Адитивные технологии и получение металлопорошковых материалов

МОСКОВСКИЙ

орденов Ленина, Октябрьской Революции

и Трудового Красного Знамени

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

им. Н. Э. Баумана

Кафедра МТ-12

Реферат на тему:

«Адитивные технологии

и получение металлопорошковых

материалов»

Студент ( Сосновский К.Г. ) МТ12-101

Москва - 2014

Содержание

Введение                                                                                                                                      3

1.Классификация                                                                                                                       4

2.Сферы применения «металлических» AMтехнологий                                              6

3.Машины и оборудование для выращивания изделий из металла                       8               

4. Материалы для «металлических»  AMмашин                                                            25

Введение.

 Технология  «трехмерной печати» появилась  в конце 80-х годов прошлого  века. Пионером в этой области  является компания 3D Systems, которая разработала первую коммерческую стереолитографическую машину – SLA – Stereolithography Apparatus (1986 г). До середины 90-х годов она использовалась главным образом в научно- исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. Первые лазерные машины – сначала стереолитографические (SLA- машины), затем порошковые (SLS-машины), были чрезмерно дороги, выбор модельных материалов весьма скромный. Широкое распространение цифровых технологий в области проектирования (CAD), моделирования и расчетов (CAE) и механообработки (CAM) стимулировало взрывной характер развития технологий -печати, и в настоящее время крайне сложно указать область материального производства, где в той или иной степени не использовались бы -принтеры.

И, тем не менее, прогресс не просто очевиден, он – фантастический, если иметь в виду, что первые аддитивные машины появились на рынке всего 20 лет назад. Но уже производится синтезированная металлическая технологическая оснастка, изготавливаются инструменты, детали авиалайнеров, спутников, ракет, подводных лодок, уже есть десятки тысяч протезов и имплантов, ювелирных изделий и многое другое, что невозможно было себе представить несколько лет назад. И есть все основания полагать, что аддитивные технологии уже в самое ближайшее время приобретут статус стратегически важных, приоритетных технологий машиностроения. Во всяком случае в США это уже произошло. Летом 2012 года в городе Янгстоун (Youngstown, Ohio) был открыт National Additive Manufacturing Innovation Institute NAMII– первый из 15 институтов чисто технологической направленности, создаваемых по инициативе Президента Обамы с целью, по заявлению Департамента торговли, «ускорить инновационное развитие и усилить конкурентоспособность США». Всего на создание 15-ти институтов выделено около $1 млрд. Машинный парк института уже включает 10 аддитивных машин, причем три из них Renishaw AM 250, ExOne MLab и POM Synergy 5 – это самые современные машины для синтеза деталей из металла.

В в проффесиональном языке авиастроителей есть фразеологизм “buytofly” ratio, который можно перевести как «отношение того, что купил, к тому, что полетело», т. е. сколько материала было куплено и сколько реально «полетело» в качестве детали в составе самолета. По разным данным это отношение составляет 15:1 или даже 20:1 для сложных деталей. Использование аддитивных технологий позволяет свести этот показатель до 1,5-2,0:1 [1]. Машины, строящие детали из металла - поистине верх инженерного искусства. Здесь сконцентрированы самые передовые знания по металлургии, лазерной технике, оптике, электроники, системам управления, измерительным устройствам, механике, вакуумной технике и т. д. В этой статье приведены данные по наиболее продвинутым и успешным на рынке машинам для послойного синтеза изделий из металла.

1.Классификация.

Рекомендованы два основных термина - Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), и мы будем далее говорить АМ-технологии, а также легитимные» синонимы additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication.

В международном сообществе, так же, как и в России, устоявшейся классификации аддитивных технологий пока не принято. Различные авторы подразделяют их: - по применяемым строительным или модельным материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т. д.); - по наличию или отсутствию лазера; - по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т. д.); - по методам формирования слоя. Последнее, пожалуй, единственное, что принципиально отличает два вида аддитивных технологий.

Первый вид: сначала формируют слой, например, насыпают на рабочую платформу дозу порошкового материала и разравнивают порошок с помощью ролика или «ножа», создавая таким образом ровный слой материала определенной толщины; затем выборочно (селективно) обрабатывают порошок в сформированном слое лазером или иным способом, скрепляя частички порошка (сплавляя или склеивая) в соответствии с текущим сечением исходной CAD-модели. Эта технология в англоязычной традиции называется «Bed Deposition», т. е. предполагается, что есть некая платформа – Bed (англ. - постель), на которой сначала формируют слой, а затем в этом слое выборочно отверждают строительный материал. Положение плоскости построения неизменно. При этом часть строительного материала (в данном случае - порошка) остается в созданном слое нетронутой. Этой технологии достаточно точно соответствует термин «селективный синтез» или «селективное лазерное спекание» (по-английски SLS – Selective Laser Sintering), если «отверждающим» инструментом является лазер, который здесь, в отличие от лазерной стереолитографии (SLA-технологии), является источником тепла, а не ультрафиолетового излучения.

Второй вид аддитивных технологий – «Direct Deposition», по-русски не очень точно, но более-менее понятно, можно перевести, как «прямое или непосредственное осаждение (материала)», т. е. непосредственно в точку, куда подводится энергия и где происходит в данный момент построение фрагмента детали.

Вопрос терминологии отдельно рассматривался в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), которая занимается разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. Упомянутая ASTM несколько раз возвращалась к вопросу терминологии, определений и классификации и в последней, 2012 года версии классифицирует аддитивные технологии следующим образом, разделяя их на 7 категорий: 1. Material extrusion – «выдавливание материала» 2. Material etting – «разбрызгивание материала» «струйные технологии» 3. Binder jetting – «разбрызгивание связующего»; 4. Sheet lamination – «соединение листовых материалов»; 5. Vat photopolymerization – «фотополимеризация в ванне»; 6. Powder bed fusion – «расплавление материала в заранее сформированном слое»; 7. Directed energy deposition «прямой подвод энергии непосредственно в место построения»; (Здесь дан авторский перевод, не претендующий на лаконичность и точность, но по возможности коротко характеризующий основную черту каждой технологии). К первой категории относится, например, вышеуказанная технологий MJS, в соответствии с которой в место построения модели через подогреваемый экструдер выдавливается пастообразный строительный материал – смесь металлического порошка и связующего-пластификатора. Построенную таким образом грин-модель («green» - в смысле «зеленая», не зрелая, сырая) помещают в печь для удаления связующего и дальнейшего спекания [2], как это делается в традиционных MIMтехнологиях (Metal Injection Molding). Примером следующей технологии может быть технология Polyjet, согласно которой модельный материал – обычно фотополимер или воск, подается в зону построения через многоструйную головку. В технической литературе эту технологию иногда именуют как Multi jetting Material. К третьей категории относятся так же струйные технологии или InkJet-технологии, где в отличие от технологии Material jetting, в зону построения впрыскивается не модельный материал, а связующий реагент (например, технология ExOne), К четвертой категории относят технологии, предполагающие использование в качестве строительного материала листовой материал в виде, полимерной пленки, металлической фольги, листов бумаги и т. д. Примером, здесь может быть технология UAM (ltrasonic additive manufacturing, Fabrisonic), в соответствии с которой тонкие металлические пластины сваривают с помощью ультразвука и затем «лишний» металл удаляют фрезерованием. Это, конечно, не вполне аддитивная технология, скорее, комбинация аддитивной и «вычитающей» технологии. К пятой категории относят технологии, предполагающие использование жидких модельных материалов – фотополимерных смол, в частности SLA-технология (3D Systems) и DLP-тмехнология (Digital Light Procession, Envisiontec). Это не «металлические» технологии, и в данной работе они не рассматриваются. В шестую категорию входит многочисленная группа SLS-технологий, в которых применяется лазер в качестве источника тепла, а также ряд других, не лазерных технологий, например, Arcam, где используется электронный луч, или SHS (Selective Heat Sintering (Blueprinter), в которой источником тепла являются ТЭНы. В последнюю, седьмую категорию входят технологии, согласно которым строительный материал и энергия для его сплавления подводятся одновременно в место построения изделия. Эти технологии предполагают применение машин, рабочий орган которых – головка, оснащена системами подвода строительного материала и энергии, обычно в виде сфокусированного лазерного излучения (Optomec, POM) или электронного луча (Sciaky). В ряде случаев головку устанавливают на роботизированной «руке».

2. Сферы применения «металлических»  AMтехнологий.

Обычно, когда говорят о серийном производстве, подразумевают количество, измеряемое тысячами или сотнями тысяч единиц. Однако существует и другое серийное производство, измеряемое десятками или сотнями изделий. Таких изделий, зачастую сложной геометрии, из специальных материалов достаточно много в авиационной промышленности, космической индустрии, энергетическом машиностроении и ряде других отраслей. И именно там возник интерес к AM-технологиям, «непосредственному выращиванию» металлических изделий, в качестве альтернативы традиционным технологическим методам для производства не прототипов или опытных образцов, а вполне товарной продукции. Причем мотивацией здесь является не возможность создать что-то уникальное, с необычными свойствами, а экономическая целесообразность. В ряде случаев при объективных расчетах реальных затрат аддитивные технологии оказываются менее дорогостоящими, чем традиционные.

Развитию AM-технологий в этом секторе промышленности, безусловно, способствовало существенное расширение номенклатуры металлопорошковых материалов. Если в начале нулевых годов это был перечень не более 5-6 наименований, то сегодня предлагаются десятки видов разнообразных композиций от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. И этот перечень стремительно расширяется.

Одним из перспективных направлений применения AM-технологий является изготовление технологической оснастки – приспособлений и инструментов для серийного производства. В частности, изготовление вставок для термопласт-автоматов (ТПА). Современное пост-индустриальное производство характеризуется относительно быстрой сменой продуктов, причем часто меняется не основные компоненты, определяющие функциональные качества продукта, а дизайн – корпусные детали, элементы декора, обычно изготавливаемые литьем, в частности и на термопласт-автоматах. По этой причине в ряде случаев отпадает необходимость в дорогостоящей инструментальной оснастке, выдерживающей десятки и сотни тысяч циклов. Посредством АМ-технологий можно сделать матрицу или пресс-форму из легкого сплава с меньшим ресурсом.

Но и для традиционного литейного производства технологий АМ-технологии дают новые возможности. Например, пресс-форма может быть выращена вместе с каналами охлаждения произвольной конфигурации, что невозможно сделать при обычных методах механообработки. AM-машины POM, Omtomec и Fabrisonic успешно используют для изготовления пресс-форм с медными охлаждающими сердечниками, а также с так называемой конформной системой охлаждения, конфигурация которой соответствует геометрии формуемой детали. Иными словами каналы охлаждения прокладываются в массиве формы так, как необходимо, а не так, как позволяют традиционные технологии. Применение литейных форм с равномерным или регулируемым охлаждением позволяет сократить время пребывания отливки в форме до 30%. В данном случае AM-технологии это не противопоставление традиционной ЧПУ-обработке, а предложение новых возможностей для оптимизации затрат и повышения эффективности производства.

Обслуживание серийного производства также связано с необходимостью изготовления специальных приспособлений, шаблонов, кондукторов и т. д., и здесь применение АМ-технологий может быть экономически эффективно. Многие компании сталкиваются с проблемой оценки реального объема производства какого-либо изделия. От этого зависят затраты на технологическую подготовку. И все чаще возникает вопрос, какую стратегию принять: вырастить партию деталей на AM-машине, или делать «нормальную» оснастку, но с риском, что через короткое время потребуется внесение изменений и оснастку придется переделывать, или, что продукт «не пойдет» на рынке по каким-либо причинам? Direct Manufacturing или «прямое производство» - изготовление металлических деталей в качестве коммерческих изделий, серийной продукции также является одной из целей AM-технологий. Это направление стремительно развивается по мере того как растет перечень строительных материалов, но говорить о серьезной конкуренции «вычитающим» технологиям пока преждевременно. Однако в ряде отраслей –авиационной промышленности, в судостроении, энергетическом машиностроении, а также дентальной медицине и восстановительной хирургии внедрение аддитивных технологий наиболее заметно. Например, российская компания ОАО «НИАТ НТК» успешно провела работы по замене сварных топливных форсунок авиационного двигателя на «выращенные» из никелевого сплава CL 100, рис. 8. Результат – значительно снижен процент брака, масса изделия уменьшена на 17%. Имеется также положительный опыт использования AM-технологий для ремонта дорогостоящих изделий, например, рабочих органов турбин ГТД, валов (рис. 9) и т. д., а также для нанесения защитных и износостойких покрытий (технологии DMD, LENS) [3]. И, безусловно, аддитивные технологии имею огромное преимущество перед традиционными за счет сокращении времени и стоимости при проведении НИОКР. Здесь AMтехнологии уже получили постоянную прописку. Проведение вариантных исследований, быстрое изготовление опытных образцов позволило на порядок (без преувеличений!) сократить время проведения НИОК и, как следствие, значительно сжать сроки выхода новой продукции на рынок. Послойный метод построения детали сам по себе дал новые возможности, открыл для конструктора новые горизонты творчества, снял многие технологические ограничения. Стало возможным то, что было в принципе невозможным ранее. Можно вырастить «деталь в детали», можно вырастить деталь с переменными по толщине свойствами материала (так называемые градиентные материалы), можно выращивать сетчатые конструкции, которые невозможно получить ни литьем, ни механообработкой. И т. д. и т.п. Это фундаментальное преимущество аддитивных технологий и определяет их роль в современном материальном производстве. И будем помнить, то, что мы видим сейчас, это всего лишь бледные контуры будущего.

3. Машины и оборудование для  выращивания изделий из металла.

Машины, как и технологии, можно разделить на две основные группы. .1 Первая группа Bed Deposition SLSмашины представлены на рынке наиболее многочисленной по производителям и разнообразной по моделям группой. Большая часть компаний-производителей использует в своих машинах лазер в качестве источнике энергии для соединения частиц металлопорошковых композиций. К ним относятся:

- Arcam (Швеция);

- Concept Laser (Германия);

- EOS (Германия);

- Phenix Systems (Франция);

- Realizes (Германия);

- Renishaw (Великобритания);

- SLM Solutions (Германия);

- Systems (США).

(В машинах Arcam используется EBM-технология). Почти все компании, использующие лазер, по-разному называют свои технологии, вероятно, чтобы таким образом как-то отличит себя на рынке от конкурентов, однако по технической сути все они являются технологиями селективного лазерного сплавления – SLM-технологиями, но именно это название негласно закреплено за компанией SLM Solutions.

Общей особенностью технологий, использующих лучевой источник тепла, является необходимость применения специальных поддержек – своеобразных якорей, которые удерживают строящуюся деталь от термических деформаций. При построении деталей из полимерных порошков в этом нет необходимости, деталь при построении находится в массиве порошка, и неспеченный порошок сам выполняет функцию поддержек. При сплавлении металлических порошков концентрация тепловой энергии в рабочей камере чрезвычайно высока, и без удерживающих «якорей» деталь может «уплыть», покоробиться и даже повредить элементы дозирующей системы машины. Соответсвующее программное обеспечениее AM-машины предлагает оператору конфигурацию поддрежек, но многое зависит и от оператора, от его опыта и мастерства – часто приходится редактировать предлагаемое машиной решение. Кроме того, удаление поддержек – это достаточно ответственный процесс. Необходимо, во-первых, снять остаточные напряжения. Для этого нужно иметь соответствующее термическое оборудование. Во-вторых, необходимо иметь подходящий инструмент для аккуратного отделения построенной детали от платформы и последующего удаления поддерживающих структур. В-третьих, необходимо оборудование для пост-обработки построенных деталей. Кроме того, AM-машины – это целый комплекс, включающий в себя устройства для просеивания и смешения порошков, загрузки, разгрузки и очистки машины, системы фильтрации и охлаждения, системы хранения порошков, системы генерации и подачи инертных газов и др. Все это необходимо иметь ввиду при решении вопроса о приобретении такой машины для рационального обустройства места инсталляции.

Компания Concept Laser входит в группу Hofmann и производит AM-машины с 2002 года. Название технологии – LaserCUSING (в слове «Fusing» – сплавление, первая буква заменена на «С» от Concept). В машинах используется волоконные лазеры с иттербиевым легированием (Yb-лазер). Построение деталей производится в среде защитного газа (, Ar). Модельный ряд содержит пять машины. Самая маленькая - Mlab, выпущена в 2011 г, разработана специально для исследовательских целей, медицинского и ювелирного рынков, имеет диаметр пятна лазера 25 мкм, что обеспечивает высокое качество поверхности. Самая большая - X line 1000R, с размерами зоны построения 630x400x500 мм разработана совместно с Фраунхоферским институтом лазерных технологий (FILT) при участии Daimler AG и выходит на рынок в 2013 году. Первая машина уже установлена на Daimler AG для выращивания автомобильных компонентов из алюминия. Отметим, что эта работа была выполнена при поддержке Министерства образования и исследований Германии (в рамках реализации проекта "Alu generative research and development project“) и является примером продуктивного государственного «вмешательства» в рыночные отношения. Машина X line 1000R с момента разработки позиционировалась как «индустриальная машина», т. е. для серийного производства.

Компания EOS – одна из наиболее известных и успешных на рынке AM-технологогий, в последие два года продает более 100 машин, из них треть приходится на «металлические» машины. EOS одна из немногих европейских компаний, занявшая твердые позиции на рынке США. Например, американская компания Morris Technology (сейчас входит в GE Aviation) имеет в своем парке двадцать «металлических» AM-машин от EOS.

Свою технологию компания называет как DMLS Direct Metal Laser Sintering, хотя металлографические исследования [4, 5] показывают, что здесь происходит все-таки сплавление металла (melting), а не спекание (sintering, см. рис. 12. В настоящее время EOS выпускает машину EOSINT , улучшенную версию предыдущей модели EOSINT 270. Машина имеет встроенный генератор азота, который используется при построении деталей из металлопорошковых композиций на основе железа. Для титановых, никелевых и алюминиевых композиций используется аргон. Машина выпускается в двух модификациях – с лазером 200 Вт и 400 Вт для работы с увеличенным шагом построения. С 2013 года планируется выпуск новой машины PRECIOUS M , имеющий возможность работы с драгметаллами.

EOS также интенсивно ведет работы по созданию MLS-машин (Micro Laser Sintering) с высоким разрешением, в частности, для применения в изготовлении медицинских инструментов (для эндоскопических операций), микроэлектроники и др. Опытный образец машины с размерами рабочей зоны Ø50, высота 30 мм позволяет строить детали с шагом 1-5 мкм и шероховатостью Ra около 2 мкм. Отличительной чертой машин Phenix Systems (Франция) является оригинальный способ формирования слоя строительного материала, который позволяет обеспечить шаг

построения 20 мкм. В качестве модельных метериалов используются металлопорошки со средним размером частиц d50= 6-9 мкм. На этих машинах также возможно изготовление деталей из керамических композиций, которые после построения требуют спекания в высокотемпературной печи. В частности, могут быть изготовлены керамические стержни для специальных видов литья. Около 50 машин PXS Dental установлено в различных лабораторих для изготовления дентальных изделий из сплавов CoCr. Машины PXS также могут быть эффективно использованы для проведения НИР с целью исследований особенностей рабочих процеесов лазерного синтеза и отработки SLM-технологий для различных порошковых композиций.

                         PXL                                                                     PXM                                           PXS

Компания SLM Solution (Германия) – один из мировых лидеров в области технологий лазерного синтеза. SLM Solution, как и многие другие, активно сотрудничает с FILT, и в результате этого сотрудничесва появилась, пожалуй, наиболее продвинутая на сегодняшний день машина SLM . В качестве опции, не дешевой – около 250 тыс. евро, в машину может быть интегрирован второй лазер 1000 Вт. Внешний контур детали и тонкие стенки «прорабатывает» первый лазер 400 Вт, а основное тело детали – второй, мощный лазер.

                         SLM 280                                                      SLM 500

Вообще при построении сложных деталей регулирование мощности лазера является крайне желательным, но весьма сложным в реализации делом. Чем больше мощность лазера, тем быстрее происходит расплавление металла и тем быстрее строится деталь. Но с другой стороны, при этом в точку расплава подволится большое количество энергии, процесс идет очень интенсивно, со взрывным характером расплавления частиц металла, металл кипит, происходит его разбрызгивание и часть строительного материала выбрасывается из пятна расплава. Это может привести к повышенной пористости, значительному ухудшению качества поверхности. В таких условиях построение сложных тонкостенных элементов детали становится весьма затруднительным – частицы металла просто разлетается в стороны, а не сплавляются. Для формирования этих элементов нужен более деликатный инструмент – лазер меньшей мощности, но при этом и с уменьшенной производительностью. Сочетание двух лазеров разной мощности в машине SLM 280 – это удачный компромисс. На машине могут быть построены детали с толщиной отдельных фрагментов до 0,3 мм. Это придает машине существенные преимущства: во-первых, значительно - до 5 раз, увеличивается скорость построения детали, и, во-вторых, улучшается внутренняя структура материала и чистота внешней поверхности (Ra 5-10). С 2013 года планируется выпуск еще одной новой машины SLS 500 с размерами зоны построения 500x280x335 мм, в которой двухлазерная система будет уже базовой.

Компания Realiser (Германия) не так давно, с 2010 года, самостоятельно вышла на рынок и раньше работала как фирма-партнер с SLM Solutions. Поэтому унаследовала и много общего от машин своего бывшего партнера. Особеностью машин является оригинальная оптическая система, уменьшающая диаметр пятна лазера и позволяющая строить детали с повышенной точностью, но на уменьшенной зоне построения.

                                      SLM 50                                                                    SLM 100

Из линейки машин Realiser следует выделить модель SLM 50 класса Desktop, наименьшую из всех «металлических» машин и хорошо подходящую как для проведения НИР, так и для изготовления ювелирных и дентальных изделий. В качестве опции в машину может быть интегрирован стереомикроскоп. Машина может быть также использована в качестве агрегата для лазерной сварки. Машина SLM 100 предназначена для изготовления малых серий деталей относительно небольшого размера с высокой точностью. Размеры зоны посроения 125х125х100 мм. Оригинальная оптическая система фокусирует пятно лазерного луча до размера 20 мкм, это позволяет строить фрагменты детали с толщиной стенки до 60 мкм. В машине SLM 250 опционально предусмотрена дополнительная оптическая система, позволяющая уменьшить диаметр пятна лазера с 40 мкм до 20 мкм, а новая система подачи материала позволяет сформировать слой для построения всего за 4 секунды.

Компания Renishaw - одна из ведущих мировых компаний в области измерительной техники, в 2010 г. включила в свой бизнес аддитивные технологии, приобретя фирму MTT Technology, которая незадолго до этого «развелась» с упомянутой ранее SLM Solutions, но сохранила независимое производство SLMмашин. В США эти машины продаются под брэндом Systems. При разработке новых AM-технологий компания Renishaw к своим приоритетам относит решение проблемы охраны окружающей среды, снижение энергозатрат, дорогостоящих расходных материалов и т. д. В настоящее время производятся две машины – AM 125 и AM 250, конструкции которых во многом аналогичны машинам SLM Solutions. К достоинствам машин следует отнести высокую степень герметизации рабочей каемры. Это позволяет производить глубокую откачку воздуха перед началом построения, и после заполнения камеры аргоном (или азотом для не реактивных металлов) обеспечивать рабочий процесс при концентрации кислорода в камере ниже 50 ppm с весьма умеренным расходом инертного газа.

                               SLM 125

Компания Arcam одна из немногих, которая использует в своих машинах EBM-технологию. Особенности технологии, во всяком случае, сейчас ограничивают размер пятна электронного пучка в зоне расплава диаметром 0,2 -1,0 мм, тогда как при использовании лазера эта величина на порядок меньше. Поэтому в плане чистоты поверхности и точности EBM-технологии уступают лазерным SLM-технологиям. Однако существует множество приложений, когда деталь «обречена» на финишную обработку на ЧПУ, будь она получена литьем или с помощью AM-технологий. В этих случаях чистота поверхности построенной детали не имеет значения, более важным является плотность и однородность материала. И здесь технология Arcam имеет преимущество. Ряд независимых авторов отмечает, что при сравнительно низкой частоте поверхности плотность материала деталей от Arcam выше, и его структура лучше, чем при использовании лазерных технологий. И если принять во внимание высокую производительность EBM-машин – 55-80 см3/ч против 2-20 см3/ч у аналогичных по размерам лазерных машин, то станет понятно, почему эти машины занимают доминирующее положение в сфере производства титановых протезов, иплантов и др. более-менее серийной продукции медицинского назначения. Компания продала более 100 систем в десять стран мира. Особенностью технологии Arcam является то, что процесс посроения детали происходит в камере, предварительно отвакуумированной до <1x10-4 мбар.

Arcam

Газовая среда – воздух или иной газ, создает слишком высокое сопротивление электронному лучу, поэтому рабочую камеру вакуумируют. Но это позволяет получать качественные изделия из титана и титановых сплавов. При этом обеспечивается приемлемая точность построения – на уровне ±0,2 мм на длине 100 мм.

Практически все перечисленные машины либо в базовой версии, либо опционально могут работать с наиболее востребованными на индустриальном рынке металлопорошковыми композициями: инструментальные стали (типа H13), мартенситностареющие стали (типа 18%NiMaraging ), алюминиевые сплавы (AlSi10Mg, AlSi12), чистый титан и его сплавы (типа Ti6Al4V и особо чистый Ti6Al4V ELI), сплавы CoCr, жаропрочные стали (Inconel и др.).

Еще один вид технологий послойного синтеза представлен машинами Systems и ExOne [6]. Особенностью технологий является то, что сначала в AMмашине выращивают так называемую «green-модель» (полуфабрикат). Процесс выращивания заключается в послойном скреплении матричного материала – стального порошка. Systems использует для этого плакированный металлический порошок (порошок в специальном миксере предварительно смешивается со связующим так, что связующее тонким слоем обволакивает частички порошка). При построении в машине лазер расплавляет связующее и связывает таким образом частички порошка между собой. Затем грин-модель помещают в печь и удаляют связующее. После этого производят иак называемую инфильтрацию – пропитку модели расплавленной бронзой. Схема процесса условно показана на рис. 19. В машинах ExOne (США) грин-модель получают посредством технологии InkJet (или Binder Jet по классификации ASTM): связующий реагент впрыскивается в процессе построения на заранее сформированный слой матричного материала. И в том, и в другом случаях грин-модель извлекают из машины, тщательно очищают от свободного порошка и помещают в печь с защитной средой (обычно N2), где при температуре 1000-1100°С производят пропитку грин-модели расплавленной бронзой.

На рис. 20 показана выращенная грин-модель непосредственно перед закладкой в печь. По периферии модели встык расположены питатели, на которых установлены бронзовые бруски. В печи бронза расплавляется и через питатели за счет капилярного эффекта приникает в тело грин-модели. Таким образом получают изделие из материала, представляющего собой некий конгломерат стали – 60% и бронзы-40%, название которому пока не придумано. Чистота поверхности деталей достаточно хорошая – Ra 5-10, минимальная толщина стенки около 1 мм. Однако прочностные свойства невысокие: предел прочности при растяжении 610 МПа; твердость также невысока – HRC= 10-20. Эти технологии часто используют для быстрого изготовления оснастки для литья пластмасс (пресс-формы выдерживают до 200-500 тыс. циклов), а также для серийного производства деталей, работающих в условиях трения – зубчатые передачи, валы, втулки и т. д. Например, машины MPrint компании ExOne используются для серийного производства зубчатых колес и рабочих органов насосов. Эти машины строят грин-модели со скоростью до 6 мм/ч по высоте, что при размерах рабочей зоны () 780x400 мм равнозначно производительности 1780 см3 в час, это на порядок выше, чем при использовании лазерных технологий. В машине MLab можно также выращивать детали из порошкового силикатного стекла (с последующим спеканием).