Что такое dmd методы оборудование материалы типичные изделия

Что такое dmd методы оборудование материалы типичные изделия

info@deloproltd.ru

+7 (343) 302-10-26

Молоты и гидравлические прессы для свободной ковки

Молоты и прессы для горячей объемной штамповки

Оборудование для брикетирования металлической стружки и пакетирования металлолома

Кольцераскатные машины и станы

Кузнечно-прессовое оборудование для мастерских

Ковочные манипуляторы и загрузчики

Другое кузнечное оборудование

Оборудование для производства стальных шаров

Восстановление и ремонт

Изготовление

Улучшение характеристик

Что такое прямое осаждение металла (DMD)?

Прямое осаждение металла (DMD) — это технология изготовления порошковых струйных добавок (AM), которая может быть использована для недорогой сборки, ремонта, наплавки и реконфигурации ковочных штампов. Этот метод также использовался для добавления таких деталей, как фланцы и выступы, к кованным деталям для улучшения их функциональности. В этой статье используются четыре тематических исследования, чтобы детально изучить эту технику и сравнить ее достоинства и ограничения с традиционными и другими методами AM / сварки.

Рисунок 1. а) Порошок, защитный газ и лазерное сопло доставки; б) Замкнутая система прикреплена к соплу

Успех метода прямого осаждения металла (DMD) заключается в разработке его порошка, защитного газа и сопла для доставки лазера (рис. 1а). Порошковый металл направляется в конус так, что его наконечник пересекается с подложкой. Мощный лазерный луч подается через ось конуса, чтобы обеспечить энергию для плавления и сплавления порошкообразного металла с подложкой. Вокруг металла создается завеса из защитного газа, которая защищает бассейн расплава от атмосферных газов.

Во время осаждения лазер создает бассейн расплава на подложке. Добавление порошкового металла в ванну с расплавом увеличивает его объем и создает валик. Перемещая сопло относительно подложки, можно создавать сложные узоры. Укладывая эти рисунки друг на друга, можно сформировать трехмерные фигуры. Изменения скорости охлаждения из-за изменения геометрии детали и профиля температуры детали могут влиять на толщину осаждаемого слоя.

Чтобы противостоять этому эффекту, такие компании, как DM3D Technology, используют системы с обратной связью. Как показано на рисунке 1b, три камеры с зарядовой связью (ПЗС) контролируют высоту ванны расплава в режиме реального времени и корректируют параметры процесса для поддержания постоянной толщины слоя.

Форсунки обычно устанавливаются в системе на базе ЧПУ, что позволяет очень точно контролировать их движение во время процесса DMD. Когда требуется больше степеней свободы, насадки также могут быть установлены на роботизированные руки. Поскольку большинство сплавов можно наносить с помощью только локализованного экранирования, обеспечиваемого соплом, технология DMD может обрабатывать детали, которые намного больше, чем технологии лазерного плавления в порошковом слое (LPBF) и технологии AM-струйной струйной печати. Для тех сплавов, которые более подвержены атмосферному загрязнению, процесс осаждения также может быть заключен в камеру с инертным газом.

Пример 1: Недорогая сборка

Рисунок 2. а) Заготовка из инструментальной стали S7; б) Прямое осаждение металла (DMD) стеллита; в) после процесса DMD; г) после DMD и окончательной обработки

Тепловые трещины образуются в результате быстрого нагрева и охлаждения поверхности. Поскольку ковочные штампы для горячей объемной штамповки проходят большие термические циклы во время работы, проверка нагрева является распространенной проблемой для кузнечной промышленности. Эта проблема может быть решена путем изготовления ковочных штампов из термостойкого материала, который часто дорог и труден для обработки.

Более дешевый подход к противодействию трещинам, как следствие нагрева, состоит в том, чтобы изготовить большую часть матрицы из недорогого материала и применять термостойкий материал только в тех областях, которые наиболее подвержены трещинам. Данная компания смогла продемонстрировать эту методологию, используя в качестве субстрата недорогую и простую в обработке заготовку S7 (рис. 2а).

Сплав кобальта / хрома, названный Stellite, был тогда осажден на поверхностях, которые, как ожидали, столкнутся с большими тепловыми циклами (рисунок 2b). Этот сплав известен своей высокотемпературной твердостью. На рисунке 2c показана матрица после процесса DMD, а на рисунке 2d показана окончательная обработка матрицы. Процесс DMD занял примерно один час.

Ковочный штамп, обработанный с использованием DMD, был дешевле, чем ковочный штамп, изготовленный традиционным способом, из-за более низких затрат на материалы и обработку. Из-за легкости обработки материала и доступности, время выполнения для изготовления матрицы было сокращено на 30%. Несмотря на то что срок службы штамповочных штампов, изготовленных традиционным способом, составлял

5000 циклов, обрабатываемый штамп DMD работал в течение 19 000 циклов. Это увеличение срока службы было связано с тонкой микроструктурой, которая создается во время процесса DMD.

Пример 2: Реконфигурация

Рисунок 3. а) Оригинальная ковочная матрица; б) ковка, реконфигурированная с использованием процесса DMD

Из-за изменений в технических требованиях или уроках, извлеченных из производства, часто требуется модификация инструмента в кузнечно-прессовом производстве. Рисунок 3а иллюстрирует модель гипотетического ковочного штампа, который устарел из-за изменений в конструкции. Чтобы перенастроить матрицу с использованием DMD, ее сначала необходимо обработать до формы, аналогичной заготовке, показанной на рисунке 2a. Затем он проходит процесс DMD и обрабатывается до окончательной формы, показанной на рисунке 3b. Преимущества использования МДД в ​​этом случае заключаются в сокращении времени выполнения заказа и затрат на переоборудование.

Пример 3: Наплавка

Рисунок 4. Кузнечный штамп

На рисунке 4 показан ковочный штамп для обрезки, используемый для обрезки облоя после ковки. Во время работы кромки триммера подвергаются большему износу, чем остальная часть матрицы. Когда эти края повреждены, триммер выходит из эксплуатации.

Крайне желательно сделать обрезную кромку из очень износостойкого материала. Чтобы жестко обработать обрезную матрицу, показанную на рисунке 4, на кромке обрезки была обработана фаска. Как показано на рисунке 5а, DMD использовался для нанесения стеллита на скошенную поверхность. Затем поверхность DMD была обработана до окончательной формы.

Рисунок 5. а) Схема поперечного сечения кромки обрезки после DMD; б) Микрофотография поперечного сечения после DMD и механической обработки; в) профиль твердости поперечного сечения

На рисунке 5б показано, что осаждение стеллита и его граница раздела с подложкой H13 не имеют дефектов, таких как трещины, пористость или расслоение. Это свидетельствует о превосходной связи между подложкой и осажденным материалом. Это также говорит о том, что параметры процесса, используемые для МДД, были адекватными. Профиль твердости (рис. 5в) показывает, что стеллиту удалось придать основную массу высокой твердости.

После того, как гравюра ковочного штампа, показанная на рисунке 4, получила твердую поверхность, срок службы увеличился на 260% по сравнению с аналогами, изготовленными традиционным способом. Улучшенные характеристики были обусловлены высокой износостойкостью стеллита, хорошим напылением, отличным межфазным соединением между стеллитом и Н13 и тонкой микроструктурой, присущей процессу МДД.

Пример из практики 4: Ремонт

Рисунок 6. Верхняя половина ковочного штампа рычага управления: а) после МДД; б) после DMD и механической обработки

Ковочные штампы для горячей объемной штамповки часто изготавливаются из материалов, устойчивых к высокой термостойкости и износостойких материалов, которые зачастую довольно дороги. С увеличением размера ковочного штампа увеличивается и стоимость изготовления. Например, из такого материала было очень дорого изготовить ковочный штамп размером примерно 36 x 36 x 10 дюймов, показанную на рисунке 6.

Ремонт ковочных штампов для продления срока их службы может сократить время выполнения заказа и компенсировать первоначальные производственные затраты. Головка, показанная на рисунке 6, была обработана для удаления областей, поврежденных во время операции ковки. Затем на обработанные участки была нанесена высоколегированная высокопрочная инструментальная сталь CPM1V. После того, как верхняя половина матрицы была отремонтирована, такая же процедура была применена и к нижней половине матрицы. Процесс DMD занял приблизительно пять часов и смог продлить срок службы матрицы на 91%.

Заключение

Было доказано, что технология DMD снижает стоимость изготовления для перенастройки, наплавки и ремонта ковочных штампов. DMD может быть экономически выгодным решением, способным достичь свойств, которые сопоставимы или лучше, чем у деформируемого материала. Кроме того, технология DMD может использоваться для больших деталей и в производственных условиях.

Источник

Технология DMD — прямое нанесение металла

DMD (Direct Metal Deposition) — это разработанная фирмой POM новая аддитивная технология, которая призвана перевести металлообработку и изготовление оснастки в новое русло. Этот способ прямого изготовления металлических деталей является важнейшим шагом в технологиях металлообработки за последние десятилетия. DMD позволяет получить нужные изделия из материалов с улучшенными характеристиками за меньшее время и с меньшими затратами, чем это позволяют традиционные технологии.

Принцип работы

DMD сочетает в себе пять общеизвестных технологий: лазеры, CAD, CAM, сенсоры и порошковую металлургию. Управляющая программа манипулирует форсункой и оптикой, направляющей СО2-лазер в соответствии с траекториями движения инструмента (САМ), созданными по трехмерной CAD-модели. Луч лазера фокусируется на заготовку или пре-форму из инструментальной стали для образования зоны расплавленного металла. Металлический порошок, обычно инструментальная сталь (H13, P20, S7 или SS) или чистая медь OFHC подводится из подающего лотка с помощью инертного газа в форсунку и тонкой струей впрыскивается в динамическую область расплава для увеличения ее объема. Луч лазера, управляемый компьютером, перемещается в соответствии с геометрией детали, послойно выращивает металлическую деталь.

В ходе этого процесса расплавленный металл быстро остывает (103º/сек) и отвердевает. В результате получаются металлические детали превосходного качества, обладающие высокой прочностью и имеющие однородную микроструктуру.

Что особенно важно, процесс DMD позволяет быстро изменять состав металла путем инжекции в расплав разных типов металлических порошков. Это дает возможность создавать гибридные или градированные металлические композиты, которых еще не было на рынке.

Благодаря этой лазерной технологии, POM может изготовить трехмерные металлические компоненты с малыми допусками и идеальными свойствами непосредственно по данным CAD. Что это означает? Ускорение выпуска изделий на рынок, снижение стоимости оснастки и повышение производительности.

С точки зрения дизайна, CAD-геометрия необходима там, где материал будет добавляться к форме. Существующая геометрия формы вычитается из конструкции новой формы. Разница между двумя геометриями «разрезается» на слои, по которым с помощью обычных пакетов САМ создаются траектории движения инструмента, идентичные тем, которые используются на станках с ЧПУ. Эти «традиционные» САМ-траектории затем обрабатываются, инвертируются, к ним добавляются команды управления лазером и системой подачи порошка в обычных G- и M-кодах ЧПУ. Подготовленные данные передаются на установку DMD.

Некоторые особенности DMD особенно незаменимы при изготовлении промышленных форм из инструментальной стали. Что особенно важно, эта технология создает полностью насыщенные формы или формообразующие поверхности из инструментальной стали без какого-либо синтеза или выжигания связующего вещества. Кроме того, точность процесса составляет ±0,005 дюйма. Но поскольку DMD создает детали «почти точной формы», они обычно подвергаются доводке на электроэрозионных станках для достижения точных размеров. Рабочий конверт составляет 24 дюйма по всем осям.

Охлаждение форм — другая область, в которой DMD не знает себе равных. Для создания конформных охлаждающих каналов в каждом слое по специальной схеме «постранично» наносится вспомогательный металл. По окончании построения формы вспомогательный металл выжигается, оставляя канал. Также, добавляя медный порошок в отдельные участки, DMD создает теплоотводы для направленного охлаждения (поверхности остывают в определенном направлении) во избежание дефектов на поверхностях класса A.

Стандартных систем DMD не существует. Размер и конфигурация оборудования зависят от его назначения. Внутри рабочей области зажимы и крепления, характерные для механообработки, отсутствуют: они не нужны для аддитивного процесса. Лазерная головка располагается там, где должен быть вертикальный шпиндель; она соседствует с оптическим устройством обратной связи, содержащим CCD-камеру; именно это устройство и отличает технологию DMD от других. Это очень важная часть оборудования, поскольку она отвечает за ход нанесения слоев. С учетом того, что при построении объекта создаются сотни слоев, обратная связь крайне важна для получения высокого качества. Рядом с сенсором находится труба, подающая металлический порошок в рабочую зону.

Прототипирование

DMD — первая технология, позволившая получить опытный образец из инструментальной стали H13. Для сравнения рядом приведена деталь из фотополимера, полученная на 3D-принтере с помощью технологии SLA.

Контроль температуры формы

Форма для инжекционного литья с конформными охлаждающими каналами.

Обычно охлаждение форм осуществляется с помощью просверленных каналов водяного охлаждения, барботеров и рассекателей. Вследствие механических напряжений, возникающих в процессе формования, и ограничений, связанных с толкателями и геометрией детали, охлаждающие каналы трудно расположить оптимальным способом. Как результат, сочетание теплопроводности инструментальной стали и недостаточной функциональности теплоотводящих каналов приводит к недостаточному охлаждению или слишком большим перепадам температуры на разных участках формы. Это, в конечном итоге, ведет к снижению срока службы формы и ухудшению качества детали вследствие коробления и деформаций.

Технология DMD позволяет создавать конформные охлаждающие каналы и теплоотводы с высокой проводимостью в пределах полости формования, что позволяет сократить длительность цикла и добиться равномерного распределения температуры формы. В результате длительность цикла сокращается на 30—50% и значительно улучшается качество деталей.

Формование обычно состоит из пяти шагов:

Одно большое ограничение: эти каналы делаются прямыми, тогда как детали имеют рельефную форму. Следовательно, возможности такого теплоотвода ограничены.

Одним из достоинств DMD является возможность создания охлаждающих каналов, «оборачивающихся» вокруг детали, которые называются конформными. POM разработана технология «холодных форм» (Cool Mould). Было обнаружено, что в то время как конформные теплоотводящие каналы позволяют сократить время охлаждения формованной детали, аддитивная природа DMD значительно облегчает достижение такого сокращения. Это делается путем добавления медных теплоотводов (медь наносится и плавится в ходе процесса DMD, который позволяет комбинировать металлические порошки — вначале наносится инструментальная сталь, затем линия подачи материала переключается на медь, затем снова на инструментальную сталь) или вставкой готовых медных стержней.

Был проведен эксперимент, в результате которого формованная деталь при традиционном охлаждении остывала 5,2 сек., при конформном охлаждении – 4,8 сек., а при комбинации конформного охлаждения с медными теплоотводами – 4,5 сек., что на 13,5% меньше по сравнению со временем традиционного метода. Сочетание конформного охлаждения с медными теплоотводами позволяет, в зависимости от формы детали, добиться сокращения времени охлаждения на 50%. Кроме того, конформные каналы плюс медь позволяют поддерживать температурный баланс между поверхностью формы и детали, тем самым снижая вероятность коробления детали. Сокращение цикла формования и снижение количества покоробленных деталей означает сокращение количества установок инжекционного литья, задействованных в производстве, что ведет к огромным сокращениям затрат. Даже если бы формы изготавливались традиционным способом быстрее, чем по технологи DMD, возможность создать более совершенную систему охлаждения является ключевым преимуществом.

Ремонт форм

DMD позволяет создавать полупостоянные стержни. Текущие изменения также выполняются DMD

Вынужденный простой во время ремонта формы приводит к снижению темпов производства и убыткам. Замена формы всегда связана с большими затратами. Обычный ремонт при помощи сварки приводит, как правило, к получению деталей с более низким качеством. Длительность ремонта поврежденной формы связана, в основном, с продолжительностью термообработки форм и объемом работ по удалению следов сварки.

Применение технологии DMD для ремонта форм позволяет получить высокое качество сварки без чрезмерных простоев производства. Ее особенностью является количество выделяемого тепла, глубина зоны разогрева и управляемое нанесение металла. Этим исключается необходимость в пред- и пост- термообработки, снижается расход материалов и объем доводки.

В результате достигается прочная металлургическая связь и однородность механических свойств формы и участка сварного шва. В большинстве случаев наносится металл, идентичный материалу формы, позволяющий получить мартенситовую структуру, идентичную структуре формы.

Нанесение покрытий

Упрочнение поверхности алюминиевых деталей нанесением износоустойчивого сплава стали.

Всем известно, что нанесение покрытий и улучшение поверхностей с помощью таких технологий, как плазменное напыление, может значительно повысить устойчивость поверхностей к износу и коррозии. Проблема заключается только с толщиной покрытия, которая обычно составляет от 1 до 10 мкм.

Технология DMD дает возможность добиться прочных металлургических связей между разными материалами, при толщине покрытия в 10-100 раз больше, чем в случае традиционных технологий CVD и PVD.

Композитные детали

Потребность в использовании идентичных или похожих материалов для изготовления деталей, которые должны подвергаться вибрациям, нагреванию, износу или действию химически активных сред, существует не одно десятилетие. Как правило, для получения комбинации физических свойств и устойчивости к коррозии или износу, на наружные поверхности деталей наносится покрытие или гальванопокрытие, либо поверхность модифицируется специальным образом. Разница в физических и химических свойствах покрытия и базового материала обычно приводит к разрушению поверхностей. В качестве примеров можно привести:

Технология DMD позволяет создавать детали (Smart Parts) без проблем, связанных с разницей в физических свойствах двух разных материалов.

Встроенные объекты

DMD позволяет получить «функционально-градиентные» детали с переменными свойствами материала и с внедренными объектами.

Метод DMD Smart Parts позволяет изготавливать детали с встроенными объектами, такими как датчики или магниты. Герметизация обеспечивает защиту объекта, снижает вероятность его повреждения от воздействия температуры и других природных факторов.

Alloy-Variant Advanced Materials (AVAM) —сплавы с изменяющимся составом

Детали Smart Parts могут состоять из «непохожих металлов», таких как медно-железный или медно-алюминиевый композит, где один материал полностью закрывает собой другой, обеспечивая термостойкость, защиту от коррозии или износа поверхности детали (например, подшипника).

В зависимости от области применения и используемых материалов, область перехода между двумя разными металлами может быть либо четко выраженной, либо би-металлической с постепенным переходом свойств, но может представлять собой композит из трех металлов, содержащий «прослойку», совместимую с другими элементами или сплавами. Уникальной особенностью таких деталей является качество и прочность металлургической связи, обеспечивающей выравнивание температурных градиентов и защиту от коррозии.

Часто возникает потребность в том, чтобы одна и та же деталь в разных частях имела бы разные свойства. Хорошим примером является стальная вставка в форму для литья под давлением.

На практике, выбор инструментальной стали, традиционно применяемая термообработка и получающаяся в результате микроструктура и твердость являются компромиссом между конфликтующими требованиями к отдельным участкам формы.

Формы нового поколения из гибридных сплавов

Технология DMD предоставляет возможность изготавливать формообразующие поверхности, стержни и другие элементы форм из нескольких «гибридных» инструментальных сталей. Состав каждого из этих сплавов отвечает определенным требованиям к характеристикам материала, в зависимости от назначения.

Детали для авиации

DMD позволяет эффективно ремонтировать такие дорогостоящие компоненты, как лопатки турбин авиадвигателей. Уже более десятилетия авиационная промышленность использует технологии нанесения материалов при помощи лазера для ремонта лопаток турбин авиадвигателей, изношенных в процессе эксплуатации, поврежденных в результате трения, до состояния «как новые».

Технология DMD идеально подходит для ремонта компонентов самолетов благодаря небольшой зоне нагрева, свойственной данному процессу. Это позволяет избежать в ходе восстановительных работ повреждений материала самой детали.

Коммерческое использование лазерного нанесения материалов для ремонта элементов авиадвигателей демонстрирует здравомыслие авиастроителей, их стремление использовать наилучшие технологии для восстановления поврежденных деталей до исходного состояния и повышения качества.

Источник

Аддитивные технологии. Виды, особенности, харатктеристики аддитивных технологий

Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала. Изобретатель аддитивных технологий — Чарльз Халл, сконструировал первый стереолитографический трехмерный принтер в 1986 г..

Аддитивное производство (АП) включает в себя ряд этапов:

Проектирование в среде САПР. Изготовление любых деталей с использованием АП начинается с создания виртуальной модели с помощью специального программного обеспечения для твердотельного моделирования, которое полностью описывает геометрическую форму и размеры внешней поверхности изделия. На выходе получают трехмерное представление твердого тела или его поверхности.

Преобразование в STL-файлы. Программное обеспечение САПР для твердотельного моделирования выводит файлы в формате STL (Stereo Lithography). В файлах описаны внешние замкнутые поверхности изначальной САПР-модели, формирующие основу для расчета слоев.

Перенос STL-файла в машину аддитивного производства и манипулирование этими файлами. STL-файл с описанием изделия передается в машину АП, где производится исправление размеров, позиционирование и ориентация для изготовления изделия.

Настройка машины. Перед началом изготовления машину АП необходимо настроить. Устанавливают параметры изготовления, например пределы использования материала, источник энергии, толщину слоя и т.д.

Изготовление. Изготовление изделия представляет собой большей частью автоматизированный процесс, выполняемый практически без контроля оператора.

Извлечение изделия. Для извлечения изделие требуется провести некоторые манипуляции с машиной, в которую встроены блокировки безопасности, что обеспечить, например, снижение температуры или отсутствие активно движущихся частей.

Последующая обработка. После извлечения изделия из машины может потребоваться его дополнительная очистка перед использованием. На этом этапе изделия могут не иметь нужную прочность или в них остаются вспомогательные поверхности, которые необходимо удалить.

Применение. В некоторых случаях детали не требуют дополнительной обработки и после изготовления и постобработки готовы к использованию. В других случаях может потребоваться грунтовка и покраска для создания нужной текстуры поверхности и финишной обработки.

Факторы, благоприятствующие аддитивному и традиционному производствам, приведены в табл. 1.

Таблица 1. Факторы, благоприятствующие аддитивному и традиционному производствам

Наиболее востребованными технологиями в настоящее время являются : селективное лазерное плавление (Selective laser melting, SLM); селективное электронно-лучевое плавление (Selective electron beam melting, EBM) и прямое лазерное нанесение металла (Direct laser metal deposition, DLMD).

Selective Laser Melting (SLM)

Технология SLM включает в себя:

Однако процесс селективного лазерного плавления требует высокой мощности лазера (0,05-1 кВт), хорошего качества лазерного пучка и малой толщины порошкового слоя (что означает замедление изготовления). Более того, при затвердевании, детали склонны давать сильную усадку, вызывая значительные остаточные напряжения в изготовленных изделиях; эти остаточные напряжения могут приводить к деформациям и даже расслоениям в конечном продукте. Для нависающих элементов изделия нужны поддерживающие структуры, а термические напряжения, порождаемые процессом, требуют наличия фиксаторов.

Рис. 1. Дефекты – поры в срезе образца изделия, полученного при помощи метода селективного лазерного плавления

На конечное качество микроструктуры изделий наибольшее влияние оказывают мощность лазерного источника, скорость сканирования лазерного луча, стратегия обработки лазерным лучом сплавляемого слоя изделия. От выбранной стратегии обработки лазерным лучом при селективном лазерном плавлении зависят механические свойства и пористость образцов, а также время изготовления каждого слоя изделия и всего изделия в целом.

Фактически, EBM основана на том же принципе, что и технология лазерной плавки, за исключением использования электронных пучков высокой мощности вместо лазерных лучей. Процесс ЕВМ выгодно отличается от лазерных процессов более высокой скоростью сканирования, что сокращает время изготовления изделия, и меньшими термическими напряжениями. Однако круг используемых материалов ограничен проводящими электрический ток металлическими порошками, а качество поверхности изделия уступает результату лазерных процессов.

Процесс ЕВМ выполняется в камере с глубоким вакуумом, что делает его довольно затратным, но облегчает работу с материалами, чувствительными к окислению, что важно, например, для изготовления медицинских имплантатов и в некоторых авиационно-космических приложениях.

Direct laser metal deposition (DLMD)

Технология прямого лазерного нанесения металла основана на применении лазерного излучения и соосной с ним (или боковой) подаче порошка на подложку, при этом поток порошка и лазерное излучение сфокусированы в одну точку.

Three-Dimensional Printing (3DP). Струйная трехмерная печать – один из старейших методов аддитивного производства. Технология, разработанная в Массачусетском технологическом институте в 1993 г., получила коммерческое распространение в 1995 г. с помощью компании Z-Corporation, приобретенной корпорацией 3D Systems в 2012 г.

Данная технология является одной из разновидностей систем аддитивного построения изделия по его CAD-модели и отличается от многочисленных схожих схем тем, что процесс осуществляется по принципу обычного принтера – через сопла печатающих головок.

Direct additive laser construction (CLAD)

Прямое лазерное аддитивное построение – технология, применяемая исключительно на промышленном уровне ввиду сложности и относительно узкой специализации.

Рис. 2. Процесс построения детали по технологии CLAD

Позиционирование «печатной головки» осуществляется по пяти осям: вдобавок к перемещению в трех плоскостях, головка обладает способностью изменять угол наклона и поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет работать под любым углом. Подобные устройства зачастую используются для ремонта крупногабаритных изделий, включая производственный брак. Например, установки французской компании BeAM используются для ремонта авиационных двигателей и других сложных механизмов.

Полноценные установки CLAD предусматривают использование герметичной рабочей камеры с инертной атмосферой для работы с титаном и другими металлами и сплавами, поддающимися оксидации. Технология CLAD (рис. 3) позволяет изготавливать трехмерные металлические изделия (рис. 4), а также производить ремонт изношенных частей деталей (рис. 5), в том числе механически обработанных. При этом изготавливаемые части имеют низкий уровень пористости (менее 0,01 %) и высокие механические свойства, близкие к свойствам материала, получаемого путем обработки давлением.

Рис. 3. Схема работы установок, использующих технологию CLAD

Рис. 4. Изделия, изготовленные по технологии CLAD

Рис. 5. Лабиринтное уплотнение, отремонтированное с помощью технологии CLAD

Нанесение порошка и наплавка производятся на любые поверхности. Таким образом, возможно изменение формы готовых изделий и исправление ошибок, возникших, например, в ходе механической обработки.

Технология CLAD позволяет использовать разнообразные порошковые материалы, в том числе порошки титановых, никелевых сплавов, различных сталей и др. При этом возможно использование сразу нескольких композиций. Для предотвращения окисления материала построение происходит в атмосфере защитного газа.

Directed light fabrication (DLF). DLF – технология изготовление направленным светом.

Direct Manufacturing (DM)

Название аддитивной технологии DED по классификации ASTM, используемое компанией Sciaky Inc. (США).

Direct Metal Deposition (DMD). Процесс прямого нанесения металлов является разновидностью технологии лазерного нанесения металлов (LMD, Laser Metal Deposition).

Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Процесс прямого лазерного спекания металлов требует использования связующих веществ с температурой плавления ниже, чем у основного металлического компонента. В качестве таких связующих материалов могут использоваться полимерные порошки, которые выжигаются из изделия при последующей обработке, либо металлические порошки с более низкой точкой плавления. В отличие от чистых металлов, плавление которых происходит одновременно по всему объему, у легированных металлических порошков есть диапазон температур, в котором в процессе плавления/затвердевания жидкая и твердая фаза сосуществуют.

Процесс прямого лазерного спекания легированных порошков, представляющий особый интерес для технологий АП, требует точного контроля параметров лазерной обработки для обеспечения неконгруэнтного плавления порошка в двухфазной области. Однако характерные для DMLS локализованные быстрые тепловые циклы осложняют точное управление температурой спекания. Эти трудности приводят к недостаточному уплотнению порошка, возникновению гетерогенной микроструктуры и ухудшают свойства изделий из легированных порошков.

Direct Metal Printing (DMP)

DMP – название аддитивной технологии PBF по классификации ASTM, используемое компанией 3D Systems Corp. (бывшая Phenix Systems) (США).

Electron Beam Direct Manufacturing (EBDM)

EBDM – название аддитивной технологии DED по классификации ASTM, используемое компанией Sciaky Inc. (США).

Electron beam freeform fabrication (EBF₃). Произвольная электронно-лучевая плавка (EBF₃) (рис. 6) – технология, разрабатываемая специалистами НАСА для применения в условиях невесомости (рис. ). Отсутствие гравитации делает работу с металлическими 7порошками практически невозможной, поэтому технология EBF₃ подразумевает использование металлических нитей.

Рис. 6. Схема работы EBF₃ принтеров

Рис. 7. Специалисты НАСА проводят испытания прототипа EBFȝ в условиях искусственной невесомости

Процесс построения схож с 3D-печатью методом послойного наплавления (FDM), но с использованием электронно-лучевой пушки для плавки расходного материала. Данная технология позволяет создавать металлические запасные части на орбите, что существенно сокращает затраты на доставку частей и обеспечивает возможность быстрого реагирования на внештатные ситуации.

Extrusion Free Formation (EFF)

Fused Deposition Modeling (FDM). Сущность изготовления объектов путем послойной наплавки заключается в том, что материал расплавляется в разогретом сопле-дозаторе, движениями которого непосредственно управляет программное обеспечение системы автоматизации производства. После экструзии из сопла, материал остывает и затвердевает. Изделие формируется последовательным нанесением слоев материала. Поскольку материал нагревается до температуры лишь на 1°С превышающей температуру плавления, он становится твердым практически сразу после экструзии, соединяясь с предыдущими слоями.

Для изготовления изделий сложной формы с нависающими частями с помощью отдельных сопел создаются поддерживающие структуры (опоры). В качестве материала при изготовлении объектов путем послойной наплавки (FDM) чаще всего используются полилактид (PLA) и акрилонитрилбутадиенстирол (АБС-пластик), который облегчает и ускоряет печать благодаря созданию растворимых опор и покрытия, улучшающего качество поверхности.

Разрешение и точность модели в процессе послойной наплавки ограничены диаметром сопла, а скорость изготовления – необходимостью выполнять физические перемещения сопла через рабочую область. Точность изготовления может достигать ±0,05 мм.

Основными преимуществами FDM является большой выбор материалов и хорошие физико-механические свойства конечных изделий, изготовленных с использованием этой технологии. Изготовленные изделия являются одними из самых прочных полимерных изделий, которые изготавливаются в АП. Применимость этого процесса ограничивается более низкими механическими свойствами и худшим качеством поверхности конечного продукта по сравнению с деталями, изготовленными способами традиционного литья.

Laser Cusing Laser consolidation (LC). Название аддитивной технологии PBF по классификации ASTM, используемое компанией Concept Laser GmbH (Германия).

Laser Engineered Net Shaping (LENS). Процесс точного лазерного формования является разновидностью технологии лазерного нанесения металлов (LMD). Метод LMD отличается от DMLS и SLM способом подачи порошка.

Laser Metal Deposition (LMD). Технология лазерного нанесения металлов отличается от DMLS и SLM способом подачи порошка. Система LMD состоит из порошкового питателя, который вводит порошок через сопла в систему подачи газа. Мощный лазерный пучок светит сквозь центр набора сопел и фокусируется вблизи подложки – основы, на которой будет изготовлена деталь. Подложка сканируется в поперечных направлениях, чтобы сформировать требуемую геометрию, а затем происходит послойное нанесение порошка до формирования трехмерного изделия.

Laminated Object Modeling (LOM)

Первоначально LOM был разработан для бумаги, с одной стороны покрытой клеем, похожий на толстый пергамент. Толщина бумаги находилась в диапазоне 0,07 до 0,02 мм.

В настоящее время принципы ламинирования листовых материалов путем «соединение – раскрой» успешно применяются для изготовления деталей из металла, керамики и композитных материалов. В этом случае вместо бумажных и полимерных листов в качестве строительного материала для формирования полуфабрикатов применяются керамонаполненные или металлонаполненные ленты, затем полуфабрикаты подвергаются постобработке в печи при высокой температуре для склеивания и спекания материала изделия. Эти ленты затем используются для построения изделий путем стандартного процесса ламинирования листовых материалов.

Метод ламинирования подразумевает последовательное нанесение тонких листов материала с формированием за счет механической или лазерной резки и склеиванием для получения трехмерной модели. В качестве расходного материала может использоваться и металлическая фольга. Получаемые модели не являются полностью металлическими, т.к. их целостность основана на применении клея, связующего листы расходного материала.

Плюсом данной технологии является относительная дешевизна производства и высокое визуальное сходство получаемых моделей с цельнометаллическими изделиями. Как правило, этот метод используется для макетирования. При использовании данной технологии происходит склеивание тонких слоев материала построения посредством нагрева и сдавливания (рис. 8). Затем область слоя, не образующая тело выращиваемого объекта, мелко режется лазером, платформа с плоскостью построения опускается и наносится следующий слой. Операция повторяется до полного построения объекта. Таким образом, материал построения выполняет функции поддержки, которая затем удаляется механическим путем. В некоторых случаях при удалении поддержки могут возникнуть трудности.

Рис. 8. Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию LOM

В процессах ламинирования листовых материалов керамические изделия чаще всего изготавливаются с использованием процессов «соединение – раскрой» из керамико-наполненных лент. Путем отливки формируют ленты из порошковой керамики, состоящей из таких соединений, как композит SiC и TiC-Ni, или алюминия с добавлением полимерного связующего. Ленты также могут быть использованы для изготовления металлических деталей. Из этих лент потом строят изделия с использованием стандартного процесса ламинирования листовых материалов.

Процесс LOM применяется также для быстрого изготовления инструментальной оснастки. Несмотря на определенный прогресс, достигнутый в разработке новых полимерных и металлических материалов, этот процесс редко применяется для изготовления конечной продукции. Среди причин такого положения вещей – трудность «доводки», ограниченная точность формирования изделий, неоднородность свойств материала и сложности с копированием и долговечностью мелких особенностей и деталей изделия.

Laser Engineered Net Shaping (LENS)

На сегодняшний день технология LENS (рис. 9) является наиболее совершенной (по достижимому уровню прочностных характеристик создаваемых объектов) реализацией метода послойного воспроизведения. Данный метод позволяет применять в качестве модельных материалов практически любые металлы и сплавы, которые могут быть расплавлены лазерным лучом без испарения. Создаваемые детали имеют ультрамелкозернистую структуру и в ряде случаев по своим механическим свойствам значительно превосходят изделия, получаемые из аналогичных сплавов традиционными методами.

Рис. 9. Технология LENS

Stereolithography (SL). Сущность процесса стереолитографии заключается в:

StereoLithography Apparatus (SLA)

Среди преимуществ данной технологии: неограниченные возможности геометрии объектов; точность и высокое качество поверхности (минимальная толщина слоя SLA принтеров доходит до 0,025-0,05 мм); высокая скорость работы 3D-принтеров и экологичность (отсутствие отходов). К недостаткам относят высокую стоимость принтеров (бюджетные принтеры, работающие по технологии SLA, такие как FORM 1 или Pegasus Touch, были выпущены совсем недавно). Целесообразность применения этой технологии обусловлена сложностью модели, необходимыми техническими свойствами объекта, объемом производства и т.п.

Selective Laser Sintering (SLS). Процесс селективного лазерного спекания SLS начинается с подготовки компьютерной модели изделия в CAD (системе автоматизированного проектирования). Затем для получения информации о контуре каждого слоя модель рассекается на тонкие слои. В процессе изготовления изделия применяется тонкий порошок (толщина слоя, как правило, не превышает 100 мкм), равномерно распределяемый валиком по подставке устройства и выборочно сканируемый по контуру лазером с мощностью 25-100 Вт (рис. 10).

Время засветки каждой частицы лазерным пучком находится в пределах от 0,5 до 25 мс. При столь коротких тепловых циклах спекание порошка в твердом состоянии не происходит, и для достаточно быстрого спекания необходимо частичное или полное расплавление частиц.

Процесс не требует построения поддерживающих структур, поскольку нерасплавленный порошок сам служит опорой для модели, а термические напряжения снижаются путем нагрева емкости с порошком.

Рис. 10. Технология SLS

Высококристалличные полимеры (прежде всего нейлоны), спекаемые через полное расплавление частиц, обеспечивают механические свойства, достаточные для конечных изделий. Напротив, аморфные материалы, спекание которых обычно происходит при температуре стеклования, демонстрируют недостаточные прочностные характеристики и поэтому находят применение лишь в быстром прототипировании, в частности при подготовки форм для литья.

Solid Ground Curing (SGC). Технология SGC – версия SLA-технологии, в которой материал засвечивается не лазером, а ультрафиолетовой лампой. На плоскость построения наносится слой жидкого фотополимера, который затем отверждается с помощью УФИ-лампы, через специальную маску, которая формирует форму слоя модели. Незасвеченные участки с жидким полимером очищаются, и образовавшиеся пустоты заполняются жидким воском, который затвердевает благодаря прислоненной холодной пластине. Затем слой фрезеруется до необходимой толщины и аналогично начинает формироваться следующий (рис. 11). Технология обладает достаточно высокой точностью в Z-направлении, но большое количество отходов при фрезеровании слоев и высокие эксплуатационные затраты на сложную конструкцию принтера повышают стоимость печати.

Рис. 11. Технология SGC

Технологии аддитивного производства, использующие в качестве исходного материала проволоку, в зависимости от источника энергии, используемого для нанесения металла, подразделяют на процессы WLAM (лазер) и WAAM (дуга). Диаметр проволоки, применяемой в АП, обычно находится в диапазоне 0,2 до 1,2 мм.

Система WLAM обычно состоит из лазера, автоматической системы подачи проволоки, станка с ЧПУ или роботизированной системы и некоторых других дополнительных устройств (например, системы подачи защитного газа, система нагрева или охлаждения). Лазер образует ванну расплава на нижележащем слое (substrate), в область расплава подается проволока, которая расплавляется. После ухода лазерного луча начинается процесс затвердевания и формируется узкий шов (рис. 12).

WLAM – универсальный процесс, позволяющий изготавливать крупные заготовки из разнообразных металлов и сплавов, при необходимости для получения требуемого качества поверхности используют постобработку. это процесс АП для изготовления металлических деталей с высокой плотностью.

Для процесса WLAM скорость подачи проволоки ограничена мощностью лазера. При высокой скорости подачи проволоки, она может полностью не расплавиться.

В работе приводятся данные скорости подачи проволоки и мощности лазера, для титановых сплавов скорость подачи проволоки должна равняться 2 и 1 м/мин при мощности лазера 2,06 и 1,2 кВт.

Рис. 12. Процесс подачи проволоки: слева – схема процесса; справа – изображение реального процесса (вид сбоку и сверху)

Рис. 13. Поперечное сечение отдельных слоев осажденного материала с различной мощностью лазера, скоростью подачи проволоки и скоростью формирования шва

Возможность получения изделий с использованием технологий дуговой сварки (GMAW, GTAW и PAW) анализировалась в различных работах (табл. 2).

Таблица 2. Различные формулировки процесса WAAM от разных исследовательских групп

Схемы процессов GMAW, GTAW и PAW показаны на рис. 14.

GMAW – это процесс, в котором электрическая дуга формируется между плавящимся проволочным электродом и обрабатываемым металлом.

Процессы GTAW и PAW используют для сварки неплавящийся вольфрамовый электрод.

Технологии АП, использующие в качестве исходного материала проволоку, широко применяются в различных областях, включая аэрокосмическую и автомобильную индустрию, и для изготовления инструментальной оснастки.

Детали для аэрокосмической промышленности часто имеют сложную геометрию и выполняются из дорогостоящих материалов, при использовании традиционных технологий, коэффициент использования материала – невысокий, использование АТ позволяет получать заготовки, близкие по форме к конечным деталям, тем самым значительно повышая КИМ.

Рис. 14. Схематическая диаграмма процессов а) ГМДС, б) ГДС, в) ПДС.

Металлические заготовки, изготовленные в процессе аддитивного производства при использовании в качестве исходного материала – проволоки, имеют относительно простую геометрию (рис. 15-16).

Рис. 15. Различные металлические заготовки из Университета Cranfield, изготовленные по технологии АП путем процесса ГМДС

Рис. 16. Силовые панели, изготовленные в процессе WAAM: a, b – углеродистая сталь, c, d – алюминий, e – титан, f – толстостенные ребра жесткости, g –титановая крестовина, h – Ti заготовка после механической обработки

В настоящее время получают развитие следующие технологии аддитивного изготовления объектов :

Two Photon Polymerization (2PP). Сущность технологии заключается в том, что сверхкороткие лазерные импульсы фокусируются в объем полимера толщиной в несколько сотен микрометров, который в составе имеет инициатор. Инициатор активируется и запускает реакцию полимеризации лишь при поглощении двух фотонов одновременно. Данная технология позволяет создавать объекты размером до 100 мкм.

Ballistic Particle Manufacturing (BPM). Выращивание объекта посредством нанесения микрокапель (струйного нанесения) расплавленного материала на поверхность построения из сопел движущейся печатной головки. Материал построения поступает к печатной головке уже в расплавленном состоянии. После окончания печати одного слоя платформа опускается и печатается следующий слой. В качестве материала построения могут использоваться, например, термопластик и воск.

Достоинства и недостатки аддитивных технологий

Основные преимущества замены традиционных технологий на аддитивное производство заключаются в следующем :

Широкому распространению АП препятствуют следующие технические и экономические барьеры (табл. 3) :

Таблица 3. Преимущества и недостатки различных методов аддитивного производства

Источник