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.