АНАЛИЗ СПОСОБОВ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

REVIEW OF METHODS OF PRODUCING POWDER MATERIAL FOR MANUFACTURE OF METAL PRODUCTS BY METHODS OF ADDITIVE TECHNOLOGIES

Svetlana Yepifanova

master of technical Sciences, A. Baitursynov Kostanay State University, lecturer of Machine Building Professorate ,

Kazakhstan, Kostanay

Sergey Spektoruk

A. Baitursynov Kostanay State University, Senior Lecturer of Machine Building Professorate,

Kazakhstan, Kostanay

АННОТАЦИЯ

В данной статье рассмотрены основные направления изготовления металлических изделий методами аддитивных технологий. Приведены преимущества и недостатки АМ – технологий. Рассмотрены параметры определяющие качество поверхности, к которым относятся: качество исходной виртуальной модели, представляющей собой 3D-поверхность в виде замкнутой сетки из треугольников и исходные материалы (порошки), с жестко заданными характеристиками.

ABSTRACT

This Article emphasizes main directions of metal products manufacturing using additive technologies. Benefits and drawbacks of AM technologies. It considers parameters that determine the surface quality including the quality of the initial virtual model, which is a 3D surface in the form of a closed grid of triangles and raw materials (powders), with rigidly specified characteristics.

Ключевые слова: аддитивные технологии; порошки; машино­строение; 3D-печать.

Keywords: additive technologies; powders, mechanical engineering; 3D printing.

В высокотехнологичных наукоемких отраслях, таких как машиностроение, радиоэлектроника, автомобилестроение, наряду с традиционными технологиями, находят применение ультрасовременные способы формирования деталей - аддитивные технологии. Аддитивные технологии предполагают изготовление объекта методом послойного нанесения материала.

На нынешний период существует 4 способа изготовления метал­лических изделий методами аддитивных технологий [1]:

1. Селективное лазерное сплавление или SLМ-метод (SelectiveLaserMelting): При данном методе сплавления первоначально формируется базовый слой, насыпая порошок на рабочую платформу, разравнивают с помощью ролика, создавая ровный слой материала и селективно обрабатывают порошок в сформированном слое лазером, скрепляя частички порошка в соответствии с заданным сечением трехмерной компьютерной модели.
2. Электронное лучевое сплавление или EBM-метод (ElectronBeamMelting) [2]: Данный метод основан на воздействии электронного луча.
3. 3D-печать (3Dprinting) [2]. Формируется порошковый слой на платформе построения, затем происходит сцепление - путем подачи связующего вещества через форсунку принтера. После того, как изделие напечатано, оно подвергается спеканию.
4. Прямое лазерное сплавление (DirectEnergyDeposition) [3]: Происходит соосная подача порошка и энергии луча лазера.

AM-технологии обеспечивают определенный уровень качества поверхности модели, основным критерием считается чистота поверх­ности.

Одним из важнейших параметров, определяющим шероховатость поверхности, является качество исходной трёхмерной модели. Виртуальная модель представляет собой 3D-поверхность в виде замкнутой сетки из треугольников. Шероховатость поверхности напрямую зависит от качества создания сетки.

Так, при использовании трёхмерной модели низкого качества шероховатость, заложенная в файле, проявляется при построении физической модели (рисунок 1).

Рисунок 1. Проявление шероховатости, заложенной в файле, на детали

Применение аддитивных технологий сдерживается тем, что для реализации необходимо иметь исходные материалы, с конкретно заданными характеристиками [2]:

1. Сферическая форма частиц порошка для обеспечения «текучести» порошковой композиции в системах подачи.

2. Размер частиц.  Распределение частиц по размерам является очень важной характеристикой для аддитивных технологий, поскольку оно влияет на следующие функции:

- текучесть сыпучих веществ и способность их равномерно распределяться;

- плотность слоя порошка;

- требуемое количество энергии для плавления порошка;

- шероховатость полученной поверхности

3. Высокая степень химической очистки порошкового металла от примесей и оксидов. Химические свойства порошков зависят от содержания основного металла или основных компонентов, а  так же содержания механических примесей и газов. Присутствие газов увеличивает хрупкость порошков, затрудняет прессование.

Таким образом, для продвижения аддитивных технологий приоритетом  является создание качественного порошкового материала, так как качество порошка в первую очередь влияет на качество производимых деталей.

К настоящему времени известны следующие методы получения порошковых материалов:

• механический. Этот метод позволяет измельчать большие объемы металла, но полученные порошки имеют неправильную, в основном игольчатую форму частиц, что делает невозможным ее использование для аддитивных технологий. Кроме того, в процессе механического измельчения порошок может забиваться продуктами измельчения мельницы, а порошки не будут соответствовать требуемым технологическим требованиям.
• физико-химические. Преимущество физико-химических методов заключается в возможности получения порошков высокой чистоты; основным недостатком является высокая стоимость порошков из-за низкой эффективности производства и потребления высоких энергий.
• центробежное распыление расплава металла.
• водное и газовое распыление. Плавление металлов и сплавов проводится в плавильных печах различных типов под действием электрической дуги или плазмы, а распыление осуществляется потоком воды высокого давления, а так же инертными и нейтральными газами.

Методы распыления являются ведущей технологией в производстве высококачественных металлических порошков. Распыление расплава является относительно простым и недорогим процессом получения металлических порошков с широким диапазоном температур плавления.

Распыление металлической струи газовым потоком осуществляется по нескольким схемам [3]:

1. газовая атомизация: Металлические порошки для аддитивных технологий в основном производятся с использованием метода атоми­зации газа. Процесс начинается с подачи расплава непосредственно в сопло из ванны плавильной печи или через промежуточный нагретый металлический приемник. Кроме того, поток расплава распадается под действием потоков инертного газа (аргон, азот) в небольшие капли, которые охлаждают и затвердевают.
2. вакуумная атомизация: Суть его заключается в следующем: атомайзер состоит из двух камер - плавления и распыления. В плавильной камере создается избыточное давление газа (водород, азот, гелий), растворенного в расплаве. Металл под действием давления в плавильной камере подходит к устройству сопла, выходящего в распылительную камеру, где создается вакуум. Перепад давления приводит к тому, что растворенный газ выходит на поверхность капель расплава и «взрывает» капли изнутри, обеспечивая при этом сферическую форму и тонкодисперсную структуру порошка.
3. газовая атомизация с вакуумно-индукционной плавкой металла: Этот метод отличается от обычного распыления газа тем, что индукционная плавка металла происходит в вакуумной камере. Такое плавление желательно использовать в тугоплавких сплавах, чтобы избежать образования оксидных пленок на порошковых частицах.
4. плазменное распыление: Плазменное распыление представляет собой модификацию атомизации газа, которая позволяет получить высококачественный и высокочистый порошок сплавов на основе Mo, Ti, Ni, Ta и Co, Cr в широком и контролируемом диапазоне фракцион­ного состава. Распыление плазмы осуществляется в специальной установке, которая содержит несколько плазмотронов - генераторы потока ионизированного газа -сфокусированные в точке, где металл подается в виде стержня.

В ходе рассмотрения доступных на сегодняшний день технологий получения порошка для аддитивных технологий, было выявлено, что порошки, изготовленные из тугоплавких металлов, имеют качественную консистенцию, а распыленные порошки легкоплавких металлов пред­ставляют собой частицы оскольчатой формы. Таким образом, распыление легкоплавких металлов в воздушной среде не позволяет получать порошки, с требуемой формой частиц ни при одной из существующих технологий.

Список литературы:

1. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. – СПб.: Изд-во Политехнического ун-та, 2013. – 222 с.
2. Angelo H.C. Powder Metalurge: Science, technology and application / H.C. Angelo, R. Subramanian. – New Dehli, 2009.
3. Салокеева А.Р. Разработка метода и технологии распыления жидкого металла с применением левитационной плавки при производстве метал­лических порошков для применения в 3Д-принтерах. - Санкт-Петербург, 2016. 22 с.