Перспективы применения аддитивных технологий для изготовления заготовок и деталей изделий РКТ

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. add – "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. Аддитивные технологии 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

Традиционное производство Чертёж 3D-модель Операции послойного синтеза (аддитивный процесс) Сборка Прямое цифровое производство Значительно сокращается длительность производственного процесса, а соответственно и уменьшается его стоимость. Техноло- гия Подготовка производства Модельная оснастка Технологич. оснастка Спец. инструмент Литейное производство Заготовит. производство Сборка Механическая обработка Изделие Прямое цифровое производство (Direct Digital Manufacturing) 4

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 Рынок потребления порошковой продукции вырастет на 6,5 млн. евро к 2015 г. Развитие прогрессивных технологий на 1 кг порошковой продукции к 2015 г. 6

Основные области применения промышленной технологии ЛСС Машиностроение: - детали строительной, дорожной и морской техники; - газотурбинных установок и элементы буровых установок; - детали насосов и компрессоров Ракетно-космическая промышленность: - корпуса и сопла двигателей - ротора и лопатки турбин - крыльчатки Автомобильная промышленность: - поршни дизельных двигателей и двигателей внутреннего сгорания Нефтехимическая и газовая промышленность : - бурильные трубы, - шиберы задвижек, - плунжеры и торцевые уплотнения насосов, - лопатки турбин Медицинская промышленность: - медицинский инструмент - имплантаты, эндопротезы - фильтры тонкой очистки ВИДЫ ИЗДЕЛИЙ И ОБЛАСТИ ИХ ПРИМЕНЕНИЯ 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 7

Селективное лазерное сплавление 8 Детали авиационных двигателей Лопатка турбины из никелевого сплава Детали системы топливоподачи, материал Ti – 6Al – 4V Пропеллеры и инжекторные форсунки, никелевый сплав

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. Фирма EOS GmbH 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 250 х 250 х 325 мм), но и использовать более крупные порошки (сейчас мкм) до 140 мкм, это в свою очередь даст возможность применять данные технологии для многокомпонентных сплавов. 10

Метод лазерного селективного спекания (ЛСС) Установка ЛСС Готовое изделие Процесс формирования изделия Трехмерная модель Оцифровка сканером ModelMaker и результат сканирования в виде CAD- модели 11

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. Установки Arcam AB 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 CO 2 -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 * TLS Technik GmbH & Co. ** Sandvik Osprey Ltd. Employed powders D in DeDe ElSFWiWi D e, V A sp,v Chemical composition µm %% µm -1 % wt. SS 316L (– 25 µm)* Fe bal., Ni %, Cr 17.05%, Mo 2.26%, Mn 1.06%, Si 0.74%, C 0.02% In718 (– 25 µm)* 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% H13 (-25 µm)* Fe bal., Cr 5.0%, Mo 1.3%, V 0.95%, Mn 0.4%, Si 0.9%, C 0.38% CuNi10 (– 25 µm)* Cu bal., Ni 10.23% NiTi (– 45 µm)* Ni bal., Ti 45% Ti GD2 (– 25 µm)* Ti bal., C 0.008%, Fe 0.057%, O 0.16%, N 0.01%, H 0.004% SS 904L (– 16 µm)** 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 SS 904L (– 7 µm)** Fe bal., Ni 26.1%, Cr 22.0%, Mo 4.5%, Mn 0.55%, Cu 1.6%, Si 0.66%, C %, P 0.005% max, S 0.005% max Co212-F (– 31 µm)** Co bal., Cr 29.2%, Mo 6.2%, Mn 0.77%, Si 0.85%, Ni 0.69%, Fe 0.16%, C 0.012%. In625 (– 16 µm)** 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% 1 Medians are indicated 1 11 th International SAOT Workshop, Erlangen, January 10-11,

Apparent and tap densities of employed metallic powders decreasing particle size less spherical and irregular particles surface roughnessspherical particles A powder with spherical particles has a higher random packing density, which is favorable for SLM. 11 th International SAOT Workshop, Erlangen, January 10-11,

Проверка капсул на герметичность Мехобработка и контроль качества ВИП Изготовление элементов капсул Сварка элементов капсул Отжиг ВДП УЦР УРиМС СЭС СНВ-6 газостат произв-во электродов Распыление гранул рассев и магн. сепарация эл.-статич. сепарация дегаз-я,засыпка капсулы ГИП Технологическая схема

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. Фирма Avioprop S.r.L 17

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 ResultRequirement 20 Tensile strength /MPa Yield strength /MPa Elongation18.8%13% 650 Tensile strength /MPa Yield strength /MPa/813 Elongation16.7%15% 20, 650 Durability 37h / The mechanical properties of the exemplar alloy satisfy the requirement. 19

АЖК НГК6 ЭП741НП 20

АЖКНГК6 ЭП741НП 21

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. Кольцевой образец, выращенный на подложке по технологии LENS 24

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ! 25