Заменят ли аддитивные технологии традиционные способы обработки деталей? Плюсы и минусы аддитивных технологий.

Об авторах:

Алексей Игоревич Курчев - заместитель директора по аддитивным технологиям ООО "ИННФОКУС".

Дмитрий Николаевич Трушников, руководитель проекта «Гибридное аддитивное производство», доктор технических наук, директор департамента науки и инноваций Пермского Политехнического Университета

(ООО «ИННФОКУС», ПНИПУ, совместно с ООО «ИНКОР» являются участниками консорциума Пермского края "МЕЖОТРАСЛЕВОЙ ЦЕНТР КОМПЕТЕНЦИЙ ПО АДДИТИВНЫМ ПРОИЗВОДСТВАМ")

Статья подготовлена по результатам вебинара по гибридной наплавке, организованного ООО «ИНКОР».

Обзор современных аддитивных технологий 

Аддитивные технологии (АТ) – одна из самых динамично развивающихся технологий 21 века. АТ позволяют значительно сократить себестоимость изделий, увеличить коэффициент использования материала (КИМ), дают возможность изготавливать принципиально новые и сложные детали, использовать различные материалы для 3D-печати – от полимеров, керамики, металла до биоматериала, ускоряют вывод опытного или серийного изделия на рынок.

Существует порядка 30-ти аддитивных технологий, которые отличаются методом нанесения слоя и их соединения, используемым материалом. По международному стандарту ISO/ASTM 52900:2015 и российскому ГОСТ Р 57558-2017 существуют 7 типов/классов АТ:

• Экструзия/выдавливание материала (англ. Material Extrusion), АТ – FDM;

• Разбрызгивание связующего (англ. Binder Jetting), АТ – BJ;

• Фотополимеризация в ванне (англ. Vat Photopolymerization), АТ – SLA, DLP, CDLP;

• Разбрызгивание материала (англ. Material Jetting), АТ – MJ, NPJ, DOD;

• Синтез в заранее сформированном слое порошка (англ. Powder Bed Fusion), АТ – MJF, SLS, SLM/DMLS, EBM;

• Прямой подвод энергии и материала (англ. Direct Energy Deposition), АТ – LENS, EBAM;

• Соединение листовых материалов (англ. Sheet Lamination), АТ – LOM.

В большинстве своем крупные промышленные производства, предприятия машиностроительного, оборонного комплекса, работают с металлическими изделиями.  Поэтому в данной статье речь пойдет о технологиях 3D-печати металлами. Можно выделить как зрелые технологии, такие как SLM, EBM, LENS, EBAM, Metal BJ, которые уже используются в промышленности, так и новые технологии, развитие которых происходит в данный момент – MCP, MHD (Material Jetting), MELD.

Не углубляясь в физику процесса, разные металлические АТ можно сравнивать по общим характеристикам: объем камеры построения, толщина слоя, производительность, стоимость, используемые материалы. Данные характеристики непосредственно влияют на параметры заготовки или детали, которые можно изготовить по АТ: размеры, точность/шероховатость, стоимость, время изготовления, физико-механические характеристики. Сравнение характеристик[1] установок АТ представлено на Рис. 2 и Рис. 3.

Далее, каждая из представленных АТ будет описана подробнее.

[1] Для производительности и стоимости изготовления представлена качественная оценка с точностью до порядков, количественная точная оценка зависит от множества параметров. Стоимость изготовления включает в себя только стоимость амортизации оборудования.

1. Технология SLM

SLM (Selective Laser Melting) или СЛС (селективное лазерное сплавление) – относится к типу технологии сплавления материала в заранее сформированном слое (англ. Powder Bed Fusion). Суть технологии СЛС заключается в точечном сплавлении металлического порошка. Сплавление порошка проходит по определенной стратегии сканирования (т.е. траектории движения лазера). После завершения сплавления слоя, установка наносит новый слой порошка и происходит сплавление нового слоя. Данный процесс повторяется до полного изготовления деталей.

Для обеспечения достаточной жесткости конструкции и теплоотвода к сильно нависающим поверхностям (менее 45˚ между поверхностью и основанием) подводят специальные поддерживающие структуры (см. Рис. 4).

Данная технология используется при изготовлении деталей сверхсложной геометрии.



Преимущества технологии СЛС:

• Высокое разрешение в горизонтальной плоскости;

• Толщина слоя от 20 до 80 мкм;

• Большой перечень используемых порошков (Cu, Al, Fe, Ti, Ni, CoCr и др.).

Недостатки технологии СЛС:

• Низкая производительность;

• Ухудшение свойств порошка при повторном использовании материалов;

• Необходимость использования системы поддержек.

• 2. Технология EBM

EBM (Electron Beam Melting) или ЕЛС (электронно-лучевое сплавление) – относится к типу технологии сплавления материала в заранее сформированном слое (англ. Powder Bed Fusion). Суть технологии ЕЛС схожа с технологий СЛС, за исключением того, что порошок сплавляется электронным лучом, сам процесс происходит в вакууме при высоких температурах (600 °С – 1000 °С). Эта особенность позволяет технологии ЕЛС печатать металлами, которые подвержены растрескиванию при изготовлении по технологии SLM/CЛС, например, интерметаллидом TiAl (Ti-48Al-2Cr-2Nb).  

  Данная технология используется при изготовлении деталей сверхсложной геометрии. 

Преимущества технологии ЕЛС:

• Высокое разрешение в горизонтальной плоскости;

• Толщина слоя от 50 до 200 мкм;

• Большой перечень используемых порошков (Fe, Ti, Ni);

• Печать интерметаллидом TiAl;

• Необходимо меньше поддержек, по сравнению с СЛС.

3. Технология LENS

LENS (Laser Engineered Net Shaping) или ГПЛН (газопорошковая лазерная наплавка) – относится к типу технологии прямого подвода энергии и материала (англ. Direct Energy Deposition). Суть технологии ГПЛН заключается в прямом подводе порошка в зону сплавления, с последующим сплавлением лазером. Подвод порошка осуществляется под давлением в воздухе или инертном газе.



Данная технология используется при изготовлении крупногабаритных деталей простой геометрии, ремонте, нанесении защитных покрытий. 




Преимущества технологии ГПЛН:

• Возможность локальной обработки и гибридного изготовления;

• Возможность изготовления и ремонта крупногабаритных, сложнопрофильных, тонкостенных изделий.

Недостатки технологии ГПЛН:

• Большой расход порошка из-за особенностей процесса.

4. Технология EBAM

EBAM (Electron Beam Additive Manufacturing) или ПрНЭЛ (проволочная наплавка электронным лучом) – относится к типу технологии прямого подвода энергии и материала (англ. Direct Energy Deposition). Суть технологии ПрНЭЛ заключается в прямом подводе металлической проволоки в зону сплавления, с последующим сплавлением электронным лучом.





Данная технология используется при изготовлении крупногабаритных деталей простой геометрии.

Преимущества технологии EBAM:

• Высокая производительность и габариты 3D‑печати;

• Высокие механические свойства заготовки.

При сравнении ГАП и других аддитивных технологий, у ГАП самые высокие показатели по размеру изготавливаемых деталей, производительности, экономической эффективности и безопасности, механическим свойствам заготовки, но низкие показатели по точности/разрешению 3D-печати, см. Рис.11.




Преимущества технологии ГАП (идентично технологии EBAM):

• Высокая производительность и габариты 3D‑печати;

• Высокие механические свойства заготовки.

• Габариты детали и геометрические параметры (минимальные толщины стенок или другие характерные минимальные размеры);

• Материал детали, доступное сырье, его качество, стоимость и доступность на рынке, условия поставки (порошок или проволока).

Габариты и геометрия детали первый пункт для оценки, который позволит отфильтровать класс АТ для изготовления детали. Простой критерий оценки сложности геометрии – отношение площади всех образующих поверхностей к объему, чем больше критерий, тем сложнее геометрия. Если деталь небольших размеров (30-40 см по трем осям) с сложной геометрией, то технологии СЛС, ЕЛС, Metal BJ могут быть более предпочтительными. Другой вариант – крупногабаритная деталь (более 50 см по трем осям) с простой геометрией, где технологии класса DED, например, ГАП являются экономически эффективнее, а в ряде случаев безальтернативными из-за малых размеров камер построения установок PBF.

Второй критерий оценки – материал детали и доступное сырье. Его доступность и стоимость могут помочь с выбором АТ, если после оценки детали по габаритам осталось несколько вариантов.

Рассмотрим выбор АТ на примере детали судостроительной отрасли, выполненный компанией ООО «ИННФОКУС», см. Рис. 12. 

В данном случае определяющим критерием стал именно материал изготовления, специальный морской титановый сплав. Данный сплав отсутствовал в виде порошка на рынке, стоимость его создания, а также отработка режимов сплавления выходила за рамки бюджета проекта, тогда как проволочной сырье доступно, а режимы наплавки отработаны. Таким образом именно проволочная наплавка была предложна заказчику, как возможная технология изготовления заготовки для данной детали.

Внедрение аддитивных технологий на промышленных предприятиях

Аддитивные технологии во многом инновационны и охватывают собой несколько направлений модернизации производства: от оптимизации сырьевой базы до обновления станко-парка. Реализация такого емкого проекта возможна только объединением сил экспертов по разработке и выводу на рынок промышленного оборудования по гибридной наплавке. 

С этой целью был сформирован производственно-инжиниринговый консорциум промышленных предприятий, инжиниринговых компаний и ВУЗов «Гибридное аддитивное производство». 

Официальный сайт проекта - https://gibridat.ru/

ООО «ИНКОР» - обеспечивает полный комплекс услуг, связанных с подбором, поставкой, внедрением и обслуживанием металлообрабатывающего оборудования.

ООО «ИННФОКУС»  – инжиниринговая компания, системный интегратор в области инновационных и производственных технологий, предоставляет комплексные услуги инжиниринга и поставки высокотехнологичного оборудования. Одно из ведущих направлений деятельности – аддитивные технологии. 

Для получения консультации, по вопросам внедрения обращайтесь к любому участнику консорциума.