6.2. Компьютерные технологии

Термин «компьютерные технологии» использован для обозначения новых порошковых технологий, базирующихся на компьютерном моделировании будущего порошкового изделия и программном управлении процессом его формирования, без применения каких-либо форм. Несколько таких технологий в англоязычной литературе объединяют под названием Rapid prototyping (RP), что на русском языке можно обозначить как быстрое изготовление прототипа. RP-процесс позволяет производить модели, пилотные образцы и прототипы различных деталей непосредственно по трехмерному изображению, созданному в компьютере. Данные трехмерной компьютерной модели аналитическим методом конечных элементов преобразуются в тонкие горизонтальные слои, геометрические координаты которых воспринимаются автоматически RP-процессором. Формирование изделия (прототипа) происходит заполнением порошковыми металлическими частицами каждого горизонтального слоя, слой за слоем. Если, например, толщина слоя составляет 0,5 мм, а высота изделия 50 мм, то процесс включает поочередное формирование 100 слоев. Существует несколько разновидностей RP – процесса. Одним из таких вариантов является мультифазное струйное затвердевание (МJS-процесс), схематичное изображение которого приведено на рис.6.1. Исходным материалом, как и при инжекционном формовании, является смесь металлического порошка и легкоплавкой связки. Такая смесь нагревается до требуемой вязкости и через сопло экструдируется для формирования каждого слоя по заданной программе. Жидкое полимерное связующее затвердевает в контакте с начальной подложкой или предыдущим слоем. Для хорошего сцепления слоев процесс проводится таким образом, чтобы каждый последующий слой частично расплавлял предыдущий.

Контейнер, оборудованный нагревателем и экструдирующим соплом, размещен на координатном столе (xyz-стол). После формирования каждого слоя в горизонтальной плоскости, экструзионное сопло поднимается в z – направлении на толщину нового слоя. Высота каждого слоя выбирается от 0,1 до 0,5 мм. Заготовка формируется слой за слоем, пока не достигнет окончательной высоты. После завершения процесса формообразования заготовка, состоящая примерно из 50% (объем) порошка и 50% связки обрабатывается в растворах или нагревается для удаления связки. Затем пористая металлическая заготовка спекается до конечной плотности, которая составляет 95-98% от теоретической. На рис.6.2 показана технологическая схема процесса и внешний вид смеси, а также сырой и спеченной заготовок. Усадка пористой заготовки при спекании составляет 10-16% в зависимости от свойств исходной смеси. По описанной технологии за рубежом изготавливают детали из нержавеющей стали, титана и керамики.

Одной из модификаций MJS – процесса является получение плотных заготовок путем инфильтрации жидкого металла в пористый порошковый скелет. Инфильтрант должен быть совместимым с матричным материалом по температуре плавления, смачиваемости и др. Технология инфильтрации в комбинации с MJS – процессом позволяет повысить механические свойства изделий и уменьшить практически до нуля усадку заготовок, поскольку при инфильтрации пористый порошковый скелет не меняет свои размеры.

Одна из немецких фирм производит автоматизированное оборудование RP-Jet 200 Sistem, включающее персональный компьютер и xyz-компьютерно-контролирующую систему, представляющую собой точный координатный станок, способный перемещать в пространстве 200х200х175 мм контейнер с соплом с точностью 0,01 мм. Температура нагрева смеси в контейнере поддерживается с точностью  1С. Порошковая смесь экструдируется при температуре до 200С через сопло с отверстием от 0,5 до 2 мм в диаметре.

MJS – процесс рекомендуется для изготовления средних по размерам деталей. Точность размеров сырой заготовки  0,2 мм. Размерная точность спеченной заготовки зависит от условий удаления связки и усадки при спекании. Максимальная толщина стенки деталей – 15 мм. Поверхность заготовок обычно довольно грубая, со следами послойного формирования изделия, но сырая заготовка (до спекания) легко поддается механической или пескоструйной обработке для сглаживания поверхности.

Другой разновидностью RP-процесса является лазерная технология обработки металлических порошков. Здесь уже существует несколько технологических направлений. Одно из них базируется на применении металлических порошков, покрытых полимерной пленкой. Этот процесс называют косвенной лазерной консолидацией. Стальные порошки, покрытые полимерной пленкой толщиной 5 мкм, консолидируются за счет тепловой энергии лазерного пучка, причем процесс протекает при температуре плавления полимерной пленки. Сырые заготовки имеют высокую пористость, поэтому их сначала инфильтруют водным раствором полимера, затем удаляют связку, спекают и инфильтруют жидкой медью для повышения механических свойств.

При прямой лазерной консолидации используют смесь металлических порошков, различающихся по температуре плавления, без полимерной пленки. Одной из финских фирм запатентована смесь порошков бронзы и никеля. Отказ от полимерной добавки и операции удаления связки значительно сокращает время изготовления заготовок. Лазерная консолидация в данном случае является операцией спекания в твердой фазе, поэтому пористость заготовок достигает 30%.

Наиболее перспективная компьютерная технология с применением лазерной техники, разработана фирмой Аэромет (США). Принципиальная схема этого процесса, названного Lasform - процесс показана на рис. 6.3. Лазерный луч фокусируется в определенной точке формируемого изделия, создавая в этом месте жидкую ванну (лунку). Шихтовый материал, например, титановый порошок в нужном количестве подается в образовавшуюся лунку, и после ее перемещения из зоны действия лазерного луча, затвердевает в ней. Формуемое изделие перемещается по отношению к лазерному лучу по определенной, наперед заданной программе. Как уже это описано выше для RP – процесса, формование изделия осуществляется послойно, начиная от некоторой подложки.

Установка для производства изделий по новой технологии состоит из герметичной большой камеры 3000х3000х1200 мм, лазера мощностью 14 кВт (14 кWCO₂) и новейшей системы подачи порошка. Процесс расплавления и осаждения титанового порошка происходит в атмосфере аргона, содержащей не более 0,001% кислорода. Мощный лазер обеспечивает высокую производительность процесса (несколько килограмм в час) и создает качественную ванну жидкого металла, которую невозможно получить обычными методами дуговой сварки. Система подачи порошка обеспечивает его чистоту и быструю транспортировку. Координация лазерного луча и перемещение в пространстве изготавливаемого изделия обеспечивается трех-координатной движущейся системой, способной перемещать массу 9000 кг с точностью фиксирования  0,08 мм. Такая установка изготовлена по заказу военных ведомств США для производства изделий аэрокосмической техники. Планируется ее применение также для производства танкового вооружения и изделий, применяемых в химических производствах.

В новом процессе в качестве шихтовой заготовки могут применяться прутки, проволока и порошки, но порошки более предпочтительны, прежде всего, потому что они дешевле. Порошки должны отвечать обычным требованиям по химическому составу и текучести. Опыт работы показал, что при лазерном распылении порошка его состав практически не изменяется. Важным преимуществом нового процесса, использующего порошки, является возможность вовлечь в производство отходы, например, делать порошки из стружки. Полученные к настоящему времени изделия показали, что новая лазерная технология обеспечивает практически 100% плотность металла и высокий уровень механических свойств.