АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ
С древнейших времён прослеживается классификация методов производства на формативные, в которых всё изделие одновременно принимает свою форму, субтрактивные, основанные на постепенном удалении материала массивного блока, и аддитивные, заключающиеся в последовательном наращивании изделия. Примером формативной технологии служит гончарное ремесло, где горшок формируется либо руками мастера, либо путём отливки шликера в форму. Известный пример субтрактивной технологии – камнетёсное мастерство скульптора, требующее просто отсекать всё лишнее. Ремесло каменщика – типично аддитивное, в котором стены заданной формы строятся и большого числа однотипных элементов – кирпичей. В современном машиностроении сложились такие формативные технологии как литьё, спекание и обработка давлением и субтрактивные технологии – обработка резанием и различные виды травления, а аддитивные технологии только начинают внедряться. Рисунок 1 схематически показывает упомянутые основные типы технологий.
Рисунок 1. Технологии формообразования
Разработанные к настоящему времени аддитивные технологии (АТ) не отличаются ни повышенной производительностью, ни экономичностью. Пока нет оснований ожидать прогресса в этих направлениях, тем не менее повсеместно наблюдается бурное развитие АТ. Связано это скорее всего с тем, что АТ наилучшим образом вписываются в современные условия начавшейся четвёртой промышленной революции [1], одним из важнейших признаков которой стало слияние цифровых и физических технологий. Да, это слияние началось со станков с числовым программным управлением (ЧПУ), работавших по субтрактивному принципу резания, впервые позволивших получать деталь по её цифровой модели практически в автоматическом режиме [2]. Тем не менее, металлорежущие станки по-прежнему требуют выбора режущего инструмента и оснастки, подходящих для конкретного типа деталей, что снижает их универсальность.
Аддитивные технологии появились в 80-х годах ХХ века и сразу отличались гораздо большей гибкостью в выборе формы, хотя в основе лежал фактически тот-же принцип ЧПУ: от цифровой модели – непосредственно к готовой детали. Стало возможным получать детали с внутренними полостями сложной формы, куда режущий инструмент просто не входит. Это позволило изменить принцип проектирования многих изделий, составляя их из меньшего числа деталей более сложной формы, сокращая число сборочных операций. Тогда АТ были известны под общим названием технологий быстрого прототипирования, подчёркивающем ограниченность в выборе материала, что зачастую не позволяло изготовить полностью функциональное изделие, а лишь его модель или прототип. Сейчас в АТ освоено большое количество обычных функциональных и конструкционных материалов, и полимерных, и керамических, и металлических. Более того, АТ могут обеспечить более широкий выбор материалов, так как могут быть совмещены с процессом синтеза материала. Это даёт преимущества, например, в области тугоплавких и наноструктурированных материалов, где даже получение заготовок традиционными методами часто вызывает серьёзные трудности. Достигнутая к настоящему времени гибкость и универсальность АТ даёт полное право называть их технологиями 3D-печати.
1. Принцип послойного наращивания
В одной из первых появившихся АТ, лазерной стереолитографии [3], процесс наращивания детали физически не мог быль организован иначе как по горизонтальным слоям, так как исходным материалом служил жидкий фотополимер, поверхность которого принимала горизонтальное положение под действием силы тяжести. Разработанный для этой технологии принцип послойного наращивания схематически показан на Рис. 2. Сначала цифровая модель объекта (1) виртуально разрезается системой параллельных плоскостей на слои (2). Затем строятся цифровые модели слоёв (3). Только после этого начинается процесс послойного наращивания (4). Как видно из этого рисунка, боковая поверхность объекта, выращенного послойно, состоит из уступов, соответствующих толщинам слоёв, ограничивающим размерную точность изготовления. Размерную точность можно повысить, уменьшив толщину слоя, но при этом снизится производительность процесса. Файлы формата STL, изначально разработанные именно для стереолитографии, позволяют произвольно менять толщину слоя, и даже разрезать модель на слои переменной толщины, если это требуется для компромисса между размерной точностью и производительностью [4]. Следует отметить, что в каждой конкретной АТ существуют физические ограничения на толщину слоя, как сверху, так и снизу. Кроме того, на размерную точность могут влиять другие факторы кроме толщины слоя, так что уменьшение её ниже определённого предела не будет иметь смысла. При необходимости применяется финишная пост-обработка, Рис. 2 (5).
К настоящему времени разработаны АТ, в которых нет необходимости следовать принципу послойного наращивания. Тем не менее, он и там часто применяется, так как упорядочивает наращивание, сводя трёхмерный объект к последовательности двумерных. В зависимости от технологии, каждый слой может выращиваться единовременно, либо, в свою очередь, разбиваться на последовательность линейных объектов, сводя геометрию уже к одномерной. В последнем случае каждый слой формируется последовательным наращиванием линейных объектов.
Рисунок 2. Послойное выращивание в аддитивных технологиях
2. Аддитивные технологии на основе порошкового слоя
Получили широкое распространение АТ, в которых слой объекта формируется селективным отверждением предварительно нанесённого слоя порошка. Простейший и эффективный способ получения тонкого слоя порошка путём его разравнивания лезвием показан на Видео 1 [5]. Одним из первых методов отверждения порошка стало предложенное в 80-х годах ХХ века так называемое селективное лазерное спекание, СЛС (в англоязычной литературе Selective laser sintering, SLS) [6] путём сканирования тонким лазерным пучком, локально нагревающим порошок до температуры спекания, обеспечивающей схватывание его частиц. Чтобы достичь приемлемой производительности, сканирование производили со скоростью, недостаточной для завершения процесса спекания, поэтому объекты, полученные методом СЛС отличались повышенной пористостью и зачастую требовали пост-обработки для её ликвидации.
Чтобы понизить остаточную пористость и тем самым повысить качество материала, температуру спекания постепенно повышали, и с развитием лазерной техники дошли до полного сплавления порошка. Так в 90-х годах ХХ века появилась технология селективного лазерного плавления, СЛП (в англоязычной литературе Selective laser melting, SLM) [7]. СЛП позволяет сразу получать функциональные изделия с литой структурой материала. Процесс консолидации порошка селективным лазерным плавлением показан на Видео 2 [8]. Здесь виден лазерный пучок, и разогретая лазером светящаяся область материала. Вылетающие вверх искры – это капли расплавленного вещества, образующиеся при лазерной обработке. В последнее время в англоязычной литературе для обозначения процесса СЛП всё чаще используется термин Laser powder bed fusion (LPBF). Никакого нового смысла он не несёт. Известны также другие синонимы и коммерческие названия.
Видео 1. Нанесение слоя порошка
Видео 2. Селективная консолидация слоя порошка лазерным сканированием в технологии СЛП
Существуют и другие методы отверждения слоёв порошка, например работающим аналогично переплавлением сканирующим электронным пучком в аддитивной технологии электронно-лучевого плавления (в англоязычной литературе Electron beam melting, EBM) [9] или локальным впрыскиванием связующего (Binder jet additive manufacturing) [10]. Вне зависимости от метода отверждения, аддитивная технология всегда заключается в попеременном нанесении слоя порошка и его отверждении, как показано на Видео 3 [8]. При отверждении должно обеспечиваться не только связывание частиц порошка между собой, но и с предыдущим (нижележащим) слоем для получения цельной детали, а не отдельных слоёв. Часть порошкового слоя вне контура детали остаётся в исходном свободнонасыпанном состоянии, поэтому по завершении процесса деталь оказывается под толстым слоем порошка. Её необходимо извлечь и очистить от остатков порошка, как показано на Видео 4 [8].
Аддитивные технологии порошкового слоя сейчас активно развиваются. Этому способствует, по-видимому, широкая номенклатура коммерчески доступных порошков и применимость к порошкам различных материалов однотипных методов нанесения порошковых слоёв и их отверждения.
Видео 3. Попеременное нанесение порошковых слоёв и их консолидация в аддитивных технологиях
Видео 4. Удаление порошка после окончания аддитивного процесса
Библиографический список