ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ МЕТОДОМ ЛАЗЕРНОГО АДДИТИВНОГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Аддитивное производство из металла на сегодняшний день является одним из стратегических направлений развития машиностроения во всём мире. Данная технология позволяет изготавливать детале-сборочные единицы на основе компьютерной модели, избегая использование формообразующих элементов и механообработку. Данный подход позволяет значительно сократить объём отходов производства.

Некоторые методы лазерного аддитивного изготовления нашли дополнительное применение в ремонте изношенных деталей и нанесении защитных покрытий.

Научно-технический прогресс в технике позволяет миниатюризировать зону обработки менее 1 мм, что значительно расширяет возможности методов лазерного аддитивного изготовления готовых изделий, обеспечивая повышенную точность и качество поверхности, а также открывается возможность производства малоразмерных изделий. Множество исследований проводятся в данной области с целью разработки стратегий и рекомендаций по выбору технологического оснащения и режимов обработки для различных сценариев.

Целью данной работы является анализ методов лазерного аддитивного изготовления изделий из металла, исследование режимов обработки для установления зависимостей с последующей разработкой методики технологического обеспечения качества эксплуатационных поверхностей.

Изначально аддитивные технологии были ориентированных на производство прототипов, а сегодня они объединяют широкий класс технологических процессов изготовления готовых деталей. Основными методами аддитивного изготовления изделий из металла являются: лазерное спекание и лазерная наплавка. Оба метода основаны на плавке металлического порошка лазером, но есть и значительные отличия.

При формообразовании методом лазерной наплавки используется энергия лазерного излучения для оплавления присадочного материала, подаваемого в зону обработки вместе с излучением, и нижележащего слоя с целью формирования на нём валика наплавки, связанного с основой. Для защиты наплавляемого материала от окисления порошок подаётся и сплавляется в среде защитного газа: азота или аргона.

Принципиальная схема лазерной наплавки показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема наплавки с коаксиальной подачей порошка

Зачастую при лазерной наплавке в качестве основного оборудования используется пятикоординатный фрезерный станок, оснащённый системой ЧПУ, которая и отвечает за перемещение лазерной головки согласно выбранной стратегии.

Относительное перемещение лазерного луча и рабочей поверхности позволяет наносить материал по выбранной траектории, а послойное наложение контуров – создавать трехмерные объекты.

Лазерная наплавка широко применяется для ремонта изношенных деталей, модификации поверхности и изготовления средне- и крупногабаритных изделий с невысокими требованиями к качеству поверхности, точности размеров и значительными припусками на механическую обработку. Однако при миниатюризации зоны обработки стало возможным изготовление и малоразмерных и тонкостенных изделий с более высоким качеством поверхности.

Для получения валиков высокого качества порошок в рабочую зону подаётся слегка в избытке, и не весь успевает наплавиться.

Альтернативным наплавке методом является лазерное послойное спекание порошка. В рабочую камеру подаётся и равномерно распределяется порошок, таким образом, чтобы один однородный слой. Лазер с помощью систем зеркал быстро проплавляет определённые участки, согласно программе, порошок расплавляется и спекается с предыдущим слоем. Дно рабочей камеры опускается на величину одного слоя, и камера вновь заполняется порошком.

Метод отличается высокой скоростью сканирования лазера (перемещения лазерного луча) и высоким разрешением печати – толщина слоя порядка 20 микрометров.

Отличительной особенностью данного метода является то, что нет необходимости в печати опорных элементов, поскольку сам порошок осуществляет эту функцию во время печати.

Принципиальная схема послойного спекания металлического порошка показана на рисунке 2.

Рисунок 2. Лазерное спекание порошка

В обоих случаях исходными данными является трёхмерная компьютерная модель детали, которую специализированная CAM-система разделяет на слои и, в зависимости от методики, разрабатывает траекторию движения рабочих органов станка.

Трёхмерная печать с использованием металлического порошка является практически безотходным производством, поскольку весь неиспользованный порошок собирается и повторно используется

Печать производиться на специальной съёмной подложке к которой детали приплавляются во время образования первого слоя, поэтому после печати возникает необходимость их отделения. Данный процесс осуществляется с помощью ленточной пилы.

С учётом выше сказанного, коэффициент использования материала составляет порядка 95%.

Негативными моментами данных методик являются возможное образование пор внутри материала и внутренние напряжения. Зачастую напечатанные детали подвергают термической обработке для снятия напряжений, уменьшению пористости и отпуска.

На сегодняшний день при печати деталей из металла больший упор делают на производительность и получение удовлетворительной структуры, а качество отходит на второй план. Так, минимальная шероховатость Ra составляет 8.75 мкм, а точность размеров ±0,05 мм на 100 мм длины при толщине слоя 30 мкм. Поэтому необходима чистовая и суперфинишная доработка точных рабочих поверхностей. Однако, в следствии термического воздействия, напечатанные детали получаются повышенной твёрдости, что уменьшает их обрабатываемость. Габариты изделий колеблются от тонкостенных 0.2 мм толщиной до 300 мм. При наплавке габариты ограничены рабочей зоной станка.

В связи с ограничениями при получении порошков и особенностях физико-химических процессов при их плавке спектр используемых материалов несколько ограничен. Наиболее популярными являются порошки из титана, инструментальной и нержавеющей стали, кобальт-хромовых сплавов, никеля, меди, алюминия и золота.

Разработка методик и рекомендация по изготовлению деталей методом лазерного аддитивного изготовления ускоряет развитие данного подхода и продвижение его в качестве основного технологического процесса при изготовлении детали, поскольку является менее энергозатратным и практически безотходным.

Геометрия изготовленных деталей может превосходить возможности механической обработки, поэтому остро стоит задача получения эксплуатационных поверхностей сразу после печати.

Список литературы:

1. Григорьев, С.Н. Высокоэффективные технологии обработки — М.: Машиностроение. — 2014. — 455 с.
2. Григорьянц, А.Г. Технологические процессы лазерной обработки: учеб. для вузов / А. Г. Григорьянц, И. Н. Шиганов, А. И. Мисюров — М.: МГТУ им. Баумана. — 2006. — 663 с.
3. Gasser, A. Laser additive manufacturing / A. Gasser, G. Backes, I. Kelbassa et al. // Laser Technik Journal. — 2010. — №2. — P. 58-63.