АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
Общая характеристика аддитивных технологий, терминология и классификация
Для современного производства характерно:
- • относительно быстрая смена продуктов, более 50% машиностроительного рынка занимает мелко- и среднесерийное производство;
- • применение многофункциональных деталей, следовательно, и усложнение их форм.
Быстрая сменяемость продукта, выпуск мелкими и средними сериями приводят к тому, что экономически нецелесообразно применение дорогостоящей инструментальной оснастки, выдерживающей десятки и сотни тысяч циклов, изготовление которой занимает достаточно продолжительный отрезок времени.
Аддитивные технологии позволяют относительно быстро изготовить оснастку (матрицу или пресс-форму) из легкого сплава с меньшим ресурсом. При этом такие технологии расширяют возможности оснастки. Например, пресс-форма может быть выращена вместе с каналами охлаждения произвольной конфигурации, что невозможно сделать при обычных методах механообработки (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Пресс-форма, изготовленная с помощью аддитивных технологий.
Предоставлено 3D Systems
Применение литейных форм с регулируемым охлаждением позволяет сократить время пребывания отливки в форме до 30%.
При изготовлении сложных изделий часто применяют литосварные или штампосварные конструкции. Аддитивные технологии позволяют «вырастить» такую конструкцию из одного материала, что позволяет уменьшить трудоемкость изготовления конструкции с одновременным уменьшением ее массы. В качестве примера можно привести разработку ОАО «НИАТ НТК» по замене литосварной конструкции топливной форсунки (рис. 9.2, а) на цельную (рис. 9.2, б), выращенную из никелевого сплава. В результате значительно снижен процент брака, масса изделия уменьшена на 17%.
Рис. 9.2. Топливная форсунка. Предоставлено ОАО «НИАТ НТК»:
а — сварная; б — «выращенная»
Внедрение аддитивных технологий наиболее эффективно в таких отраслях промышленности, как авиация, судостроение, энергетическое машиностроение, медицинская.
Аддитивные технологии (англ. Additive Fabrication; to add — добавлять) — обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (С4/)-модели) методом послойного добавления материала (рис. 9.3).
В соответствии с классификацией по /)/А8580:2003-09 аддитивные технологии — это технологии, увеличивающие число связей, использующие точечное или объемное, непрерывное или импульсное распределение в газовой среде тепловой, лучевой энергии или комбинации энергий.
Получение изделия происходит за счет послойного формирования (тем или иным способом) с отверждением или фиксацией каждого слоя в соответствии с конфигурацией сечения ОШ-модели и соединения каждого последующего слоя с предыдущим.
Материалы для формирования слоев могут быть жидкими (фото-полимерные смолы, воски и др.), сыпучими (пески, порошковые полимеры, металлопорошковые композиции), в виде тонких листов
Рис. 9.3. Процесс Additive Fabrication
(полимерные пленки, листы бумаги и др.), а также в виде полимерной нити или металлической проволоки, расплавляемой непосредственно перед формированием слоя построения.
При применении аддитивных технологий на всех стадиях реализации проекта используется единый математический язык (цифровые CAD-CAM-CAE-системы), что позволяет переходить к единой цифровой технологической цепочке (проектирование —»составление программы для Л/’-оборудования —> управление работой AF-оборудования —» изготовление изделия).
Терминология
В настоящее время несмотря на то, что в России принято несколько стандартов (ГОСТ 2.051-2006 ЕСКД; ГОСТ 2.052-2006 ЕСКД; ГОСТ 2.053-2006 ЕСКД; ГОСТ 28388-89; ГОСТ 28388-89) по цифровым моделям изделий и электронной документации, в отечественной нормативной документации пока не даны определения и не разработана классификация аддитивных технологий. Пока отечественные разработчики и пользователи вынуждены использовать наработки Американского общества испытания и материалов {American Society for Testing and Materials, стандарты ASTM /2792.1549323-1).
Для обозначений (в технической и учебной литературе) аддитивных технологий или технологий послойного синтеза рекомендовано использование двух основных терминов: Additive Fabrication (.AF), Additive Manufacturing (AM), и их синонимов — additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication.
Классификация
В настоящее время устоявшейся классификации аддитивных технологий пока нет. Различные авторы классифицируют их по следующим признакам:
- • применяемые строительные (модельные) материалы: жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т.д.;
- • наличие или отсутствие источника когерентного излучения (ла-
зера);
- • вид энергии и метод ее подвода для фиксации каждого слоя (тепловая; световая; применение связующего состава...);
- • технология формирования слоя (Bed Deposition и Direct Deposition)',
- • технология Bed Deposition (осаждение на платформе).
При использовании технологии Bed Deposition (рис. 9.4) сначала формируют слой, например, насыпают на рабочую платформу 4 и разравнивают порошок с помощью ролика 10, формируя ровный слой материала определенной толщины. Затем выборочно обрабатывают порошок в сформированном слое
Рис. 9.4. Схема осаждения на платформе:
1 — лазер или источник ультрафиолетового излучения; 2 — система фокусировки; 3 — система управления лучом; 4 — порошковый («строительный») материал; 5 — луч; 6 — изделие; 7— плоскость построения; ? — рабочая платформа; 9— платформа подачи порошка; 10— ролик
световым лучом 5, скрепляя частички порошка (сплавляя или склеивая) в соответствии с текущим сечением исходной С4/)-модели. Управление движением луча осуществляется в соответствии с математическим описанием соответствующего слоя С4/)-модели.
Положение плоскости построения 7 неизменно. При этом часть строительного материала (порошка) не подвергается лучевой обработке, т.е. может повторно использоваться.
В зависимости от вида формирующего луча эту технологию называют SS — Selective Sintering (селективный синтез) — при использовании ультрафиолетового излучения, или SLS — Selective Laser Sintering (селективное лазерное спекание) — использование лазерного луча.
Технология Direct Deposition (прямое осаждение)
В технологии Direct Deposition материал подается непосредственно в место подведения энергии и построения в данный момент фрагмента детали.
Один из вариантов подачи материала (порошка) в зону построения показан на рис. 9.5. Порошковый материал из емкости 7подается в зону обработки 5 под действием вытекающего из баллона 8 «транспортного» газа.
Рис. 9.5. Схема прямого осаждения:
- 1 — лазер или источник ультрафиолетового излучения; 2 — система фокусировки; 3 — система управления лучом; 4 — лазерный луч; 5 — зона построения; 6 — платформа построения; 7— емкость с металлическим порошком;
- 8— баллон с «транспортным» газом
Виды аддитивных технологий по классификации ASTM
По классификации ASTM в версии 2012 г. аддитивные технологии разделены на 7 категорий.
1. Технология Material Extrusion — «Выдавливание материала».
К этой категории относятся технологии, при которых строительный материал выдавливается на платформу построения. После изготовления «сырого изделия» его тем или иным образом стабилизируют. Пример: технология MJS, в соответствии с которой на платформу построения через подогреваемый экструдер выдавливается пастообразный строительный материал — смесь металлического порошка и связующего пластификатора. Сырую модель помещают в печь для удаления связующего и дальнейшего спекания.
2. Технология Material Jetting — «разбрызгивание материала», или «струйные технологии».
По этой технологии построение модели производится за счет подачи строительного материала через многоструйную головку. Пример: технология Polyjet — строительный материал в виде фотополимера подается на платформу построения через многоструйную головку.
3. Технология Binder Jetting — «разбрызгивание связующего».
Эта разновидность струйной технологии, в которой в зону построения модели разбрызгивается не модельный материал, а связующий реагент.
4. Технология Sheet Lamination — «соединение листовых материалов».
Эта технология в качестве строительного использует листовой материал (металлическая фольга, полимерная пленка, бумага...). Пример: технология (JAM {Ultrasonic additive manufacturing, Fabrisonic), сущность которой заключается в том, что тонкие металлические пластины сваривают с помощью ультразвука и затем «лишний» металл удаляют фрезерованием (сочетание аддитивной технологии с резанием материала).
5. Технология Vat Photopolymerization — «фотополимеризация в ванне».
Эта технология использует жидкие модельные материалы — фо-тополимерные смолы.
6. Технология Powder Bed Fusion — «расплавление материала в заранее сформированном слое».
Расплавление металла происходит за счет: энергии сфокусированного лазерного луча (ЗХЗ'-технологии); энергии электронного луча (Лгсят-технологии) или тепла от теплоэлектронагревателей (5Я5-технологии).
7. Технология Directed energy deposition — «прямой подвод энергии непосредственно в место построения».
Строительный материал и энергия для его сплавления подводятся одновременно к месту построения изделия. Энергия подводится в виде сфокусированного лазерного (Optomec или РОМ-технологии) или электронного (5с/Э/:у-технологии) луча.
