Аддитивное производство на базе фрезерных станков с чпу: комплексные технологические решения для обработки с качеством готовой детали

Аннотация. Происходящие в настоящее время революционные преобразования в области машиностроения привели к созданию прорывных технологий, основанных на комбинированной аддитивно-субтрактивной обработке. До сих пор формирование изделия по трехмерным моделям проводилось с помощью 3D-принтеров, однако они имеют ограничения по габаритам и точности печатаемых изделий. Станки с ЧПУ и роботы при наличии соответствующего инструмента позволяют исключить проблему с размерами, а механическая обработка помогает решить вопрос точности. Благодаря гибридному формообразованию стало возможным проводить на оборудовании с ЧПУ как генерацию заготовок путем наплавки с формированием многослойных покрытий из различных материалов, так и их обработку с получением деталей в соответствии с требованиями чертежа. Применение таких операций значительно сокращает материалоемкость и трудоемкость изготовления изделий.
Для использования преимуществ гибридного производственного процесса требуются расширенные возможности проектирования и инженерного анализа. В некоторых случаях для детали, которая ранее производилась с использованием традиционного процесса обработки, применение гибридной аддитивной технологии требует полного переосмысления процесса проектирования. Для аддитивных и субтрактивных процессов важно выбирать подходящие стратегии обработки и использовать систему CAD/CAM, специально предназначенную для расчета траектории движения инструмента для гибридного оборудования.
По тематике данной работы имеется достаточно много публикаций, например, современное руководство для инженеров по применению аддитивных технологий в машиностроении [1]. В нем приведены их классификация, а также общие сведения об основных видах аддитивных технологий и производителях оборудования.
Введение. Сочетание аддитивного и субтрактивного процессов обработки позволяет производить детали с помощью относительно грубого аддитивного процесса, а затем добиваться высокой точности путем фрезерной обработки. Таким образом, функциональные поверхности могут обрабатываться без снятия детали на одном станке, что дает очень высокую точность.
Очевидно, что на современном машиностроительном предприятии предпочтительно работать с единым программным решением, охватывающим все этапы от проектирования и программирования до производства. Решение, которое нам даёт гибридное формообразование, открывает уникальную возможность подготавливать данные как для аддитивного, так и для субтрактивного процессов.
Основные цели при разработке технологических процессов — снижение трудоемкости и материалоемкости. Для достижения первой из них необходимо выбирать заготовку, максимально приближенную по конфигурации к готовой детали. Простейший выбор — заготовка из проката. Для единичного и мелкосерийного производства этот вариант, к сожалению, единственный. Поэтому большой объем материала превращается в стружку, которую приходится собирать и отправлять на переплавку. Улучшить коэффициент использования материала можно с помощью штампованных и литых заготовок. Однако в этом случае возрастает трудоемкость технологической подготовки производства, так как необходимо разработать заготовку, а также спроектировать и изготовить соответствующую оснастку.
Самым эффективным направлением сокращения трудоемкости рабочего процесса до недавнего времени была интеграция операций. Например, токарно-фрезерные обрабатывающие центры с противошпинделем, которые за одну операцию способны провести полную обработку детали с двух сторон.
На сегодняшний день кардинальным способом снижения материалоемкости и трудоемкости представляется применение гибридных (комбинированных) аддитивно-субтрактивных технологий, позволяющих на одном оборудовании с ЧПУ получать полностью или частично заготовки с максимальным приближением к требуемой форме, а также проводить их обработку. По этой причине в 2014 г. крупнейшие компании-производители станков начали изготавливать гибридные обрабатывающие центры, оснащенные опцией лазерной наплавки.
Например, компания DMG MORI (Германия) выпустила первую такую машину Lasertec 65, сочетающую в себе гибкость лазерной наплавки, точность металлообработки и возможность переключения между опциями в процессе создания детали.
Аналогичный станок INTEGREX i-400AM был разработан компанией Mazak (Япония). По тематике данной конкурсной работы имеется достаточно много публикаций, например, пособие для инженеров по применению аддитивных технологий в машиностроении [1]. В нем приведены их классификация, а также общие сведения об основных видах АМ-технологий (с примерами их практического использования) и производителях АМ-машин.
Цель данной конкурсной работы — анализ современного оборудования и технологий гибридного формообразования на базе фрезерных станков с ЧПУ, позволяющих получить качество готовой детали.
Аддитивные технологии в машиностроении
Термин «аддитивный» происходит от английского слова «add» (прибавлять, добавлять). Родственным ему по смыслу является понятие «additive» — присадка, добавка. Если классическое производство металлопродукции подразумевает снятие «лишнего» металла с заготовки резцом, фрезой, сверлом, абразивом, лазером, то аддитивные технологии предполагают изготовление изделий путём постепенного добавления материала на платформу построения и буквального выращивания на ней геометрического тела нужной конфигурации
Аддитивные технологии позволяют создавать изделия с расширенными функциональными и эксплуатационными характеристиками, с заданной, в т. ч. геометрически сложной, бионической и топологически оптимизированной конфигурацией, получать объекты с минимизированной массой и объединять сборочные единицы в одну деталь.
В то же время практически все виды 3D-печати предусматривают этапы постобработки, заключающейся в удалении поддержек и механообработке ответственных поверхностей изделий. Указанные операции выполняются, как правило, вручную и характеризуются высокой трудоемкостью, в особенности при построении металлических объектов. Данные аспекты не находят широкого освещения в публикациях, однако для специалистов‑практиков они являются весьма актуальными.
Одним из наиболее эффективных методов решения данной задачи является объединение в одной рабочей области аддитивного получения заготовки и механической обработки ее поверхностей — не обязательно всех, а в основном сопрягаемых с другими деталями или выполняющими определенные функции (например, лопасти гребного винта). В англоязычной технической литературе совмещение 3D-печати и традиционной механообработки обозначается терминами hybrid manufacturing (гибридное производство) или hybrid technologies (гибридные технологии). По мнению авторов [2, 3], словосочетание «гибридное формообразование» более точно характеризует описываемые процессы, поэтому им и будем пользоваться далее по тексту.
Данные технологии позволяют как полностью создавать новые детали, так и выполнять ремонт и восстановление изношенных, что особенно актуально для трудоемких в изготовлении изделий. Также на поверхностях тела относительно простой конфигурации могут быть сформированы элементы специальной геометрии, в т. ч. получаемые из других материалов.
Технологическое оборудование для построения объектов методами гибридного формообразования может создаваться на базе серийных металлорежущих станков с интеграцией в них аддитивных модулей либо оснащением 3D-принтеров механообрабатывающими исполнительными механизмами. Также возможна компоновка роботизированных технологических комплексов различной конфигурации. В состав установок гибридного формообразования могут входить системы контроля конфигурации формируемых слоев и геометрических характеристик изготавливаемых изделий, мониторинга и адаптивного управления технологическими процессами.
Технологии 3D-печати для машиностроительных предприятий
Принтеры для объёмной печати машиностроительных деталей по методам формирования конечной продукции разделяются на два основных типа — лазерные и нелазерные. Первые из-за простоты эксплуатации получили более широкое распространение, поэтому в работе рассмотрены именно они.
Технология селективного лазерного плавления (SLM)
SLM (Selective Laser Melting) – селективное (выборочное) лазерное плавление (рисунок 1) – новаторская технология изготовления сложных по форме и структуре изделий из металлических порошков по математическим CAD-моделям. Этот процесс заключается в последовательном послойном расплавлении порошкового материала посредством мощного лазерного излучения. SLM открывает перед современными производствами широчайшие возможности, так как позволяет создавать металлические изделия высокой точности и плотности, оптимизировать конструкцию и снизить вес производимых деталей.
Рисунок 1 – Схема процесса селективного лазерного плавления (SLM)
Селективное лазерное плавление – одна из технологий 3D-печати металлом, которые способны с успехом дополнять классические производственные процессы. Оно дает возможность изготавливать объекты, превосходящие по физико-механическим свойствам продукты стандартных технологий. С помощью SLM-технологии можно создать уникальные сложнопрофильные изделия (рисунок 2) без использования механообработки и дорогой оснастки, в частности, благодаря возможности управлять свойствами изделий.
Рисунок 2 - Изделие полученной с помощью SLM-технологии
SLM-машины призваны решать сложные задачи на авиакосмических, энергетических, нефтегазовых, машиностроительных производствах, в металлообработке, медицине и ювелирном деле. Их также используют в научных центрах, конструкторских бюро и учебных заведениях при проведении исследований и экспериментальных работ.
Где используется SLM-технология
Селективное лазерное плавление находит применение в промышленности для изготовления:
компонентов разнообразных агрегатов и узлов;
конструкций сложной формы и структуры, включая многоэлементные и неразборные;
штампов;
деталей пресс-форм;
прототипов;
ювелирных изделий;
имплантатов и протезов в стоматологии.
Процесс селективного лазерного плавления:
металлический порошок наносится на плиту построения, которая закреплена на платформе построения;
лазерный луч сканирует сечение слоя изделия;
платформа опускается в колодец построения на глубину, совпадающую с толщиной слоя.
Построение выполняется в камере SLM-машины, которая заполнена инертным газом (аргоном или азотом). Основной объем газа расходуется на начальном этапе, когда путем продувки из камеры построения удаляется весь воздух. По завершении процесса построения деталь вместе с плитой вынимают из камеры порошкового 3D-принтера, а затем отделяют от плиты, удаляют поддержки и выполняют финальную обработку изделия.
Рисунок 3 - Схема построения изделия в аддитивных установках SLM SolutionsПреимущества технологии селективного лазерного плавления
SLM-технология имеет серьезные перспективы для повышения эффективности производства во многих отраслях промышленности, поскольку:
обеспечивает высокую точность и повторяемость;
механические характеристики изделий, напечатанных на этом типе 3D-принтера, сравнимы с литьем;
решает сложные технологические задачи, связанные с изготовлением геометрически сложных изделий;
сокращает цикл научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, обеспечивая построение сложнопрофильных деталей без использования оснастки;
позволяет уменьшить массу за счет построения объектов с внутренними полостями;
экономит материал при производстве.
Технология селективного лазерного спекания (SLS)
SLS (Selective Laser Sintering) – селективное лазерное спекание, одна из наиболее широко применяемых аддитивных технологий. Принцип действия SLS заключается в точечном спекании порошков с разными компонентами лазерным лучом. Мощность луча в производственных 3D-принтерах варьируется от 30 до 200 ватт.
Рисунок 4 - Схема SLS-технологии
Процесс селективного лазерного спекания состоит из следующих этапов:
Технологический процесс начинается с разогревания материала до температуры, близкой к температуре плавления, что обеспечивает более быструю работу порошкового 3D-принтера.
Порошок подается в камеру построения и разравнивается валиком на толщину минимального слоя материала.
Лазерный луч спекает слои порошка в необходимых участках, совпадающих с сечением 3D-модели.
Подается следующий слой порошка, камера построения опускается на уровень ниже.
Процедура повторяется, пока не получится готовое изделие.
3D-принтеры, работающие по технологии SLS, имеют гибкие настройки. В зависимости от поставленных задач регулируются такие параметры, как температура, глубина и время воздействия. Также пользователь может задать работу либо только с переходными границами, либо спекание по всей глубине модели.
По завершении процесса построения может потребоваться финишная обработка. Для придания изделию идеально ровной формы выполняют механообработку.
2.3 Технология селективной лазерной наплавки (LENS технология)
Изготовительная наплавка служит для получения новых биметаллических (многослойных) изделий, состоящих из основы (основного металла), обеспечивающей необходимую конструкционную прочность, и наплавленного рабочего слоя (наплавленного металла) с особыми свойствами (износостойкость, термостойкость, коррозионная стойкость и т. д.) [1–3]. Восстановительную наплавку применяют для придания первоначальных размеров изношенным или поврежденным деталям.
В этом случае состав и свойства наплавленного металла могут быть близки к таковым для основного (восстановительная размерная наплавка) или отличаться от них (восстановительная износостойкая наплавка). Наплавленный металл вследствие перемешивания с основным и взаимодействия с атмосферой дуги и шлаком отличается по составу от электродного (присадочного) металла.
Наиболее перспективной является модульная технология лазерной наплавки, или LENS-технология, которая в основном предназначена для ремонта и восстановления дорогостоящих изношенных или разрушенных деталей: валов, опорных втулок, прокатных валков, деталей пресс-форм и др. [3]. Такую технологию можно использовать как гибридную, т. е. совмещать в одной установке возможности станка или робота с ЧПУ для металлообработки и опцию лазерной наплавки для нанесения дополнительных элементов на готовые детали или для восстановления утраченных и изношенных фрагментов деталей. В соответствии с LENS-технологией (рисунок 5), разработанной компанией Optomec (США) в конце 90-х годов, металлический порошок поступает в зону наплавки одновременно с лучом лазера (мощностью 0,5…4,0 кВт). Оператор может изменять состав наносимого порошка (за счет подключаемых питателей, до 8 шт.), скорость перемещения головки, размер пятна лазерного луча, защитную атмосферу в зоне расплава, что обеспечивает получение необходимой структуры наплавленной зоны [3].
INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\LENOVO\\Downloads\\media\\image3.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\LENOVO\\Downloads\\media\\image3.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\LENOVO\\Downloads\\media\\image3.jpeg" \* MERGEFORMATINET INCLUDEPICTURE "C:\\Users\\LENOVO\\Downloads\\media\\image3.jpeg" \* MERGEFORMATINET
Рисунок 5 — Схема наплавки: 1 — защитный/транспортный газ; 2 — луч лазера; 3 — порошок; 4 — расплавленная зона; 5 — наносимый материал; 6 — зона наплавки; 7 — деталь
При лазерной наплавке допустимо использовать практически любые металлы, сплавы на основе титана, никеля, кобальта, алюминия, меди и цинка, нержавеющие стали, жаропрочные и тугоплавкие материалы на основе вольфрама, молибдена и ниобия, а также композитные материалы с использованием карбидов титана, вольфрама и хрома [3]. Требования к порошкам для технологии LENS помимо нужного химического состава следующие: сферическая форма, размеры частиц 45…150 мкм, отсутствие сателлитов и газовых включений [3].
К достоинствам такой технологии относятся [3]:
• возможность добавления материала или элементов к существующей структуре;
• правильная микроструктура и контроль за свойствами материала, процессом и газовой средой, а, следовательно, гарантированное качество наплавки;
• возможность использования нескольких материалов, а также сплавов, которые нельзя получить другим способом;
• минимальное воздействие на микроструктуру материала подложки и малая зона теплового воздействия;
• прямое цифровое производство;
• малые припуски на обработку (точное выращивание) и сравнительно небольшое время, затрачиваемое на финишную обработку;
• полный компьютерный контроль, гибкое проектирование путей инструмента (автоматизация и повторяемость);
• зависимость скорости наплавки металлических порошков от мощности лазера (0,5 кВт — 0,1 кг/ч; 4 кВт — 1,0 кг/ч);
• шероховатость поверхности наплавки 12…25 мкм.
Испытания, проведенные в США (компанией Boing), Европе (корпорацией EADS) и России (ООО НТО «ИРЭ-Полюс»), показали, что по основным прочностным характеристикам детали с наплавкой превосходят аналоги, полученные литьем или литьем с горячим изостатическим прессованием (HIP), и сопоставимы с коваными деталями [3].
Уникальной особенностью лазерной наплавки является возможность получать изменяющиеся по толщине наносимого слоя состав и структуру материала. Это так называемая градиентная наплавка. Например, сначала можно наносить материал, близкий по свойствам к подложке, а ближе к поверхности наплавки — более твердые или износостойкие сплавы. Причем в объем наплавляемого слоя можно вводить и биосовместимые материалы в виде интерметаллидов, которые другими методами не соединить.
По прочностным характеристикам и сцеплению с основой градиентная наплавка превосходит основной материал. Поэтому ее можно использовать при ремонте изношенных или разрушенных деталей, а также для упрочнения их критически важных зон [3].
Аддитивные модули, встраиваемые в металлорежущие станки с ЧПУ и промышленные роботыДобавление функций 3D-печати металлорежущим станкам и обрабатывающим центрам представляет собой одно из наиболее простых и эффективных технических решений в рассматриваемой области.
В частности, компания Hybrid Manufacturing Technologies выпускает специализированные головки для лазерного наплавления порошковых металлических материалов (Directed Energy Deposition — DED) серии AMBIT (рисунок 6), устанавливаемые в инструментальный шпиндель станка или в схват промышленного робота. Головки отличаются размером и формой пятна лазера и фокусного расстояния, а также интенсивностью подачи порошков. Аддитивное построение реализуется в соответствии с управляющей программой от ЧПУ станка.
Рисунок 6 - Головки лазерного наплавления AMBIT, встраиваемые в серийно выпускаемые металлорежущие станки и промышленные роботы
Выпускаемый Hybrid Manufacturing Technologies комплект AMBIT Series 7 состоит из головок лазерного наплавления, прошивания отверстий, чистовой обработки поверхностей и контроля их качества, а также оценки состояния внутренней структуры наплавленного материала. Кроме этого, выполняется непрерывный мониторинг оптических и температурных показателей.
Еще один производитель аддитивных модулей — компания 3D-Hybrid Solutions выпускает три вида головок для 3D-печати методами DED, наплавления проволоки сваркой (Wire Arc Additive Manufacturing — WAAM) и высокоскоростного холодного напыления порошкового материала Cold Spraying (рис. 7).
Рисунок 7 - Аддитивные головки производства компании 3D-Hybrid SolutionsDED-головки оснащаются лазером мощностью от 0,5 до 25 кВт и имеют возможность нанесения материала под углом 90° к поверхности. Размер пятна лазера варьируется в пределах 0,1±10 мм и имеет круглую или прямоугольную форму. Подача металлического порошка в зону построения реализуется питателями (максимально — 4 шт.) емкостью от 1 до 4 л. При помощи пирометров осуществляется мониторинг температуры ванны расплава.
Аддитивные модули WAAM позволяют наплавлять нержавеющие стали, суперсплавы на основе никеля, алюминиевые сплавы и другие материалы с производительностью от 570 см/ч. Имеется также возможность одновременной подачи проволоки и металлических порошков для получения изделий с расширенными физико-механическими характеристиками.
Головки холодного напыления обеспечивают нанесение сплавов на основе никеля, титана, меди, алюминия, ниобия, тантала, а также металломатричных композитов струей со скоростью потока частиц от 500 до 1000 м/с и производительностью 2,25 кг/ч.
Применение модулей, предназначенных для построения изделий методами DED и Cold Spraying, позволяет создавать объекты, элементы которых состоят из различных материалов, в т. ч. с реализацией градиентных переходов между ними.
Оборудование гибридного формообразования на основе DED-технологииЦелый ряд зарубежных станкостроительных предприятий выпускает оборудование, оснащаемое дополнительно головками лазерного наплавления. Данный подход отличается относительно несложными компоновочными решениями, простотой программирования обработки, малым энергопотреблением и температурными деформациями, а также более высокой точностью по сравнению с наплавлением проволоки.
При создании установок гибридного формообразования данного типа разработчикам требуется решить комплекс технических задач, включающий в себя интеграцию аддитивного модуля в структуру станка и отладку его функционирования, моделирование и оптимизацию параметров аддитивных процессов для различных материалов, анализ распределения температурных полей при построении изделия, определение свойств наплавляемых материалов и оценку их соответствия заданным значениям, разработку методов мониторинга, совмещение 3D-печати и механообработки в одной управляющей программе и др.
Одним из наиболее известных примеров такого рода является пятикоординатный обрабатывающий центр Lasertec 65 3D hybrid компании DMG MORI (Ориентировочная стоимость оборудования 1,5 млн. Евро) (рисунок 8) с интегрированной головкой лазерного наплавления фирмы Sauer, устанавливаемой в инструментальный шпиндель. Компанией также выпускается токарный обрабатывающий центр Lasertec 4300 3D hybrid. Процессы 3D-печати и лезвийной обработки могут чередоваться по мере построения изделия, в т. ч. возможно получение сложных поднутрений и внутренних каналов и полостей. Создание 3D-моделей, разработка управляющих программ и их верификация осуществляется в специальных программных CAD/CAM-модулях пакета Siemens NX.
Рисунок 8 - Обрабатывающий центр DMG MORI Lasertec 65 3D hybrid (Ориентировочная стоимость оборудования 1,5 млн. Евро)
По данным компании DMG MORI, плотность структуры материала достигает 99,8%. Детали изготавливаются из нержавеющих сталей, никелевых сплавов, включая инконель 625 и 718, сплавов на основе карбида вольфрама и никеля, бронзовых и латунных сплавов, стеллитов, инструментальных сталей и других материалов.
На основе мониторинга параметров аддитивных процессов реализуется адаптивное управление технологическими режимами, позволяющее оптимизировать процесс построения и обеспечить требуемое качество выпускаемой продукции.
Технология гибридного формообразования DMG MORI предназначена для производства изделий различного типа и уровня сложности, применяемых в авиационной и ракетно-космической промышленности, машиностроении, энергетике, нефтегазовой промышленности, при изготовлении пресс-форм и другой технологической оснастки, а также для ремонта и восстановления изношенных деталей, нанесения упрочняющих, износостойких, термоизоляционных и других покрытий (рисунок 9).
Рисунок 9 - Примеры деталей, изготовленных методом гибридного формообразования на оборудовании DMG MORI
Аналогичные разработки ведутся компаниями Yamazaki Mazak и Okuma. Первая выпускает установки гибридного формообразования Integrex i400AM и VC500AM на базе токарно-фрезерного и фрезерного пятикоординатных обрабатывающих центров соответственно (рисунок 10), оснащаемые головками лазерного наплавления Hybrid Manufacturing Technologies, позволяющими также выполнять лазерную наплавку поверхностей.
Рисунок 10 - токарно-фрезерный центры компании Yamazaki Mazak Integrex i-400AM, оснащенный аддитивными модулями
Станкостроительная компания Okuma производит фрезерные и токарно-фрезерные обрабатывающие центры семейства LASER EX (рисунок 11), оснащаемые головками лазерного наплавления мощностью 0,6 кВт (в стандартном исполнении) либо 1, 2 и 3 кВт (по заказу). Изделия формируются из сталей, никелевых сплавов, стеллитов и других материалов, в т. ч. с градиентными переходами между ними (рисунок 12). Возможно также выполнение операций лазерной закалки с последующим шлифованием и нанесением покрытий различных типов.
Рисунок 11 - Обрабатывающие центры MU-6300V LASER EX и MULTUS U3000 LASER EX компании Okuma с возможностью выполнения аддитивных операций
Рисунок 12 – образец лопатки турбины, полученный методом гибридного формообразования на оборудовании компании OkumaИспанская компания IBARMIA совместно с Университетом Страны Басков (University of Basque Country) и фирмой Tecnalia Research & Innovation разработала установку гибридного формообразования ZVH 45/L1600. Аддитивный процесс осуществляется коаксиальной головкой лазерного наплавления Precitec YC52 с лазером мощностью 3 кВт. В процессе 3D-печати применяются инструментальные стали, керамика, сплавы на основе никеля и ряд других материалов (рисунок 13). Поверхности получаемой заготовки обрабатываются лезвийным инструментом. В состав установки входят системы рециркуляции порошковых материалов, мониторинга процесса формообразования и трехмерного лазерного сканирования.
Рисунок 13 - опытный образец изделия, изготовленного на установке гибридного формообразования ZVH 45/L1600
Компания WFL, выпускающая токарно-фрезерные обрабатывающие центры для обработки крупногабаритных деталей, также использует в качестве аддитивного модуля лазерную наплавляющую головку Precitec YC52, за счет встраивания которой в станок модели M80 MillTurn (рисунок 14) были существенно расширены его технологические возможности. Помимо создания сложнопрофильных изделий методом гибридного формообразования и добавления отдельных элементов на поверхности уже готовых деталей оборудование позволяет выполнять лазерную сварку и закалку и ряд других операций.
Рисунок 14 - рабочая зона и изделие, изготовленное на токарно-фрезерном обрабатывающем центре WFL M80 MillTurn, оснащенном лазерной наплавляющей головкой Precitec YC52
Компания Optomec, специализирующаяся на производстве аддитивного оборудования типа DED (фирменное название технологии — Laser Engineered Net Shape (LENS), пошла по пути встраивания механообрабатывающего модуля в 3D-принтер. В настоящее время выпускается два типа установок гибридного формообразования (рисунок 15): LENS 500 HY OA/CA и LENS 860 HY OA/CA. Индексом OA (Open Atmosphere) обозначается оборудование, предназначенное для изготовления изделий из нержавеющих и инструментальных сталей, никелевых, кобальтовых и вольфрамовых сплавов и других материалов. Установки с закрытой рабочей зоной (CA — Closed Atmosphere), оснащены системой подачи очищенного защитного газа, содержащего кислород и водяной пар в количестве не более 40 ppm (миллионных долей), и позволяют работать с алюминиевыми, титановыми сплавами и другими химически активными материалами.
Рисунок 15 - Установки гибридного формообразования LENS 500 HY OA и LENS 860 HY OA производства компании OptomecГабариты рабочей области LENS 500 HY OA и LENS 860 HY OA составляют 350×350×500 мм и 598×600×610 мм соответственно, максимальная нагрузка на стол — 35 и 200 кг, мощность лазера: 0,5÷2 и 0,5÷3 кВт, количество осей — от 3 до 5, производительность наплавления — от 0,1 до 0,4 кг/ч.Помимо собственно оборудования Optomec поставляет аддитивный технологический модуль LENS Print Engine, интегрируемый в металлорежущие станки с ЧПУ и промышленные роботы. Он состоит из наплавляющей головки со сменными соплами, волоконного лазера мощностью от 0,5 до 2 кВт и питателей порошковых материалов. Также прилагается пакет для разработки управляющих программ PartPrep. Опционально предлагается система мониторинга процесса 3D-печати SmartAM.
Производитель шлифовального оборудования компания ELB-Schliff выпускает семейство установок гибридного формообразования millGrind (рисунок 16), оснащаемых головками лазерного наплавления AMBIT производства Hybrid Manufacturing Technologies и предназначенных для создания деталей преимущественно из труднообрабатываемых материалов типа суперсплавов на никелевой основе с обеспечением субмикронной точности, а также для ремонта изношенных изделий. Механообработка реализуется методом шлифования, возможно также выполнение операций сверления, фрезерования, лазерной закалки, лазерной маркировки и измерений непосредственно в рабочей зоне. Максимальная длина обработки составляет 1000, 1500 или 2000 мм. Для реализации 5‑осевой обработки оборудование может оснащаться трехкоординатным поворотным столом. Производительность наплавления металла — 0,6÷0,9 кг/ч. Установки серии millGrind применяются преимущественно в изготовлении турбинных лопаток для авиационных и ракетных двигателей, а также в производстве пресс-форм.
Рисунок 16 - Установка гибридного формообразования millGrind производства компании ELB-Schliff
Оборудование гибридного формообразования на основе SLM-технологииСуществует несколько вариантов компоновок, в которых изделия формируются методом послойного сплавления порошкового материала в замкнутом объеме (Selective Laser Melting — SLM) с последующей механообработкой поверхностей через определенное количество слоев.
Наиболее известным производителем такого рода оборудования является компания Matsuura, выпускающая установки моделей LUMEX Avance‑25 и LUMEX Avance‑60 (рисунок 17). Процесс формообразования заключается в последовательном аддитивном построении 5-10 слоев материала и высокоточной обработке сформированного фрагмента лезвийным инструментом, устанавливаемым в шпиндель с максимальной частотой вращения 45000 об/мин. Наибольшие размеры изготавливаемых изделий составляют 256×256×185 мм или 256×256×300 мм для LUMEX Avance‑25 и 600×600×500 мм для LUMEX Avance‑60, максимальная масса — 90 или 150 кг и 1300 кг соответственно. Мощность волоконного иттербиевого лазера — 0,5 или 1 кВт, производительность 3D-печати — 35 см3/ч. Изделия изготавливаются из мартенситостареющих и нержавеющих сталей, инконеля, кобальтохромовых, титановых и алюминиевых сплавов. Процессы подачи металлического порошка, сбора неиспользованного материала и его рециркуляции полностью автоматизированы. Разработка управляющих программ выполняется в специализированном программном пакете LUMEX CAM.
Рисунок 17 - Установки гибридного формообразования Matsuura LUMEX Avance 25 и LUMEX Avance 60
Технология позволяет создавать объекты сложной геометрии, в т. ч. с криволинейными внутренними полостями и каналами, с сетчатой структурой, а также вертикальные профили малого сечения, являющиеся элементами пресс-форм (рисунок 18).
Рисунок 18 - Пример изделия, изготовленного на оборудовании гибридного формообразования компании MatsuuraКомпания Sodick выпускает установки OPM250L и OPM350L (рисунок 19), работающие по принципу, аналогичному станкам LUMEX Avance. Максимальные размеры изготавливаемого изделия составляют 250×250×250 и 350×350×350 мм соответственно, масса — 100 и 300 кг. Волоконный иттербиевый лазер имеет мощность 0,5 кВт (1 кВт для модели OPM350L как опция), движение по осям X, Y и Z реализуется линейными приводами с обратной связью на основе оптических линеек. Модель OPM350L оснащается системой рециркуляции порошкового материала. Мониторинг процесса построения осуществляется видеокамерой, настойка режущего инструмента выполняется в автоматическом режиме системой Blum. Управляющие программы разрабатываются в фирменном CAM-пакете OS-FLASH.
Рисунок 19 - Установки гибридного формообразования OPM350L и OPM250L производства компании Sodick
Рисунок 20 - Пример элемента пресс-формы, изготовленной на оборудовании гибридного формообразования компании SodickУстановки серии OPM предназначены преимущественно для производства пресс-форм с внутренними каналами сложной пространственной конфигурации, обеспечивающими более эффективное охлаждение отливок и существенное повышение производительности литья под давлением.
Компания OR Laser разрабатывает установку ORLAS CREATOR (рисунок 21), также совмещающую SLM-технологию и механообработку. Габариты рабочей зоны составляют Ø110×100 мм, мощность лазера — 250 Вт, скорость сканирования — 3,5 м/с, толщина слоя — 20-50 мкм. На основе облачных приложений возможно дистанционное управление и мониторинг состояния систем ORLAS CREATOR.
Рисунок 21 - Установка OR Laser компании ORLAS CREATOR
Разработчиками создана оригинальная система выравнивания порошкового материала, осуществляемая по окружности против часовой стрелки. Сканирование начинается непосредственно после нанесения очередного слоя, а выравниватель параллельно продолжает круговое движение, останавливаясь в исходном положении до подачи следующей порции материала. Данная схема позволяет экономить несколько секунд на каждом слое, что обеспечивает сокращение общей длительности процесса до 20-30%.
ORLAS CREATOR предназначен для изготовления медицинских и ювелирных изделий, элементов пресс-форм, проведения лабораторных исследований и т. д.
Перспективы развития и внедрения аддитивных технологий в РоссииПуть по внедрению новых технологий в производство непрост и требует решения целого ряда вопросов. На текущий момент ключевым для всех, а для России особенно, является создание специализированного программного обеспечения (ПО). Здесь РФ находится в серьезной зависимости от зарубежных разработок. Кроме того, эти программные продукты зачастую не позволяют отступать от стандартных режимов: выходить на более высокие температуры, более высокие уровни свойств материалов. Поэтому первоочередной задачей консорциумов в рамках НТИ является создание единой информационной среды на базе цифровых технологий для проектирования и изготовления изделий с разработкой программного обеспечения: для создания и экспорта 3D-моделей, для послойного синтеза, генерации слоев и поддержек, для расчета топологической оптимизации (бионического дизайна деталей), а также управления жизненным циклом
В России в настоящий момент реализуются аддитивные технологии первого и второго уровня: это вспомогательные производства, прототипирование, литье с применением деталей, изготовленных по аддитивным технологиям. Целью для всего мира является третий уровень, когда с помощью аддитивных технологий изготавливается реальная деталь. В США, например, стоит задача к 2020 году достичь показателей: 1, 2 уровень — 20 %, а 3 уровень — 80 % (сейчас 70 и 30 %). В одиночку решить такую задачу невозможно. И во всем мире, и в России идет объединение компаний и возможностей. И важно, чтобы деятельность каждого участника российского движения новой промышленной политики была четко прописана, существовало разделение зон ответственности, а также был обеспечен доступ всех участников к этим разработкам. ВИАМ, например, готов отвечать за металлопорошковые композиции в ресурсных деталях. У института для этого есть не только желание, но и опыт.
В ВИАМ создано производство полного цикла, включая разработку технологий и производство металлопорошковых композиций, разработку и синтез деталей, разработку технологий горячего изостатического прессования и термообработки, подготовку нормативной документации для передачи технологии в производство.
К вопросу о стандартизации. Промышленность начинает жить тогда, когда есть нормативная база. Поэтому ВИАМ вместе с ГК «Роскосмос» и АО «Наука и инновации» был создан комитет по стандартизации, который определил перечень первоочередных стандартов. Их было десять, они прошли открытое обсуждение. Сейчас на утверждении находится восемь проектов. В апреле этого года ВИАМ выпустил первый паспорт на отечественный жаропрочный никелевый сплав ЭП648ПС.
ОДК, в частности, ставит для себя такие задачи, как серийное аддитивное производство, снижение стоимости за счет максимальной загрузки аддитивного оборудования, высокая производительност?