eng
Выпуск #2/2017
М.А.Мельникова, Д.С.Колчанов, Д.М.Мельников
Селективное лазерное плавление: применение и особенности формирования трехмерных конструктивных технологических элементов
Селективное лазерное плавление: применение и особенности формирования трехмерных конструктивных технологических элементов
Просмотры: 5847
В статье представлен ряд наработок в области SLM-технологии, в том числе особенности выращивая подпорок, необходимых для успешного получения сплошных изделий.
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.42.49
DOI: 10.22184/1993-7296.2017.62.2.42.49
Группа аддитивных технологий, или технологий быстрого прототипирования, является одной из наиболее интенсивно развивающихся отраслей современного машиностроения В эту группу, в числе прочих, входят методы селективного лазерного спекания и плавления. Селективное лазерное плавление (СЛП) находится среди наиболее важных методов, так как позволяет получать практически готовые изделия путем сплавления металлических порошков. Особенность применения данной технологии связана, как правило, с изготовлением изделий сложной геометрии, либо из материалов, плохо поддающихся механической обработке.
СЛП является одним из способов, который позволяет выращивать детали из различных металлических порошков, слой за слоем, формируя уникальную конфигурацию изделия путем локального воздействия лазерного излучения на порошок с переплавлением каждого слоя. Для каждого типа порошка, отличающегося размером, формой фракции и химическим составом, существуют свои особенности при выращивании, однако общий принцип одинаков для всех. Основная черта СЛП – возможность создания деталей сложных форм, в том числе с внутренними каналами и полостями [1] с заданными механическими и физическими свойствами. Технология постепенно внедряется в аэрокосмическую и автомобильную отрасли, инструментальное производство сложных деталей и прочие области, где она в скором времени найдет широкое применение [2]. СЛП уже активно используется в ювелирной промышленности и медицине (биомедицинские зубные протезы, коронки и прочее – рис.1, [3, 4]).
Различные проблемы, возникающие при разработке технологии СЛП, требуют глубокой проработки на разных уровнях: теоретическом – построения подробной модели процесса, и практическом – проведения экспериментальных исследований по выбору оптимальных параметров для выращивания изделий из определенных порошков. Сложность экспериментальных исследований заключается в постановке многофакторного эксперимента для понимания процесса формирования как отдельных зон сплавления, так и изделия в целом, и последующего исключения таких негативных эффектов, как сфероидизация расплавленных порошинок, пористость, термическая деформация, трещины, и т. д. [5].
Одним из наиболее сложных, но важных этапов при выращивании деталей является создание подпорок, которые удерживают выступающие и нависающие части детали при изготовлении. Особенность этих элементов определяется мелкой периодической структурой и миниатюрными элементами при переплавлении слоев. Необходимо отметить, что на сегодняшний день полые сетчатые изделия сравнительно легко получаются методом СЛП, но выращивание деталей со 100%-ной плотностью пока затруднено. Одна из составляющих этой проблемы – получение оптимальной структуры подпорок, которая бы гарантировала возможность выращивания плотного изделия и его последующее отделение от подпорок.
На кафедре МТ‑12 МГТУ им.Н. Э.Баумана активно разрабатываются лазерные аддитивные установки и технологии, в том числе для СЛП. Недавно разработанный комплекс (рис.2) позволяет проводить эффективные исследования различных аспектов этой технологии. Комплекс удовлетворяет предъявляемым современной индустрией требованиям и не уступает западным аналогам.
Принципиальная схема процесса СЛП показана на рис.3. Герметичная камера, заполненная инертным газом с возможностью нагрева атмосферы, включает в себя платформу выращивания, которая имеет вертикальную систему перемещения, а также два бункера для порошка. Из бункера-питателя путем вертикального перемещения платформы порошок подается на поверхность рабочего стола. С помощью ножа или ролика необходимый объем порошка переносится к платформе для выращивания и укладывается на нее ровным слоем заданной толщины. Лишний порошок ссыпается во второй бункер. Далее происходит воздействие лазерного излучения на порошок, его сплавление на первом этапе с подложкой, а далее с предыдущим выращенным слоем. Как только слой выращен, платформа выращивания с деталью опускается вниз, а процесс создания нового слоя повторяется по той же схеме.
При построении модели экспериментальных исследований и выбора оптимальных условий проведения СЛП очень важно учитывать отработку повторяемости процесса с заданной точностью [8]. Все варьируемые параметры процесса СЛП можно разделить на три основные группы [6, 7]:
• зависящие от характеристик порошка,
• зависящие от характеристик лазерного излучения,
• зависящие от стратегии сканирования.
Акцент необходимо сделать на обеспечении повторяемости при выращивании изделий с миниатюрной геометрией. Обеспечить повторяемость можно правильным выбором режимов и аккуратным построением подпорок, что гарантирует отсутствие искажений очередного слоя, которые могут накапливаться и приводить к серьезным дефектам при большом количестве слоев.
Исследования оптимального выращивания подпорок мы проводили на нержавеющей стали. В силу высокой степени сплавляемости и благодаря широкому распространению в промышленности для исследования выбран порошок нержавеющей стали 316L. Ее аналогами являются нержавеющие стали 1,4429 и 03Х17Н14М3. Состав порошка приведен в таблице (порошок однородный сферический), морфология его показана ни рис.4. На рис.5 представлен химический состав порошка после проведения рентгеновского контроля. Исходя из полученных данных, реальный состав (после контроля) и заявленный состав порошка имеют незначительные различия. Для выращивания была выбрана квадратная, специально подготовленная подложка из стали 316L.
Исследования проводились при помощи комплекса "СЛП‑110", а также специально спроектированного лабораторного оборудования [9]; состав комплекса следующий: система перемещения подложки с возможностью нанесения слоев толщиной от 60 мкм; нож для нанесения слоев; волоконный лазер с максимальной мощностью 100 Вт; сканатор с максимальной скоростью перемещения луча 10 000 мм/с, диаметром пятна в фокусе порядка 60 мкм и областью обработки 100Ч100 мм; камера с подачей инертного газа (аргон). На данном оборудовании был проведен ряд экспериментов по отработке формирования единичных сплавленных дорожек и замкнутых фигур (рис.6).
На рис.7 показаны результаты выращивания фигур единичного слоя со 100%-ной плотностью. Полученные по данным экспериментального исследования параметры позволяют практически полностью избегать пористости при использовании разработанной нами установки. Однако геометрические характеристики неравномерны и сравнимы с теми, которые получают наплавкой. Снизить существенные коробления при процессе СЛП можно, уменьшив количество теплоты в зоне сплавления. Для этого необходимо отказаться от сплошной подложки и использовать сетчатые трехмерные структуры – подпорки.
Пример выращивания простых трехмерных деталей на примере тонких стенок показан на рис.8. Нам удавалось получать стабильные размеры стенок, что важно для формирования ровной геометрии будущих подпорок. Толщина стенок составила 200 мкм, а высота 5 мм с отклонением размеров не более 20 мкм, хотя присутствовали некоторые краевые дефекты (причина которых была в несовершенстве связи системы перемещения и системы управления подачей лазерного излучения).
Для выявления мелких дефектов был проведен анализ микроструктуры образцов (рис.9). Он показал, что структура материала однородная и мелкозернистая, что соответствует классу стали. Мелкозернистая структура определяется высокой скоростью охлаждения, которая достигается при проведении процесса СЛП на оптимальных режимах. Это, согласно соотношению Холла-Петча [10], ведет к высокой твердости образцов, которая составляет порядка 250 HB (твердость образцов листовой стали 316L достигает 170 HB. Крупные поры в полученных нами образцах отсутствуют.
Полученные результаты использовались для оптимизации режимов выращивания подпорок с трехмерной структурой. Форма подпорок должна удовлетворять ряду условий, среди которых – прочность, необходимая для надежного удержания элементов выращиваемого изделия; толщина единичного сегмента, определяющая легкость отделения подпорки; шаг между несущими элементами подпорок. Нами выращивалась серия подпорок (рис.10) со структурой, имеющей форму типа объемноцентированной кубической решетки [11]. Такая форма удобна для выращивания реальных изделий, так как способна удовлетворить вышеописанным признакам. На серии из 15 штук нами была получена достаточная повторяемость результатов без крупных дефектов.
ВЫВОДЫ
Применение в различных отраслях техники метода СЛП, относящегося к быстроразвивающимся аддитивным технологиям, имеет большие перспективы не только с точки зрения изготовления полых конструкций, основное применение которых находится в медицинской области, но и с точки зрения изготовления изделий со 100%-ной плотностью. Тонкостенные конструкции, заполненные металлической сеткой с определенной структурой, позволяют получать легкие и достаточно прочные конструкции, но основные машиностроительные области, как например детали авиационной техники, требуют полностью сплошной геометрии, что встречает ряд трудностей при применении технологии СЛП. Тем не менее, правильный подход к созданию несущих подпорок – одна из составляющих успеха на этом пути. Выверенная геометрия и отсутствие пространственных погрешностей при выращивании подпорок необходимы для качественного создания конечной детали.
На кафедре МТ‑12 МГТУ им.Н.Э.Баумана активно разрабатываются лазерные аддитивные установки и технологии, в том числе для СЛП. Недавно был создан современный комплекс, удовлетворяющий всем требованиям качественного проведения процесса СЛП и не уступающий иностранным аналогам. Данный комплекс использовался для отработки режимов СЛП, в том числе для выращивания подпорок. Нами были получены структуры из стального порошка с хорошими точностью и повторяемостью. При выращивании геометрии со 100%-ной плотностью также удалось избежать серьезных дефектов.
Использование основания из тонкой сетчатой структуры при выращивании изделий методом СЛП помогает существенно снизить количество теплоты в области сплавления, что положительно сказывается на итоговом качестве получаемых изделий. Планируется проведение дальнейших работ по определению факторов, позволяющих управлять распределением тепла при СЛП, в частности исследование переноса излучения и тепла в группе сплавляемых частиц, что позволит отработать качественную технологию получения полностью сплошных изделий методом СЛП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sudarshan T. S. Additive manufacturing innovations, advances, and applications. – Taylor & Francis Group, LLC, 2016.
2. J.-P.Kruth, V.Vandenbroucke, J.Van Vaerenberg, P.Mercelis. Benchmarking of different SLM/SLS processes as rapid manufacturing technics. – Int. Conf. Polymers and moulds innovations (PMI), Gent, Belgium, April 2005.
3. I.Gibson. Medical products for rapid prototyping: from prosthetics design to organ implant. –Additive Layered Manufacturing: From evolution to Revolution, Maribor, 2008, p.150.
4. Ader C. and others. Research on layer manufacturing techniques at Fraunhofer. – Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, 4 August, 2004.
5. I.Yadroitsev, I.Shishkovsky, P.Bertrand, I.Smurov. Manufacturing of fine-structured 3D porous filter elements by selective laser melting. – Applied Science, 2008.
6. I.Yadroitsev, Ph.Bertrand, I.Smurov. Parametric analysis of the selective laser melting process. –Applied Science, 2007, p.8064–8069.
7. I.Yadroitsev, L.Thivillon, Ph.Bertrand, I.Smurov. Strategy of manufacturing components with designed internal structure by selective laser melting of metallic powder. – Applied Science, 2007, p.980–983.
8. H.Meier, Ch.Haberland, Matwiss. U. Experimental studies on selective laser melting of metallic parts. – Werkstofftech, 2008, v.39, № 9, p. 665–670.
9. E.Yasa, J.-P.Kruth. Microstructural investigation of Selective Laser Melting 316L stainless steel parts exposed to laser remelting. – Proc.engineering, 2011, v.19, p.389–395.
10. Bykov A. A., Stavertij A. Ja., Kolchanov D. S. Razrabotka jeksperimental’noj ustanovki dlja izgotovlenija detalej iz metallicheskih poroshkov. Budushhee mashinostroenija. – M.: Izd-vo MGTU im. N. Je. Baumana, 2015.
11. J. P.Kruth, L.Froyen, J.Van Vaerenbergh, P.Mercelis, M.Rombouts, B.Lauwers. Selective laser melting of iron-based powder. – Journal of Materials Processing Technology, 2004, vol. 149, p. 616–622.
СЛП является одним из способов, который позволяет выращивать детали из различных металлических порошков, слой за слоем, формируя уникальную конфигурацию изделия путем локального воздействия лазерного излучения на порошок с переплавлением каждого слоя. Для каждого типа порошка, отличающегося размером, формой фракции и химическим составом, существуют свои особенности при выращивании, однако общий принцип одинаков для всех. Основная черта СЛП – возможность создания деталей сложных форм, в том числе с внутренними каналами и полостями [1] с заданными механическими и физическими свойствами. Технология постепенно внедряется в аэрокосмическую и автомобильную отрасли, инструментальное производство сложных деталей и прочие области, где она в скором времени найдет широкое применение [2]. СЛП уже активно используется в ювелирной промышленности и медицине (биомедицинские зубные протезы, коронки и прочее – рис.1, [3, 4]).
Различные проблемы, возникающие при разработке технологии СЛП, требуют глубокой проработки на разных уровнях: теоретическом – построения подробной модели процесса, и практическом – проведения экспериментальных исследований по выбору оптимальных параметров для выращивания изделий из определенных порошков. Сложность экспериментальных исследований заключается в постановке многофакторного эксперимента для понимания процесса формирования как отдельных зон сплавления, так и изделия в целом, и последующего исключения таких негативных эффектов, как сфероидизация расплавленных порошинок, пористость, термическая деформация, трещины, и т. д. [5].
Одним из наиболее сложных, но важных этапов при выращивании деталей является создание подпорок, которые удерживают выступающие и нависающие части детали при изготовлении. Особенность этих элементов определяется мелкой периодической структурой и миниатюрными элементами при переплавлении слоев. Необходимо отметить, что на сегодняшний день полые сетчатые изделия сравнительно легко получаются методом СЛП, но выращивание деталей со 100%-ной плотностью пока затруднено. Одна из составляющих этой проблемы – получение оптимальной структуры подпорок, которая бы гарантировала возможность выращивания плотного изделия и его последующее отделение от подпорок.
На кафедре МТ‑12 МГТУ им.Н. Э.Баумана активно разрабатываются лазерные аддитивные установки и технологии, в том числе для СЛП. Недавно разработанный комплекс (рис.2) позволяет проводить эффективные исследования различных аспектов этой технологии. Комплекс удовлетворяет предъявляемым современной индустрией требованиям и не уступает западным аналогам.
Принципиальная схема процесса СЛП показана на рис.3. Герметичная камера, заполненная инертным газом с возможностью нагрева атмосферы, включает в себя платформу выращивания, которая имеет вертикальную систему перемещения, а также два бункера для порошка. Из бункера-питателя путем вертикального перемещения платформы порошок подается на поверхность рабочего стола. С помощью ножа или ролика необходимый объем порошка переносится к платформе для выращивания и укладывается на нее ровным слоем заданной толщины. Лишний порошок ссыпается во второй бункер. Далее происходит воздействие лазерного излучения на порошок, его сплавление на первом этапе с подложкой, а далее с предыдущим выращенным слоем. Как только слой выращен, платформа выращивания с деталью опускается вниз, а процесс создания нового слоя повторяется по той же схеме.
При построении модели экспериментальных исследований и выбора оптимальных условий проведения СЛП очень важно учитывать отработку повторяемости процесса с заданной точностью [8]. Все варьируемые параметры процесса СЛП можно разделить на три основные группы [6, 7]:
• зависящие от характеристик порошка,
• зависящие от характеристик лазерного излучения,
• зависящие от стратегии сканирования.
Акцент необходимо сделать на обеспечении повторяемости при выращивании изделий с миниатюрной геометрией. Обеспечить повторяемость можно правильным выбором режимов и аккуратным построением подпорок, что гарантирует отсутствие искажений очередного слоя, которые могут накапливаться и приводить к серьезным дефектам при большом количестве слоев.
Исследования оптимального выращивания подпорок мы проводили на нержавеющей стали. В силу высокой степени сплавляемости и благодаря широкому распространению в промышленности для исследования выбран порошок нержавеющей стали 316L. Ее аналогами являются нержавеющие стали 1,4429 и 03Х17Н14М3. Состав порошка приведен в таблице (порошок однородный сферический), морфология его показана ни рис.4. На рис.5 представлен химический состав порошка после проведения рентгеновского контроля. Исходя из полученных данных, реальный состав (после контроля) и заявленный состав порошка имеют незначительные различия. Для выращивания была выбрана квадратная, специально подготовленная подложка из стали 316L.
Исследования проводились при помощи комплекса "СЛП‑110", а также специально спроектированного лабораторного оборудования [9]; состав комплекса следующий: система перемещения подложки с возможностью нанесения слоев толщиной от 60 мкм; нож для нанесения слоев; волоконный лазер с максимальной мощностью 100 Вт; сканатор с максимальной скоростью перемещения луча 10 000 мм/с, диаметром пятна в фокусе порядка 60 мкм и областью обработки 100Ч100 мм; камера с подачей инертного газа (аргон). На данном оборудовании был проведен ряд экспериментов по отработке формирования единичных сплавленных дорожек и замкнутых фигур (рис.6).
На рис.7 показаны результаты выращивания фигур единичного слоя со 100%-ной плотностью. Полученные по данным экспериментального исследования параметры позволяют практически полностью избегать пористости при использовании разработанной нами установки. Однако геометрические характеристики неравномерны и сравнимы с теми, которые получают наплавкой. Снизить существенные коробления при процессе СЛП можно, уменьшив количество теплоты в зоне сплавления. Для этого необходимо отказаться от сплошной подложки и использовать сетчатые трехмерные структуры – подпорки.
Пример выращивания простых трехмерных деталей на примере тонких стенок показан на рис.8. Нам удавалось получать стабильные размеры стенок, что важно для формирования ровной геометрии будущих подпорок. Толщина стенок составила 200 мкм, а высота 5 мм с отклонением размеров не более 20 мкм, хотя присутствовали некоторые краевые дефекты (причина которых была в несовершенстве связи системы перемещения и системы управления подачей лазерного излучения).
Для выявления мелких дефектов был проведен анализ микроструктуры образцов (рис.9). Он показал, что структура материала однородная и мелкозернистая, что соответствует классу стали. Мелкозернистая структура определяется высокой скоростью охлаждения, которая достигается при проведении процесса СЛП на оптимальных режимах. Это, согласно соотношению Холла-Петча [10], ведет к высокой твердости образцов, которая составляет порядка 250 HB (твердость образцов листовой стали 316L достигает 170 HB. Крупные поры в полученных нами образцах отсутствуют.
Полученные результаты использовались для оптимизации режимов выращивания подпорок с трехмерной структурой. Форма подпорок должна удовлетворять ряду условий, среди которых – прочность, необходимая для надежного удержания элементов выращиваемого изделия; толщина единичного сегмента, определяющая легкость отделения подпорки; шаг между несущими элементами подпорок. Нами выращивалась серия подпорок (рис.10) со структурой, имеющей форму типа объемноцентированной кубической решетки [11]. Такая форма удобна для выращивания реальных изделий, так как способна удовлетворить вышеописанным признакам. На серии из 15 штук нами была получена достаточная повторяемость результатов без крупных дефектов.
ВЫВОДЫ
Применение в различных отраслях техники метода СЛП, относящегося к быстроразвивающимся аддитивным технологиям, имеет большие перспективы не только с точки зрения изготовления полых конструкций, основное применение которых находится в медицинской области, но и с точки зрения изготовления изделий со 100%-ной плотностью. Тонкостенные конструкции, заполненные металлической сеткой с определенной структурой, позволяют получать легкие и достаточно прочные конструкции, но основные машиностроительные области, как например детали авиационной техники, требуют полностью сплошной геометрии, что встречает ряд трудностей при применении технологии СЛП. Тем не менее, правильный подход к созданию несущих подпорок – одна из составляющих успеха на этом пути. Выверенная геометрия и отсутствие пространственных погрешностей при выращивании подпорок необходимы для качественного создания конечной детали.
На кафедре МТ‑12 МГТУ им.Н.Э.Баумана активно разрабатываются лазерные аддитивные установки и технологии, в том числе для СЛП. Недавно был создан современный комплекс, удовлетворяющий всем требованиям качественного проведения процесса СЛП и не уступающий иностранным аналогам. Данный комплекс использовался для отработки режимов СЛП, в том числе для выращивания подпорок. Нами были получены структуры из стального порошка с хорошими точностью и повторяемостью. При выращивании геометрии со 100%-ной плотностью также удалось избежать серьезных дефектов.
Использование основания из тонкой сетчатой структуры при выращивании изделий методом СЛП помогает существенно снизить количество теплоты в области сплавления, что положительно сказывается на итоговом качестве получаемых изделий. Планируется проведение дальнейших работ по определению факторов, позволяющих управлять распределением тепла при СЛП, в частности исследование переноса излучения и тепла в группе сплавляемых частиц, что позволит отработать качественную технологию получения полностью сплошных изделий методом СЛП.
ЛИТЕРАТУРА
1. Sudarshan T. S. Additive manufacturing innovations, advances, and applications. – Taylor & Francis Group, LLC, 2016.
2. J.-P.Kruth, V.Vandenbroucke, J.Van Vaerenberg, P.Mercelis. Benchmarking of different SLM/SLS processes as rapid manufacturing technics. – Int. Conf. Polymers and moulds innovations (PMI), Gent, Belgium, April 2005.
3. I.Gibson. Medical products for rapid prototyping: from prosthetics design to organ implant. –Additive Layered Manufacturing: From evolution to Revolution, Maribor, 2008, p.150.
4. Ader C. and others. Research on layer manufacturing techniques at Fraunhofer. – Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT, 4 August, 2004.
5. I.Yadroitsev, I.Shishkovsky, P.Bertrand, I.Smurov. Manufacturing of fine-structured 3D porous filter elements by selective laser melting. – Applied Science, 2008.
6. I.Yadroitsev, Ph.Bertrand, I.Smurov. Parametric analysis of the selective laser melting process. –Applied Science, 2007, p.8064–8069.
7. I.Yadroitsev, L.Thivillon, Ph.Bertrand, I.Smurov. Strategy of manufacturing components with designed internal structure by selective laser melting of metallic powder. – Applied Science, 2007, p.980–983.
8. H.Meier, Ch.Haberland, Matwiss. U. Experimental studies on selective laser melting of metallic parts. – Werkstofftech, 2008, v.39, № 9, p. 665–670.
9. E.Yasa, J.-P.Kruth. Microstructural investigation of Selective Laser Melting 316L stainless steel parts exposed to laser remelting. – Proc.engineering, 2011, v.19, p.389–395.
10. Bykov A. A., Stavertij A. Ja., Kolchanov D. S. Razrabotka jeksperimental’noj ustanovki dlja izgotovlenija detalej iz metallicheskih poroshkov. Budushhee mashinostroenija. – M.: Izd-vo MGTU im. N. Je. Baumana, 2015.
11. J. P.Kruth, L.Froyen, J.Van Vaerenbergh, P.Mercelis, M.Rombouts, B.Lauwers. Selective laser melting of iron-based powder. – Journal of Materials Processing Technology, 2004, vol. 149, p. 616–622.
Отзывы читателей
