Выращивание металлических изделий. Технологии и машины

Обычно, когда говорят о серийном производстве, подразумевают количество, измеряемое тысячами или сотнями тысяч единиц. Однако существует и другое серийное производство, измеряемое десятками или сотнями изделий. Таких изделий, зачастую сложной геометрии, из специальных материалов достаточно много в авиационной промышленности, космической индустрии, энергетическом машиностроении и ряде других отраслей. И именно там возник интерес к AM-технологиям, «непосредственному выращиванию» металлических изделий, в качестве альтернативы традиционным технологическим методам для производства не прототипов или опытных образцов, а вполне товарной продукции, рисунок 1. Причем мотивацией здесь является не возможность создать что-то уникальное, с необычными свойствами, а экономическая целесообразность. В ряде случаев при объективных расчетах реальных затрат аддитивные технологии оказываются менее дорогостоящими, чем традиционные.

Рисунок 1. Детали авиационных двигателей: Лопатка турбины из никелевого сплава; Детали системы топливоподачи, материал Ti64

объективных расчетах реальных затрат аддитивные технологии оказываются менее дорогостоящими, чем традиционные.

Развитию AM-технологий в этом секторе промышленности, безусловно, способствовало существенное расширение номенклатуры металлопорошковых материалов. Если в начале нулевых годов это был перечень не более 5-6 наименований, то сегодня предлагаются десятки видов разнообразных композиций от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. И этот перечень стремительно расширяется. Одним из перспективных направлений применения AMтехнологий является изготовление технологической оснастки – приспособлений и инструментов для серийного производства. В частности, изготовление вставок для термопласт-автоматов (ТПА), рисунок 2.

Рисунок 2. Вставка для ТПА и отливки из ABS-пластика

Современное производство характеризуется относительно быстрой сменой продуктов, причем часто меняется не основные компоненты, определяющие функциональные качества продукта, а дизайн – корпусные детали, элементы декора, обычно изготавливаемые литьем, в частности и на термопласт-автоматах. По этой причине в ряде случаев отпадает необходимость в дорогостоящей инструментальной оснастке, выдерживающей десятки и сотни тысяч циклов. Посредством АМ-технологий можно сделать матрицу или пресс-форму из легкого сплава с меньшим ресурсом.

Но и для технологий традиционного литейного производства АМтехнологии дают новые возможности. Например, пресс-форма может быть «выращена» вместе с каналами охлаждения произвольной конфигурации, что невозможно сделать при обычных методах механообработки, рисунок 3.

Рисунок 3. «Выращенная» матрица пресс-формы

AM-машины 3D Systems, POM, Omtomec и Fabrisonic успешно используют для изготовления пресс-форм с медными охлаждающими сердечниками, а также с так называемой конформной системой охлаждения, конфигурация которой соответствует геометрии формуемой детали. Иными словами, каналы охлаждения прокладываются в массиве формы так, как необходимо, а не так, как позволяют традиционные технологии. Применение литейных форм с равномерным или регулируемым охлаждением позволяет сократить время пребывания отливки в форме до 30%. В данном случае AM-технологии это не противопоставление традиционной ЧПУ-обработке, а предложение новых возможностей для оптимизации затрат и повышения эффективности производства.

Обслуживание серийного производства также связано с необходимостью изготовления специальных приспособлений, шаблонов, кондукторов и т. д., и здесь применение АМ-технологий может быть экономически эффективно. Многие компании сталкиваются с проблемой оценки реального объема производства какого-либо изделия. От этого зависят затраты на технологическую подготовку. И всё чаще возникает вопрос, – какую стратегию принять: «вырастить» партию деталей на AM-машине, или делать «нормальную» оснастку, но с риском, что через короткое время потребуется внесение изменений и оснастку придется переделывать, или, что продукт «не пойдет» на рынке по каким-либо причинам?

Direct Manufacturing или «прямое производство» – изготовление металлических деталей в качестве коммерческих изделий серийной продукции также является одной из целей AM-технологий. Это направление развивается по мере того, как растет перечень строительных материалов, но говорить о серьезной конкуренции «вычитающим» технологиям пока преждевременно. Однако в ряде отраслей – авиационной промышленности, в судостроении, энергетическом машиностроении, а также дентальной медицине и восстановительной хирургии внедрение аддитивных технологий наиболее заметно. Например, российская компания ОАО «НИАТ НТК» успешно провела работы по замене сварных топливных форсунок авиационного двигателя на «выращенные» из никелевого сплава CL 100NB, рисунок 4. Результат – значительно снижен процент брака, масса изделия уменьшена на 17%.

Имеется также положительный опыт использования AMтехнологий для ремонта дорогостоящих изделий, например, рабочих органов турбин ГТД, валов (рисунок 5) и т. д., а также для нанесения защитных и износостойких покрытий (технологии DMD, LENS)). И, безусловно, АМ-технологии имеют огромное преимущество перед традиционными за счет сокращения времени и стоимости при проведении НИОКР. Здесь AM-технологии уже получили постоянную прописку. Проведение вариантных исследований, быстрое изготовление опытных образцов позволили на порядок (без преувеличений!) сократить время проведения НИОКР и, как следствие, значительно сжать сроки выхода новой продукции на рынок.

Рисунок 4. Сварная и «выращенная» топливная форсунка

Послойный метод построения детали сам по себе дал новые возможности, открыл для конструктора новые горизонты творчества, снял многие технологические ограничения. Стало возможным то, что было в принципе невозможным ранее. Можно «вырастить» «деталь в детали», можно «вырастить» деталь с переменными по толщине свойствами материала (так называемые градиентные материалы), можно «выращивать» сетчатые конструкции, которые невозможно получить ни литьем, ни механообработкой.

Рисунок 5. Восстановление деталей авиационного двигателя

Это фундаментальное преимущество аддитивных технологий и определяет их роль в современном материальном производстве. И будем помнить: то, что мы видим сейчас, это всего лишь бледные контуры будущего.

1. Машины и оборудование для «выращивания» из металла

Машины, как и технологии, можно разделить на две группы – «Bed Deposition» и «Direct Deposition». Первая предполагает использование в качестве строительного материала металлопорошковых композиций, вторая – так же и прутковых материалов. (Основные характеристики машин приведены ниже в таблицах 1, 2).

1.1 Группа Bed Deposition

На современном рынке машины, использующие SLS-технологию, представлены наиболее многочисленной по производителям и разнообразной по моделям подгруппой (таблица 1). Большая часть компанийпроизводителей в своих машинах в качестве источника энергии для соединения частиц металлопорошковых композиций использует лазер. К ним относятся:

• Concept Laser, EOS, SLM Solutions, Realizer (все Германия);
• 3D Systems (США);
• Phenix Systems (Франция, в настоящее время принадлежит 3D Systems);
• Renishaw (Великобритания).

Компания Arcam (Швеция) в своих машинах использует используется EBM-технологию.

Почти все компании, применяющие лазер, по-разному называют свои технологии, но по технической сути все они являются технологиями селективного лазерного сплавления – SLM-технологиями (Selective Laser Melting), именно это название негласно закреплено за компанией SLM Solutions.

При решении вопроса о приобретении AM-машины и рациональном обустройстве места её установки необходимо помнить, что AMмашины – это целый комплекс, включающий в себя системы для просеивания и смешения порошков, загрузки, разгрузки и очистки машины, системы фильтрации и охлаждения, системы хранения порошков, системы генерации и подачи инертных газов и др.

Особенностью технологий, использующих лучевой источник тепла, является необходимость применения специальных поддержек – своеобразных «якорей», препятствующих термическим деформациям в строящихся деталях. При построении деталей из полимерных порошков в этом нет необходимости: деталь при построении находится в массиве порошка, и функцию поддержек выполняет неспеченный порошок. При сплавлении металлических порошков концентрация тепловой энергии в рабочей камере чрезвычайно высока и без удерживающих «якорей» деталь может «уплыть», покоробиться и даже повредить элементы дозирующей системы машины. Специальное программное обеспечение AMмашины предлагает оператору конфигурацию поддержек, но многое зависит и от оператора, от его опыта и мастерства – часто приходится редактировать предлагаемое машиной решение. Кроме того, удаление поддержек – это достаточно ответственный процесс. Необходимо, вопервых, снять остаточные напряжения. Для этого нужно иметь соответствующее термическое оборудование. Во-вторых, необходимо иметь подходящий инструмент для аккуратного отделения построенной детали от платформы и последующего удаления поддерживающих структур. Втретьих, необходимо оборудование для пост-обработки построенных деталей.

Компания Concept Laser входит в группу Hofmann и производит AM-машины с 2002 г. Название технологии – LaserCUSING (в слове «Fusing» – сплавление, первая буква заменена на «С» от Concept). В машинах используются волоконные лазеры с иттербиевым легированием (Yb-лазер). Построение деталей происходит в среде защитного газа (N₂, Ar).

Модельный ряд содержит три машины. Самая маленькая – M1 cusing, рабочая зона XYZ=250x250x250 мм, мощность лазера 200 и 400 Вт, разработана специально для исследовательских целей, используется в медицинской и ювелирной промышленности, имеет диаметр пятна лазера 25 мкм, что обеспечивает высокое качество поверхности (рисунок 6).

(Экспонаты выставки Euromold 2014)

Рисунок 6. Машины M1 cusing и M2 cusing компании Concept Laser

Машина M2 cusing имеет увеличенную до 280 мм по высоте зону построения. Самая большая – X line 1000R с размерами зоны построения 630x400x500 мм, мощность лазера 1,0 кВт – разработана совместно с Фраунхоферским институтом лазерных технологий (FILT) при участии Daimler AG, вышла на рынок в 2013 г. Первая машина уже установлена на Daimler AG для «выращивания» автомобильных компонентов из алюминия. Эта работа была выполнена при поддержке Министерства образования и исследований Германии (в рамках реализации проекта «Alu generative research and development project») и является примером продуктивного государственного «вмешательства» в рыночные отношения.

Машина X line 1000R с момента разработки позиционировалась как «индустриальная машина», т. е. для серийного производства.

Компания EOS – одна из наиболее известных и успешных на рынке AM-технологий. Компания EOS в последние два года продает более 100 машин, из них треть приходится на «металлические» машины.

EOS одна из немногих европейских компаний, занявшая твердые позиции на рынке США. Американская компания Morris Technology, входящая в GE Aviation, имеет двадцать AM-машин от EOS. В настоящее время EOS выпускает четыре машины PRECIOUS M 080, EOSINT M 280, EOS M 290 и M 400, (рисунок 7).

EOS M 400 (Экспонаты выставки Euromold 2014)

Рисунок 7. Машины EOS

Свою технологию компания называет DMLS – Direct Metal Laser Sintering, однако металлографические исследования, представленные в работах, показали, что в процессе воздействия лазерного излучения происходит сплавление металла (melting), а не спекание (sintering), рисунок 8.

Рисунок 8. Структура образца из мартенситнотвердеющей стали 2709, полученного по технологии DMLS: a, b – по данным S.L. Campanelli; c, d – по данным проф. Колбасникова Н.Г.

Машины EOS имеют встроенный генератор азота, используемый при построении деталей из металлопорошковых композиций на основе железа; для титановых, никелевых и алюминиевых композиций применяют аргон.

Модель PRECIOUS M 080 вышла на рынок в 2014 г и имеет возможность работы с драгоценными металлами.

EOS интенсивно ведет работы по созданию MLS-машин (Micro Laser Sintering) с высоким разрешением, в частности, для изготовления медицинских инструментов (для эндоскопических операций), микроэлектроники и др. Опытный образец машины с размерами рабочей зоны Ø50 и высотой 30 мм позволяет строить детали с шагом 1-5 мкм и шероховатостью Ra около 2 мкм.

Компания 3D Systems (США). Отличительной чертой машин является оригинальный способ формирования слоя строительного материала, позволяющий обеспечить шаг построения 20 мкм. В настоящее время компания производит четыре базовые машины ProX 100, ProX 200, ProX 300, ProX 400, рисунок 9. Машины ProX 100, ProX 200 имеют модификацию «Dental», оснащенные дополнительными опциями для изготовления зубных коронок, мостов, имплантов. В качестве модельных материалов используются металлопорошки со средним размером частиц d₅₀= 6-9 мкм. На этих машинах также возможно изготовление деталей из керамических композиций, которые после построения требуют спекания в высокотемпературной печи. В частности, могут быть изготовлены керамические стержни для специальных видов литья.

Рисунок 9. Машины Phenix (3D Systems)

Около 50 машин Phenix Dental установлено в различных лабораториях для изготовления дентальных изделий из сплавов Co-Cr. Эти машины также могут быть эффективно использованы для проведения научно-исследовательских работ с целью изучения особенностей рабочих процессов лазерного синтеза и отработки SLM-технологий для различных порошковых композиций.

Компания SLM Solutions (Германия) – один из мировых лидеров в области технологий лазерного синтеза. В результате сотрудничества с FILT появилась наиболее современная на сегодняшний день машина SLM 500HL (рисунок 10). В качестве опции в машину может быть интегрирован второй лазер мощностью 400 или 1000 Вт. Внешний контур детали и тонкие стенки «прорабатывает» первый лазер 400 Вт, а основное тело детали – второй более мощный лазер.

 

Рисунок 10. Машины SLM Solutions

Вообще при построении сложных деталей процесс регулирования мощности лазера является крайне желательным, но весьма сложным в реализации. С одной стороны, чем больше мощность лазера, тем быстрее происходит расплавление металла и тем быстрее строится деталь. Но, с другой стороны, при этом в точку расплава подводится большое количество энергии: процесс идет очень интенсивно, со взрывным характером расплавления частиц металла – металл кипит, происходит его разбрызгивание и часть строительного материала выбрасывается из пятна расплава. Это может привести к повышенной пористости, значительному ухудшению качества поверхности.

В таких условиях построение сложных тонкостенных элементов детали становится весьма затруднительным – частицы металла просто разлетаются в стороны, а не сплавляются. Для формирования этих элементов нужен более деликатный инструмент – лазер меньшей мощности, но при этом и с уменьшенной производительностью. Сочетание двух лазеров разной мощности в машине SLM 500 HL – это удачное решение проблемы. На этой машине могут быть построены детали с толщиной отдельных фрагментов до 0,3 мм (рисунок 11). Это придает машине существенные преимущества: во-первых, значительно – до 5 раз, увеличивается скорость построения детали, и, вовторых, улучшается внутренняя структура материала и чистота внешней поверхности (Ra 5-10).

Рисунок 11. Деталь электрического устройства. Толщина рёбер 0,35 мм.

Компания Realizer (Германия) с 2010 г. самостоятельно вышла на рынок, раньше эта компания работала как фирма-партнер с SLM Solutions, поэтому унаследовала много общего в создании от прежнего сотрудничества с Realizer. Особенностью машин Realizer является оригинальная оптическая система, уменьшающая диаметр пятна лазера и позволяющая строить детали с повышенной точностью, но на уменьшенной зоне построения. В настоящее время компания выпускает четыре машины: SLM 50, SLM 100, SLM 250, SLM 300, рисунок 12.

Суть рабочего SLM-процесса иллюстрирует рисунок 13. Инертный газ (1) является расходным материалом: его поток организуют так, чтобы частицы расплавленного металла, вылетающие из пятна расплава (визуально – в виде искр), сдувались потоком газа в сторону, не засоряли и не нарушали структуру поверхности построения (6).

Рисунок 12. Машины Realizer: SLM 50, SLM 100, SLM 250, SLM 300

Из линейки машин Realizer выделяется модель SLM 50 класса Desktop, наименьшая из всех «металлических» машин и подходящая как для проведения научно-исследовательских работ, так и для изготовления ювелирных и дентальных изделий (рисунок 14). В качестве опции в машину может быть интегрирован стереомикроскоп. Машина может быть также использована в качестве агрегата для лазерной сварки.

Машина SLM 100 предназначена для изготовления малых серий деталей относительно небольшого размера с высокой точностью. Размеры зоны построения составляют 125х125х100 мм, оригинальная оптическая система фокусирует пятно лазерного луча до размера 20 мкм, что позволяет строить фрагменты детали с толщиной стенки до 60 мкм.

Рисунок 13. Рабочий процесс в машинах Realizer: 1 – инертный газ; 2 – ракель, выравнивающий слой порошка; 3 – контейнеры с металлическим порошком; 4 – механизм управления движением платформы; 5 – строящаяся деталь; 6 – поверхность построения, «bed»; 7 – сфокусированный лазерный луч

Рисунок 14. Примеры изделий, изготовленных на машине SLM 50

В машине SLM 250 опционально предусмотрена дополнительная оптическая система, позволяющая уменьшить диаметр пятна лазера с 40 до 20 мкм, а новая система подачи материала позволяет сформировать слой для построения всего за 4 с.

Компания Renishaw – одна из ведущих мировых компаний в области измерительной техники, с 2010 г. включила в свой бизнес аддитивные технологии, присоединив фирму MTT Technology. Фирма MTT Technology незадолго до этого вышла из компании SLM Solutions, но сохранила независимое производство SLM-машин. В США до 2012 г. эти машины продавались под брэндом 3D Systems. Приоритетами компании Renishaw при разработке новых AM-технологий являются решение проблемы охраны окружающей среды, снижение энергозатрат и дорогостоящих расходных материалов.

В настоящее время компанией Renishaw производится машина AM 250, конструкция которой во многом аналогична машинам SLM Solutions: рабочая зона XYZ= 250х250х300 мм, шаг построения 20-100 мм, мощность лазера 200/400 Вт, диаметр луча в зоне расплава 70 мкм (135 мкм для лазера 400 Вт), рисунок 15.

Рисунок 15. Машина AM 250

Достоинство машины AM 250, – высокая степень герметизации рабочей камеры, что позволяет производить глубокую откачку воздуха перед началом построения, и после заполнения камеры аргоном (или азотом – для нереактивных металлов) обеспечивать рабочий процесс при концентрации кислорода в камере ниже 50 ppm с весьма умеренным расходом инертного газа.

Компания Arcam – одна из немногих компаний, использующих в своих машинах EBM-технологию. Сущность технологии электроннолучевого сплавления (Electron Beam Melting) состоит в следующем. Электроны испускаются нитью накала, разогретой до 2500С, и далее, проходя через анод, разгоняются до 0,5 скорости света. Пучок электронов фокусируется магнитным полем, другим магнитным полем контролируется отклонение пучка. При достижении электронами порошка кинетическая энергия превращается в тепло и металлический порошок сплавляется. Мощность регулируют количеством электронов, рисунок 16.

Рисунок 16. Рабочий процесс в машинах Arcam

Особенностью технологии EBM является то, что процесс построения детали происходит в камере, предварительно отвакуумированной до < 1×10^-4 мбар. (Газовая среда – воздух или иной газ – создает слишком высокое сопротивление электронному лучу, поэтому рабочую камеру вакуумируют). Но это позволяет получать качественные изделия из титана и титановых сплавов. При этом обеспечивается приемлемая точность построения – на уровне ±0,2 мм на длине 100 мм. В настоящее время в производстве находятся машины 3-го поколения – Arcam Q10, Q20 и Arcam A2X, рисунок 17.

 

Рисунок 17. Машины Arcam: Arcam Q10 (Arcam Q20), Arcam A2X

Особенности технологии ограничивают размер пятна электронного пучка в зоне расплава диаметром 0,2-1,0 мм (при использовании лазера эта величина на порядок меньше), поэтому по чистоте поверхности и точности EBM-технологии уступают лазерным SLM-технологиям. Однако существует множество приложений, когда независимо от способа производства (литье или AM-технологии) деталь необходимо подвергать финишной обработке на станках с ЧПУ, и в этих случаях чистота поверхности «выращенной» детали не имеет особого значения. Не менее важным является качество внутренней структуры металла. И здесь технология Arcam имеет преимущество перед лазерными SLSтехнологиями. Ряд независимых исследователей отмечает, что при сравнительно низкой чистоте поверхности плотность материала деталей от Arcam выше, и структура материала лучше, чем при использовании лазерных технологий. Высокая производительность EBM-машин – 55-80 см³/ч (2-20 см³/ч у аналогичных по размерам лазерных машин) позволяет этим машинам занимать доминирующее положение в сфере производства серийной продукции медицинского назначения (титановых протезов, имплантов и др.). Компания Arcam продала более 120 систем в десять стран мира.

Практически все перечисленные машины либо в базовой версии, либо опционально могут работать с наиболее востребованными на индустриальном рынке металлопорошковыми композициями: инструментальные стали (тип h23), мартенситно-стареющие стали (типа 18% Ni Maraging 300), алюминиевые сплавы (AlSi10Mg, AlSi12), чистый титан и его сплавы (типа Ti6Al4V и особо чистый Ti6Al4V ELI), сплавы Co-Cr, жаропрочные стали (Inconel и др.).

Машинами ExOne и 3D Systems представлен ещё один вид технологий послойного синтеза, особенностью которого является то, что сначала в AM-машине «выращивают» так называемую «грин-модель».

Процесс «выращивания» состоит в послойном скреплении матричного материала – стального порошка. 3D Systems использует для этого плакированный металлический порошок, который предварительно смешивается в специальном миксере со связующим, обволакивающим тонким слоем частички порошка. При построении в машине лазер расплавляет связующее и связывает частички порошка между собой. Затем грин-модель помещают в печь и удаляют связующее. После этого производят инфильтрацию – пропитку модели расплавленной бронзой (рисунок 18, а также см. выше рисунок 3). Компания 3D Systems активно продвигала эту технологию в начале 2000-х годов, однако в последнее время переключилась на развитие технологии лазерного сплавления (SLM).

В машинах ExOne (США) грин-модель получают посредством технологии Ink-Jet (по классификации ASTM – Binder Jet): связующий реагент впрыскивается в процессе построения на заранее сформированный слой матричного материала. В обоих случаях грин-модель извлекают из машины, тщательно очищают от свободного порошка и помещают в печь с защитной средой (обычно N₂), где при температуре 1000-1100°С производят пропитку грин-модели расплавленной бронзой.

Рисунок 18. Схема синтеза изделия из композиций стали и бронзы

На рисунке 19 показана «выращенная» грин-модель непосредственно перед закладкой в печь. По периферии модели встык расположены питатели, на которых установлены бронзовые бруски. В печи бронза расплавляется и через питатели за счет капиллярного эффекта проникает в тело грин-модели. Так получают изделие из материала, представляющего собой конгломерат стали – 60% и бронзы – 40%. Чистота поверхности деталей достаточно высокая – Ra 5-10, минимальная толщина стенки около 1 мм. Однако прочностные свойства и твердость невысокие: предел прочности при растяжении – 610 МПа, твердость – HRC= 10-20.

Технологии Ink-Jet часто используют для быстрого изготовления оснастки для литья пластмасс (пресс-формы выдерживают до 200-500 тыс. циклов), а также для серийного производства деталей, работающих в условиях трения, – зубчатых передач, валов, втулок и т. д. Например, машины M-Print компании ExOne используют для серийного производства зубчатых колес и рабочих органов насосов (рисунок 20,). Эти машины строят грин-модели со скоростью до 6 мм/ч по высоте, при размерах рабочей зоны 780×400 мм, что равнозначно производительности 1780 см³ в час, и на порядок выше, чем при использовании лазерных технологий. В машине X1-Lab можно также «выращивать» детали из порошкового силикатного стекла с последующим спеканием.

Рисунок 19. Грин-модель вставки ТПА, технология 3D Systems

К перспективным Ink-Jet-технологиям относят технологию fcubic, приобретенную компанией Höganäs AB (Швеция). Суть её состоит в том, что вместо связующего (как у ExOne) при построении грин-модели впрыскивают специальный состав, ускоряющий поглощение теплового излучения. После построения грин-модель не извлекают из массива материала, а вместе с ним помещают в печь, где происходит спекание модели, обработанной составом, необработанная часть материала остается неспеченной. Это принципиальное отличие от технологий ExOne и 3D Systems: грин-модель не инфильтруют бронзой или иным сплавом, а спекают, обеспечивая однородность химического состава материала. В качестве строительных материалов используют титановые сплавы, нержавеющие и инструментальные стали. Данная технология накладывает определенные ограничения на размеры деталей – в пределах 10-20 мм. Фирма работает как сервис-бюро, изготавливая по заказам детали из нержавеющих сталей и цветных металлов. Заявляемые преимущества – высокая производительность и умеренная цена.

а                                                                                                         б

в                                                                                                           г

Рисунок 20. Машины ExOne: а – X1-Lab; б – M-Flex; в – M-Print; г – извлечение грин-модели из машины

Существует и другая технология, родственная fcubic – SIS-технология (Selective Inhibition Sintering), в соответствии с которой на неотверждаемую часть материала наносят ингибитор – раствор соли металла. После построения (как и в технологии fcubic) весь бункер с материалом помещают в печь, где необработанная часть материала спекается, а обработанная ингибитором остается неспеченной. На сегодняшний день эта технология не вышла из стадии научно-исследовательских разработок, пока перспективы ее коммерческой реализации остаются неясными.

Компания Matsuura Machinery предлагает гибридную технологию – сочетание SLM-технологии и механообработки. В рабочей камере машины LUMEX Avance-25 (рисунок 21) ведется послойное построение детали, как и в других AM-машинах. Через каждые 10 слоев производится чистовое фрезерование «выращенной» части детали (шпиндель 43000 мин^-1). Размеры зоны построения (обработки) – 250х250х100 мм.

Пример изготовления пресс-формы для литья корпуса фотокамеры представлен на рисунке 21. Время послойного синтеза деталей (А — слева и В – справа, рисунок 21), составляет, соответственно, 68 ч 21 мин и 36 ч; время механообработки – 29 ч 08 мин и 53 ч 30 мин. Машина предназначена главным образом для изготовления литейной оснастки с конформной системой охлаждения. LUMEX Avance-25 специально разработана для рынков Китая, Тайваня, Индонезии и др. стран ЮгоВосточной Азии, ставших мировыми центрами по производству пластмассовых изделий. Базовая цена машины около $850 тыс.

Разнообразие моделей машин позволяет сделать оптимальный выбор оборудования под конкретные задачи производства. Разработчики машин, как правило, тесно сотрудничают с университетским научным сообществом для решения фундаментальных металлургических проблем, совершенствования лазерной техники, программного обеспечения и т. д.

Общей проблемой SLM-технологий является проблема обеспечения надлежащей микроструктуры синтезированного материала, устранения пористости, в той или иной мере характерной для всех видов AMтехнологий. В ряде исследований, в частности, показано, что пористость зависит как от материала, так и от параметров режима сплавления. Например, для алюминиевых сплавов (рисунок 22) пористость может достигать 4-5%, для сплавов Ti – до 2%, тогда как для сталей – менее 0,2%. Для устранения внутренней пористости для особо ответственных деталей применяют специальные методы термической обработки и обработки давлением, включая HIP (Hot Isostatic Pressure) – горячее изостатическое прессование.

Рисунок 21. Машина LUMEX Avance-25 и пресс-форма для литья корпуса цифровой фотокамеры

Обычно каждая компания-производитель AM-машин предлагает определенный набор строительных материалов и подробную инструкцию для настройки параметров машины под каждый тип материала. Включению в список материалов предшествует длительная работа по определению оптимальных режимов построения. Зачастую эта работа проводится совместно с университетами, обладающими необходимым исследовательским оборудованием. В ходе этой работы определяются оптимальная взаимосвязь таких параметров, как мощность лазера, фракционный и химсостав порошка, шаг «штриховки» лазера (или шаг сканирования) в плоскости X-Y, шаг построения, скорость сканирования лазера (скорость лазерного луча), температура плавления материала. Чем выше скорость сканирования, тем выше производительность машины и тем меньше шероховатость поверхности, рисунок 23. Но и тем выше вероятность образования пористости. Для приведенного на рисунке 23 б варианта наилучшая плотность структуры обеспечивается при скорости сканирования 120-130 мм/с.

Рисунок 22. Микроструктура сплава AlSi9Mg.

Особое значение имеет согласование шага сканирования, свойств материала и других параметров с целью минимизации пористости и оксидных включений во внутренней структуре строящейся детали, рисунок 24.

Способ минимизации пористости предложен Yasa E. и Kruth J. (Католический университет, г. Лёвен). Суть его заключается в том, что производят повторное сплавление слоя, т. е. каждый слой «обрабатывается»

лазером дважды. В результате пористость снижается на порядок (рисунок 25), однако при этом почти вдвое увеличивается время построения детали.

Рисунок 23. Влияние скорости сканирования на шероховатость поверхности (а) и относительную плотность (б) образца, SLM-технология: Al – сплав 6061; мощность лазера 50 Вт; шаг сканирования 0,15 мм

Рисунок 24. Механизм образования пористости и оксидных включений

а                                                                                                        б

Рисунок 25. Микроструктура образца из нержавеющей стали 316L: а – без вторичного сплавления; б – с вторичным сплавлением

Технологии Sheet Lamination также следует отнести к группе Bed Deposition, поскольку здесь, как и для SLS-технологии, в процессе построения сначала формируется «bed» (постель) модельного материала, но не в виде выровненного слоя металлопорошковой композиции, а в виде тонкого листа – полимерной пленки, бумаги, металлической фольги.

AM-процесс по технологии Sheet Lamination нашел практическое воплощение применительно к металлу только в оборудовании компании Fabrisonic (США). Сущность технологии, разработанной в 90-х гг. ХХ в. компанией Solidica и называемой UAM (Ultrasonic Additive Manufacturing), заключается в следующем: металлическую фольгу накатывают роликом, к которому прикладывают нормальную силу (см. выше рисунок 13). С помощью ультразвукового генератора создают микроперемещения в направлении поперечном направлению движения ролика. В результате пластической деформации в месте контакта двух листов фольги происходит разрушение оксидной пленки, наблюдается тепловыделение, которого достаточно для диффузионного проникновения молекул одного металла в другой. Происходит своего рода сварка слоев фольги. Затем сформированный слой фольги обрабатывают фрезерованием, удаляя «лишний» металл. Таким способом получают композитные изделия из несвариваемых обычными методами материалов, например композицию сталь-титан-медь.

Данную технологию применяют как для создания композиционных материалов, так и для изготовления изделий – технологической оснастки, пресс-форм с конформной системой охлаждения, матриц для термовакуумной формовки и т. д.

Модель SonicLayer R200 с рабочей зоной 508x305x524 мм специально разработана для научных целей и малого бизнеса. Машины SonicLayer 4000 и SonicLayer 7200 (рисунок 26) с рабочей зоной, соответственно, 1016x1016x610 мм и 1829x 1829×914 мм относятся к «индустриальному» классу. В них интегрирован трёхкоординатный обрабатывающий центр. Производительность машины SonicLayer 7200 – около 60 дюйм³/ч (983 см³/ч).

Рисунок 26. Форма для литья под давлением. Машина SonicLayer 7200

Клуб компаний-производителей машин для «выращивания» деталей из металла постоянно расширяется. В 2012 г. в него вошли китайские компании Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems и Trump Precision Machinery.

Таблица 1. Основные параметры машин для послойного синтеза из металлопорошковых композиций (категория «Bed deposition»)

Модель		Рабочая зона, мм	Шаг построения, мкм	Мощность Вт	Скорость построения, см3/ч	Модельные материалы*
Concept Laser	M1 cusing	250x250x250	20-80	200	2-10	н. с. 316L и 17-4PH; и. с. h23; Ti; Al; Co-Cr; Inconel; Cu; Au; Pt; A.
	M2 cusing	250x250x280	20-80	200/400	2-20
	X line 1000R	630x400x500	30-200	1000	10-100
EOS	EOS M 280	250x250x250	20-60	200/400	10-20	н. с. 316L; Al; Fe; CoCr; Ni; Ti; Inconel
	EOS M 290	250x250x300	20-60	400	10-20
	EOS M 400	400x400x400	20-60	400/1000	10-20
	Precious M 080	80x80x95	20-60	400	10-20
SLM Solution	SLM 125	125x125x75	20-40	100/200	10-15	н. с. 316L; и. с. h23; Ti; Al; Co-Cr; Inconel; Au.
	SLM 280	250x250x350	20-75	400/1000	10-15
	SLM 500	500x280x325	20-200	400+1000/ 2×400/ 2×1000	60-70
Realiser	SLM 50	Ø70×80	20-50	20-120	5-10	н. с. 316L, Ti, и. с. h23; Ti6Al4V, Al, Inconel, CoCr, Au.
	SLM 100	125х125х100	20-100	50-200	10-15
	LM 250	250x250x300	20-100	400	10-15
	SLM 300	300x300x300	20-100	200/400/ 600/1000
Renishaw	AM 250	250x250x300	20-100	200/400	5-20	н. с. 316L и 17-4PH; и. с. h23; Ti; Al; Co-Cr; Inconel.
Arcam	Arcam Q10	200x200x180	50-200	3000	55-80	Ti; Co-Cr; Inconel.
	Arcam Q20	Ø350×380	50-200	3000	55-80
	ArcamA2X	200x200x380;	50-200	3000	55-80
3D Systems	ProX 100	100x100x80	20	50	1-5	н. с.; м. с.; Inconel; керамика
	ProX 200	140x140x100	20	300	5-10
	ProX 300	250x250x300	20	500	10-15
	ProX 400	500х500х500	10-100	2х500/1000	10-15
ExOne	X1-Lab	40x60x35	мин. 50		н/д	н. с. 316L +бронза; н. с. 420L +бронза; стекло
	M-Flex	400x250x250	мин. 100		н/д
	M-Print	780x400x400	280-500		1780
Matsuura	Lumex Avance-25	250x250x185	20	400	н/д	и. с. h23.
* н.с. – нержавеющая сталь; м.с. – мартенситностареющая сталь; и. с. – инструментальная сталь; Inconel – жаропрочные сплавы Инконель 625 и 718; н/д – нет данных

1.2 Группа Direct Deposition

К группе Direct Deposition относятся машины компаний POM Group (США), Optomec (США), Irepa Laser (Франция), InssTek (Южная Корея), Sciaky (США), таблица 2.

Компания POM (Precision Optical Manufacturing), в декабре 2012 г. приобретенная американской компанией DM3D, является разработчиком DMD-технологии, держателем патентов на оригинальные технические решения по лазерным системам и системам управления с обратной связью с одновременным регулированием в режиме реального времени основных параметров построения детали (величина подачи материала, скорость перемещения головки и мощность лазера), обеспечивающих стабильность и качество рабочего процесса.

Технология DMD позволяет производить параллельную или последовательную подачу двух видов материала с различными физикохимическими свойствами. Таким образом можно создавать биметаллические компоненты (формы для литья пластмасс: тело формы – из меди, рабочая часть – из инструментальной стали, рисунок 26 а) и наносить специальные покрытия на гильзы цилиндров, поршневые кольца, кулачковые валы, сёдла клапанов (рисунок 26 б).

а                                                                                                                              б

Рисунок 26. Технология DMD: а – комбинированная вставка ТПА; б – нанесение износостойкого покрытия на сёдла клапанов ДВС

POM Group, работающая в кооперации с компанией Trumpf (Германия), предлагает несколько моделей AM-машин. Эти машины предназначены для ремонта инструментальной оснастки (штампы, матрицы, кокили и т. д.), нанесения защитных покрытий, а также для изготовления литейных форм с конформной системой охлаждения, внутренними теплоотводными элементами и др. Возможности машин позволяют также производить детали из композитных материалов, используя несколько систем подачи разнородных порошков.

Имеется опыт создания так называемых градиентных материалов способом послойного нанесения и сплавления двух или нескольких материалов с различными физико-химическими свойствами. Новые модели 44R, 66R и IC106 (рисунок 27) используют шестиосевые роботы.

Машины DMD 105D и 505D выполнены в традиционной компоновке на базе пятиосевых обрабатывающих центров. Мощные лазеры (по выбору – от 1 до 5 кВт) обеспечивают высокую производительность – скорость синтеза составляет 24-160 см³/ч. Оригинальная система управления позволяет регулировать размер пятна расплава в зависимости от конфигурации элементов строящейся детали: уменьшая размер пятна и, соответственно, подачу материала в зону расплава при проработке тонкостенных элементов и увеличивая – при построении массивных элементов.

Рисунок 27. Машина DMD IC106

Машины DMD 105D и IC106 имеют герметичное исполнение рабочих камер для работы с реактивными материалами, модель IC106 также оснащена специальной системой мониторинга зоны расплава «ин ситу» для контроля и управления процессом создания градиентных структур. В качестве материалов используют инструментальные сплавы, стеллиты, инконель и титановые сплавы. Стоимость машин достаточно высокая – более $500 тыс., так же, как и стоимость работ.

Американская компания Optomec – один из мировых лидеров технологий Direct Deposition. Последние годы компания стабильно продает 3-4 установки в год. В настоящее время производятся модели LENS 450, LENS MR-7, предназначенные в основном для научноисследовательских целей, и LENS 850-R – для промышленного использования (рисунок 28). Машины могут быть оборудованы двумя или более бункерами для подачи разных типов материалов в зону расплава. Процесс построения деталей производится в среде аргона.

Рисунок 28. Машины Optomec LENS 450, LENS MR-7; LENS 850-R

Преимуществом машин Optomec является быстрая смена материалов – практически за минуты. Высокая скорость охлаждения, более 1000С/с, позволяет регулировать и управлять микроструктурой строящейся детали. Модели LENS 450, LENS MR-7 в базовой версии имеют три оси управления, в качестве дополнительной опции может быть установлен поворотный стол, обеспечивающий четвертую и пятую оси управления. Точность позиционирования – 0,25 мм, производительность – до 100 г/ч. Модели LENS 850-R в базовой версии имеют пять осей управления и оснащены двумя бункерами по 14 кг. В машинах используются порошки с фракционным составом 36-150 мкм.

Технология компании Irepa Laser (Франция) названа EasyCLAD (CLAD – Construction Laser Additive Directe). Коммерческую реализацию технологии осуществляет французская компания BeAM (Be Additive Manufacturing), которая предлагает четыре типа машин с возможностью выбора размеров рабочей зоны, мощности лазера и системы подвода порошкового материала в зону расплава – одноили двухсопловую. В зависимости от применяемого сопла ширина наносимого слоя варьируется от 0,6 до 5,0 мм. В рабочей камере поддерживается инертная атмосфера с содержанием O₂<40 ppm и H₂O< 50 ppm.

Машины разработаны в рамках национального проекта по созданию технологий для производства деталей аэрокосмического назначения, ремонта деталей авиационных двигателей и технологической оснастки. В качестве строительного материала применяют металлопорошковые композиции дисперсностью от 45 до 75 мкм и от 50 до 150 мкм. Система подачи материала – коаксиальная. Последняя модель – MAGIC LF6000 с рабочей зоной построения 1500x800x800 мм оснащена двумя соплами для подачи строительного материала (рисунок 29). Базовая цена машины – около € 750 тыс.

Южно-корейская компания InssTek разработала машину MX-3 (рисунок 30), имеющую 4-х киловаттный CO₂-лазер от Trumpf, пять осей управления и оснащенную многоканальной системой подачи материала. Размер рабочей зоны 1000х800х650 мм.

Оригинальную технологию применяет компания Sciaky (США), специализирующаяся на разработке технологий и оборудования для сварки. В AM-машине компании Sciaky, рисунок 31, построение детали производится методом послойного наваривания материала в расплаве, сформированном электронным лучом (рисунок 32).

Данная технология называется EBDM – Electron beam Direct Manufacturing («прямое производство посредством электронного пучка»).

Высокая производительность (7-18 кг/ч) технологии EBDM позволяет «выращивать» детали, размеры которых исчисляются метрами, что невозможно или чрезмерно дорого обеспечить при использовании других AM-технологий. Сам принцип формирования детали обусловливает низкое качество поверхности синтезированной детали, однако сочетание EBDM-технологии с тардиционными технологиями механообработки позволяет получить результат с приемлемыми затратами.

Рисунок 29. Машина MAGIC LF6000

Рисунок 30 Машина MX-3

Рисунок 31. EBDM–машина компании Sciaky

Модельным материалом является фидсток в виде металлического прутка или проволоки, что также является преимуществом технологии, поскольку в таком виде доступны материалы весьма широкого спектра: никелевые сплавы, нержавеющие и инструментальные стали, сплавы CoCr и многие другие, стоимость которых существенно ниже, чем стоимость в порошковом состоянии.

В настоящее время компания отказалась от типоразмерного ряда машин и производит только базовую модель Sciaky’s DM с размерами зоны построения 5700х1200х1200 мм – все модификации создаются непосредственно под требования заказчика. Машина позволяет в автоматическом режиме последовательно строить до 10 различных деталей в течение одного цикла вакуумизации рабочей камеры. Стоимость машины болеее $2,0 млн.

Относительно новый процесс IFF (Ion Fusion Formation) в 2004 г. запатентовала компания Honeywell Aerospace [16]. Технология относится к группе Direct Deposition и аналогична технологии Sciaky, но в качестве источника энергии для плавления используется плазматрон, ионизирующий инертный газ и генерирующий поток плазмы (рисунок 33). Температура плазмы достигает 5000-30000K. В качестве фидстока используется металлический пруток, материалы – алюминиевые и титановые сплавы, инконель, конструкционные стали и др. Опытная машина имеет размеры зоны построения 1200х1200х1800 мм. К достоинствам этой технологии относят относительно невысокую стоимость по сравнению со стоимостью лазерных систем.

Рисунок 32. Изготовление детали по технологии Sciaky

Основной рабочий орган большинства рассматриваемых здесь машин – это лазерная головка, представляющая собой чрезвычайно сложное устройство с системами фокусировки лазера, охлаждения и подачи материала, а также элементы системы управления (датчик, видеокамера и т. д.).

102 – плазматрон; 104 –механизм подачи материала; 110 – деталь; 150 – генератор плазмы; 152 – аргон; 154 – сопло; 160 –фидсток в виде прутка; 170 – поток плазмы; 172 – гелий; 174 – водяная рубашка охлаждения

Рисунок 33. Фрагмент из описания пат. США 6,680,456 B2

В процессе построения детали необходимо согласовать несколько параметров: мощность лазера, размер пятна расплава, интенсивность подачи материала, дисперсность порошкового материала, скорость движения головки, обеспечив при этом точную фокусировку подачи металлопорошковой композиции в зону расплава. В зависимости от сочетания параметров построения коэффициент использования материала может варьировать от 0,2 до 0,9, т.е. от 20 до 90% материала, поступившего через сопловые отверстия системы подачи, фактически формируют деталь.

Различные компании используют разные системы подачи материала: одноканальные, многоканальные (например, Optomec), коаксиальные (например, POM, Fraunhofer ILT), рисунки 34, 35.

Таблица 2. Основные параметры машин для послойного синтеза из металлопорошковых композиций, группа «Direct Deposition»

Фирма	AM-машина	Размеры зоны построения, мм	Источник энергии, мощн., Вт.	Толщ. слоя, мм	Производительность, см3/ч	Модельные материалы*
Optomec	LENS 450	100x100x100	400	0,3-1,0	до 80	CP Ti, Ti-64
	LENS MR-7	300x300x300	500	0,3-1,0	30-100	6264; и.с.: h23, A2, S7; н.с.: 304, 316, 420, 17-4 PH; Inc. 625, 718; Хастеллой X; Cu, Al, Стеллит 21
	LENS 850-R	1500x900x900	1000; 2000; 3000; 4000	0,3-1,0	30-150
POM (Trumpf)	DMD505D	863x863x609	1000-5000	0,2-1,2	20-150	и.с. h23, S7; 420SS, 316SS; CPM1V, CPM10V; Cermets, C250, C276; Inc. 625, 718; Waspalloy; Invar; стеллиты — 6, 21, 31; Ti, Ti- 6Al-4V
	DMD103/105D	300x300x300	1000-5000	0,2-1,2	20-150
	DMD 44R	1950x2140x 330°	1000-5000	0,2-1,2	20-150
	DMD 66R	3200x3665x 360°	1000-5000	0,2-1,2	20-150
	DMD IC106	800, 6-ти осевой робот	1000-5000	0,2-1,2	20-150
Irepa Laser (Laser Beam)	VC LF200 (LF300, 500)	400х350х200	300-500	0,1-0,3	0,5-4,0	н. c. 316L, 410; CpTi, Ti-Al- V,INCO 718, 625; Stellite 6-12-21- 25, и.с. h23, D7, T15, CPM 10V,M2, Waspalloy, 440, Hatfield steel,Cu.
	VI LF4000- -MesoCLAD -MacroCLAD	950x900x500	300-500 1000-4000	0,1-0,3 0,5-1,2	0,5-4,0 8,0-85,0
	VH LF4000 MesoCLAD MacroCLAD	650x700x500	300-500 1000-4000	0,1-0,3 0,5-1,2	0,5-4,0 8,0-85,0
	MAGIC LF6000	1500x800x800	750-4000	0,2-0,8	8-50 мм3/ч
InssTek	MX-3	1000x800x650	500-1000	н/д	н/д	P20, P21, h23, D2, стали 304, 316, 420; CP Ti, Ti-6-4; инконель 718, 738; Hastelloy X; Ni, Co-Cr, стеллиты 6, 21.
	MX-4	450x450x350		н/д	н/д
Sciaky	Sciaky’s DM	5700x1200x12 00	(электронный луч)	н/д	7-18 кг/ч	н. с.; сплавы Ti, Ni, Al.
	Honeywell Aerospace	1200х1200х18 00	(плазма)	н/д	н/д	Ti, Al, Inc., 316L.
* CP — commercially pure, коммерческий чистый; н.с – нержавеющая сталь; и. c. – инструментальная сталь; Inc. – Inconel (Инконель); CpTi – чистый титан; Ni-Base – сплавы на основе никеля;

Совершенствование систем подачи материалов ведется высокими темпами. В опытных образцах с мощными лазерами (4-10 кВт) достигнута производительность (темп осаждения материала) – 9-15 кг/ч.

а – Optomec                                                                                           б — Fraunhofer ILT

Рисунок 34. Системы подачи материала Optomec и Fraunhofer ILT

а                                                                              б

Рисунок 35. Системы подачи материала: а – коаксиальная; б –многоканальная