Актуальность метода прямого лазерного выращивания в аддитивном производстве. Технологии обработки

Современное производство – часть промышленного производства, представляющего собой процесс переработки сырья в готовую продукцию. В наше время все производственные предприятия стремятся перейти от традиционных технологий получения и обработки к более автоматизированным, чтобы в полном объёме удовлетворить потребности клиентов. Использование передовых технологий непосредственно связано с внедрением на производство робототехники, систем автоматического проектирования и других цифровых инструментов.

Одним из прогрессивных методов получения заготовок является метод лазерной наплавки, относящийся к группе аддитивных технологий, или быстрому прототипированию. В основе данного способа лежит «выращивание» трёхмерных объектов, заготовок, путём локального добавления металлического порошка и сплавления слоёв материала лучом лазера, иными словами, 3D печать металлических изделий. Основной акцент рассматриваемой технологии производства сделан на скоростном создании опытного образца, дальнейшем уточняющем моделировании и разработке конечного продукта [1].

Производственный процесс с использованием прямого лазерного выращивания (ПЛВ), в отличии от традиционных, значительно упрощается. Если в первом случае входными данными могут служить основные размеры детали, принципы работы аддитивной машины и свойства материалов, то во втором необходимо провести детальный анализ геометрической формы и размеров детали, определить порядок обработки поверхностей, подобрать инструмент, дополнительную оснастку и т.д. Значительным преимуществом является и то, что в ПЛВ используется послойное добавление материала. В зависимости от типа и вида аддитивного оборудования, конечный наращиваемый слой может стремится к своему минимально возможному значению, позволяя получающемуся изделию быть максимально приближенным к своей виртуальной модели [6]. Таким образом, имея в процессе производства геометрически точное изделие, операция по доводке поверхностей может быть исключена вовсе, в зависимости от области применения производимой продукции.

За редкими исключениями, полученные заготовки нуждаются в дальнейшей доработке с учётом назначения. Как правило, для ответственных деталей важна геомет- рическая форма, а также значение шероховатости. В зависимости от режимов прямого лазерного выращивания, полученные заготовки могут обладать шероховатостью шестого класса и ниже, что недопустимо во многих узлах и агрегатах, именно поэтому в данной статье ПЛВ и постобработка будут рассматриваться в тесном сочетании.

Актуальность получения заготовок методом лазерной наплавки и их дальнейшая обработка обусловлена тем, что аддитивные технологии используются во многих отраслях промышленности. Рассматривая определённые области производства, метод прямого лазерного выращивания можно считать инновационным прорывом, мировым трендом для заводов и фабрик.

Основные сферы применения аддитивных технологий, в частности, метода ПЛВ:

• -    авиационная промышленность;

• -    аэрокосмическая отрасль;

• -    машиностроение;

• -    судостроение.

В авиационной промышленности метод прямого лазерного выращивания получил достаточно широкое распространение в связи с тем, что применение традиционных технологий производства нецелесообразно. Устаревшие наработки практически невозможно применить при производстве завихрителей, лопаток, теплообменников и т.д., ввиду сложности геометрических форм и необходимой точности, что осложняется неоправданной тратой времени и потерей эффективности. Крупные компании, работающие в аэрокосмической отрасли, также нередко обращаются к 3D-печати металлическими порошками. С помощью метода лазерной наплавки изготавливается различная оснастка, а также детали двигателей, спутников [2]. Применение данного метода позволяется существенно сократить расходы и время на выпуск продукции, а также улучшить её эксплуатационные характеристики. Исходя из этого, спектр применения аддитивных технологий нарастает и в машиностроении. Например, ранее зубчатые компоненты изготавливались только с помощью фрезерного оборудования, теперь же к этому процессу применим метод ПЛВ, об- ладающий высокой производительностью и возможностью быстрой переналадки оборудования [4].

Главное из основных достоинств прямого лазерного выращивания - полная автоматизация процесса, которая недоступна даже для самого роботизированного станка. Именно поэтому метод лазерной наплавки начинает активно использовать даже такая консервативная отрасль, как судостроение. Аналогично другим отраслям промышленности, судостроение испытывает потребность в кардинальных переменах, воплощению новых передовых проектов, чему препятствуют изжившие себя технологии. Ключевым аспектом применения в судостроении аддитивных технологий является не только разработка совершенно новых устройств и аппаратов, но и ремонт существующей техники. Дело в том, что поломка корабля, находящегося в достаточном отдалении от ремзоны, приносит множество логистических проблем по доставке узлов для замены или починки. С другой стороны, любое судно имеет определённый набор запасных частей, которые наиболее часто выходят из строя. При этом такой резерв существенно сокращает полезную площадь и увеличивает лишнюю нагрузку. В перспективе метод лазерной наплавки полностью решит подобные трудности, ведь на борту каждого судна можно будет отсканировать и напечатать почти любую несправную деталь, а материалы для печати будут хранится на самом судне в компактном виде.

Как уже было упомянуто ранее, для множества ответственных деталей, изделий необходимо соблюдать требуемую точность при изготовлении. Предприятия любой отрасли промышленности испытывают потребность в постобработке полученных заготовок и вынуждены прибегать к различным мерам для уменьшения затрат, при этом сохраняя качество и производительность. Заготовки, полученные путём прямого лазерного выращивания, также нуждаются в постобработке для дальнейшего использования в деталях машин. Естественно, как и заготовки, полученные методом литья, ковки, «выращенные» изделия можно обрабатывать с по- мощью привычных приёмов на стандартном оборудовании - токарном, фрезерном, шлифовальном и т.д. Здесь важно отметить, что аддитивные технологии накладывают определённые ограничения, которые необходимо преодолеть в ходе обработки, а значит модернизация типовых решений неизбежна. Однако, даже крупные компании, конкурирующие друг с другом в основном по цене, часто пренебрегают качеством постобработки вместо того, чтобы найти новые пути и решения данной проблемы.

К основным видам постобработки, которые используются для повышения качества или преодоления ограничений аддитивного производства методом лазерной наплавки, можно отнести:

• -    удаление поддерживающего материала;

• -    улучшение текстуры поверхности;

• -    повышение точности;

• -    улучшение свойств с помощью тепловых методов.

Удаление поддерживающего материала в ходе применения аддитивных технологий является наиболее распространённым видом постобработки, а на практике и вовсе необходимым [5]. В зависимости от конструктивных особенностей производимого изделия, поддерживающий материал может иметь как искусственную природу своего проявления, так и естественную. В большинстве случаев присутствуют оба компонента. К искусственному материалу можно отнести жёсткие конструкции, разрабатываемые для поддержки и ограничения будущего изделия, а также для прикрепления к «строительной подложке». Естественный материал ни что иное, как побочный продукт процесса производства - сыпучее или прилипшее порошкообразное вещество, с извлечения которого и начинаются дальнейшие действия по обработке «выращенного» изделия. После очистки полученной детали от лишнего порошка посредством щёток, сжатого воздуха, дробеструйной обработки, удаляются искусственные ограничения. Первоначально деталь отделяется от подложки (с использованием ленточных пил, подрезных ножей и т.п.), далее происходит обра- ботка на фрезерном, шлифовальном оборудовании.

Практически все изделия, полученные различными методами аддитивного производства, нуждаются в улучшении текстуры поверхности. Такая операция особенно актуальна при использовании метода прямого лазерного выращивания. К нежелательным нарушениям текстуры можно отнести: ступенчатость, адгезию порошка, а также отпечатки удаления подложки. Данные последствия применения аддитивных технологий в производстве можно преодолеть с помощью дробеструйной обработки или полировки, в зависимости от требуемой шероховатости поверхности. Также допускается покраска изделия, если лакокрасочное покрытие не способно повлиять на конструктивные и эксплуатационные характеристики.

Немаловажным аспектом аддитивного производства методом лазерной наплавки является повышение точности. Точность для различных процессов наплавки варьируется в очень широком диапазоне. При «выращивании» заведомо ответственных деталей процессы имеют субмикронные допуски, в иных случаях достаточная точность 1 мм. Ввиду особенностей аддитивного производства, точность напрямую зависит от подобранных режимов наплавки, а также квалификации оператора. Побочными источниками неточности являются недостаток контроля технологического процесса, а также принципиальные проблемы объемной скорости добавления материала. Для борьбы с определёнными составляющими неточности в ходе изготовления разработаны некоторые стратегии. Если проблемы подбора режимов наплавки, а также повышение квалификации оператора вполне возможно достичь опытным путём, т.е. экспериментировать с различными материалами, испытывать скоростные режимы «выращивания», накапливать рабочий производственный опыт, то с побочными источниками неточности необходимо бороться на стадии моделирования. Действительно, полноценно контролировать технологический процесс «выращивания» невозможно, но вполне реально совершить предварительное моде- лирование, которое в достаточной мере позволит определить проблемы, с которы- ми можно столкнуться в процессе изготовления. Также необходимо обратить внимание и на то, что при скоростном послойном добавлении материала вполне реально, а зачастую неизбежно, появление усадки и деформации [3]. Методом борьбы с усадкой является применение на стадии моделирования усадочных масштабирующих коэффициентов, а для борьбы с деформацией создание дополнительной «оболочки». В обоих случаях применяется добавление дополнительного материала, который удаляется в процессе механической постобработки «выращенного» изде- лия.

Для заготовок, полученных путём ПЛВ, также применимы традиционные рецепты тепловой обработки, которые разработаны для часто используемых в производстве металлических сплавов. Однако, иногда используются и специальные тепловые методы, позволяющие сохранить мелкозернистую структуру изделий аддитивного производства. Для снятия остаточного напряжения и повышения ковкости заготовки могут подвергаться пропиткой связующем материалом, или же распылением связующего материала, а затем спеканием в печи.

Рассмотрев основные виды постобработки заготовок, полученных методом прямого лазерного выращивания, необхо- димо отметить, что почти все применяемые технологии обработки схожи с традиционными. Тем не менее, углубляясь в изучение особенностей быстрого прототи- пирования, напрашивается вывод о многогранной неоднозначности. С одной сторо- ны, применяются отлаженные технологические операции фрезерования, шлифования, полировки и т.п., с другой стороны, накладываются ограничения, которые необходимо учитывать в ходе моделирования прототипа, а именно создание дополнительных «оболочек», «подложек» и «поддержек». Таким образом, применение типовых технологий обработки также обременяется заданными ограничениями.

В рамках материала данной статьи мы лишь поверхностно касаемся «небольшого кусочка целого мира» аддитивных технологий. Но, даже исходя из предложенного материала, смело можно говорить о том, что применение прямого лазерного выра- щивания в современном производстве целесообразно и необходимо. Благодаря данному методу мы получаем возможность проектировать изделия для выполнения определённых функций, не испытывая необходимости учитывать метод изготовления. Другими словами, производство становится очень гибким, при чём не только в номенклатуре производимой продукции, но и в её геометрической форме. Тенденция развития ПЛВ необратимо ведёт к тому, что в обозримом будущем у челове- чества появится возможность «выращивать» изделия, которые смогут удовлетворить потребности одного конкретного человека. Кажется, совсем недавно это было практически невозможно, но мир современных технологий отчётливо доказывает нам обратное.