Конструктивно-технологические решения аддитивного изготовления деталей в объеме материала

全文:

Введение. Развитие аддитивных технологий (АТ) является приоритетным направлением развития технологических процессов (ТП) в современном машиностроении. В настоящее время используются десятки разновидностей ТП [1] и технических решений (ТР) АТ, постоянно расширяются области применения и используемые материалы [2–7].

Наибольший интерес для промышленности имеет аддитивный синтез металлических материалов. Так АТ широко используются для синтеза хирургических титановых имплантатов [8], а также в получении изделий в авиакосмической промышленности, строительстве и других областях [9] (рис. 1).

Рис. 1. Использование АТ в авиации и космонавтике [9]: (а) – форсунка; (б) – турбовинтовой двигатель; (в) – кронштейн крыла; (г) – дверная петля.

Например, в авиастроении ряд деталей был заменен на одну, что позволило уменьшить вес конструкций на 40% [10]. Компания SpaceX также использует АТ для создания двигательных установок [11].

Основные направления развития аддитивных технологий. Преимущества и недостатки. В целом ряде исследований рассматриваются вопросы развития АТ [12–15]. Отмечается, что АТ имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными методами и имеют дальнейшее развитие: 1) исследуются процессы с использованием новых материалов, которые обеспечивают улучшенные свойства и функциональность для синтеза деталей; 2) разрабатываются технические средства для повышения скорости технологических процессов создаваемых изделий, также сокращаются сроки разработки программного обеспечения и подготовку процесса производства; 3) повышение точности и качества синтезируемых деталей. Это включает в себя разработку средств для повышения контроля качества, а также совершенствования программного обеспечения.

Аддитивные технологии имеют некоторые недостатки по сравнению с традиционными технологиями: 1) АТ имеют ограничения по типам материалов, которые можно использовать и имеют ограничения по размеру синтезируемых деталей, как правило, менее 1 м для металлических деталей; 2) традиционные методы производства позволяют более широко использовать различные свойства и номенклатуру материалов. В то время как АТ все еще развиваются в этом направлении, они пока не могут полностью конкурировать с традиционными методами.

Для классификации технических решений АТ был применен морфологический подход [13, 16], который обеспечивает обоснованность предлагаемых технических и технологических решений и, следовательно, позволяет повысить технический уровень и эффективность синтезируемых систем.

Технологический процесс аддитивного изготовления деталей в объеме материала. Обычно для послойного лазерного синтеза объемных порошковых деталей используют дозированную послойную подачу порошка на рабочий стол с обеспечением формирования слоя заданной толщины, далее осуществляют выравнивание слоя порошка, с помощью регулируемого по высоте ножа, после чего проводят уплотнение валиком в режиме свободного качения и спекают заданные зоны лучом лазера. При этом качество спекания порошка зависит от диаметра формируемого лазерного пучка, его мощности и скорости перемещения пучка [13].

Недостатками используемых способов и устройств является малая производительность из-за низкой скорости выполнения технологических операций. Так, технологические операции и системы для выравнивания и удаления слоев ведут к снижению производительности и удорожанию оборудования. Послойный синтез позволяет осуществлять только последовательное послойное нанесение слоев и не позволяет формировать последовательно объемные поверхности.

Для устранения недостатков были разработаны способ и устройство аддитивного изготовления деталей [17]. Согласно предлагаемым техническим решениям, рабочая головка выполнена с возможностью горизонтального и вертикального перемещения относительно рабочего стола, например, при помощи механизма вертикального перемещения и кареткой, обеспечивающей горизонтальное перемещение относительно рабочего стола (рис. 2).

Рис. 2. Общий вид устройства.

По сигналу с пульта автоматического управления с помощью механизма загрузки порошка на рабочий стол 2, находящийся внутри камеры 1, высыпают металлический порошок в объеме, достаточным для изготовления всего изделия. Затем камеру герметизируют и по сигналу с пульта автоматического управления из камеры откачивают воздух до остаточного давления 1·10^–4 мбар и наполняют ее аргоном до давления 1·10^–1 мбар. По сигналу с пульта автоматического управления, путем перемещения при помощи двигателей 5 по направляющим 6 портала 4 и каретки 7 по направляющей 8, установленный на каретке челнок 9 и соединенную с ним излучательную головку 10, позиционируют в горизонтальной плоскости в нужном месте рабочего стола. По сигналу с пульта автоматического управления включают источник высокоинтенсивного пучка. Затем проводят нагрев порошка 3 до заданного уровня температуры в некоторой области. В пределах этой области, опуская вниз по вертикали с помощью челнока излучательную головку 10 в массу порошка и, регулируя с пульта автоматического управления процесс, ее перемещение по трем координатам при передвижении портала, каретки и челнока по заданной программе, путем селективного спекания и отверждения порошка синтезируют деталь 11. По окончании процесса камеру охлаждают, разгерметизируют и излишки порошка выгружают с помощью механизма вывода порошка.

На рис. 3а показана работа излучательной головки в массиве порошка при послойном синтезе детали. Как видно на рисунке синтез осуществляется послойно – слой за слоем. На рис. 3б дана схема смешанного горизонтально-вертикального синтеза деталей. Как видно изготовление детали может осуществляться как послойно, как в первом примере, так и объемно – на разных высотах. Конструктивная схема дана на рис. 4.

Рис. 3. Работа излучательной головки в массиве порошка а) послойном синтезе, б) горизонтально-вертикальном синтезе деталей: 1 – подложка; 2 – камера; 3 – порошок; 4 – излучательная головка; 5 – деталь.

Рис. 4. Синтез детали в объеме порошка.

Выводы. Предложенные ТР обладают рядом преимуществ: 1. Меньшие масса и габариты за счет исключения устройства выравнивания порошка. 2. Увеличенная скорость изготовления деталей, за счет исключения технологических операций движения ножа для создания слоя порошка. 3. Адаптивность, за счет использования двух режимов синтеза, как послойного, так и горизонтально-вертикального.

Технический результат, получаемый при реализации предлагаемого способа и устройства, заключается в повышении производительности и увеличении скорости технологического процесса и упрощении ряда технологических операций и системы управления за счет исключения ряда технологических операций.

Предлагаемые способ и устройство расширяют функциональные возможности установки за счет осуществления как послойного (горизонтального) синтеза, так и объемного – вертикального или смешанного горизонтально-вертикального синтеза деталей.

Финансирование. Данная работа финансировалась за счет средств бюджета Института машиноведения им. А. А. Благонравова. Никаких дополнительных грантов на проведение или руководство данным конкретным исследованием получено не было.

Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

作者简介

Д. Раков

编辑信件的主要联系方式.
Email: rdl@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва

Р. Сухоруков

Email: rdl@mail.ru
俄罗斯联邦, Москва

参考

补充文件

附件文件

动作

1. JATS XML

下载

2. Fig. 1. Use of AT in aviation and cosmonautics [9]: (a) – nozzle; (b) – turboprop engine; (c) – wing bracket; (d) – door hinge.

下载 (4MB)

索引源数据

3. Fig. 2. General view of the device.

下载 (3MB)

索引源数据

4. Fig. 3. Operation of the emitting head in a powder array a) layer-by-layer synthesis, b) horizontal-vertical synthesis of parts: 1 – substrate; 2 – chamber; 3 – powder; 4 – emitting head; 5 – part.

下载 (3MB)

索引源数据

5. Fig. 4. Synthesis of a part in powder volume.

下载 (3MB)

索引源数据