Адитивные технологии и получение металлопорошковых материалов

3. Машины и оборудование для  выращивания изделий из металла.

Машины, как и технологии, можно разделить на две основные группы. .1 Первая группа Bed Deposition SLSмашины представлены на рынке наиболее многочисленной по производителям и разнообразной по моделям группой. Большая часть компаний-производителей использует в своих машинах лазер в качестве источнике энергии для соединения частиц металлопорошковых композиций. К ним относятся:

- Arcam (Швеция);

- Concept Laser (Германия);

- EOS (Германия);

- Phenix Systems (Франция);

- Realizes (Германия);

- Renishaw (Великобритания);

- SLM Solutions (Германия);

- Systems (США).

(В машинах Arcam используется EBM-технология). Почти все компании, использующие лазер, по-разному называют свои технологии, вероятно, чтобы таким образом как-то отличит себя на рынке от конкурентов, однако по технической сути все они являются технологиями селективного лазерного сплавления – SLM-технологиями, но именно это название негласно закреплено за компанией SLM Solutions.

Общей особенностью технологий, использующих лучевой источник тепла, является необходимость применения специальных поддержек – своеобразных якорей, которые удерживают строящуюся деталь от термических деформаций. При построении деталей из полимерных порошков в этом нет необходимости, деталь при построении находится в массиве порошка, и неспеченный порошок сам выполняет функцию поддержек. 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. Соответсвующее программное обеспечениее AM-машины предлагает оператору конфигурацию поддрежек, 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, во-первых, 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. В-третьих, необходимо оборудование для пост-обработки построенных деталей. Кроме того, AM-машины – это целый комплекс, включающий в себя устройства 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. Все это необходимо иметь ввиду при решении вопроса о приобретении такой машины для рационального обустройства места инсталляции.

Компания Concept Laser входит в группу Hofmann и производит AM-машины с 2002 года. Название технологии – LaserCUSING (в слове «Fusing» – сплавление, первая буква заменена на «С» от Concept). В машинах используется волоконные лазеры с иттербиевым легированием (Yb-лазер). Построение деталей производится в среде защитного газа (, Ar). Модельный ряд содержит пять машины. Самая маленькая - Mlab, выпущена в 2011 г, разработана специально для исследовательских целей, медицинского и ювелирного рынков, имеет диаметр пятна лазера 25 мкм, что обеспечивает высокое качество поверхности. Самая большая - X line 1000R, с размерами зоны построения 630x400x500 мм разработана совместно с Фраунхоферским институтом лазерных технологий (FILT) при участии Daimler AG и выходит на рынок в 2013 году. Первая машина уже установлена на Daimler AG для выращивания автомобильных компонентов из алюминия. Отметим, что 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-технологогий, в последие 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. Например, американская компания Morris Technology (сейчас входит в GE Aviation) имеет в своем парке двадцать «металлических» AM-машин от EOS.

Свою технологию компания называет как DMLS Direct Metal Laser Sintering, хотя металлографические исследования [4, 5] показывают, что здесь происходит все-таки сплавление металла (melting), а не спекание (sintering, см. рис. 12. В настоящее время EOS выпускает машину EOSINT , улучшенную версию предыдущей модели EOSINT 270. Машина имеет встроенный генератор азота, который используется при построении деталей из металлопорошковых композиций на основе железа. Для титановых, никелевых и алюминиевых композиций используется аргон. Машина выпускается в двух модификациях – с лазером 200 Вт и 400 Вт для работы с увеличенным шагом построения. С 2013 года планируется выпуск новой машины PRECIOUS M , имеющий возможность работы с драгметаллами.

EOS также интенсивно ведет работы по созданию MLS-машин (Micro Laser Sintering) с высоким разрешением, в частности, для применения в изготовлении медицинских инструментов (для эндоскопических операций), микроэлектроники и др. Опытный образец машины с размерами рабочей зоны Ø50, высота 30 мм позволяет строить детали с шагом 1-5 мкм и шероховатостью Ra около 2 мкм. Отличительной чертой машин Phenix Systems (Франция) является оригинальный способ формирования слоя строительного материала, который позволяет обеспечить шаг

построения 20 мкм. В качестве модельных метериалов 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. Около 50 машин PXS Dental установлено в различных лабораторих для изготовления дентальных изделий из сплавов CoCr. Машины PXS также могут быть эффективно использованы для проведения НИР с целью исследований особенностей рабочих процеесов лазерного синтеза и отработки SLM-технологий для различных порошковых композиций.

                         PXL                                                                     PXM                                           PXS

Компания SLM Solution (Германия) – один из мировых лидеров в области технологий лазерного синтеза. SLM Solution, как и многие другие, активно сотрудничает с FILT, и в результате этого сотрудничесва появилась, пожалуй, наиболее продвинутая на сегодняшний день машина SLM . В качестве опции, не дешевой – около 250 тыс. евро, в машину может быть интегрирован второй лазер 1000 Вт. Внешний контур детали и тонкие стенки «прорабатывает» первый лазер 400 Вт, а основное тело детали – второй, мощный лазер.

                         SLM 280                                                      SLM 500

Вообще при построении сложных деталей регулирование мощности лазера является крайне желательным, но весьма сложным в реализации делом. Чем больше мощность лазера, тем быстрее происходит расплавление металла и тем быстрее строится деталь. Но с другой стороны, при этом в точку расплава подволится 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 разлетается 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 280 – это удачный компромисс. На машине могут быть построены детали с толщиной отдельных фрагментов до 0,3 мм. Это придает машине существенные преимущства: во-первых, значительно - до 5 раз, увеличивается скорость построения детали, и, во-вторых, улучшается внутренняя структура материала и чистота внешней поверхности (Ra 5-10). С 2013 года планируется выпуск еще одной новой машины SLS 500 с размерами зоны построения 500x280x335 мм, в которой двухлазерная система будет уже базовой.

Компания Realiser (Германия) не так давно, с 2010 года, самостоятельно вышла на рынок и раньше работала как фирма-партнер с SLM Solutions. Поэтому унаследовала и много общего от машин своего бывшего партнера. Особеностью машин является оригинальная оптическая система, уменьшающая диаметр пятна лазера и позволяющая строить детали с повышенной точностью, но на уменьшенной зоне построения.

                                      SLM 50                                                                    SLM 100

Из линейки машин Realiser следует выделить модель SLM 50 класса Desktop, наименьшую из всех «металлических» машин и хорошо подходящую как для проведения НИР, так и для изготовления ювелирных и дентальных изделий. 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 посроения 125х125х100 мм. Оригинальная оптическая система фокусирует пятно лазерного луча до размера 20 мкм, это позволяет строить фрагменты детали с толщиной стенки до 60 мкм. В машине SLM 250 опционально предусмотрена дополнительная оптическая система, позволяющая уменьшить диаметр пятна лазера с 40 мкм до 20 мкм, а новая система подачи материала позволяет сформировать слой для построения всего за 4 секунды.

Компания Renishaw - одна из ведущих мировых компаний в области измерительной техники, в 2010 г. включила в свой бизнес аддитивные технологии, приобретя фирму MTT Technology, которая незадолго до этого «развелась» с упомянутой ранее SLM Solutions, но сохранила независимое производство SLMмашин. В США эти машины продаются под брэндом Systems. При разработке новых AM-технологий компания Renishaw к своим приоритетам относит решение проблемы охраны окружающей среды, снижение энергозатрат, дорогостоящих расходных материалов и т. д. В настоящее время производятся две машины – AM 125 и AM 250, конструкции которых во многом аналогичны машинам SLM Solutions. К достоинствам машин следует отнести высокую степень герметизации рабочей каемры. Это позволяет производить глубокую откачку воздуха перед началом построения, и после заполнения камеры аргоном (или азотом для не реактивных металлов) обеспечивать рабочий процесс при концентрации кислорода в камере ниже 50 ppm с весьма умеренным расходом инертного газа.

                               SLM 125

Компания Arcam одна из немногих, которая использует в своих машинах EBM-технологию. Особенности технологии, во всяком случае, сейчас ограничивают размер пятна электронного пучка в зоне расплава диаметром 0,2 -1,0 мм, тогда как при использовании лазера эта величина на порядок меньше. Поэтому в плане чистоты поверхности и точности EBM-технологии уступают лазерным SLM-технологиям. Однако существует множество приложений, когда деталь «обречена» на финишную обработку на ЧПУ, будь она получена литьем или с помощью AM-технологий. В этих случаях чистота поверхности построенной детали не имеет значения, более важным является плотность и однородность материала. И здесь технология Arcam имеет преимущество. Ряд независимых авторов отмечает, что при сравнительно низкой частоте поверхности плотность материала деталей от Arcam выше, и его структура лучше, чем при использовании лазерных технологий. И если принять во внимание высокую производительность EBM-машин – 55-80 см3/ч против 2-20 см3/ч у аналогичных по размерам лазерных машин, то станет понятно, почему эти машины занимают доминирующее положение в сфере производства титановых протезов, иплантов и др. более-менее серийной продукции медицинского назначения. Компания продала более 100 систем в десять стран мира. Особенностью технологии Arcam является то, что процесс посроения детали происходит в камере, предварительно отвакуумированной до <1x10-4 мбар.

Arcam

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.

Практически все перечисленные машины либо в базовой версии, либо опционально могут работать с наиболее востребованными на индустриальном рынке металлопорошковыми композициями: инструментальные стали (типа H13), мартенситностареющие стали (типа 18%NiMaraging ), алюминиевые сплавы (AlSi10Mg, AlSi12), чистый титан и его сплавы (типа Ti6Al4V и особо чистый Ti6Al4V ELI), сплавы CoCr, жаропрочные стали (Inconel и др.).

Еще один вид технологий послойного синтеза представлен машинами Systems и ExOne [6]. Особенностью технологий является то, что сначала в AMмашине выращивают так называемую «green-модель» (полуфабрикат). Процесс выращивания заключается в послойном скреплении матричного материала – стального порошка. Systems использует для этого плакированный металлический порошок (порошок в специальном миксере предварительно смешивается со связующим так, что связующее тонким слоем обволакивает частички порошка). При построении в машине лазер расплавляет связующее и связывает таким образом частички порошка между собой. Затем грин-модель помещают в печь и удаляют связующее. После этого производят иак называемую инфильтрацию – пропитку модели расплавленной бронзой. Схема процесса условно показана на рис. 19. В машинах ExOne (США) грин-модель получают посредством технологии InkJet (или Binder Jet по классификации ASTM): связующий реагент впрыскивается в процессе построения на заранее сформированный слой матричного материала. И в том, и в другом 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.

На рис. 20 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 капилярного эффекта приникает в тело грин-модели. Таким образом получают изделие из материала, представляющего собой некий конгломерат стали – 60% и бронзы-40%, название которому пока не придумано. Чистота поверхности деталей достаточно хорошая – Ra 5-10, минимальная толщина стенки около 1 мм. Однако прочностные свойства невысокие: предел прочности при растяжении 610 МПа; твердость также невысока – HRC= 10-20. Эти технологии 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 – зубчатые передачи, валы, втулки и т. д. Например, машины MPrint компании ExOne используются для серийного производства зубчатых колес и рабочих органов насосов. Эти машины строят грин-модели со скоростью до 6 мм/ч по высоте, что при размерах рабочей зоны () 780x400 мм равнозначно производительности 1780 см3 в час, это на порядок выше, чем при использовании лазерных технологий. В машине MLab можно также выращивать детали из порошкового силикатного стекла (с последующим спеканием).