Лазерные аддитивные технологии: перспективы применения

Для России это технологическое направление также актуально. Развивается рынок оборудования и технологий 3D-печати пластиком. На выставке «Металообработка-2016» показан первый серийный российский станок для послойного спекания металлопорошков производства группы компаний «Лазеры и Аппаратура» (рис. 1). Институтами ИЛИСТ, ЦНИТМАШ, УрФУ, МГТУ им. Н. Э. Баумана созданы опытные установки аддитивного лазерного выращивания из металлических порошков. Создается опытное оборудование для аддитивного выращивания электронно-лучевым методом. Работы осуществляются в направлении разработки отечественных материалов, технологий производства деталей для различных актуальных приложений, сертификации изделий и т.д. Проводятся многочисленные конференции как научные с целью обмена достижениями, так и для широкого круга специалистов для популяризации технологий и демонстрации их новых возможностей. Безусловно, в данной ситуации мировой опыт чрезвычайно интересен.

Настоящей статьей мы начинаем обзор лазерных аддитивных технологий и оборудования, а также актуальных проблем и задач, связанных с их применением.

Ключевые особенности и отличия основных методов

Лазерные аддитивные технологии можно разделить на две группы. Различные производители могут использовать некоторые другие термины, что связано в первую очередь не с разницей в технологическом процессе, а с вопросами патентования названий.

1) SLM — Selective Laser Melting — селективное лазерное сплавление (синтез или спекание) с использованием ванны расплава (рис. 2, 3). Речь идет о наличии некой поверхности, на которой сначала формируют слой, а затем в этом слое выборочно отверждают (фиксируют) материал. К этой категории относятся такие обозначения технологии, как SLS и SLA, DMLS, Laser Cusing, SPLA и другие.

2) LMD — Laser Metal Deposition — прямое лазерное осаждение или прямое лазерное выращивание с использованием прямой подачи порошка или проволоки непосредственно вместо построения (рис. 4, 5). К этой категории относятся технологии: DMD — Direct Metal Deposition, LENS — Laser Engineered Net Shape, DM — Direct Manufacturing, MJS — Multiphase Jet Solidification.

В настоящий момент мировые лидеры в области аддитивных технологий отмечают в качестве основных преимуществ метода SLM высокую точность и качество построения. С помощью этой технологии возможно создавать практически сколь угодно сложные изделия с полостями внутри и нависающими частями. Однако скорости построения и размер выращиваемых деталей в таких системах ограничены.

Прямое осаждение, в свою очередь, позволяет вести построение с большими скоростями и в большем объеме. Исследовано значительное число материалов, однако точность здесь ниже и сложность выращиваемых деталей ограничена (рис. 6, таблица 1).

Таблица 1.

Показателен опыт изготовления одной и той же детали с применением SLM и LMD технологий. В этих целях была изготовлена опорная деталь самолета Airbus A 320, предназначенная для крепления двигателя под крыло из сплава Инконель 718. Полученная деталь должна быть устойчива к высоким температурным, химическим и механическим воздействиям. На текущий момент изготавливается при помощи литья и фрезеровки.

Кроме определенной разницы в структуре полученного материала (рис. 6) и прочности на разрыв и сжатие, обращают на себя внимание следующие различия:

LMD. Время построения составило 14 часов, скорость построения составила 146,7 куб. мм/сек. В ходе построения требовалась корректировка параметров, отсутствовали некоторые отверстия (требовалась дополнительная обработка).

SLM. Время построения составило 40 часов, скорость — 15 куб. мм/сек. При этом уровень и качество детализации были очень высокими.

Области эффективного использования

Вопросов стоит много: от сложности внедрения и сертификации деталей, производимых новым методом до ограниченного числа экспертов-технологов. Однако по большому счету эти сопутствующие вопросы и их решение — дело времени. При этом ключевой является перспективность технологии как таковой, целесообразность и эффективность внедрения аддитивных технологий в производство.

В целом производство деталей с помощью лазерных аддитивных технологий конкурентоспособно по стоимости в первую очередь в тех случаях, когда речь идет о производстве небольшого количества деталей, имеющих сложную геометрию (рис. 7). Именно этим объясняется значительный спрос на установки послойного лазерного синтеза металлических изделий в авиационной промышленности, космической индустрии, стоматологии и производстве имплантатов.

В последние годы большое внимание в самолетостроении и автомобильной промышленности уделяется технологиям, позволяющим создавать облегченные конструкции. Их применение обеспечивает дополнительную экономию горючего. При создании Airbus A380 в начале 2000-х активно внедрялась технология лазерной сварки некоторых деталей фюзеляжа взамен традиционной клепки. Тогда это позволило уменьшить вес на 15 %. В самолетостроении уменьшение веса на 1 кг позволяет сэкономить до 100 литров топлива в год, а в автомобилестроении уменьшение веса на 10 % дает экономию на топливе 4 %. Внедрение таких облегченных конструкций, как правило, требует их изготовления с помощью аддитивных лазерных технологий (рис. 8, 9, 10).

В следующих номерах журнала «Аддитивные Технологии» мы продолжим обзор оборудования и особенностей SLM-технологии.

Е.В. Раевский, А.Л. Цыганцова, группа компаний «Лазеры и аппаратура»

Использованы материалы International Laser Technology Congress 2016 (AKL’16):

1. SLM and LMD Manufacturing Processes, Dr. Wilhelm Meiners, Fraunhofer ILT, Aachen.

2. Lightweight in Automotive and Aerospace, Dr. E. h. Peter Leibinger, TRUMPF GmbH + Co. KG, Ditzingen.

3. Digital Photonic Production in Aachen, Prof.Dr.Reinhart Poprawe, Fraunhofer Institut fuer.

4. Lasertechnik ILT, Aachen. RWTH Aachen University Lehrstuhl fuer Lasertechnik LLT. Comparison LMD and SLM in Additive Manufacturing, Dipl.-Ing. Moritz Alkhayat, Fraunhofer ILT, Aachen.

Статья опубликована в журнале «Аддитивные технологии» № 1-2016.