременно испытывали образцы покрытия, полученные лазерной наплавкой износостойкого сплава ПГ—10 Н—01 и наплавкой порошковой быстрорежущей инструментальной стали Р6М5—ПМ (0,84% С; 0,48% Si; 0,5% Mn; 3,9% Cr; 6,1% W; 1,9% V; 4,9% Мо;). Появления трещин, отколов, выкрашивания наплавки во время испытаний не наблюдалось. Результаты испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Состав покрытия Твёрдость V_износа, • 10^-7, кг/с

ПГ—10Н—01 HRC_э 45–48 25,0

Р6М5—ПМ HRC_э 66 15,6

ПГ—10Н—01—55% Релит — 45 % Релит Н₅₀ = 32,36 ГПа 4,9

Износостойкость самофлюсующегося никель-хром-бор-кремниевого сплава при трении о жёстко закреплённый абразив увеличилась в 5 раз за счёт дополнительного упрочнения релитом сферическим и более чем в 3 раза превышает износостойкость быстрорежущей стали.

Заключение

Результаты исследования показали технологическую возможность наплавки быстрорежущей стали с помощью лазерного излучения. Регулирование термических циклов лазерной наплавки позволяет получить наплавленную быстрорежущую сталь со структурой высоколегированной аустенитно-мартенситной смеси с дисперсными включениями карбидов. Это позволяет получить слой любой толщины быстрорежущей стали с распределением первичных карбидов в виде отдельных частиц, совмещая наплавку и термическую обработку покрытия в одном технологическом процессе.
Релит сферический можно рекомендовать в качестве компонента износостойких покрытий и наплавок для деталей, работающих в условиях абразивного износа: бурового инструмента, рабочих органов землеройных, строительных и дорожных машин, глиномесов, деталей металлургического оборудования и др. ■

А. Г. Маликов, А. М. Оришич
Институт теоретической и прикладной механики им. С. А. Христиановича СО РАН
630090, Россия, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1, laser@itam.nsc.ru#EMAIL%3Amailto%3Alaser%40itam.nsc.ru#>

Литература
1. Davydova A., Domashenkov A., Sova A. et al. Selective laser melting of boron carbide particles coated by a cobalt-based metal layer. J. Materials Process. Technol. V. 229. P. 361–366 (2016).
2. Фомин В. М., Голышев А. А., Косарев В. Ф. и др. Создание гетерогенных материалов на основе порошков B4C и Ni методом холодного газодинамического напыления с последующим послойным лазерным воздействием // Прикладная механика и техническая физика. Т. 58. № 5. С. 218— 227 (2017).
3. Нижниковская П. Ф., Калинушкин Е. П., Аршова Е. В., Якушев С. С. Влияние скорости охлаждения на механизм и кинетику фазовых превращений при затвердевании W-Мобыстрорежущих сталей // МиТОМ. 1987. № 9. С. 7–11.

<#link#Источник

Аддитивные производства для цифровой экономики

От

-

28.06.2018
0

Секция «Аддитивные технологии в парадигме Индустрии 4.0», проходившая в городе Рыбинске Ярославской области 17 апреля, является одним из самых популярных и значимых событий международного технологического форума «Инновации. Технологии. Производство».

Это связано как с активным внедрением аддитивных технологий (АТ) в процессы производства газотурбинных двигателей на рыбинском ПАО «ОДК-Сатурн» (предприятие входит в Объединенную двигателестроительную корпорацию (ОДК) и является соорганизатором форума), так и с общей политикой ОДК, которая ставит АТ как один из приоритетных векторов развития. Заместитель генерального директора, генеральный конструктор АО «ОДК» Ю. Н. Шмотин определил это направление как доминанту развития технологий и новых средств производства. Уже сейчас в ОДК по данным технологиям изготавливают порядка трех тонн деталей в год [1]. Например, в Центре аддитивных технологий ПАО «ОДК-Сатурн» представлены все перспективные и наиболее востребованные направления АТ: селективное лазерное сплавление металлических материалов, селективное лазерное спекание полимерных материалов, электронно-лучевое сплавление металлических материалов, прямое нанесение металлов. Детали, изготовленные по АТ-технологиям, применяются, в частности, в механизмах поворота лопаток, элементах камер сгорания, элементах механизации, направляющих аппаратов ГТД [2].

<img alt="" height="149" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/ribinsk_konferensia_p4160013_at_3_2018-200×149.jpg" width="200" /> <img alt="" height="149" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/ribinsk_konferensia_p4160092_at_3_2018-200×149.jpg" width="200" /> <img alt="" height="200" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/ribinsk_konferensia_p4170295_at_3_2018-150×200.jpg" width="150" />

<img alt="" height="149" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/ribinsk_konferensia_soderjanie_at_3_2018-200×149.jpg" width="200" />

Аддитивные технологии — это важный инструмент для повышения эффективности и гибкости производства. И целый ряд компаний уже добились существенных результатов в их внедрении. О своих достижениях, направлениях развития и поставленных целях на конференции рассказали представители GE Additive, SLM Solution, EOS GmbH, LPW Technology Ltd, ООО «Ямазаки-Мазак», ООО «Би Питрон СП», ГК «ПЛМ Урал», ООО «Адванс Инжиниринг», останавливаясь на различных аспектах и этапах построения современной «умной» фабрики. Говорили и о технологической подготовке производства, и об управлении данными, обеспечении качества при изготовлении деталей, сборе и анализе данных в условиях производства, защите интеллектуальной собственности и др.

Показательны результаты внедрения АТ корпорацией General Electric, представленные О. В. Ентиным — директором по продажам региона Россия и СНГ General Electric Additive. Отличие корпорации в том, что это и разработчик, и производитель оборудования и материалов для АТ, и самый большой потребитель деталей. Развитие аддитивных технологий здесь получило значительный импульс после 2016 года, когда более 1 млрд долларов были инвестированы в покупку ряда компаний — производителей оборудования и материалов. И сегодня как достижения можно привести следующие примеры. Новый двигатель Advanced Nurboprop Engine (ATP) производится на 35–40% аддитивным способом. 855 деталей традиционного способа производства были заменены 12 деталями, произведенными с помощью АТ. Как результат сокращается расход топлива, вес изделия и скорость реализации подобных проектов. Топливная форсунка — это деталь, которая уже два года используется в летных аппаратах. В этом году GE произведет их порядка 40 тысяч. В другой детали «корпус», которая была реализована на новых машинах, триста деталей были заменены на одну. GE выстраивает на сегодня глобальную цепь аддитивного производства. Подразделения располагают доступом к глобальной сети предприятий производственных и исследовательских, которые включают в себя абсолютно все: производство порошка, предоставление консалтинговых услуг, услуг адаптации любой инновационной идеи, мелкосерийное производство и производственные центры.

В корпорации полагают, что старые производства будут в очень краткосрочной перспективе заменены на новые цифровые комплексы на базе АТ. Для развития корпорация ставит перед собой следующие задачи: улучшенный дизайн изделий, увеличение их размера от 150 мм до 1 метра, увеличение скорости построения, дифференциация технологий машинного производства и цифровых технологий, разработка нового оборудования, материалов и программного обеспечения. Индустрия 4.0 невозможна без кадров, поэтому GE много инвестирует в образование. Огромный потенциал внедрения АТ GE видит внутри собственного концерна. Цель GE Additive — довести годовой доход до 1 млрд долл. США к 2020 г., продать 10000 аддитивных производственных комплексов к 2026 г.

В заключение хочется сказать в целом о форуме. Это уникальное явление, отражающее в тематических секциях целый ряд практических задач в рамках формирования цифровой экономики страны, это поиск новых путей и решений, платформа для обмена знаниями, для консолидации с целью подготовки перспективных проектов в рамках «Национальной технологической инициативы». Поэтому неудивительны и интерес к мероприятию, и его ежегодный рост. В этом году в пятом юбилейном форуме приняли участие более 1300 человек от 300 организаций. И можно уверенно сказать, что это уже давно событие не регионального, а международного масштаба с большим потенциалом развития.

Татьяна Карпова

Использованные источники
1. Шмотин Ю. Н. Сверхвостребованные направления и задачи ОДК // Трамплин к успеху. 2018. N 13. С. 5–7.
2. www.uecrus.com/rus/presscenter/odk_news/?ELEMENT_ID=2855 ОДК-САТУРН 05.04.2018

Источник

О развитии аддитивных технологий

От

-

28.06.2018
0

Развитие аддитивных технологий (АТ) идет столь быстрыми темпами, что формат конференции, где возможен быстрой обмен знаниями и опытом, стал одним из самых популярных для продвижения разработок данной тематики как в научной среде, так и для информирования широкой аудитории. Проходившая во Всероссийском институте авиационных материалов (ФГУП «ВИАМ») уже четвертая конференция «Аддитивные технологии: настоящее и будущее» отразила как новые достижения, так и различные проблемы, задачи, которые стоят перед специалистами отрасли, а также новые направления для применения навыков и технических решений. Динамика роста количества участников отражает актуальность представленных здесь тем и направления в целом. В этом году были зарегистрированы 528 человек от 200 организаций, в том числе из зарубежных стран. Гостями конференции стали представители Китайской Народной Республики, Казахстана, Германии, Вьетнама, Белорусси, Мексики и др.

«Аддитивные технологии — это основа новой промышленности. Все мы должны приложить усилия к тому, чтобы технологии 3D-печати стали инновационной точкой роста экономики России», — считает генеральный директор ФГУП «ВИАМ» Е. Н. Каблов. При сравнении итогов конференций разных лет, проведенных во ФГУП «ВИАМ», видно, что компетенции по использованию АТ в России радикально возросли. Разрабатываются порошки, появились первые установки, разрабатывается программное обеспечение, системы неразрушающего контроля, идет процесс формирования нормативной базы для изготовления изделий по АТ. Например, в ВИАМ в настоящее время успешно решена задача по созданию производства отечественных металлопорошковых композиций — обеспечен выпуск в объеме до 190 тонн в год. Тем не менее, по данным, Е. Н. Каблова, на долю России приходится не более 1,5% мирового рынка АТ, составляющего более 5 млрд долларов. США, КНР, Германия, Великобритания, Япония суммарно контролируют более 50% мирового рынка. По прогнозам, к 2025 году рынок достигнет 25 млрд долларов, и доля России в нем 2%.

<img alt="" height="233" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/viam_ad6a6948_at_3_2018-200×233.jpg" width="200" /> <img alt="" height="134" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/viam_1065_11at-3_2018-200×134.jpg" width="200" /> <img alt="" height="133" src="https://additiv-tech.ru/sites/default/files/resize/u147/viam_xy9a2871_at_3_2018-200×133.jpg" width="200" />

«Для выполнения принятых руководством нашей страны решений о создании и внедрении аддитивных технологий в различных отраслях отечественной экономики необходимо объединить и скоординировать усилия научных, финансовых и промышленных организаций России, как это сделано за рубежом», — подчеркнул Евгений Каблов. «В этой связи на базе ВИАМ готовится «Комплексный план мероприятий по развитию и внедрению аддитивных технологий в Российской Федерации на период 2018–2025 гг.».

Подготовка документа ведется в соответствии с поручением правительства РФ, Военно-промышленной комиссии, Минпромторга России. «План разрабатывается с участием „Росатом“, „Ростех“, „Роскосмос“, активное участие принимают „ОДК“, „ОАК“, корпорация „Тактическое ракетное вооружение“, „Вертолеты России“, КРЭТ, „Технодинамика“, академические институты ФАНО, исследовательские университеты, Росстандарт. В обсуждении этого комплексного плана участвовали представители более 40 организаций, было сделано около 190 предложений от 24 организаций. Все они учтены», — заявил руководитель ВИАМ.

В решении конференции отмечены следующие направления, которые необходимо развивать для широкого внедрения АТ в российскую промышленность: создание единой информационной среды на базе цифровых технологий; создание отечественных материалов нового поколения и аддитивных технологий изготовления деталей; разработка отечественного оборудования на базе отечественного программного обеспечения; разработка национальных стандартов и нормативной документации; совершенствование системы подготовки кадров по базовым инженерным специальностям; создание цифровых аддитивных производств. Все они так или иначе нашли отражение в докладах российских участников из Москвы, Санкт-Петербурга, Перми, Казани, Томска, Рыбинска, Самары, Ижевска и др. Среди представленных тем: синтезирование металлокерамических композиционных материалов и их применение в аддитивном производстве; исследование структур и свойств новых сплавов; нанесение защитных покрытий; сварка заготовок, полученных с помощью АТ; очистка оборотного порошкового материала, создание оборудования для производства порошка, компьютерное моделирование процесса печати и оптимизация конструкций; прогнозирование остаточных напряжений; контроль геометрии 3D-деталей с помощью сканера и их качества с помощью компьютерной томографии, изготовление деталей сложной геометрии и др. Приз за лучший доклад в секции «Новые материалы и технологические процессы для аддитивного производства» вручен Андрею Самохину (ФГБУН «Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова» РАН) — тема выступления «Сфероидизация частиц металлических порошков в плазме и их консолидация методами ГИП и СЛМ», а за лучший доклад на секции «Опыт разработки и применения аддитивных технологий» приз получил Алексей Курчев (АО «ОДК-Авиадвигатель») — тема выступления «Разработка аддитивных технологических процессов изготовления жаровых труб ГТД из отечественного порошка марки ВВ751 П».

Интересной стала третья секция, отразившая опыт разработки и применения АТ для целого ряда прикладных задач: атомного машиностроения, создания навигационных систем беспилотных летательных аппаратов, ремонта деталей и изготовления жаровых труб газотурбинных двигателей, челюстно-лицевой хирургии. А компанией ООО «ИФ АБ Универсал», например, была даже представлена новая технология фирмы XJET по печати керамическими и металлическими наноматериалами. Кроме того, в фойе работала обширная стендовая экспозиция.

Перед Россией стоят масштабные задачи в области авиастроения. Заканчивается первый этап создания ПД‑14 — центрового в семействе двигателей самолетных, вертолетных и промышленных, начинается новый проект по созданию тяжелого авиадвигателя ПД‑50. Аддитивные технологии входят в их производства, а также в уникальные проекты других отраслей, причем не как экзотика, а как необходимый технологический процесс. И конференция, проводимая в ВИАМ, является важным этапом для продвижения АТ, местом, где собираются ведущие ученые отраслевых институтов, специалисты отечественных и зарубежных предприятий, чтобы обсудить пути развития отечественной аддитивной отрасли. Заместитель министра промышленности и торговли О. Е. Бочаров отметил, что в ВИАМ создана удивительная атмосфера и очень высокая степень интеллектуального напряжения.

Татьяна Карпова

Использованы фото и материалы www.viam.ru

Источник

Аддитивные технологии в производстве изделий из композитов

От

-

28.06.2018
0

На протяжении последних четырёх десятков лет в увеличивающемся объёме растёт применение полимерных композиционных материалов (ПКМ). ПКМ позволяют снизить массу конструкций при обеспечении требуемого уровня прочности, химической стойкости, биосовместимости. В последние пять лет наметилась тенденция к разработке экономически эффективных технологий получения ПКМ. Ключевой вклад в экономическую эффективность получения ПКМ вносят новые высокоскоростные автоматизированные технологии формообразования и ускорение процессов отверждения полимерной матрицы.

К сожалению, в России для получения ПКМ применяют в основном термореактивные связующие, которые позволяют получать ПКМ с достаточно высокими характеристиками, но технологический цикл получения одной детали достаточно длинный — от 4 до 18 часов. Применение термопластичных полимеров требует специализированного оборудования и оснастки, отличного от оборудования, приспособленного для работы с термореактивными полимерами (эпоксидными, фенольными и т. д.), но позволяет получать ПКМ за минимальное технологическое время (до 5 минут на 1 деталь). При этом свойства ПКМ с полиэфиэфиркетоновой (ПЭЭК) матрицей близки к свойствам ПКМ с термореактивными матрицами. Применение термопластичной матрицы расширяет возможности изготовления ПКМ с применением аддитивных технологий.

Специалистами инжинирингового центра «Высокотемпературные композиционные материалы» ГБОУ ВО МО «Технологический университет» (г. Королев) в 2016 году реализован грант «Разработка технологических основ получения нитяного термопластичного препрега на основе углеродного волокна и полиэфирэфиркетона для аддитивных технологий производства высокотемпературных композиционных материалов». Была разработана не имеющая российских аналогов технология получения нитяного термопластичного препрега (НТП) на основе углеродного волокна и полимера для использования его в аддитивных технологиях. НТП представляет собой готовый для переработки полуфабрикат — леску, состоящую из непрерывного углеродного волокна, пропитанного термопластичным полимером. В роли термопласта могут использоваться различные полимеры, в том числе PP, PEEK, ABS.

Отличительной особенностью разработанной технологии от известных аналогов является не внедрение «сухого» углеродного волокна в полимерный материал при печати, что не позволяет в полной мере использовать прочность армирующего волокна, а создание полноценной монолитной конструкции с качественной пропиткой армирующего материала полимером.

Для получения НТП с качественной пропиткой межфиламентного пространства углеродного волокна была разработана оснастка, на которой подобран оптимальный вариант площения и расположения сопел в узле пропитки. Протестирована возможность переработки полученного НТП на 3D-принтере собственной сборки.

В настоящий момент отрабатывается технология создания НТП, предполагающая нанесение порошка/гранул полимера на предварительно прогретое и площёное углеродное волокно, в структуру которого затем горящими каландрами будет впрессовываться полимер. Подобная технология позволит меньше травмировать жгут, а также получать не только леску для печати, но и ленты НТП разной ширины, в зависимости от ширины нитки и степени её площения. Применение лент предполагается в автоматизированной выкладочной технологии. Начато проектирование выкладочной головки, аналог представлен на рис. 1.

Рис. 1. Выкладочная головка производства компании Automated Dynamics, США

Для прогнозирования свойств конструкций из ПКМ, полученных по аддитивной технологии, в ООО Научно-технический центр «АПМ» разработан специальный модуль конечно-элементного анализа. ■

А.В. Чесноков, В.А. Старцев, В.Н. Андреев, В.С. Прокопов, ec_ut@bk.ru#EMAIL%3Amailto%3Aec_ut%40bk.ru#></em></p> <p><#link#Источник

Применение Generative Design для оптимизации конструкции кронштейна авиадвигателя

От

-

28.06.2018
0

Разговоры о порождающем проектировании идут уже давно. Мы видим все новые и новые примеры реального воплощения этой технологии в новостных лентах, научных статьях и социальных сетях. Оно тесно связано с аддитивными технологиями 3D-печати. Сегодня ими уже никого не удивить, но, например, пять лет назад мало кто мог представить, что напечатанные детали можно использовать в автомобильной промышленности и самолетостроении. Тем не менее такие примеры уже есть, и их эксклюзивность превращается в нечто привычное. General Motors анонсирует использование напечатанных деталей в своих автомобилях, Airbus оснащает самолеты легкими перегородками с бионическими внутренностями, и даже компания Black&Decker ведет работу над созданием нового облегченного инструмента (рис. 1).

Рис. 1. Применение бионического дизайна в различных изделиях

При возрастающей популярности аддитивных технологий логично, что программное обеспечение, позволяющее использовать порождающее проектирование, становится доступным рядовому конструктору, работающему с Fusion 360 или Netfabb. И если рассматривать Fusion 360, выходит, что высокотехнологичный инструмент для порождающего проектирования вы получаете по цене, сравнимой с годовой страховкой среднего автомобиля. А если принять во внимание все остальные возможности этого облачного продукта, получается почти даром.
В этой статье мы разберем простой пример разработки конструкции кронштейна авиационного двигателя с помощью приложения Generative Design (GD), недавно анонсированного Autodesk в качестве нового функционала Fusion 360 (рис. 2). Важно отметить, что «волшебная» кнопка GD доступна только счастливым обладателям подписки Fusion 360 Ultimate. При нажатии на нее вы скачиваете приложение GD, в котором и будут выполняться все манипуляции. Во Fusion же можно просмотреть готовый результат и, при желании, доработать полученную модель.

<#pic#2675#0#0#0##><#pic#2689#0#0#0##>

Рис. 2. Варианты конструкции кронштейна авиационного двигателя

Последовательность действий напоминает алгоритм использования генератора форм в Inventor или Shape optimization во Fusion 360. Основное отличие заключается в том, что система сама выращивает форму детали в зависимости от поставленных задач и введенных параметров. Необязательно использовать какой-то прототип для его дальнейшей доработки, как это происходит при топологической оптимизации, например, в Inventor.
Прежде всего необходимо проанализировать конструкцию, задать цель, условия и нагрузки. В данном случае целью будет минимизация веса детали при сохранении ее прочности. Предположим, что кронштейн лежит на бесконечно жесткой пластине, при этом штифт и болты также будут бесконечно жесткими. Осталось определиться с нагрузками, возможными материалами, минимальной толщиной модели и коэффициентом прочности, после чего можно приступать к работе в приложении (рис. 3).

<#pic#2676#0#0#0##><#pic#2677#0#0#0##><#pic#2678#0#0#0##><#pic#2679#0#0#0##>

Рис. 3. Определение нагрузок и сил, действующих на модель

После запуска приложения необходимо создать проект, который хранится в службе A360, а затем загрузить геометрию, которая будет использоваться как ссылочная. Это могут быть части окружающего узла. Например, двигателя, как в нашем случае. Autodesk Generative Design импортирует достаточный список форматов. Вся геометрия помещается в браузер.
После импорта данных необходимо указать, какие функции будет выполнять определенная геометрия. Сначала выберем неизменяемую геометрию — к ней отнесем цилиндрические части под болты и штифт. Затем обозначаем геометрию, ограничивающую движение кронштейна, — все то, что не было выбрано в первый раз. Отмеченная геометрия окрашивается в разные цвета и помещается в соответствующие папки браузера (рис. 4). Также есть возможность выбрать исходную деталь, если бы она была импортирована в сборке.
Следующий шаг — наложение ограничений (рис. 5). В качестве зафиксированной геометрии выбираем цилиндрические поверхности под болты. Доступен еще один тип ограничений — без трения. Затем на геометрию можно наложить нагрузки, такие как давление, сила и момент. В нашем случае мы задаем несколько сил, выбирая одновременно два кольца и указывая значение и направления по разным осям. Клонируем полученный вариант несколько раз и затем меняем направления и значения нагрузок. В последнем варианте задаем направления нагрузки в противоположные стороны, имитируя момент.

Рис. 4. Определение функций выбранной геометрии

<#pic#2680#0#0#0##><#pic#2681#0#0#0##><#pic#2682#0#0#0##><#pic#2683#0#0#0##><#pic#2684#0#0#0##>

Рис. 5. Наложение ограничений на модель

Теперь необходимо выбрать цель дизайна (рис. 6а). Как уже было сказано ранее, мы хотим минимизировать вес детали при заданном коэффициенте прочности. При желании основной целью можно выбрать максимальную жесткость, в этом случае необходимо добавить желаемый вес модели.

<#pic#2686#0#0#0##><#pic#2685#0#0#0##>

Рис. 6. Выбор критериев для оптимизации и типа производства

Затем определим тип производства детали (рис. 6б). Тут в качестве метода будет логично выбрать аддитивное производство. В этом случае потребуется указать параметры трехмерной печати: минимальную толщину и угол нависания. Перед генерацией вариантов необходимо выбрать материалы из предоставленной разработчиком библиотеки. Конечно же, есть возможность дополнить ее пользовательскими материалами. Теперь все готово для того, чтобы нажать заветную кнопку Generate!
В процессе генерации вы можете наблюдать, как изменяется форма деталей, приходя в соответствие с заданными условиями (рис. 7). По завершении процесса вы можете отсортировать детали по разным критериям, например массе, или отсеять те, которые не соответствуют вашим требованиям, а также просмотреть процесс трансформации каждой конфигурации в ходе расчета. Отображение результатов регулируется настройками: в виде списка, диаграммы, таблицы с подробными характеристиками и т. д. При желании можно подробно рассмотреть варианты в отдельном графическом окне, увидеть, как распределена нагрузка, а также сравнить несколько полученных моделей. И наконец, финальный шаг — экспорт выбранной модели в формат SAT или STEP (рис. 8).

<#pic#2687#0#0#0##>

Рис. 7. Варианты генеративного дизайна, созданного искусственным интеллектом

<#pic#2688#0#0#0##>

Рис. 8. Экспорт выбранной модели в необходимый формат

Важно отметить, что процесс экспорта, как и генерации, затрачивает ваши индивидуальные «облачные кредиты» (cloud credits), которые рано или поздно заканчиваются. В дальнейшем потребуется дополнительное приобретение, поскольку стартовое количество равно всего 100 единицам.
Надеемся, эта статья смогла показать принципы, порядок и простоту работы с функциональностью порождающего проектирования Autodesk Generative Design в решениях Fusion 360 и Netfabb. ■

Дмитрий Шестаков, компания «ПОИНТ»

Источник

АО «ПОЛЕМА»: передовые разработки для сурового климата и агрессивных сред

От

-

28.06.2018
0

АО «ПОЛЕМА» (г. Тула, входит в промышленно-металлургический холдинг) активно расширяет номенклатуру своей продукции, которая может применяться при экстремальных температурах — от —70°C до 1100°C. Постоянное увеличение требований высокотехнологичных отраслей, таких как авиакосмическая промышленность и двигателестроение, а также освоение Арктики требуют применения новейших материалов. Помимо самой возможности создания таких материалов необходимо учитывать и их себестоимость — она должна быть ниже, чем у традиционных материалов, чтобы ускорить развитие смежных отраслей.

Эти условия соблюдены на предприятии «ПОЛЕМА», инвестиционные проекты которого позволяют создавать новые продукты по конкурентной цене.

С 2017 г. при поддержке Фонда развития промышленности (ФРП) реализуется проект по производству металлических высоколегированных порошков для наплавки, напыления и аддитивных технологий. Запущено передовое оборудование, благодаря которому осваивается выпуск новых марок порошковых композиций, соответствующих мировым стандартам качества по сферичности частиц, грансоставу, чистоте материала.

В начале текущего года «ПОЛЕМА» представила новые материалы, которые показывают стабильность физико-механических характеристик при температурах, критичных для традиционных материалов. Среди наиболее востребованных разработок можно выделить следующие:
• Порошковый суперинварный сплав — отличается низким ТКЛР (температурный коэффициент линейного расширения). Изделия из порошкового суперинварного сплава не меняют своих геометрических размеров в широком диапазоне температур. Материал адаптирован для производства деталей и узлов машин и конструкций.
• Для изделий, используемых при экстремально низких температурах, был разработан порошковый аналог сплава ЭП 817. Полученный материал выдерживает температуры до —70°C, сохраняя основные физико-механические свойства. Применим для создания коррозионностойких покрытий, например, для нагруженных деталей, работающих при низких температурах. Ведутся работы по определению оптимальных режимов 3D-печати из данного материала.
• Инновационный материал на основе кобальта (марка КХ26Н9МЖВ), разработан для изготовления деталей и изделий, работающих при высоких температурах (до 1100°C). Он обладает хорошей устойчивостью к агрессивным средам и к абразивному износу.

В зависимости от размера частиц возможно применение как для изготовления деталей и изделий традиционным методом порошковой металлургии, так и для наплавки и напыления.
• Сплавы высокой энтропии марки ПР-КХ23Н26 — новейшая разработка АО «ПОЛЕМА». Эти материалы обладают уникальной коррозионной стойкостью, способны сохранять прочность и гибкость даже при сверхнизких температурах, а также устойчивый фазовый состав при термомеханической обработке. Сплав подходит для производства изделий различными методами, — наплавкой и напылением, с помощью аддитивных технологий, спеканием и т. д.
На «ПОЛЕМА» действует собственный научно-исследовательский центр. Разработки предприятия позволят существенно улучшить потребительские свойства и снизить стоимость конечных изделий. «ПОЛЕМА» принимает участие в федеральной целевой программе «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы» совместно с НИТУ МИСиС. С этим институтом ведется разработка порошкового материала CompoNiAl-M5-3 для 3D-печати лопаток турбинных двигателей и отрабатываются режимы аддитивного производства и финишной термической обработки (ГИП).
Реализация масштабных инвестиционных проектов и мощная исследовательская лаборатория позволяют АО «ПОЛЕМА» быть в авангарде создания продуктов для аддитивных технологий. «ПОЛЕМА» готова поставлять продукцию для самых сложных условий, под нужды конкретного заказчика, а также участвовать в решении задач по внедрению эффективных аддитивных технологий на российских предприятиях.

АО «ПОЛЕМА» — один из ведущих мировых производителей изделий из хрома, молибдена, вольфрама, металлических порошков и композиционных материалов. С 2014 г. на заводе освоены выпуск порошков для 3D-печати и MIM-технологий. В настоящее время «ПОЛЕМА» — крупнейший в России поставщик порошков для 3D-печати.

АО «ПОЛЕМА» может производить до 3000 т различных металлических порошков в год. Это уникальное предприятие, где почти 60‑летний опыт работы в порошковой металлургии сочетается с самыми передовыми технологиями. Номенклатура металлических порошков на никелевой, кобальтовой, железной, титановой, хромовой и других основах, изготавливаемых компанией, превышает 200 наименований. Портфель клиентов включает отечественные и зарубежные компании. Порошки производства предприятия «ПОЛЕМА» широко используются для 3D и MIM-технологий, наплавки, напыления, в том числе с целью защиты или ремонта и восстановления рабочих поверхностей различных типов технологического оборудования.

При поддержке ФРП

Источник

1...105106107...109 Страница 106 из 109