Никируй А.Э., Лымарь С.В., Дроговоз П.А. // Современные наукоемкие технологии. – 2022. – № 2. – С. 72-77;

В условиях рыночной экономики устойчивость малого и среднего бизнеса, а также больших промышленных предприятий обеспечивается возможностью создания наукоемкой продукции. С каждым годом растет значимость новых технологий и методов, поэтому спросом пользуется новая технологическая продукция, созданная в условиях конкурентной борьбы. Особое внимание руководители предприятий уделяют комплексным методам анализа современной научно-технической информации о новых видах и методах изготовления наукоемкой продукции, а их внедрение требует существенных финансовых затрат.

Эффективно принятое решение по применению одной или другой технологии на более ранних этапах проектирования в прецизионном производстве существенно уменьшит стоимость продукции от разработки до производства. Для минимизации стоимости производственных процессов необходимо иметь механизм, который позволит на ранних этапах определить стоимость изготовления деталей по выбранной технологии. Одной из таких технологий является метод селективного лазерного спекания (SLM), который является альтернативой для дополнения или замены прецизионных металлических деталей ввиду возможности воспроизвести сложную геометрию и придать необходимые свойства детали.

Критерии для выбора изготовления деталей методом SLM

При выборе технологии селективного лазерного спекания (SLM) для изготовления деталей можно руководствоваться следующими признаками / условиями:

1) изготовление единичного (разового) опытного образца или мелкосерийной партии;

2) изготовление деталей, у которых определенный коэффициент аддитивности [1];

3) необходимость наличия у детали внутренних полостей сложной геометрии (формы);

4) необходимость наличия у детали определенного направления волокон или кристаллических структур;

5) ограниченные габариты размером камеры оборудования.

Для обеспечения требуемого качества необходима подготовка материала для последующего изготовления детали, оптимизация параметров процесса изготовления и постобработка деталей [2, 3].

Описание технологии SLM

Общую схему процесса изготовления детали методом аддитивного производства – селективного лазерного плавления [4–6] – можно изобразить в виде последовательности следующих процессов (рис. 1).

В данной работе будет рассмотрен только расчет времени и стоимости процесса изготовления деталей на 3D-принтерах ввиду того, что его стоимость составляет более 70% от стоимости остального оборудования и процессов, необходимых для пре- и постобработки и без учета оборудования для прецизионной механической обработки.

Рассмотрим процесс изготовления изделий методом селективного лазерного спекания. В начале необходима 3D-модель детали, созданная в CAD-системе, подготовленная для изготовления методом SLM, включая проведение топологической оптимизации. Затем данная модель преобразуется, как правило, в формат STL и передается в производство. Далее, при помощи профильного программного обеспечения предварительной обработки, настраиваются различные параметры процесса спекания, такие как мощность лазера, скорость сканирования, толщина слоя, шаг штриховки. В данном ПО обработка заключается в делении 3D-модели детали на слои, в соответствии с заданным размером слоя, расчетом оптимального хода и последовательности спекания в зависимости от параметров материала и оптической системы, ориентации в камере печати и построении поддержек в зависимости от требований к детали. Получившийся файл передается в специальную систему 3D-принтера для селективного лазерного спекания.

Ввиду отсутствия полностью готовой электронной модели детали на ранних этапах проектирования здесь мы не будем рассматривать расчет стоимости проектирования деталей, в том числе из-за возможных различий во времени и качестве разрабатываемой детали для каждого предприятия. В работе были определены только основные параметры проектируемой детали, которые необходимы для дальнейших расчетов: предполагаемый материал, габариты (отдельно выделена высота); объем; количество; вид производства (опытное или мелкосерийное); сменность работы.

Рис. 1. Общая схема процесса изготовления деталей методом SLM

Выбор оборудования под габаритные размеры строительной платформы и максимальный путь перемещения за вычетом толщины строительной платформы определяют доступное пространство для изделий. Во время процесса построения деталь создается путем выборочного спекания последовательных слоев порошка, начиная от верхней поверхности платформы. После завершения спекания каждого слоя платформа опускается на предварительно заданную толщину слоя. Далее наносится новый слой порошка и выравнивается с помощью устройства для нанесения порошка. Затем лазер начинает сканирование и сплавление следующего слоя детали. У некоторых производителей 3D-принтеров после завершения спекания одного или нескольких слоев доступна опция очистки защитного стекла – это зависит от интенсивности загрязнения защитного стекла. Общая модель выбора оборудования описана в [7].

Скорость сканирования указана производителем оборудования в перечне характеристик как максимальная. В нее не входит дополнительное время, что необходимо отдельно учитывать, так как оно влияет на скорость изготовления детали. Необходимо также учитывать, что деталь при максимальных режимах спекания и скорости сканирования не будет соответствовать заданным требованиям качества, учитывая, что здесь рассматривается максимально возможная степень точности изготовления деталей.

Для определения параметра скорости сканирования необходимо учитывать, что более высокое воздействие тепла на единицу длины может эффективно минимизировать количество пор плавления. Для уменьшения пористости и отсутствия дефектов плавления необходимо управление параметрами процесса спекания, такими как плотность мощности на единицу объема материала, мощность лазера, скорость сканирования и толщина слоя. Необходимо также учитывать размер фракции порошка: чем она меньше, тем меньше шероховатость поверхности, но это не определяет лучшую структуру материала. Минимизация размера фракции и увеличение плотности порошка, минимизация шага штриховки [8] и толщины слоя не всегда позволяет получить более качественную поверхность [9]. Сравнение качества обрабатываемой поверхности и материала при селективном лазерном спекании описаны в [10].

Скорость сканирования и мощность лазера указываются производителем оборудования в перечне характеристик. Для каждого материала, габаритов и формы детали технолог подбирает параметры, такие как скорость сканирования, толщина слоя и шаг штриховки, индивидуально. В большинстве случаев при однолучевом режиме работы мощность лазера ограничивает допустимую скорость сканирования.

Полное содержание статьи:  https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=39040

Источник