ОБЗОР МЕТОДОВ АДДИТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

Баксанова Ю.А.¹, Максимов П.В.²

¹Магистрант, ²Кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ОБЗОР МЕТОДОВ АДДИТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

Аннотация

В работе представлен обзор наиболее популярных аддитивных технологий, выполненный на основе публикаций, представленных в научно-технических журналах и открытых источниках в последние пять лет. Описаны методы, основанные на порошковых технологиях, экструдировании рабочего материала, методы фотополимеризации. Представлены достоинства и недостатки каждого метода аддитивного формирования изделий, приведены ссылки на работы других авторов. Представлена информация о российских научных центрах и университетах, имеющих значимые наработки в области аддитивных технологий.

Ключевые слова: аддитивные технологии, аддитивное производство, порошковые технологии, экструдирование, фотополимеризация.

Baksanova Yu.A.¹, Maksimov P.V.²

¹Undergraduate, ²PhD in Engineering, associate professor, Perm National Research Polytechnic University

THE OVERVIEW OF THE ADDITIVE MANUFACTURING METHODS

Abstract

The paper provides an overview of the most popular additive technology, made on the basis of publications represented in scientific and technical journals and public sources over the last five years. The methods based on powder technology, extrusion working material, photopolymerization techniques are described. The advantages and disadvantages of each method of forming an additive manufacturing are presented; links to the work of other authors are shown. The information about the Russian scientific centers and universities with significant experience in the field of additive technologies are presented.

Keywords: аdditive technologies, additive manufacturing, powder technology, extrusion, photopolymerization.

Аддитивные технологии (AF) на сегодняшний день являются современным и перспективным способом производства изделий сложной конфигурации. Если при традиционных методах при производстве изделий c заготовки удаляется лишний материал, либо используются литьевые процессы и пр., то при аддитивных технологиях происходит послойное формирование изделия различными с использованием различных технологических методов и устройств. При формировании изделия использует идеология сквозного проектирования, при этом основой является созданная ранее в специализированных конструкторских системах твердотельная или поверхностная STL-модель изделия.

В результате процесса формируется изделие без существенных отходов производства. Экономия материала, а значит и средств, не единственное достоинство данной технологии. Другими преимуществами являются возможность изготовления сложных объектов произвольной конфигурации, а также сокращение времени, затрачиваемого на подготовку производства изделий в авиационной, космической и других отраслях промышленности [1].

Целью данной работы является проведение классификации популярных способов аддитивного производства изделий на основе публикаций, представленных в научно-технических журналах и открытых источниках, а также проведение анализа научно-технической информации в сфере использования аддитивных технологий в России за период с 2011 по 2016 годы.

Классификация аддитивных технологий на основе публикаций в журналах и открытых источниках

С точки зрения способа послойного формирования изделия можно выделить три направления развития аддитивных технологий:

• порошковые технологии;
• экструдирование;
• фотополимеризация;

1. Порошковые технологии

1.1 Селективное лазерное спекание (SLS-технологии).

В принтерах, работающих по такой технологии, сначала формируется слой материала, после чего происходит выборочное спекание порошка лазером, связывая частички порошка в соответствии с текущим сечением исходной модели [2,3]. В качестве исходного материала SLS-технологии используются полимерные и керамические порошки и термопластики.

Так как плавление материала происходит выборочно по заданной траектории, то достоинством этой технологии является возможность одновременного производства нескольких деталей, что приводит к повышенной производительности всего аддитивного процесса.

1.2 Прямое лазерное спекание металлов.

Эта технология является частным случаем селективного лазерного спекания с применением металлопорошков. Из таких порошков возможно создавать детали сложной формы, которые трудно получить литьем [4], а также «вырастить» их на заранее подготовленном изделии [5].

На сегодняшний день производится широкий спектр металлических порошков на основе никеля, стали, титана, алюминия, бронзы и драгоценных металлов. Важными для современной промышленности являются никель и сплавы на его основе. Их важность и значимость объясняется тем, что детали, полученные на их основе, способны выдерживать большие нагрузки, в том числе и температурные. Порошки, полученные с применением специальных устройств – атомайзеров применяются в AF-технологиях.

Неруш С.В. (2015) посвятил целую статью исследованию металлического порошка жаропрочного сплава марки ЭП648-ВИ применительно к технологии лазерного спекания [6]. Показано, что детали, полученные по данной технологии, на 99,99 % состоят из металла [14] и, соответственно, имеют высокие механические свойства.

1.3 Селективное лазерное плавление (SLM-технология).

Данная технология является аналогом лазерного спекания металлов. Принцип работы: происходит избирательное плавление порошка в зоне пятна лазерного луча. Материал полностью плавится и образует контакт с предыдущим слоем.

Исследования показали, что прочность деталей, полученных методом SLM, главным образом зависит от способа обработки порошкового материала при помощи лазерного луча [7].

Выделяют 4 способа формирования нового слоя. В первом случае треки с материалом располагаются на расстоянии близком друг к другу, равному диаметру лазерного луча. Во втором – расстояние между треками меньше и это приводит к пористости образцов и, как следствие, к невысоким механическим свойствам деталей. При третьей стратегии обрабатывание лазерным лучом происходит в два приема – сначала обрабатывается слой материала с шагом переплавленного трека, а затем луч проходит между уже переплавленными треками, сплавляя два соседних трека. Особенностью четвертой стратегии является то, что сканирование слоя происходит перпендикулярно направлению предыдущего слоя. В этом случае маловероятно возникновение волновой структуры изделия.

От выбора способа воздействия на исходный материал зависят механические свойства материалов, пористость образцов и время изготовления детали.

В описываемой технологии, как и в методе SLS, возможно создание нескольких деталей одновременно, при этом, производство является почти безотходным.

В работе [8] было проведено сравнение механических свойств литьевых изделий и материалов на основе титана, алюминия и стали, полученных SLM-методом. Опыты показали, что пределы прочности материалов, созданных по SLM-технологии больше, чем пределы прочности литьевых изделий (в среднем на 40 МПа). Объясняется это мелкой зернистой структурой, которая формируется в результате быстрого охлаждения расплава.

В работе [9] автор выделил две основные проблемы селективного лазерного наплавления. Это низкая производительность и высокая вероятность образования трещин. Во избежание образования трещин применялась двухзонная стратегия, основанная на дополнительном проходе лазерного луча.

1.4 Электронно-лучевая плавка.

По данной технологии изделие создается путем избирательного плавления порошка в зоне действия электронного луча. Этот метод схож с SLM-методом, только вместо лазерного луча используется электронный. За счет этого получается более высокая производительность и уменьшается трещинообразование из-за уменьшения градиента температур.

1.5 Избирательное тепловое спекание.

Источником тепла данной технологии являются ультрафиолетовые лампы. Специальная лампа закрывается маской и появляется возможность выборочного воздействия на исходный материал. Для данного метода используются термопластичные порошки.

На пластине из кварцевого стекла печатается предварительное изображение. Незатронутые зоны печати пропускают тепло и запекают порошок, а остальные – отражают тепловой поток.

Главное преимущество метода – это экономия материала, так как неиспользованный порошок можно использовать повторно.

2. Экструдирование

2.1 Метод послойной наплавки (FDM-технология).

Полимерная нить из нагретой головки в расплавленном состоянии подается на плоскость, где осаждаясь и застывая формирует очередной слой [10]. В качестве материалов используются термопластики, легкоплавкие металлы и сплавы, поставляемые в виде катушек [11].

Для FDM-метода характерны несколько определяющих факторов, а именно: траектория наложения нити трека, толщина нити, способ подачи нити и нагрева, скорость подачи нити и скорость протекания процесса в целом. Изменения факторов приводят к различным формам рельефа детали. А это не всегда положительно сказывается на качестве получаемой конструкции [12].

Несомненными преимуществами данного метода являются использование тех же термопластиков, что и для традиционного литья под давлением, и возможность печати материалом, нагретым до полужидкого состояния.

3. Фотополимеризация

3.1 Стереолитография (SLA-технология).

Принтеры, работающие по данному принципу имеют платформу, которую погружают в бак с жидким фотополимером. Лазер проходит по поверхности, в результате чего слой фотополимера затвердевает. Затем платформа опускается на глубину одного слоя и процесс повторяется до тех пор, пока объект полностью не построится.

Материал, использующийся в SLA-технологиях – фотополимерная смола.

3.2 Технология PolyJet.

Нанесение материала происходит с помощью струйных головок. Жидкий фотополимер отвердевает под действием светового излучения. После окончания нанесения всего слоя зону печати подвергают мощному ультрафиолетовому излучению для полного отвердевания материала, после чего наносится следующий слой.

Для примера, с помощью современных 3D принтеров Object 350, в данной технологии могут применяться до 7 различных фотополимеров, которые отличаются физическими свойствами [13].

Анализ научно-технической информации в области применения аддитивных технологий в России за последние пять лет.

Лидером применения аддитивных технологий в России является ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ВИАМ), имеющий значительные наработки как в области подготовки и производства материалов для AF, так и в части изготовления новых уникальных изделий, созданных по при помощи аддитивных технологий.

Значительных результатов добились в МГТУ им. Баумана, Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королёва и Центре Аддитивных Технологий ФГУП «НАМИ».

В последнее время в МГТУ им. Баумана, активно занимаются исследованиями, нацеленным на повышение технологической прочности изделий, изготовленных из материалов на основе никеля. В работе [3] представлен анализ проблемы и приведены некоторые способы повышения технологической прочности.

В Научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте активно развивают несколько направлений применения AF-технологий. Первым направлением является способ формирования изделий методом стереолитографии. Второе направление – послойное спекание порошков (SLS-технология). С использованием аддитивных методов инженеры института создают компоненты двигателей внутреннего сгорания для гибридных легковых и грузовых автомобилей.

Заключение

Аддитивное производство в настоящее время многообразно и обладает большим количеством преимуществ, в том числе, применение AF-технологий приводит к экономия средств, экономия времени и пр. Аддитивные технологии способны в разы упростить производственный процесс создания деталей. Перспективы таковы, что в ближайшем будущем вместо производственного цеха с огромными установками и работниками можно будет ограничиться одним отделом с несколькими 3D-принтерами и двумя-тремя инженерами. Поэтому неудивительно, что темпы развития аддитивных технологий в России, как и во всем мире, стремительно увеличиваются с каждым годом. Но это приводит и к ряду проблем. Например, в России самыми распространенными проблемами являются: нехватка квалифицированных кадров, недостаток отечественных материалов, а также слабая проработка методических основ производства новых изделий, создаваемых при помощи аддитивных технологий.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор №02.G25.31.0168 от 01.12.2015 г. в составе мероприятия по реализации постановления Правительства РФ № 218).

Литература

1. Шеховцов А.А., Карпова Н.П. Аддитивные технологии как способ реализации концепции бережливого производства // Научно-методический электронный журнал концепт. – 2015. – том 13. – с. 141-145.
2. Шестакова Е.А., Шайхутдинова Е.Ф., Янбаев Р.М., Янбаев Ф.М. Технологии селективного спекания для авиастроения // Ползуновский альманах. - 2014. - №1. – с. 21-24.
3. Кулиш А.М. Использование аддитивных технологий для получения деталей машиностроения // Молодежный научно-технический вестник. 2015. – №5. – с.1.
4. Казмирчук К., Довбыш В. Аддитивные технологии в российской промышленности [Электронный ресурс] – 2012. – Режим доступа: http://konstruktor.net/podrobnee-det/additivnye-texnologii-v-rossijskoj-promyshlennosti.html.
5. Кузнецов П.А., Васильева О.В., Теленков А.И., Савин В.И., Бобырь В.В. Аддитивные технологии на базе металлических порошковых материалов для российской промышленности // Новости материаловедения. Наука и техника. – 2015. – №2. – с.4-10.
6. Неруш С.В., Евгенов А.Г. Исследование мелкодисперсного металлического порошка жаропрочного сплава марки ЭП648-ВИ применительно к лазерной LMD-наплавке, а также оценка качества наплавки порошкового материала на никелевой основе на рабочие лопатки ТВД // Труды ВИАМ. – 2015. – №3. – с.1.
7. Волосова М. А., Окунькова А.А. Пути оптимизации процесса селективного лазерного плавления при помощи выбора стратегии обработки лазерным лучом // Известия самарского научного центра российской академии наук. – 2012. – №14. – с.587-591.
8. Дмитренко А.А. Аддитивные технологии как новый этап развития производства деталей машин. Статья из сборника трудов конференции "Современные материалы, техника и технология". – 2014. – с.164-167.
9. Смуров И.Ю., Конов С.Г., Котобан Д.В. О внедрении аддитивных технологий и производства в отечественную промышленность // Новости материаловедения. Наука и техника. – 2015. – №2. – с.11-22.
10. Баева Л.С., Маринин А.А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов // Вестник МГТУ. – 2014. – №1. – с.7-12.
11. Чумаков Д.М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники // Электронный журнал «Труды МАИ». – 2014. – №76. – с.1-22.
12. Любимов В.В, Пермяков Д.Г. Технология изготовления технологической оснастки с применением прототипированных оправок // Известия тульского государственного университета. Технические науки. – 2013. – №7-2. - –с.272-285.
13. Агаповичев А.В, Балякин А.В, Смелов В.Г. Разработка методики литья сложных деталей аэрокосмического профиля с использованием аддитивных технологий // Вестник самарского государственного аэро-космического университета им. Академика С.П. Королёва. – 2014. – №5-2 (47). – с.166-172.

References

1. Shehovcov A.A., Karpova N.P. Additivnye tehnologii kak sposob realizacii koncepcii berezhlivogo proizvodstva // Nauchno-metodicheskij jelektronnyj zhurnal koncept. – 2015. – tom 13. – p. 141-145. [in Russian]
2. Shestakova E.A., Shajhutdinova E.F., Janbaev R.M., Janbaev F.M. Tehnologii selektivnogo spekanija dlja aviastroenija // Polzunovskij al'manah. - 2014. - #1. – p. 21-24. [in Russian]
3. Kulish A.M. Ispol'zovanie additivnyh tehnologij dlja poluchenija detalej mashinostroenija // Molodezhnyj nauchno-tehnicheskij vestnik. 2015. – # – p.1. [in Russian]
4. Kazmirchuk K., Dovbysh V. Additivnye tehnologii v rossijskoj promyshlennosti [Jelektronnyj resurs] – 2012. – Rezhim dostupa: http://konstruktor.net/podrobnee-det/additivnye-texnologii-v-rossijskoj-promyshlennosti.html. [in Russian]
5. Kuznecov P.A., Vasil'eva O.V., Telenkov A.I., Savin V.I., Bobyr' V.V. Additivnye tehnologii na baze metallicheskih poroshkovyh materialov dlja rossijskoj promyshlennosti // Novosti materialovedenija. Nauka i tehnika. – 2015. – # – p.4-10. [in Russian]
6. Nerush S.V., Evgenov A.G. Issledovanie melkodispersnogo metallicheskogo poroshka zharoprochnogo splava marki JeP648-VI primenitel'no k lazernoj LMD-naplavke, a takzhe ocenka kachestva naplavki poroshkovogo materiala na nikelevoj osnove na rabochie lopatki TVD // Trudy VIAM. – 2015. – #3. – p.1. [in Russian]
7. Volosova M. A., Okun'kova A.A. Puti optimizacii processa selektivnogo lazernogo plavlenija pri pomoshhi vybora strategii obrabotki lazernym luchom // Izvestija samarskogo nauchnogo centra rossijskoj akademii nauk. – 2012. – #14. – p.587-591. [in Russian]
8. Dmitrenko A.A. Additivnye tehnologii kak novyj jetap razvitija proizvodstva detalej mashin. Stat'ja iz sbornika trudov konferencii "Sovremennye materialy, tehnika i tehnologija". – 2014. – p.164-167. [in Russian]
9. Smurov I.Ju., Konov S.G., Kotoban D.V. O vnedrenii additivnyh tehnologij i proizvodstva v otechestvennuju promyshlennost' // Novosti materialovedenija. Nauka i tehnika. – 2015. – # – p.11-22. [in Russian]
10. Baeva L.S., Marinin A.A. Sovremennye tehnologii additivnogo izgotovlenija ob#ektov // Vestnik MGTU. – 2014. – #1. – p.7-12. [in Russian]
11. Chumakov D.M. Perspektivy ispol'zovanija additivnyh tehnologij pri sozdanii aviacionnoj i raketno-kosmicheskoj tehniki // Jelektronnyj zhurnal «Trudy MAI». – 2014. – #76. – p.1-22. [in Russian]
12. Ljubimov V.V, Permjakov D.G. Tehnologija izgotovlenija tehnologicheskoj osnastki s primeneniem prototipirovannyh opravok // Izvestija tul'skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. – 2013. – #7-2. –p.272-285. [in Russian]
13. Agapovichev A.V, Baljakin A.V, Smelov V.G. Razrabotka metodiki lit'ja slozhnyh detalej ajerokosmicheskogo profilja s ispol'zovaniem additivnyh tehnologij // Vestnik samarskogo gosudarstvennogo ajero-kosmicheskogo universiteta im. Akademika S.P. Koroljova. – 2014. – #5-2 (47). – p.166-172. [in Russian]