Разработка отечественных аддитивных технологий

РАЗРАБОТКА ОТЕЧЕСТВЕННЫХ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
ИЗГОТОВЛЕНИЯ И КОНТРОЛЯ ОТВЕТСТВЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ
МАШИНОСТРОЕНИЯ
РЕФЕРАТ-ПРЕЗЕНТАЦИЯ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования «Московский
государственный технологический университет «СТАНКИН»
(ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)
Авторский коллектив:
№
1.
2.
3.
4.
5.
Фамилия имя отчество, ученая степень и звание, должность по
основному месту работы
Смуров Игорь Юрьевич – научный руководитель работы,
кандидат физико-математических наук, начальник лаборатории
инновационных аддитивных технологий, ФГБОУ ВПО МГТУ
«СТАНКИН»
Конов Станислав Геннадьевич
кандидат технических наук, доцент кафедры «Измерительные
информационные системы и технологии», ФГБОУ ВПО МГТУ
«СТАНКИН»
Котобан Дмитрий Валерьевич
заместитель начальника лаборатории инновационных аддитивных
технологий, ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»
Назаров Алексей Петрович
кандидат технических наук, начальник конструкторского отдела по
проектированию
аддитивного
технологического
оборудования,
Открытое акционерное общество «Национальный институт авиационных
технологий» (ОАО НИАТ)
Сундуков Сергей Константинович
кандидат технических наук, ассистент кафедры «Технология
конструкционных
материалов»,
федеральное
государственное
бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального
образования «Московский автомобильно-дорожный государственный
технический университет (МАДИ)»
Краткое содержание.
Современные технологии производства изделий в большинстве своем основаны на
удалении материала заготовки до достижения ею требуемых геометрических размеров и
параметров. Производство с помощью аддитивных технологий (АТ) основано на процессе
послойного синтеза изделий из порошков с применением лазерного излучения для
консолидации частиц в монолитный объект заданной формы по электронной модели САПР.
Широко применяемые сегодня технологии формообработки зачастую не способны
обеспечить необходимые обоснованные элементы, содержащие сложные геометрические
формы, тонкие стенки, внутренние каналы охлаждения и прочие конструктивные
особенности, для реализации которых при помощи традиционных технологий, в частности,
приходится прибегать к сварке отдельных частей сложной детали. В последнее десятилетие
АТ получили широкое коммерческое и промышленное распространение за рубежом, так в
США и Европе насчитывается более десятка производителей установок для послойного
синтеза изделий из порошков. В России академическая и промышленная активность в
области АТ имеет стихийный, несистемный и неинтегральный в масштабе отрасли
характер: на предприятиях страны имеется порядка 50 установок для селективного
лазерного плавления (СЛП) порошков зарубежного производства, применение которых
ограничено, без внедрения в технологический цикл. Серийно-выпускаемых установок
отечественной разработки не существует, при этом зарубежные производители поставляют
технологию «под ключ», т.е. технологическую установку СЛП, номенклатуру материалов и
режимы их обработки, обеспечивающие лишь некоторые из возможных прочностных и
качественных характеристик получаемых изделий, что не позволяет полноценно внедрить
методы АТ в промышленность. Технологические режимы зачастую неизвестны (скрыты в
программном обеспечении), что не обеспечивает гибкости производства в части возможной
замены сырья и технологической установки на аналоги. Таким образом, в отечественной
промышленности сложилась проблема на пути внедрения концепции цифрового прямого
аддитивного производства, заключающаяся в существенной зависимости от импортного
оборудования для АТ, отсутствии технологий контроля геометрических параметров
точности изделий, полученных методами АТ и существенной сложности
импортозамещения по части сырьевого обеспечения аддитивного производства.
Зарубежные производители с каждым годом все больше применяют бесконтактные
измерительные системы, основанные на принципах триангуляции и фотограмметрии,
однако реализуемые на территории РФ пространственные измерительные системы ведущих
производителей не внесены в государственный реестр и не проходили испытания с целью
утверждения типа средства измерения, поэтому не могут использоваться в качестве
измерительных устройств.
Актуальность работы определяется необходимостью устранения возникшего
технологического отставания технологий отечественного цифрового производства,
создании научного задела для интенсивной коммерциализации и индустриализации АТ.
Крупные зарубежные промышленные корпорации уже организовывают собственные
научно-исследовательские центры АТ, а в ряде предприятий изделия, произведённые
методом СЛП металлических порошков, уже внедрены. Эти данные подтверждают
актуальность представленной работы в России.
Экономический эффект от внедрения АТ в масштабе предприятия, производящего
элементы авиационных двигателей, оценивается в 500-700 млн. руб., при этом
обеспечивается изменение в подходе к конструированию: улучшение массогабаритных и
иных функциональных показателей эффективности изделий.
2
Цель работы. Создание научных основ разработки отечественных технологий и
оборудования для промышленного производства методом СЛП и финишных операций
сложнопрофильных металлических деталей машиностроения с новыми функциональными
свойствами из порошков различных материалов, а также разработка проекта системы
распределенного аддитивного производства изделий.
200
Мощность лазера, Вт
150
Диаметр лазерного пятна, мкм
Длина волны лазерного излучения,
1070-1084
нм
300х300х300
Наибольшие размеры детали, мм
Наибольшая масса детали, кг
200
300х300х300
Наибольшие размеры детали, мм
10 … 80
Дисперсность порошка, мкм
Рис.1 – Разработанный опытно-промышленный образец установки селективного
лазерного плавления «НИАТ-СТАНКИН» (патент РФ № 2487779)
Научная новизна работы заключается в интегральном подходе к методам АТ,
включающему непосредственно инновационный метод производства, контроль процесса в
режиме реального времени, бесконтактный контроль параметров геометрической точности
получаемых изделий, разработку инновационных методов и стратегий производства.
Практическая значимость заключается в применении и получении оптимальных режимов
для отечественных порошковых материалов, разработке концепции и применении
современного диагностического оборудования, поддержке жизненного цикла изделий,
разработке организационной системы производства методами АТ, позволяющей в близкой
перспективе внедрить новые методы производства изделий в отечественную
промышленность.
Основные научно-технические результаты работы.
разработана и защищена российскими и зарубежными патентами новая
технологическая концепция, способы и спецификация технологий получения
многоматериального слоя из порошков различных металлов;
создана лабораторная установка СЛП порошков различных металлов,
позволяющая изготавливать сложнопрофильные детали с разнометаллическими
фрагментами (рис. 1);
разработана схема и спецификация метода непрерывного контроля процесса в ходе
производства с помощью уникального 4-канального многоволнового пирометрического
комплекса с высоким пространственным и временным разрешением;
методом параметрического анализа СЛП порошковых материалов отечественного
производства получены оптимальные параметры технологических режимов для
изготовления функциональных объектов с повышенным комплексом эксплуатационных
свойств;
разработаны методические основы применения СЛП с оптическим контролем
процесса и бесконтактными координатными измерениями для информационного
обеспечения производства сложнопрофильных изделий из отечественных порошковых
материалов;
разработана технология контроля параметров геометрической точности
поверхностей,
основанная
на
принципе
фотограмметрии,
созданы
макеты
пространственных информационно-измерительных систем (рис. 3);
3
разработаны и защищены патентами технология и оборудование для
ультразвукового упрочнения и полировки в жидкостной среде всей поверхности
аддитивного изделия, что повышает прочность поверхности в 1,1-1,5 раз и снижает
микронеровности на 5-15 мкм.
из отечественных порошков (г.Тула) изготовлены опытно-промышленные партии
различных групп сложнопрофильных деталей (рис. 2, 4).
Рис.2 – Детали, изготовленные коллективом авторов при помощи АТ по заказам
сторонних организаций по созданию облегчённых сложнопрофильных изделий
В целях решения обозначенных проблем, коллектив авторов разработал опытнопромышленный образец установки для СЛП (рис.1), методику применения различных
порошков для АТ на зарубежных образцах оборудования, в том числе провёл комплекс
успешных научно-исследовательских работ в области СЛП и контроля процесса,
направленных на определение параметров технологических режимов для зарубежных и
отечественных материалов, разработку и создание методов непрерывного контроля
процесса изготовления, разработку и создание комплекса бесконтактного контроля
геометрических параметров точности поверхностей изделий, исследование сырья,
подготовку порошков к СЛП, а также необходимые подходы, в совокупности позволяющие
подготовить аддитивные методы производства инновационных многофункциональных
изделий для применения в различных отраслях российской промышленности (рис. 2).
Диапазон измерений, м 0,7х0,7х0,8
Среднее
значение
0,1
погрешности, мм
Скорость измерений в
1000
секунду
облако точек и
Выходной
формат
триангулированная
данных
модель *.dxf, *.stl
Рис.3 – Разработанная система для бесконтактных координатных измерений СКАН-100
(патент (свидетельство) РФ №2014611300, 2012614652, 2012615525, 2012619644,
2014611826)
Последующее применение разработанной авторским коллективом системы для
ультразвукового упрочнения изделий, изготовленных методами СЛП, позволяет повышать
4
прочность изделий до 1,5 крат и значительно снизить величину поверхностных
микронеровностей.
Контроль геометрических параметров точности изделий, полученных с применением
АТ, характеризующихся поверхностями со сложной микрогеометрией, неровности которой
достигают десятых долей миллиметра, традиционными (контактными) средствами
затруднён, что определяется значительной методической погрешностью, обусловленной
невозможностью детектирования направления касания с необходимой точностью. В связи с
данным обстоятельством коллективом была разработана бесконтактная пространственная
координатно-измерительная система, основанная на принципах фотограмметрии,
используемая для определения фактических значений параметров геометрической точности
изделий, изготовленных методами АТ. Существующие технологии бесконтактных
координатных измерений поверхностей ориентированы на работу с материалами,
имеющими ярко выраженные рассеивающие свойства, поэтому при помощи специальных
алгоритмов обработки изображений и калибровки камер коллективом авторов была
разработана информационно-измерительная система для контроля поверхностей сложной
формы в машиностроении СКАН-100 (рис.3), позволяющая проводить координатные
измерения с погрешностью в диапазоне 0,05-0,2 мм в зависимости от условий измерений.
а
б
Рис.4 – Примеры опытных образцов, изготовленных в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»
по заказу сторонних предприятий: а – Мини-теплообменники из никелевого суперсплава
Инконель 625; б – облегчённое, равнопрочное литому изделие из стали 316L с двумя
спиральными внутренними каналами для контролируемой теплопроводности
Внедрение результатов работы.
Основным направлением внедрения явилась разработка комплекса технологий и
методик и изготовление на их основе опытных образцов широкой номенклатуры изделий
для нужд производственных предприятий, примеры которых приведены на рис.4. Среди
предприятий-заказчиков следует отметить такие организации как: ОАО «НИИизмерения»,
ЗАО «Инструментальные технологии», ФГУП «ЦАГИ», ОАО «Гаврилов-Ямский
машиностроительный завод «Агат» и ряд организаций малого и среднего бизнеса.
По результатам работы опубликовано 70 статей в высокорейтинговых
отечественных и зарубежных научно-рецензируемых изданиях, 25, защищенных на
территории РФ, 16 наград за участие в международных и российских выставках.
__________ И.Ю. Смуров
__________ С.Г. Конов
__________ Д.В. Котобан
__________ А.П. Назаров
__________ С.К. Сундуков
5