Лазерные аддитивные технологии: перспективы применения

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)

Таблица 1
  LMD SLM
Материалы Большой выбор порошков Ограниченное количество порошков
Размеры детали Ограничен ходом осей Ограничен размером камеры
Сложность Ограничена Не ограничена
Точность >=0,3 мм >=0,1 мм
Скорость построения 10–40 см3/час 2–10 см3/час
Субстрат Поверхности сложной формы
Уже существующая деталь
Плоская поверхность
Специальная платформа
Rz 60–100 мкм 30–50 мкм
Толщина слоя 0,1–1 мм 0,03–0,1 мм

 

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

 

Теги: 

АТ, новости аддитивных технологий, SLA, DMLS, Laser Cusing, SPLA, SLS, DMD, LENS, DM, MJS, LMD, лазерный, прямое осаждение, селективное сплавление, спекание, автомобилестроение, самолетостроение, послойный лазерный синтез, Airbus, АМ оборудование, обзор

Другие материалы:

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru