21.8. Методы формирования изделий путем наращивания поверхности

К методам формирования изделий путем наращивания поверхности обычно относят наплавку поверхностей (восстановление изношенных деталей) и ускоренное формообразование, изготовление изделий или их прототипов путем послойного наращивания микрослоев из жидкой, газообразной или твердой (в порошковом виде) фаз. Последние методы относят к высоким технологиям формообразования, так как они реализуют прямой переход от виртуального образа детали к реальному изделию, полностью готовому для использования.

Методы формирования деталей путем наращивания слоев материала имеют следующие общие признаки: деталь изготавливают на основе трехмерного компьютерного проектирования; формирование детали осуществляется путем наращивания материала слой за слоем; послойное наращивание детали происходит из жидкой фазы или из мелкодисперсных порошков с последующей модификацией в твердое состояние.

Эти технологии имеют преимущества по сравнению с обработкой резанием, литьем, штамповкой, которые заключаются в кардинальном сокращении времени на изготовление; в отсутствии ограничений, связанных с изготовлением деталей сложной формы; широких возможностях интеграции производимых деталей с завершающей стадией их изготовления (например, формы для вакуумного литья, литья под давлением, пресс-формы и т. д.).

В настоящее время используют следующие методы формирования деталей наращиванием материала: лазерная стереолитография (метод SLA - Laser Stereolitography); избирательное лазерное спекание (метод SLS – Selective Laser Sintering); изготовление слоистых моделей (метод LOM – Laminated Object Manufacturing); моделирование оплавлением (метод FDM – Fused Deposition Modeling); изготовление с применением частиц, имеющих баллистическую скорость (метод BPM – Ballistic Particle Manufacturing); изготовление путем отвердения многофазной струи (метод DMD – Direct Metal Deposition); температурная полимеризация жидкого полимера (метод LTP – Liquid Thermal Polymerization); изготовление путем прямого осаждения металла (метод DMD – Direct Metal Deposition); осаждение из газовой фазы (метод GPD – Gas Phase Deposition).

Рассмотрим сущность и некоторые особенности методов формирования изделий наращиванием поверхности, получивших наиболее широкое применение в промышленности.

Изготовление деталей или их прототипов методом лазерной стереолитографии (метод SLA) начинают с точного указания всех геометрических параметров детали в одной из сред пространственного проектирования. Высокая точность и воспроизводимость формируемой поверхности достигается за счет увеличения количества треугольников при триангуляции (рис. 21.9). С помощью управляющих программ подготовки процесса формирования детали осуществляют: конструирование технологических поддержек детали на платформе; разделение детали на слои фиксированной толщины; определение параметров формирования каждого слоя; послойный синтез детали.

Рис. 21.9. Последовательность воспроизводимости формируемой

сферической поверхности изделия (триангуляция сферы)

При изготовлении прототипа детали методом лазерной стереолитографии его геометрическое воспроизведение осуществляют путем послойного дисперсионного отвердения (фотополимеризации) с помощью лазера (рис. 21.10). Луч лазера от источника 1, управляемый компьютером, проходит по поверхности жидкого полимера 3, сканируя ее в соответствии с конфигурацией формируемого слоя. В жидкой реакционно-способной среде зарождаются активные центры (радикалы, ионы, активные комплексы), которые при взаимодействии с молекулами мономера вызывают рост полимерных цепей, ведущих к фазовому изменению облученной среды, то есть к отвердению слоя. Траектория сканирования лазерного луча по каждому слою определяет, в каком месте лазерный луч фокусируется на поверхности жидкого полимера, что приводит при полимеризации к его отвердению. В той части, где поверхность не подвергается воздействию лазерного излучения, полимеризация отсутствует. Лазерный луч последовательно сканирует сечение за сечением, что приводит к послойному наращиванию поверхности, происходит формирование изделия в виде трехмерного конструктивного элемента заданной геометрии 2.

К преимуществам метода лазерной стереолитографии относятся: возможность полной автоматизации процесса изготовления детали; высокая точность воспроизведения геометрических и конструктивных параметров деталей при любом количестве их изготовления; отсутствие ограничений на изготовление деталей любой сложной формы; возможность изготовления деталей больших размеров по частям с последующим воссозданием целой детали заданных размеров.

Метод лазерной стереолитографии имеет и недостатки. Таковыми могут быть усадка материала при полимеризации, что может привести к снижению точности размеров изделия; химическая токсичность фотомономеров и их относительно высокая стоимость; высокая чувствительность установок к изменению температуры и влажности помещения, а также к вибрациям.

Рис. 21.10. Схема получения трехмерного изделия послойным наращиванием при использовании метода стереолитографии (ЛСЛ): 1 – лазерный источник; 2 – изделие; 3 – жидкий полимер; 4 – ванна; 5 – подвижная платформа; 6 – зеркало, осуществляющее сканирование лазерного луча

Применение метода лазерной стереолитографии наиболее эффективно при моделировании и процессах сборки различных конструкций в машиностроении, в технологиях изготовления форм для литья, при изготовлении имплантантов в медицине, при производстве деталей в электронике и приборостроении.

Таким образом, метод лазерной стереолитографии наиболее выгодно использовать при необходимости быстрого изготовления прототипа детали, на основе которого возможна организация серийного тиражирования изделий. Поэтому методы лазерной стереолитографии получили в мировой практике наименование «методы быстрого изготовления прототипа изделия» (Rapid Prototyping). В настоящее время основными производителями установок для лазерной стереолитографии являются компании США и Японии.

Метод избирательного лазерного спекания (метод SLS) позволяет создавать не только прототип изделия, но и само изделие в соответствии с заданными в чертеже размерами, точностью, качеством поверхности. При изготовлении используют различные металлические и керамические порошки, полиамиды, поликарбонаты, воск, нейлон и т. д.

Установки для реализации процессов избирательного лазерного спекания (рис. 21.11) содержат следующие системы и устройства: источник лазерного излучения и оптическую систему его сканирования 1, 2; устройство послойной подачи порошкового материала и выравнивания его толщины, снабженное приводом вертикального перемещения 8; подвижную рабочую платформу 4 по оси Z; бункер для подачи порошкового материала 5.

Рис. 21.11. Принципиальная схема установки и процесса получения изделия путем

избирательного послойного наращивания: 1 – лазерный источник; 2 – оптическая система сканирования лазерного луча; 3 – готовое изделие; 4 – подвижная рабочая платформа (вдоль оси Z); 5 – бункер для подачи порошкового материала; 6 – порошковый материал;

7 – подвижный стол бункера; 8 – ролик для подачи порошка и выравнивания слоя

Управляющие данные для лазерной системы вводятся из программы, содержащей данные по пространственной геометрии изделия. Порошок послойно подается на платформу носителя и выравнивается по толщине при помощи специального ролика 8. Управляющий луч газового лазера сканирует поверхность порошка в соответствии с конфигурацией заданного сечения и инициирует локальное избирательное оплавление порошкового материала. В зонах воздействия лазерного излучения локальные участки порошкового материала принимают заданную форму сечения. Платформа носителя последовательно опускается, воссоздавая заданную управляющей программой геометрическую форму изделия.

Обычно установки избирательного лазерного спекания снабжаются устройствами подогрева камеры, которые уменьшают энергетические затраты на процесс и предотвращают деформации детали при быстром остывании после окончания процесса изготовления. Кроме того, в камеру установки подают нейтральные газы (например, аргон) для предотвращения окисления поверхностей послойно формируемого изделия.

Метод избирательного лазерного спекания обладает рядом преимуществ, среди которых: невысокая стоимость используемых материалов; низкое отрицательное техногенное влияние на окружающую среду; возможность одновременного изготовления нескольких деталей; широкая гамма материалов, из которых возможно изготовление изделий: возможность изготовления изделий «по частям» с последующей сборкой.

Методы избирательного лазерного спекания получили преимущественное применение в авиационно-космической, автомобильной, электронной промышленностях, а также в случаях необходимости ускоренного изготовления готовых изделий (в мировой практике метод получил наименование Rapid Manufacturing), например, при изготовление имплантантов в медицине, т. е. там, где необходимо ускоренное изготовления единичной продукции или продукции малых серий сложной формы.

Производство изделий методом наращивания слоистых объектов (метод LOM) основан на вырезании контуров сечения листового материала каждой секущей плоскости пространственной компьютерной модели лазерным лучом с последующим их наращиванием до полного воспроизводства изделия. Отдельные конструктивные сечения (элементы) состоят, как правило, из клейкой бумаги, фольги, пластика, металла, керамики, композитов толщиной порядка 50–500 мкм, которые соединяются между собой за счет прокатки термоваликом.

Исходные данные рассчитываются для каждого слоя (например, листа фольги) пространственной компьютерной модели и передаются в систему управления установки, в которой с помощью специальной компьютерной программы формируется теоретический профиль рассматриваемого сечения изделия. Локальные области остатков излишнего материала, подлежащего удалению, разрезаются на квадраты в единых координатах каждого среза для последующего удаления. При вырезании контура и разрезки остатков материала фольги заранее строго регламентируется расчетная глубина эффективного воздействия лазерного луча. Это позволяет ограничить воздействие лазерного луча на нижележащие слои материала и тем самым исключить структурно-фазовые изменения материала, его свойства.

После окончательного формирования изделия поверхности срезов подвергаются дополнительной обработке (шлифуются, полируются, окрашиваются лаком и т. д.). Обычно изделия, формируемые методом наращивания слоистых объектов, изготавливают из относительно недорогих листовых материалов, что резко уменьшает их себестоимость. Кроме того, изделия, полученные наращиванием слоистых объектов, отличаются высокой надежностью, прочностью, устойчивостью к деформациям.

Наряду с достоинствами методы наращивания слоистых объектов обладают и существенными недостатками, к которым относятся: ограничения по сложности конструкции изделия; достаточно большой объем удаляемого материала, что повышает себестоимость изделий; высокая вероятность расслоения сечений материала при дополнительной обработке изделия, например при шлифовании поверхностей срезов для снижения шероховатости.