ИССЛЕДОВАНИЯ ШЕРОХОВАТОСТИ ПОВЕРХНОСТИ ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ

АННОТАЦИЯ

В данной статье описаны особенности метода селективного лазерного сплавления. Дано определение понятию «технологическое наследование». Рассмотрены основные факторы, влияющие на шероховатость и волнистость поверхности и связанные с особенностями протекания теплообменных процессов при изготовлении деталей методом селективного лазерного сплавления. Проанализированы причины возникновения характерного профиля шероховатости у деталей, изготовленных методом селективного лазерного сплавления.

Ключевые слова: нержавеющая сталь, селективное лазерное плавление, геометрия изделия, шероховатость.

ВВЕДЕНИЕ

Во всех технологически развитых странах ведутся активные научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы по созданию методик и оборудования, основанных на подходе, получившем название «Аддитивное производство». В отличие от классического формообразования, где от заготовки «отсекается» все лишнее и за счет этого получается деталь, при аддитивном производстве деталь «выращивается» послойным добавлением/наложением материала. Такой подход позволяет создавать уникальные изделия на основе трехмерных компьютерных моделей за один технологический цикл. Например, макеты сборочных узлов, криволинейные профили крыльев малогабаритных летательных аппаратов, теплообменники со сложной структурой каналов охлаждения, оснастка для изготовления корпусов двигателей и насосов, фильтрующие элементы, индивидуальные медицинские протезы и др. Широко известны и коммерчески успешны следующие методы аддитивного производства: трехмерная печать, лазерная стереолитография, послойная заливка экструдируемым расплавом, трехмерная лазерная наплавка, селективное лазерное сплавление. Последний является наиболее перспективным методом, поскольку обладает рядом принципиальных преимуществ: безотходностью, универсальностью, возможностью изготовления с высокой точностью (до ±0,05 мм) сложнопрофильных деталей, не уступающих, а иногда и превышающих по своим физико-механическим свойствам детали, полученные традиционным формообразованием.

Особенностью метода селективного лазерного спекания (далее — SLM — Selective Laser Melting), в сравнении с традиционными методами получения изделия, является высокая шероховатость поверхности изготовленной детали, причём шероховатость поверхности различна на разных участках детали [1]. Шероховатость поверхности зависит от размера частиц порошка, режимов спекания и от ориентации детали в 3D-принтере. В настоящее время для получения требуемой шероховатости наружную поверхность детали необходимо дополнительно обрабатывать.

Изменение свойств деталей в процессе их изготовления и эксплуатации, от заготовительных и операций термической обработки, описывается технологической наследственностью. Перенос свойств объектов от предшествующих технологических операций к последующим операциям с сохранением свойств у деталей называют технологическим наследованием. Качество детали определяется не только последней (финишной) операцией, но и особенностями всех предшествующих операций, начиная с получения заготовки. Носителями информации о технологической наследственности является материал детали, а также ее поверхности с многообразием параметров, описывающих состояние этих поверхностей (шероховатость, волнистость, направление неровностей и изъяны). Носители информации активно участвуют в технологическом процессе, проходя через различные операции, в ходе которых они могут менять свои свойства частично или полностью.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ ХАРАКТЕРНОГО ПРОФИЛЯ ШЕРОХОВАТОСТИ У ДЕТАЛЕЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ SLM

На сегодняшний день существуют две группы причин появления характерного профиля шероховатости поверхности деталей, изготовленных методом SLM:

1) Геометрические ошибки вовремя процесса селективного лазерного сплавления;

2) Возникновение шероховатости и волнистости вследствие протекания теплообменных процессов.

Процесс SLM подразумевает под собой перемещение сфокусированного лазерного луча (диаметр перетяжки 150 мкм) [2] с заданной траекторией (координаты из модели) по установленной стратегии сканирования. Одна из причин возникновения геометрических ошибок связанна с отклонением пятна сплавления от заданной координаты на 0,01-0,05 мм (конструкторские ограничения), что в свою очередь обязательно вызовет появления волнистости поверхности [3].

Также одной из характерных особенностей возникновения больших значений шероховатости связывают с эффектом «лесенки». Эффект «лесенки» связан с процессом формообразования и обусловлен толщиной слоя. На рисунке 1 изображена схема наложения слоёв для создания наклонной поверхности. Чем больше угол наклона, тем больше волнистость и как следствие в этой технологии, шероховатость. Максимальный угол построения без использования поддержки 45 градусов. Из-за дискретности формата STL может возникнуть ошибка при представлении исходных данных в CAD системе. Если исходные данные в CAD системе являются прямолинейные, дискретные грани STL представляют данные в CAD системе без ошибок. Если исходные данные в CAD системе криволинейные, то при конвертировании в STL CAD система включает некоторую ошибку приближения, эта ошибка уменьшается с увеличением числа граней [4]. Желательно минимизировать количество граней для сокращения вычислительных потребностей.

Причины возникновения характерного профиля шероховатости и волнистости вследствие протекания теплообменных процессов также имеют большое значение. Особенность локального лазерного воздействия и соответствующее ему распределение поля температур способствуют возникновению специфичного профиля поверхности во время формообразования деталей методом селективного лазерного сплавления порошковых металлов.

На рисунке 1 показана примерная модель распределения температуры при лазерном сплавлении единичным импульсом. Модель указывает, что в точке фокусировки 1 образуется ванна расплава, и фракции порошка в этом участке полностью переходят в жидкую фазу. В участке 2 частицы порошка не могут полностью перейти в жидкую фазу, в этом участке происходит частичное сплавление или их спекание [5]. Этот процесс влияет на образовании волнистости и пор. Особенно остро этот эффект выражается на наклонных поверхностях. Схема образования поверхностного слоя представлена на рисунке 2.

Рисунок 1. Модель распределения градиента температур при селективном лазерном сплавлении: 1 – зона ванны расплава; 2 – зона сплавления

а                                                         б

Рисунок 2. Схема образования поверхностного слоя в зависимости от распределения теплоотвода: а – вертикальная стенка; б – наклонная стенка

Образования поверхностного слоя намного больше в б чем в а.

ВЫВОД

Технологические особенности SLM, описанные в статье, влияют на процессы и способы постобработки. От стратегии сканирования зависит распределение концентраторов остаточных напряжений и, как следствие, локальная неравномерность механических свойств, влияющих на процессы химической полировки. Распределение теплоотвода и геометрические ошибки влияют на распределение несплавленных частиц порошка и завышенной волнистости, особенно на наклонных поверхностях. Все процессы, описанные выше, ведут к формированию негативных параметров технологической наследственности, и от них зависит подбор метода полировки, его адаптации и включения дополнительных операций в виде термообработки, пескоструйной обработки и т.д.

Список литературы:

1. Stimpson C.K., Snyder J.C., Thole K.A., Mongillo D. Scaling roughness effects on pressure loss and heat transfer of additively manufactured channels. Proceedings of ASME Turbo Expo 2016: Turbomachinery Technical Conference and Exposition (June, 13-17, 2016, Seoul, South Korea). V. 5B-2016. DOI: 10.1115 / GT2016-58093
2. Назаров А.П. Особенности конструкции машин для селективного лазерного спекания // Вестник МГТУ «Станкин». 2013. № 1. С. 76-79.
3. Тарасова Т.В., Назаров А.П. Исследование процессов модификации поверхностного слоя и изготовления трехмерных машиностроительных деталей посредством селективного лазерного плавления // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2013. № 2(25). С. 17-21.
4. Назаров А.П. Области применения технологии селективного лазерного спекания // Материалы всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении». Москва. 2011. Октябрь. С. 252-259.
5. Facchini, L., Vicente, N., Lonardelli, I., Magalini, E., Robotti, P., & Molinari, A. (2010). Metastable Austenite in 17–4 Precipitation - Hardening Stainless Steel Produced by Selective Laser Melting. Advanced Engineering Materials, 12(3), 184-188.