Аддитивные технологии появились еще в 80‑е годы XX века, однако только в последние несколько лет это направление начало разворачиваться в полную мощность. Тема аддитивных технологий стала центральной для крупных исследовательских институтов, конференций, прикладных изданий во всем мире.

Для России это технологическое направление также актуально. Развивается рынок оборудования и технологий 3D-печати пластиком. На выставке «Металообработка‑2016» показан первый серийный российский станок для послойного спекания металлопорошков производства группы компаний «Лазеры и Аппаратура» (рис. 1). Институтами ИЛИСТ, ЦНИТМАШ, УрФУ, МГТУ им. Н. Э. Баумана созданы опытные установки аддитивного лазерного выращивания из металлических порошков. Создается опытное оборудование для аддитивного выращивания электронно-лучевым методом. Работы осуществляются в направлении разработки отечественных материалов, технологий производства детелей для различных актуальных приложений, сертификации изделий и т.д. Проводятся многочисленные конференции как научные с целью обмена достижениями, так и для широкого круга специалистов для популяризации технологий и демонстрации их новых возможностей. Безусловно, в данной ситуации мировой опыт чрезвычайно интересен. Одной из ведущих конференций в области лазерной техники в мире является Международный конгресс лазерных технологий в Аахене (Германия), который проходит раз в 2 года и собирает всех основных и значимых исследователей и представителей производителей. Его организатором является Институт лазерных технологий Фраунгофера (ILT) [Fraunhofer Institute for Laser Technology]. В 2016 году одной из основных тем конференции стали аддитивные технологии: текущее состояние, основные тенденции и перспективы.

Настоящей статьей мы начинаем обзор ЛАЗЕРНЫХ аддитивных технологий и оборудования, а также актуальных проблем и задач, связанных с их применением.

Рис. 1. Станок  для  послойного спекания  МL6-1 фирмы «Лазеры и Аппаратура»
 

Ключевые особенности и отличия основных методов

Лазерные аддитивные технологии можно разделить на две группы. Различные производители могут использовать некоторые другие термины, что связано в первую очередь не с разницей в технологическом процессе, а с вопросами патентования названий.

1) SLM — Selective Laser Melting — селективное лазерное сплавление (синтез или спекание) с использованием ванны расплава (рис. 2, 3). Речь идет о наличии некой поверхности, на которой сначала формируют слой, а затем в этом слое выборочно отверждают (фиксируют) материал. К этой категории относятся такие обозначения технологии, как SLS и SLA, DMLS, Laser Cusing, SPLA и другие.

Рис. 2. Схема построения детали по SLM-технологии

Рис. 3. Рабочая камера станка ML6-1 фирмы «Лазеры и аппаратура»

2) LMD — Laser Metal Deposition — прямое лазерное осаждение или прямое лазерное выращивание с использованием прямой подачи порошка или проволоки непосредственно в место построения (рис. 4, 5). К этой категории относятся технологии: DMD — Direct Metal Deposition, LENS — Laser Engineered Net Shape, DM — Direct Manufacturing, MJS — Multiphase Jet Solidification.

Рис. 4. Схема построения детали по LMD-технологии

Рис. 5. Лазерная коаксильная LMD наплавка сферическими порошками

На настоящий момент мировые лидеры в области аддитивных технологий отмечают в качестве основных преимуществ метода SLM высокую точность и качество построения. С помощью этой технологии возможно создавать практически сколь угодно сложные изделия с полостями внутри, нависающими частями. Однако скорости построения и размер выращиваемых деталей в таких системах ограничены.
Прямое осаждение, в свою очередь, позволяет вести построение с большими скоростями и в большем объеме, исследованно значительное число материалов, однако точность здесь ниже и сложность выращиваемых деталей ограничена (рис. 6, таблица 1).

Показателен опыт изготовления одной и той же детали с применением SLM и LMD технологий. В этих целях была изготовлена опорная деталь самолета Airbus A 320, предназначенная для крепления двигателя под крыло из сплава Инконель 718. Полученая деталь должна быть устойчива к высоким темепературным, химическим и механическим воздуействиям. На текущий момент изготавливается при помощи литья и фрезеровки.

Кроме определенной разницы в структуре полученного материала (рис. 6) и прочности на разрыв и сжатие, обращают на себя внимание следующие различия:
LMD. Время построения составило 14 часов, скорость построения составила 146,7 мм³/сек. В ходе построения требовалась корректировка параметров, отсутствовали некоторые отверстия (требовалась дополнительная обработка).
SLM. Время построения составило 40 часов, скорость — 15 мм³/сек. При этом уровень и качество детализации были очень высокими.

а)                                                                                 b)

Рис. 6. LMD (а) и SLM – структуры (b)

Области эффективного использования
 

Вопросов стоит много: от сложности внедрения и сертификации деталей, производимых новым методом до ограниченного числа экспертов‑технологов. Однако по большому счету эти вопросы — сопутствующие и решение их — дело времени. При этом ключевой является перспективность технологии как таковой, целесообразность и эффективность внедрения аддитивных технологий в производство.

В целом производство деталей с помощью лазерных аддитивных технологий конкурентоспособно по стоимости в первую очередь в тех случаях, когда речь идет о производстве небольшого количества деталей, имеющих сложную геометрию (рис. 7). Именно этим объясняется значительный спрос на установки послойного лазерного синтеза металлических изделий в авиационной промышленности, космической индустрии, стоматологии и производстве имплантов.

Рис. 7. Графики эффективности применения аддитивных технологий

В последние годы большое внимание в самолетостроении и автомобильной промышленности уделяется технологиям, позволяющим создавать облегченные конструкции. Их применение обеспечивает дополнительную экономию горючего. При создании Airbus A380 в начале 2000-ых активно внедрялась технология лазерной сварки некоторых деталей фюзеляжа взамен традиционной клепки. Тогда это позволило уменьшить вес на 15 %. В самолетостроении уменьшение веса на 1 кг позволяет сэкономить до 100 литров топлива в год, а в автомобилестроении уменьшение веса на 10 % дает экономию на топливе на 4 %. Внедрение таких облегченных конструкций, как правило, требует их изготовления с помощью аддитивных лазерных технологий (рис. 8, 9, 10).

Рис. 8. Снижение веса конструкций с применением аддитивных технологий

Рис. 9. График снижения стоимости изделий за счет снижения веса

Рис. 10. Кронштейн крепления элементов авиационного кресла, изготовленный с помощью технологии SLM

В следующих номерах журнала «Аддитивные Технологии» мы продолжим обзор материалами об оборудовании и особенностях SLM-технологии.

Е.В. Раевский, А.Л. Цыганцова
Группа компаний «Лазеры и аппаратура»

Использованы материалы International Laser Technology Congress 2016 (AKL’16):
1. SLM and LMD Manufacturing Processes, Dr. Wilhelm Meiners, Fraunhofer ILT, Aachen.
2. Lightweight in Automotive and Aerospace, Dr. E. h. Peter Leibinger, TRUMPF GmbH + Co. KG, Ditzingen.
3. Digital Photonic Production in Aachen, Prof.Dr.Reinhart Poprawe, Fraunhofer Institut fuer Lasertechnik ILT, Aachen. RWTH Aachen University Lehrstuhl fuer Lasertechnik LLT.
4.Comparison LMD and SLM in Additive Manufacturing, Dipl.-Ing. Moritz Alkhayat, Fraunhofer ILT, Aachen.

Источник: Журнал АТ №1'2016, стр. 10-12