Перспективы применения аддитивных технологий для изготовления заготовок и деталей изделий РКТ

Перспективы применения аддитивных технологий для изготовления

заготовок и деталей изделий РКТ

Аддитивные технологии

Аддитивные технологии (AF – Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, сегодня одно из наиболее динамично развивающихся за рубежом направлений «цифрового» производства. Данные технологии объединяет одно обстоятельство: построение детали происходит путем добавления материала (от англ. аdd – "добавлять") в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления "лишнего" материала. Селективное лазерное спекание – SLS-технология (Selective Laser Sintering), SelectiveLaserMelting) – одно из важнейших направление аддитивных технологий. Лазерное объемное формообразование металлических материалов является интенсивно развивающимся методом изготовления новых изделий особо сложной формы и является во многих случаях единственной альтернативой традиционным методам изготовления деталей литьем или на станках с ЧПУ.

2

Применение лазерной технологии

Процесс лазерного селективного спекания состоит в нагреве и последующем спекании тонкого слоя порошка лазерным излучением. Лазерные технологии создания 3-х мерных конструкционных материалов и изделий сложной формы относятся к области порошковой металлургии. Эти технологии, используя процессы объемного формообразования (спекания) металлических порошков под действием лазерного излучения, позволяют за один технологический цикл создать изделия практически любой формы и степени сложности. Процесс является преимущественно безотходным.

3

Прямое цифровое производство (Direct Digital Manufacturing)

4

Традиционное производство

Прямое цифровое производство

Значительно сокращается длительность производственного процесса, а соответственно и уменьшается его стоимость.

Чертёж

Техноло- гия

Подготовка производства

Модельная оснастка

Литейное производство

Заготовит. производство

Технологич. оснастка

Механическая обработка

Сборка

Изделие

Спец. инструмент

3d-модель

Операции послойного синтеза (аддитивный процесс)

Сборка

Изделие

Ожидаемые результаты

Применение аддитивных технологий позволит : - изготовление заготовок и изделий РКТ любой формы и степени сложности; - применение металлических порошков из многокомпонентных отечественных сплавов на основе никеля и титана , что обеспечит повышение эксплуатационных характеристик деталей; - снижение время изготовления заготовок и деталей образцов ВВСТ в 1,2-1,5 раза; - снижение расхода металла в 1,5-2 раза, повышение коэффициента использования металла (КИМ) до 0,3-0,5.

5

Развитие порошковой металлургии в мире, включая применение лазерных

технологий

6

Развитие прогрессивных технологий на 1кг порошковой продукции к 2015г.

Рынок потребления порошковой продукции вырастет на 6,5 млн. евро к 2015 г.

Основные области применения промышленной технологии ЛСС

7

Жаропрочные многокомпонентные материалы на основе никеля и титана, обеспечивающие повышенный ресурс и надежность изделий при высоких температурах эксплуатации. Объем рынка – 4-5 млрд. руб./год

Селективное лазерное сплавление

Детали авиационных двигателей

8

Фирма EOS GmbH

Фирма EOS GmbH, Krailling занимает ведущее положение в разработке технологий лазерного селективного спекания деталей из полиамида, полистирола, высокотемпературного РЕЕК, а также металлических порошковых материалов и оборудования для этой технологии. Для неметаллических и металлических материалов разработаны разные технологии и оборудования с учетом особенностей материала. В настоящее время фирма поставляет оборудование серийно по всему миру, в ней работает около 500 человек и объем прибыли составляет приблизительно один млрд. евро.

9

Такое место фирма заняла за счет постоянно проводимых исследований как

в области получения материалов, заготовок, так и разработки и усовершенствования технологий и оборудования. 10% от прибыли идет на внутренние научно-исследовательские работы. Они идут по пути повышения мощности лазера и применения для металлических порошков твердотельных лазеров, что позволит им расширить не только габариты установки (сейчас рабочая зона 250х250х325 мм), но и использовать более крупные порошки (сейчас 20-40 мкм) до 140 мкм, это в свою очередь даст возможность применять данные технологии для многокомпонетных сплавов.

10

Метод лазерного селективного спекания (ЛСС)

11

Трехмерная модель

Процесс формирования изделия

Готовое изделие

Установка ЛСС

Установки Arcam AB

Для титановых сплавов и интерметаллидов на их основе лучше подходит электронное спекание с помощью установки Arcam AB, которая позволяет проводить процесс в вакууме с подогревом. После получения заготовок по данным технологиям для металлических материалов удаляются необходимые вспомогательные поддержки, проводится дробеструйная и пескоструйная обработка, а затем полировка по технологии Best in Glass, которая обеспечивает получение идеально гладкой поверхности.

12

Проблема применения лазерных технологий в России

Технологии СЛС активно развиваются в последние годы в технологически развитых странах. Несмотря на значительный опыт, теоретический и экспериментальный, в России на сегодня практически не имеется промышленных технологий и оборудования в области СЛС. В России практически отсутствует оборудование ведущих производителей и используются в основном устаревшие установки на основе CO2-лазеров с низкой мощностью. Иностранные производители предлагают только базовые технологии со строго фиксированными температурно-скоростными параметрами и четко определенными видами используемых исходных материалов – также производимыми только у них. Таким образом, применение современного лазерного оборудования требует разработки новых технологий для получения сложнопрофильных заготовок и деталей изделий РКТ из многокомпонентных отечественных сплавов на основе никеля и титана.

13

Granulomorphometric analysis of powders

14

1

Employed powders

Employed powders

Din

De

El

SF

Wi

De, V

Asp,v

Chemical composition

4.3

4.4

13

98

96

14.5

0.574

3.8

4.4

13

100

94

19.4

0.391

4.8

5.2

21

96

88

18.8

0.401

3.4

3.7

22

95

91

17.5

0.467

3.4

3.4

11

100

100

25.5

0.315

3.8

3.9

13

100

96

21.0

0.397

2.4

2.8

16

96

100

11.2

0.684

2.4

2.7

20

94

100

5.0

1.363

3.4

3.6

18

98

93

16.7

0.482

3.4

3.5

14

100

100

9.0

0.783

11 th International SAOT Workshop, Erlangen , January 10-11, 2011

SS 316L (– 25 µm)*

In718 (– 25 µm)*

H13 (-25 µm)*

CuNi10 (– 25 µm)*

NiTi (– 45 µm)*

Ti GD2 (– 25 µm)*

SS 904L (– 16 µm)**

SS 904L (– 7 µm)**

Co212-F (– 31 µm)**

In625 (– 16 µm)**

1 Medians are indicated

µm

µm

%

%

%

µm

µm-1

% wt.

* TLS Technik GmbH & Co. ** Sandvik Osprey Ltd.

Fe bal., Ni 11.631%, Cr 17.05%, Mo 2.26%, Mn 1.06%, Si 0.74%, C 0.02%

Ni bal., Cr 17.4%, Mo 3.2%, Nb 4.75%, Fe 18.8%, Al 0.621%, Ti 0.86%, Co 0.369%, N 0.006%, O 0.005%

Fe bal., Cr 5.0%, Mo 1.3%, V 0.95%, Mn 0.4%, Si 0.9%, C 0.38%

Cu bal., Ni 10.23%

Ni bal., Ti 45%

Ti bal., C 0.008%, Fe 0.057%, O 0.16%, N 0.01%, H 0.004%

Fe bal., Ni 23-28%, Cr 19-23%, Mo 4-5%, Cu 1-2%, Si 2% max, C 0.02% max, P 0.045% max, S 0.035% max

Fe bal., Ni 26.1%, Cr 22.0%, Mo 4.5%, Mn 0.55%, Cu 1.6%, Si 0.66%, C 0.0014%, P 0.005% max, S 0.005% max

Co bal., Cr 29.2%, Mo 6.2%, Mn 0.77%, Si 0.85%, Ni 0.69%, Fe 0.16%, C 0.012%.

Ni bal., Cr 21%, Mo 8.3%, Nb 3.4%, Fe 4.6%, Si 0.37%, Mn 0.31%, Al 0.01%, Ti 0.078%, C 0.018%, Co 0.41%, P 0.01%, S 0.004%

Apparent and tap densities of employed metallic powders

15

11 th International SAOT Workshop, Erlangen , January 10-11, 2011

A powder with spherical particles has a higher random packing density, which is favorable for SLM.

decreasing particle size

less spherical and irregular particles

spherical particles

surface roughness

Технологическая схема

Сварка элементов капсул

УРиМС

Сэс

Произв-во электродов

Вип

Проверка капсул на герметич- ность

Изготовление элементов капсул

Газостат

Снв-6

Вдп

Уцр

Мехобработка и контроль качества

Отжиг

Распыление гранул

Рассев и магн. Сепарация

Эл.-Статич. Сепарация

Дегаз-я,засыпка капсулы

Гип

Фирма Avioprop S.r.L

17

Посещение фирмы Avioprop S.r.L, Carneri, Italy показало высокую востребованность данных технологий и оборудования для двигателей космической и авиационной техники. В настоящее время в этой фирме 2 установки EOS и 5 установок Arcam, в сентябре 2013 года они открывают новую площадку, где будет 12 установок EOS и 14 установок Arcam. Важно отметить, что фирма делает полный цикл от порошка до готовой детали. Главой фирмы было отмечено, что порошки - гранулы, получаемые центробежным распылением электрода, отличаются высоким качеством и стабильностью. На рисунке представлены гранулы титанового сплава ВТ6 (Ti642), получения методом центробежного распыления в ОАО «Композит», которые имеют высокое качество поверхности и низкую внутреннюю пористость.

На сегодняшний день разработаны технологии получения изделий из

зарубежных сплавов на основе Ni, Co, Fe, Ti, Al. Составы сплавов ограничены и отличаются от применяемых в изделиях РКТ. Например, сплав Inconel 718 имеет более низкие эксплуатационные характеристики по сравнению с российским сплавом ЭП741НП, и также по другим материалам.

18

Properties of the exemplar alloy (provided by the OAO

Kompozit?company)

Mechanical properties

Result

Requirement

20?

20?

20?

Tensile strength /MPa

1550

1275

Yield strength /MPa

1175

880

Elongation

18.8%

13%

650?

650?

650?

Tensile strength /MPa

1412

1195

Yield strength /MPa

/

813

Elongation

16.7%

15%

20?, 650? Durability

20?, 650? Durability

?37h

/

19

The mechanical properties of the exemplar alloy satisfy the requirement.

20

Нгк6

Ажк

Эп741нп

21

Ажк

Нгк6

Эп741нп

Необходимо отметить, что фирмы, которые занимают лидирующее положение

в области аддитивных технологий, постоянно занимаются исследованиями в первую очередь по получению материала – беспористого и с требуемым уровнем свойств, а затем лишь конфигурации детали. Причём каждый новый материал требует индивидуального подхода в разработке технологий его изготовления. Фирма Avioprop S.r.L, даже имея большой серийный заказ, планирует оставить по две машины EOS и Arcam для продолжения исследований по применению новых металлических материалов.

22

Применение современного оборудования для аддитивных технологий требует

разработки новых технологий получения беспористого материала на основе многокомпонентных отечественных сплавов для сложнопрофильных заготовок и деталей изделий РКТ, а так же разработки их конструкций с учетом указанных технологий.

23

Результаты подбора режима лазерного спекания металлопорошкового сплава

на основе никеля (ЭП741НП).

Выбор оптимальных режимов заключался в подборе мощности лазерного излучения, скорости сканирования подложки, подачи металлопорошкового материала, а также в подборе расстояния между проходами лазерного излучения.

24

Кольцевой образец, выращенный на подложке по технологии LENS

Спасибо за внимание

25