eng
Выпуск #3/2015
Н. Стешенкова, Г. Туричин, О. Райкис
Металлообработка: высокотехнологичный режущий инструмент или аддитивные технологии?
Металлообработка: высокотехнологичный режущий инструмент или аддитивные технологии?
Просмотры: 3747
На волне общей увлеченности разговорами об аддитивных технологиях мнение признанных специалистов по лазерным технологиям порой ускользает от нашего внимания. В условиях грядущей реновации технологических инструментов, которые реализовывают проверенные десятилетиями классические технологии, в условиях экономической неопределенности, когда на волне кризиса высвобождаются целые промышленные ниши, особенно интересен взгляд информированных и эрудированных специалистов. С некоторыми из них мы встретились на московской выставке "Фотоника-2015" и узнали их мнение.
В какой области, на ваш взгляд, аддитивные лазерные технологии получат ускоренное развитие?
Технологии лазерного выращивания способны ускорить производство деталей, сложной геометрии и одновременно при этом сократить объем материала, попадающего в расход, как, например, при токарной обработке. Однако аддитивные технологии упираются в определенные преграды: отсутствие стандартов и средств проектирования. Потому что различные материалы требуют различных параметров процессов.
Проникновению аддитивных технологий практически во все сферы деятельности человека должна способствовать разработка новых материалов, усовершенствование программного обеспечения (CAD-CAM–CAE) и развитие сервисной сети. По состоянию на момент двухлетней давности основными секторами использования аддитивных технологий на Западном рынке являлись:
потребительские товары и электроника – 20,3%;
автостроение – 19,5%;
медицина (в частности, дентальная) – 15,1%;
аэрокосмическая отрасль – 12,1% (сравните с 9,9% в 2010 году);
индустриальное машиностроение – 10,8;
академические институты – 8,0%;
госпрограммы по военной технике – 6,0%;
архитектура – 3,0%;
другое – 5,2%.
Продукты, созданные на основе аддитивных технологий, используются:
как конечное изделие – 19,2%;
в функциональном моделировании – 18,4%;
в качестве мастер-моделей – 12,2%;
для контрольных сборок – 12,1%;
для визуализации – 10,1%;
как литейные модели для литья металлов по выплавляемым моделям – 8,9%;
как презентационные модели – 7,8%;
в обучении и исследованиях – 7%;
как компоненты инструментальной оснастки – 2,7%;
другое – 1,6%.
Главной особенностью или основной ценностью аддитивных технологий западные эксперты называют "сокращение времени выхода на рынок новой продукции".
В настоящее время ведущие российские предприятия авиационной, судостроительной, автомобильной промышленности, энергетики, Росатома и др. ведут работы по созданию и практическому использованию аддитивных технологий, однако широкого распространения эти технологии до сих пор не получили. В то же время, по мнению ведущих мировых экспертов, являются стратегически значимыми, и именно с их развитием связывают дальнейшее инновационное развитие машиностроения.
Если сравнивать изделия, полученные методом порошковой металлургии и методом лазерного выращивания, то что можно сказать об их прочностных свойствах?
Рассматривая вопрос прочности полученных изделий, стоит упомянуть о таком параметре, как плотность получаемой структуры, так как не всегда прочность изделия является определяющим фактором качества. Процесс лазерного выращивания, как правило, проходит в газовой среде, что в свою очередь может приводить к захвату молекул газа. Также для процесса характерна и неравномерная усадка металла, и другие дефекты, связанные с неоднородностью дисперсии частиц используемых порошков. Все эти и многие другие факторы могут оказывать существенное влияние на качество получаемых изделий. Каково это влияние и насколько оно критично – очень сложный вопрос, ответ на который не всегда однозначен.
Какие задачи стоят перед разработчиками лазеров (как инструментов) для создания технологического оборудования для аддитивных технологий?
Выпускаемые в настоящее время лазеры, в том числе производства НТО "ИРЭ-Полюс", отвечают сегодняшним требованиям, предъявляемым для их использования в аддитивных технологиях. Однако существует вероятность дальнейшей корректировки требований и необходимости разработки источников лазерного излучения с другими характеристиками.
Глеб Туричин,
директор Института лазерных и сварочных технологий, Россия
В какой области, на ваш взгляд, аддитивные лазерные технологии получат ускоренное развитие?
На мой взгляд, место аддитивных технологий невозможно определить однозначно, эти места для различных технологий совершенно различаются. Если говорить о технологиях послойного выращивания (SLS/SLM), то в первую очередь это производство компонентов топливной аппаратуры, турбинных и компрессорных лопаток, сложных и высокоточных, но небольших, изделий для приборостроения, медицины и трансплантологии, вооружения и военной техники. Если же мы говорим о технологиях прямого лазерного выращивания, то за счет существенно более высокой, по сравнению с SLS/SLM-технологиями, производительности и практического отсутствия ограничений по размерам выращиваемых изделий, такие технологии чрезвычайно перспективны для изготовления крупногабаритных компонентов газотурбинных и ракетных двигателей, корабельных винтов и изделий судового машиностроения, корпусов и пространственных конструкций в тех случаях, когда они имеют относительно мало массивных частей. В этом случае выигрыш в производительности и коэффициенте использования материала может составлять десятки раз по сравнению с традиционными технологиями изготовления. Отдельно стоит отметить технологии выращивания из керамических, композитных и полимерных материалов. Уже сейчас существует обширный, но не удовлетворенный промышленный спрос на высокопроизводительные технологии выращивания крупногабаритных конструкций из этих материалов.
Если сравнивать изделия, полученные методом порошковой металлургии и методом лазерного выращивания, то что можно сказать об их прочностных свойствах?
На сегодняшний день SLS/SLM-технологии не позволяют избавиться от остаточной пористости, и эту проблему приходится решать последующим изостатическим прессованием и термообработкой. Тем не менее, за счет тщательного подбора химического и гранулометрического состава порошков возможно достижение весьма высокого уровня эксплуатационных свойств. Технологии прямого лазерного выращивания, основанного на гетерофазной порошковой металлургии, позволяют получать беспористую мелкозернистую структуру металла изделия, что обеспечивает высокие значения прочности. Однако полностью отказываться от термообработки изостатического прессования и для этих технологий пока рано. Ну и говоря о технологиях прямого выращивания, нужно помнить о том, что они позволяют выращивать изделия с градиентными составом и свойствами, в чем на сегодняшний день не имеют альтернативы.
Какие задачи стоят перед разработчиками лазеров (как инструментов) для создания технологического оборудования для аддитивных технологий?
На мой взгляд, первая задача – это снижение стоимости лазерных источников. Технологические установки для аддитивных лазерных технологий через несколько лет могут стать массовым промышленным оборудованием, но высокая стоимость лазеров вполне может этому помешать. Второй задачей я бы назвал повышение качества излучения мощных диодных лазеров, весьма перспективных для использования в составе аддитивных машин, но неспособных пока, в отличие от мощных волоконных лазеров, обеспечить размер фокального пятна, необходимый для прямого лазерного выращивания, не говоря уже о послойных технологиях. Но в целом достигнутый уровень развития лазерной техники является вполне достаточным для создания технологического оборудования для аддитивных технологий.
Олег Райкис,
специалист отдела лазерных технологий, Laserline GmbH, Германия
Какое место займут диодные лазеры в аддитивных технологиях?
Мы считаем, что диодные лазеры в будущем превратятся в промышленный стандарт для многих видов аддитивных технологий, каким они являются на сегодняшний день в области лазерной наплавки. Дело в том, что в этом случае (наплавки, облицовка) отсутствует необходимость использования пучка с высоким качеством. Гораздо важнее равномерное распределение энергии излучения и четкая граница края лазерного пятна, то есть необходимо иметь пучок с прямоугольным профилем распределения мощности в сечении, так называемым "Top Hat". Также для удовлетворительной производительности важна высокая скорость осаждения. Диодный лазер с его высокой эксплуатационной надежностью, относительно низкими затратами и удобством интегрирования в уже созданное оборудование удовлетворяет всем важным критериям, необходимым для аддитивной технологии, рассчитанной на серийное производство.
К аддитивным технологиям относятся не только методы послойного выращивания, но это также методы наплавки функциональных покрытий, способных уберечь от коррозии или придать поверхности определенные фрикционные или адгезионные свойства. На схеме изображены типичные величины ключевых параметров, используемых для различных аддитивных технологий. Значком (*) обозначены типичные окна процесса для: SLM – селективной лазерной плавки, LMD – послойной лазерной наплавки, Cladding – лазерного плакирования.
В каких основных сегментах аддитивных технологий диодные лазеры найдут широкое применение?
В каждом производственном предприятии, где аддитивная технология выгодна с технической и экономической точек зрения, диодные лазеры имеют большой потенциал широкого применения как сегодня, так и в будущем. С точки зрения нашей компании данная технология, прежде чем она совершит переход в массовое производство, должна в первую очередь быть использована для разработок в университетах и соответствующих научных отделах производственных компаний.
Уже давно мы сотрудничаем с различными производителями станков, которые интегрируют лазерный источник в станки с ЧПУ. Эти гибридные инструменты для аддитивно-субтрактивного производства, часть из которых уже сейчас на рынке, способны создавать изделия точной формы с кардинально новыми свойствами и конструкционными возможностями.
Технологии лазерного выращивания способны ускорить производство деталей, сложной геометрии и одновременно при этом сократить объем материала, попадающего в расход, как, например, при токарной обработке. Однако аддитивные технологии упираются в определенные преграды: отсутствие стандартов и средств проектирования. Потому что различные материалы требуют различных параметров процессов.
Проникновению аддитивных технологий практически во все сферы деятельности человека должна способствовать разработка новых материалов, усовершенствование программного обеспечения (CAD-CAM–CAE) и развитие сервисной сети. По состоянию на момент двухлетней давности основными секторами использования аддитивных технологий на Западном рынке являлись:
потребительские товары и электроника – 20,3%;
автостроение – 19,5%;
медицина (в частности, дентальная) – 15,1%;
аэрокосмическая отрасль – 12,1% (сравните с 9,9% в 2010 году);
индустриальное машиностроение – 10,8;
академические институты – 8,0%;
госпрограммы по военной технике – 6,0%;
архитектура – 3,0%;
другое – 5,2%.
Продукты, созданные на основе аддитивных технологий, используются:
как конечное изделие – 19,2%;
в функциональном моделировании – 18,4%;
в качестве мастер-моделей – 12,2%;
для контрольных сборок – 12,1%;
для визуализации – 10,1%;
как литейные модели для литья металлов по выплавляемым моделям – 8,9%;
как презентационные модели – 7,8%;
в обучении и исследованиях – 7%;
как компоненты инструментальной оснастки – 2,7%;
другое – 1,6%.
Главной особенностью или основной ценностью аддитивных технологий западные эксперты называют "сокращение времени выхода на рынок новой продукции".
В настоящее время ведущие российские предприятия авиационной, судостроительной, автомобильной промышленности, энергетики, Росатома и др. ведут работы по созданию и практическому использованию аддитивных технологий, однако широкого распространения эти технологии до сих пор не получили. В то же время, по мнению ведущих мировых экспертов, являются стратегически значимыми, и именно с их развитием связывают дальнейшее инновационное развитие машиностроения.
Если сравнивать изделия, полученные методом порошковой металлургии и методом лазерного выращивания, то что можно сказать об их прочностных свойствах?
Рассматривая вопрос прочности полученных изделий, стоит упомянуть о таком параметре, как плотность получаемой структуры, так как не всегда прочность изделия является определяющим фактором качества. Процесс лазерного выращивания, как правило, проходит в газовой среде, что в свою очередь может приводить к захвату молекул газа. Также для процесса характерна и неравномерная усадка металла, и другие дефекты, связанные с неоднородностью дисперсии частиц используемых порошков. Все эти и многие другие факторы могут оказывать существенное влияние на качество получаемых изделий. Каково это влияние и насколько оно критично – очень сложный вопрос, ответ на который не всегда однозначен.
Какие задачи стоят перед разработчиками лазеров (как инструментов) для создания технологического оборудования для аддитивных технологий?
Выпускаемые в настоящее время лазеры, в том числе производства НТО "ИРЭ-Полюс", отвечают сегодняшним требованиям, предъявляемым для их использования в аддитивных технологиях. Однако существует вероятность дальнейшей корректировки требований и необходимости разработки источников лазерного излучения с другими характеристиками.
Глеб Туричин,
директор Института лазерных и сварочных технологий, Россия
В какой области, на ваш взгляд, аддитивные лазерные технологии получат ускоренное развитие?
На мой взгляд, место аддитивных технологий невозможно определить однозначно, эти места для различных технологий совершенно различаются. Если говорить о технологиях послойного выращивания (SLS/SLM), то в первую очередь это производство компонентов топливной аппаратуры, турбинных и компрессорных лопаток, сложных и высокоточных, но небольших, изделий для приборостроения, медицины и трансплантологии, вооружения и военной техники. Если же мы говорим о технологиях прямого лазерного выращивания, то за счет существенно более высокой, по сравнению с SLS/SLM-технологиями, производительности и практического отсутствия ограничений по размерам выращиваемых изделий, такие технологии чрезвычайно перспективны для изготовления крупногабаритных компонентов газотурбинных и ракетных двигателей, корабельных винтов и изделий судового машиностроения, корпусов и пространственных конструкций в тех случаях, когда они имеют относительно мало массивных частей. В этом случае выигрыш в производительности и коэффициенте использования материала может составлять десятки раз по сравнению с традиционными технологиями изготовления. Отдельно стоит отметить технологии выращивания из керамических, композитных и полимерных материалов. Уже сейчас существует обширный, но не удовлетворенный промышленный спрос на высокопроизводительные технологии выращивания крупногабаритных конструкций из этих материалов.
Если сравнивать изделия, полученные методом порошковой металлургии и методом лазерного выращивания, то что можно сказать об их прочностных свойствах?
На сегодняшний день SLS/SLM-технологии не позволяют избавиться от остаточной пористости, и эту проблему приходится решать последующим изостатическим прессованием и термообработкой. Тем не менее, за счет тщательного подбора химического и гранулометрического состава порошков возможно достижение весьма высокого уровня эксплуатационных свойств. Технологии прямого лазерного выращивания, основанного на гетерофазной порошковой металлургии, позволяют получать беспористую мелкозернистую структуру металла изделия, что обеспечивает высокие значения прочности. Однако полностью отказываться от термообработки изостатического прессования и для этих технологий пока рано. Ну и говоря о технологиях прямого выращивания, нужно помнить о том, что они позволяют выращивать изделия с градиентными составом и свойствами, в чем на сегодняшний день не имеют альтернативы.
Какие задачи стоят перед разработчиками лазеров (как инструментов) для создания технологического оборудования для аддитивных технологий?
На мой взгляд, первая задача – это снижение стоимости лазерных источников. Технологические установки для аддитивных лазерных технологий через несколько лет могут стать массовым промышленным оборудованием, но высокая стоимость лазеров вполне может этому помешать. Второй задачей я бы назвал повышение качества излучения мощных диодных лазеров, весьма перспективных для использования в составе аддитивных машин, но неспособных пока, в отличие от мощных волоконных лазеров, обеспечить размер фокального пятна, необходимый для прямого лазерного выращивания, не говоря уже о послойных технологиях. Но в целом достигнутый уровень развития лазерной техники является вполне достаточным для создания технологического оборудования для аддитивных технологий.
Олег Райкис,
специалист отдела лазерных технологий, Laserline GmbH, Германия
Какое место займут диодные лазеры в аддитивных технологиях?
Мы считаем, что диодные лазеры в будущем превратятся в промышленный стандарт для многих видов аддитивных технологий, каким они являются на сегодняшний день в области лазерной наплавки. Дело в том, что в этом случае (наплавки, облицовка) отсутствует необходимость использования пучка с высоким качеством. Гораздо важнее равномерное распределение энергии излучения и четкая граница края лазерного пятна, то есть необходимо иметь пучок с прямоугольным профилем распределения мощности в сечении, так называемым "Top Hat". Также для удовлетворительной производительности важна высокая скорость осаждения. Диодный лазер с его высокой эксплуатационной надежностью, относительно низкими затратами и удобством интегрирования в уже созданное оборудование удовлетворяет всем важным критериям, необходимым для аддитивной технологии, рассчитанной на серийное производство.
К аддитивным технологиям относятся не только методы послойного выращивания, но это также методы наплавки функциональных покрытий, способных уберечь от коррозии или придать поверхности определенные фрикционные или адгезионные свойства. На схеме изображены типичные величины ключевых параметров, используемых для различных аддитивных технологий. Значком (*) обозначены типичные окна процесса для: SLM – селективной лазерной плавки, LMD – послойной лазерной наплавки, Cladding – лазерного плакирования.
В каких основных сегментах аддитивных технологий диодные лазеры найдут широкое применение?
В каждом производственном предприятии, где аддитивная технология выгодна с технической и экономической точек зрения, диодные лазеры имеют большой потенциал широкого применения как сегодня, так и в будущем. С точки зрения нашей компании данная технология, прежде чем она совершит переход в массовое производство, должна в первую очередь быть использована для разработок в университетах и соответствующих научных отделах производственных компаний.
Уже давно мы сотрудничаем с различными производителями станков, которые интегрируют лазерный источник в станки с ЧПУ. Эти гибридные инструменты для аддитивно-субтрактивного производства, часть из которых уже сейчас на рынке, способны создавать изделия точной формы с кардинально новыми свойствами и конструкционными возможностями.
Отзывы читателей
