Перспективы применения аддитивных технологий для изготовления заготовок и деталей изделий РКТ

1. Перспективы применения аддитивных технологий для изготовления заготовок и деталей изделий РКТ

2.

Аддитивные технологии
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. аdd – "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.
2

3. 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

4. Прямое цифровое производство (Direct Digital Manufacturing)

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

5. 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

6. Развитие порошковой металлургии в мире, включая применение лазерных технологий

Развитие прогрессивных технологий на
1кг порошковой продукции к 2015г.
Млрд. $
Объем продаж оборудования
для лазерных технологий за
рубежом
16
14
12
10
8
6
4
2
0
2003
2005
2007
2009
2011
2013
Год
Рынок потребления порошковой продукции вырастет на 6,5 млн. евро к 2015 г.
6

7. Основные области применения промышленной технологии ЛСС

Ракетно-космическая промышленность:
- корпуса и сопла двигателей
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
- ротора и лопатки турбин
- крыльчатки
Машиностроение:
- детали строительной, дорожной и морской техники;
- газотурбинных установок и элементы буровых установок;
- детали насосов и компрессоров
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
7

8.

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

9.

Фирма EOS GmbH
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.
9

10.

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 250х250х325 мм), но и использовать более крупные
порошки (сейчас 20-40 мкм) до 140 мкм, это в свою очередь даст
возможность применять данные технологии для многокомпонетных
сплавов.
10

11.

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

12.

Установки Arcam AB
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.
12

13. 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 CO2-лазеров с низкой
мощностью.
Иностранные
производители
технологии
со
фиксированными
строго
предлагают
только
базовые
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

14. Granulomorphometric analysis of powders

11 th International SAOT Workshop, Erlangen , January 10-11, 2011
Granulomorphometric analysis of powders
1
Din
De
El
SF
Wi
De, V
Asp,v
Chemical composition
Employed powders
µm
µm
%
%
%
µm
µm-1
% wt.
SS 316L (– 25 µm)*
4.3
4.4
13
98
96
14.5
0.574
Fe bal., Ni 11.631%, Cr 17.05%, Mo 2.26%,
Mn 1.06%, Si 0.74%, C 0.02%
In718 (– 25 µm)*
3.8
4.4
13
100
94
19.4
0.391
H13 (-25 µm)*
4.8
5.2
21
96
88
18.8
0.401
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%
Fe bal., Cr 5.0%, Mo 1.3%, V 0.95%,
Mn 0.4%, Si 0.9%, C 0.38%
CuNi10 (– 25 µm)*
3.4
3.7
22
95
91
17.5
0.467
Cu bal., Ni 10.23%
NiTi (– 45 µm)*
3.4
3.4
11
100
100
25.5
0.315
Ni bal., Ti 45%
Ti GD2 (– 25 µm)*
3.8
3.9
13
100
96
21.0
0.397
Ti bal., C 0.008%, Fe 0.057%, O 0.16%,
N 0.01%, H 0.004%
SS 904L (– 16 µm)**
2.4
2.8
16
96
100
11.2
0.684
SS 904L (– 7 µm)**
2.4
2.7
20
94
100
5.0
1.363
Co212-F (– 31 µm)**
3.4
3.6
18
98
93
16.7
0.482
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
Fe bal., Ni 26.1%, Cr 22.0%, Mo 4.5%,
Mn 0.55%, Cu 1.6%, Si 0.66%, C 0.0014%,
P 0.005% max, S 0.005% max
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)**
3.4
3.5
14
100
100
9.0
0.783
* TLS Technik GmbH & Co.
** Sandvik Osprey Ltd.
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
14

15. Apparent and tap densities of employed metallic powders

11 th International SAOT Workshop, Erlangen , January 10-11, 2011
Apparent and tap densities of employed metallic
powders
80%
tap density
apparent density
70%
Density, % of
wrought material
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
316L(-25)
904L(-16)
decreasing particle size
904L(-7)
H13(-25)
In625(-16)
less spherical and irregular particles
In718(-25)
CoCr(-31)
CuNi(-25)
spherical particles
Ti(-25)
NiTi(45)
surface roughness
A powder with spherical particles has a higher random packing density, which is favorable for SLM.
15

16.

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

17.

Фирма Avioprop S.r.L
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.
17

18.

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

19.

Properties of the exemplar alloy (provided by the OAO
《Kompozit》company)
Mechanical properties
20℃
650℃
Result
Requirement
Tensile strength /MPa
1550
1275
Yield strength /MPa
1175
880
Elongation
18.8%
13%
Tensile strength /MPa
1412
1195
Yield strength /MPa
/
813
Elongation
16.7%
15%
37h
/
20℃, 650℃ Durability
The mechanical properties of the exemplar alloy satisfy the requirement.
19

20.

АЖК
НГК6
ЭП741НП
20

21.

АЖК
НГК6
ЭП741НП
21

22.

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

23.

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

24.

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

25.

СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ!
25