книги / Управление качеством технологии селективного лазерного спекания

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

И.В. Анциферова, Л.П. Бабенцева

УПРАВЛЕНИЕ КАЧЕСТВОМ ТЕХНОЛОГИИ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ

Монография

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2022

1

УДК 621.762.3:621.373.826:658.562 А74

Рецензенты:

канд. хим. наук А.Г. Щурик (Уральский научно-исследовательский институт композиционных материалов); канд. экон. наук Е.М. Мыльникова (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Анциферова, И.В.

А74 Управление качеством технологии селективного лазерного спекания : моногр. / И.В. Анциферова, Л.П. Бабенцева. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2022. – 71 с.

ISBN 978-5-398-02789-1

Селективное лазерное спекание – это технология быстрого прототипирования (RP) на основе порошка, в которой детали строятся с помощью CO2-лазера. Представлен оптимальный метод определения наилучшего параметра обработки селективного лазерного спекания для изготовления деталей с повышенной целостностью компонентов и сниженными общими затратами с использованием материала из нержавеющей стали. Оптимальные параметры процесса, такие как толщина слоя, мощность лазера и температура слоя детали, строятся на основе прочности и пластичности, точности размеров и твердости. Уровень значимости параметров процесса определяется с помощью абсорбционноспектрального анализа, рентгеновской и компьютерной томографии, металлографического анализа.

Издание предназначено для студентов, молодых ученых и преподавателей вузов.

УДК 621.762.3:621.373.826:658.562

2

2.2.16.Использование электронно-вычислительной техники и оборудования испытательной

3.2.Исследование влияния высокотемпературного отпуска и продолжительной выдержки на размер

4

ВВЕДЕНИЕ

Всовременных экономических условиях России необходимо проводить политику реиндустриализации на новой технологической основе с использованием цифровых технологий.

Фундаментальными факторами роста экономики являются инновации, в том числе новые технологии, новые системные технологии, новая организация труда и производства. Использование в повседневной жизни новых технологий позволяет решать задачи в разных сферах деятельности, и в частности в медицине. Фундаментальные знания за последние десятилетия привели к коренному изменению технологий и доказали доминирующую роль цифровизации.

Идеология цифровизации – это ориентация технологии на максимально эффективное использование ресурсов при повышении качества, результативности и улучшении свойств продукции.

Развитие новой техники требует создания новых конструкционных материалов, способных работать в условиях высоких ударных нагрузок, интенсивного термического воздействия, вакуума высокой степени, агрессивных сред, а иногда и в условиях солнечного облучения и космического излучения.

Всвязи с этим проблема повышения физико-механических свойств металлов и сплавов имеет большое значение для авиационной и химической промышленности, ракетной техники, радиоэлектроники, транспортного машиностроения и др. Выбор путей повышения физико-механических свойств материалов определяется конкретными условиями службы данного материала.

Впоследнее время во многих странах мира изучается возможность повышения механических свойств металлов и сплавов

спомощью деформационного упрочнения.

На сегодняшний день в эпоху быстрого роста производства на смену традиционному изготовлению изделий из порошков – «прессованию», пришел новый метод «быстрого прототипирова-

5

ния» изделий. Быстрое изготовление детали, для которого не требуются ни оснастка, ни литьевые формы.

1.Аддитивное производство на основе лазера или технология трехмерной печати приобрело огромное значение благодаря своему контролируемому цифровому и автоматизированному производственному процессу, который может обеспечить утонченную микроструктуру и превосходную прочность.

2.Аддитивные технологии (АТ) на сегодняшний день являются передовыми в направлении развития машиностроения, самолетостроения, медицины и других отраслей.

В современной экономике конкурентоспособность продукции определяется качеством изделия. Существует большое разнообразие технологий быстрого прототипирования.

Одно из перспективных направлений аддитивных технологий – это процесс селективного лазерного сплавления/спекания (далее – СЛС) металлического порошка. Металлический порошок подвергается воздействию лазерного луча при спекании порошкового слоя, нанесенного на подложку.

Процесс СЛС характеризуется глубоким взаимодействием между передачей тепла и массы вместе с химическими взаимодействиями, которые приводят к изменениям механических и теплофизических свойств материалов. Лазерное спекание повышает и прочность, и пластичность изделий одновременно. Это достигается путем активации и проектирования ее микроструктуры.

Так, к примеру, из образцов нержавеющей стали марки PH1, изготовленных методом селективного лазерного спекания, получены самые высокие механические и трибологические свойства по сравнению с методом горячего прессования и обычным литьем.

Порошки, используемые для получения изделий, должны быть очень устойчивыми к коррозии, нетоксичными и обладать хорошей усталостной стойкостью. Также стоит отметить, что порошки разного гранулометрического состава во многом будут определять качество печати. Тонкие, мягкие порошки создают детали с улучшенной поверхностью, но могут создавать и про-

6

блемы на стадии повторного покрытия, в то время как более жесткие порошки могут быть более надежными и прочными.

Технологии СЛС открывают новые возможности для изучения особенностей воздействия лазерного луча на тепловые, кинетические, реологические, диффузионные и механические процессы в неравновесных состояниях. Классические подходы (модели) порошковой металлургии перестают адекватно описывать наблюдаемые явления. Современные теории все более и более уходят от классической теории спекания. Исследование закономерностей отдельных процессов, таких как селективное лазерное спекание, позволяет проникнуть в основы прочности и пластичности материалов, полученных этим методом. Поэтому решение научно-практических задач, лежащих в основе технологии СЛС, весьма актуально.

Процессы спекания порошковых материалов исследовались

вработах С.С. Кипарисова, Г.А. Либенсона, В.Н. Анциферова, В.И. Костикова, В.А. Васильева и др.

Среди работ отечественных ученых в области феноменологии высокотемпературной пластичности и прочности металлов и сплавов следует особо отметить работы научных школ, созданных И.А. Одингом и Ю.Н. Работновым. Их многочисленные исследования фактически явились основой подхода к разработке теории ползучести материалов и элементов машиностроительных конструкций, позволили существенно уточнить представления о закономерностях воздействия пластической деформации и разрушения металлических материалов. Ими впервые был аналитически рассмотрен вопрос о единстве закономерностей длительной пластической деформации металлов и сплавов

вразличных условиях нагружения. Концепция лазерного спекания порошков основывается на теории лазерной сварки и лазерной поверхностной закалки. Нагрев локальных участков поверхности, присущий лазерному спеканию порошковых материалов, до критических температур приводит к схватыванию между собой частиц порошкового материала и к последующему

7

охлаждению с высокой скоростью. Исследованием лазерного спекания и воздействия луча на порошковые материалы занимались А.Н. Кокора, Н.Н. Рыкалин, А.А. Углов, А.Г. Григорьянц, И.В. Шишковский, И.Г. Шиганов, А.А. Соколов, И.В. Зуев, А.Н. Сафонов и др. Порошок в процессе селективного лазерного спекания подвергается мощному воздействию лазерного луча. Порошковые частицы спекаются слой за слоем до тех пор, пока рабочая часть не будет построена. В конце процесса получаем готовое 3D-изделие из металлического порошка.

Задачи современных отраслей промышленности в основном заключаются в достижении высокого качества с точки зрения точности размеров заготовки, отделки поверхности и улучшения механических характеристик при экономии затрат, повышении производительности с пониженным воздействием на окружающую среду.

Аддитивное производство регулируется стандартом ISO/ASTM 52900-15 (ГОСТ Р 57558-2017/ISO/ASTM 52900:2015 «Аддитивные технологическиепроцессы. Базовыепринципы».

8

ГЛАВА 1. СЕЛЕКТИВНОЕ ЛАЗЕРНОЕ СПЕКАНИЕ И ТЕХНОЛОГИИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ

ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ПРОЦЕССА И ПОЛУЧЕНИЯ НЕОБХОДИМЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЙ

Быстрое развитие авиационной и ракетной техники потребовало не только разработки и усовершенствования новых материалов, но и усовершенствования существующих методов оценки свойств с целью их приближения к рабочим условиям с улучшенными механическими характеристиками.

Применение аддитивных технологий позволяет обеспечить свободу выбора конфигурации изделия, оптимизировать функциональные параметры детали за счет уменьшения массы и толщины стенок, изготавливать сложнопрофильные изделия, что невозможно сделать другими методами с точки зрения экономии времени и материала.

1.1.Аддитивные технологии

иперспективы их применения

Прогресс науки и техники предполагает развитие, совершенствование и внедрение новых методов изготовления деталей. Для потребителя важно получать изделия хорошего качества. А для производителя важно изготовить деталь быстро, без проектирования и изготовления оснастки и прочих затрат, но с хорошим качеством. Сегодня ученые и инженеры нашли решения повышения качества изделий как для потребителя, так и для производителя – аддитивные технологии. В настоящее время производство продукции с меньшими затратами, в более короткие сроки стало ключевым требованием, чтобы оставаться конкурентоспособным на мировом рынке. Аддитивные технологии сегодня являются передовыми технологиями в промышленном производстве.

Технологию 3D-печати разработал американец Чарльз Халл в 1986 г. Он же разработал специальную машину для стереолито-

9

графии, подобно принтеру, и основал компанию 3D-Systems. Развитие трехмерной печати началось с развитием технологий проектирования и моделирования и нашло применение в оборонной промышленности [1]. Первые машины были очень дорогими, а материал для таких машин был ограничен.

Рынок аддитивных технологий на сегодняшний день превосходит остальные отрасли производства. Доступность технологий СЛС дает возможность изготавливать товары широкого потребления. Общеевропейский ежегодный прирост, по оценке компании IDC, к 2022 г. составит 7,4 млрд долл. 10 % средств компаний от стоимости производства товара расходуется на его прототипирование, остальные90 % ужесегодняидутвпроизводство[2–4].

Под аддитивным производством понимается выращивание деталей из металлических порошков, керамики, пластика и т.д. по технологии 3D-печати, получая совершенно новые свойства изделия всего лишь за одну стадию производства.

Также становится возможным выполнить ремонт изделия путем заполнения материалом поврежденных частей конструкций. Легкость конструкций – еще один плюс в изготовлении деталей, что являетсянемаловажнымфакторомдляпромышленности.

Аддитивные технологии проникают практически во все сферы творческой деятельности человека и способствуют разработке новых материалов. Внедрение аддитивных технологий наиболее эффективно в таких отраслях промышленности, как авиация, судостроение, энергетическое машиностроение, а также дентальная медицина и восстановительная хирургия.

В статье [5] описывается применение быстрого прототипирование (РП) и обратного инжиниринга (ВЭ) для планирования ортопедической хирургии с целью повышения эффективности и точности ортопедической хирургии. Используя симметричные характеристики человеческого тела, CAD-данные неповрежденной кости, поврежденные области генерируют из зеркального преобразования данных неповрежденной кости для неповрежденной области. Физическая модель до травмы изготавливается в процессе

10