Лазерный мир

Шальнова С.А. // Журнал: Фундаментальные и прикладные исследования: проблемы и  результаты, Издательство: «Центр развития научного сотрудничества» (Новосибирск), номер: 26-2, год: 2016, страницы: 38-42

 АННОТАЦИЯ:

Аддитивные технологии (Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, в настоящее время являются одним из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Принцип заключается в том, что изделие создают, послойно добавляя материал различными способами, например наплавляя или напыляя металлический порошок, жидкий полимер, композитный материал. Данная концепция призвана дополнить традиционные методы производства, основанные на удалении первичного материала (например: фрезерование, точение, строгание, шлифование). В статье описаны сферы применения аддитивных технологий, их сравнение с классическими, известными много сотен лет назад, методами точного литья и литейного синтеза. Приведены преимущества аддитивных технологий, по сравнению с классическими методами, а так же существующие проблемы и способы их решения.

Аддитивные технологии сегодня – наиболее динамично развивающаяся отрасль инновационного производства, своеобразный индикатор реальной индустриальной развитости государства. Интерес к АМ-технологиям (Additive Manufacturing) не случаен: с помощью спекания материала можно производить инструменты, технологическую оснастку, детали двигателей, спутников, ракет и многое другое. Кроме того, непосредственное «выращивание» изделия на принтере по металлу является экономически оправданной альтернативой традиционным методам производства продукции в авиации, космической промышленности и энергетическом машиностроении.

Прямое лазерное выращивание – технология аддитивного производства является основой происходящей сейчас промышленной революции. Ее смысл заключается в том, что вместо традиционных широко используемых технологий литья и механической обработки, изделия изготавливаются путем выращивания из металлического порошка. Контролируемое плавление частиц порошка в поле лазерного излучения обеспечивается совмещением газопорошковой струи с лазерным лучом. Тогда частицы останутся в двухфазном состоянии, то есть будут частично жидкими и частично твердыми [5]. После кристаллизации такой материал будет иметь структуру с мелким зерном, которая является залогом высокого уровня механических свойств.

Прямое лазерное выращивание позволяет значительно увеличить производительность процесса. Например, корпус камеры сгорания для небольшого газотурбинного двигателя можно вырастить и провести поверхностную лазерную обработку, другими словами полировку поверхности, с нуля за 3 часа, в то время как при использовании традиционных технологий на это уйдет около двух недель [2].

Выигрыш производительности также заключается в том, что конструктор мгновенно видит результаты конструирования и может быстро вносить в них изменения. Процесс проектирования и создания новой техники посредством данной технологии повышается в десятки раз, поэтому внедрение в производство аддитивных технологий и называют новой технологической революцией.

Технология нашла свое применение в таких наукоемких отраслях промышленности, как авиационное двигателестроение, судовое машиностроение, производство специальных изделий для машиностроения и даже в медицине, так как позволяет производить высокоточные имплантаты суставов и костей, в том числе из титана.
Технология дает возможность комбинации нескольких газопорошковых струй и подачи различных материалов в зону выращивания, создавая тем самым изделия с градиентными свойствами, то есть одна часть детали может быть коррозионностойкой, а другая – жаростойкой. Тем самым значительно расширяются возможности конструкторов при разработке техники нового поколения [1].

Для выращивания деталей используется металлические порошки, которые имеют тот же химический состав, что и заготовки для традиционных методов обработки. Однако результаты прочностных свойств, полученные на образцах соизмеримы с заготовками полученными литьем и уступают пока штампованным. Существует и другая проблема – шероховатость поверхности, во многом определяющая эксплуатационные характеристики деталей и узлов, их износостойкость. Износостойкость определяет способность поверхностных слоев деталей сопротивляться разрушению при трении-скольжении, трении-качении, а также при микроперемещениях, обусловленных вибрациями. Износ деталей приводит к потере точности, снижению КПД, понижению прочности, увеличению динамических нагрузок, которые являются следствием увеличения в сопряжениях, повышению труда. Износ является причиной выхода из строя подавляющего большинства машин и их деталей.

Современные оптоволоконные лазеры имеют небольшие геометрические размеры, низкое энергопотребление, небольшой вес, не требуют создания специальных условий по климатике и загрязненности атмосферы, поэтому достаточно легко интегрируются в технологические линии производств практически всех отраслей промышленности [3].
Сочетание лазерных аддитивных технологий и лазерной обработки изделий в одной установке, позволяющее производить геометрически сложные и специфические 3D-детали за короткое время, представляет экономически целесообразную альтернативу классическим методам производства и обработки деталей.

Источник: http://www.zrns.ru/upload/iblock/194/%D0%A4%D0%9F%D0%98-26_%D0%A7-2.pdf