Кривилев М.Д., Харанжевский Е.В., Анкудинов В.Е., Гордеев Г.А. // Журнал Управление большими системами: сборник трудов, Выпуск № 31 / 2010, УДК 62.1 + 53.043, ББК 34.5

Рассматривается проблема оптимизации режимов лазерного спекания ультрадисперсных металлических порошков, характеризуемая нестационарным теплопереносом в пористой среде при одновременном протекании фазовых превращений. На основании анализа механизмов переноса и геометрических характеристик пористой среды рассчитаны скорости нагрева/охлаждения и глубина спекания порошка при различных режимах обработки. Численным моделированием установлено, что основными управляющими параметрами системы являются скорость сканирования луча и коэффициент проникновения лазерного излучения, зависящий от пористости и структуры порошкового слоя. Механизм теплопереноса при значениях пористости свыше 70

ОПИСАНИЕ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ:

Control of laser sintering in metallic powders

Krivilev M.D., Haranzhevskiy Evgeniy, Gordeev Georgiy, Ankudinov Vladimir, Udmurt State University

Optimization of laser sintering of submicron metal powders is studied in connection with unsteady heat transfer in a porous layer under simultaneous phase transformations. The eating/cooling rates and the depth of the sintered layer are estimated after analysis of geometrical characteristics of the metallic powder. Computer modeling revealed that the control parameters of the process are the scanning velocity and the permeability coefficient which depends on porosity and structure of the powder layer. At high porosity >70

Введение
Лазерное спекание порошковых материалов основано на активно разрабатываемом методе селективного лазерного спекания
(selective laser sintering – SLS) , когда смесь материалов с различными температурами плавления подвергают тепловой обработке. В результате происходит синтез материала со сложной структурой, где керамические и металлические частицы связаны посредством матрицы на органической основе, и появляется возможность быстрого создания прототипов деталей практически из любых материалов. Гибкость технологии достигается благодаря непосредственному компьютерному управлению процессом, причем, в отличие от традиционных методов изготовления деталей, где требуется механическая обработка, трехмерные детали изготавливаются непосредственно путем послойного напекания порошка. Металлические изделия, изготовленные методом SLS, применяются в мелкосерийном производстве, например, для изготовления литейных форм, в том числе, для литья под давлением. Несмотря на то, что SLS-технология обеспечивает получение хорошей точности размеров деталей и повторяемость производства, её применение ограничено резким снижением механических и триботехнических свойств деталей. Более того, в результате оплавления частиц порошка (обычно используются порошки со средним размером частиц 5 мкм) и действия термокапиллярных сил, в материале образуются поры и раковины размером до 100 мкм, что является дефектом, ограничивающим применение деталей.
Общей чертой SLS-технологий является низкая скорость введения тепловой энергии. Наиболее часто в этих процессах используется непрерывный режим генерации лазерного излучения.
Понимание механизмов, управляющих процессами структурообразования при лазерной обработке, естественным образом приводит к идее модернизации семейства SLS-технологий путём изменения энергетических режимов лазерной обработки материалов в сторону значительного увеличения скорости кристаллизации. Высокая локальность скоростной лазерной обработки ультрадисперсных материалов позволяет избежать недостатков, присущих традиционным SLS-технологиям (термические напряжения, крупные поры, неровность поверхности и большой припуск на механическую обработку), формировать и фиксировать метастабильное структурное состояние с уникальными механическими свойствами.
Лазерное спекание порошков представляет собой многократно повторяющийся процесс, включающий несколько стадии: (а)
нанесение порошкового слоя и выравнивание его роликом; (б) лазерная обработка (сканирование) порошкового слоя с полным проплавлением легкоплавкой компонента порошковой смеси; (в) чистка полученного слоя; (г) сдвиг столика с образцом вниз на величину толщины одного слоя; (д) повторение всего процесса, то есть нанесение следующего порошкового слоя, лазерное сканирование и т.д. Обработка осуществляется в камере с продувкой инертным газом и управляется компьютером для получения заданной 3D-геометрии детали.
Поверхность получаемых покрытий представляет собой сложное наноструктурное состояние, характеризующееся наличием метастабильных фаз. Особенностью структуры является система связанных пор разного масштаба: от наноразмерных пор до пор размером в несколько микрометров. Данные выводы сделаны по результатам сопоставления нескольких методов исследования: Оже-спектроскопии, рентгеновской дифракцией, растровой электронной микроскопии. Результаты исследований структуры приведены в работе и показывают сложную зависимость структурных параметров спечённых слоёв от режимов лазерного излучения.

Выборочное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)

Этот метод появился примерно в то же время, что и SLA, и даже имеет с ним много общего, только вместо жидкости используется порошок с диаметром частиц 50-100 мкм, тонкими равномерными слоями распределяемый в горизонтальной плоскости, а потом лазерный луч спекает участки, подлежащие отверждению на данном слое модели.

Исходные материалы могут быть самые разные: металл, пластик, керамика, стекло, литейный воск. Порошок наносится и разравнивается по поверхности рабочего стола специальным валиком, который при обратном проходе удаляет излишки порошка. Затем работает мощный лазер, спекающий частицы друг с другом и с предыдущим слоем, после чего стол опускается на величину, равную высоте одного слоя. Для снижения мощности лазера, необходимой для спекания, порошок в рабочей камере предварительно нагревается почти до температуры плавления, а сам лазер работает в импульсном режиме, поскольку для спекания важнее пиковая мощность, а не длительность воздействия.

Частицы могут расплавляться полностью или частично (по поверхности). Незапеченный порошок, остающийся вокруг отвердевших слоев, служит поддержкой при создании нависающих элементов модели, поэтому нет необходимости в формировании специальных поддерживающих структур. Но этот порошок по окончании процесса необходимо удалить как из камеры, особенно если следующая модель будет создаваться из другого материала, так и из полостей уже изготовленной модели, что можно сделать лишь после ее полного остывания.

Зачастую требуется финишная обработка -- например, полировка, поскольку поверхность может получаться шероховатой или с видимой слоистостью. Кроме того, материал может использоваться не только чистый, но и в смеси с полимером или в виде частиц, покрытых полимером, остатки которого нужно удалить путем выжигания в специальной печи. Для металлов одновременно происходит заполнение возникающих пустот бронзой.

Поскольку речь идет о высоких температурах, необходимых для спекания, процесс происходит в азотной среде с малым содержанием кислорода. При работе с металлами это еще и предотвращает окисление.

Серийно выпускаемые установки SLS позволяют работать с достаточно большими объектами, до 55Ч55Ч75 см.

Габариты и вес самих установок, как и SLA, достаточно впечатляющие. Так, аппарат Formiga P100, изображенный на фото, при довольно скромных размерах изготавливаемых моделей (рабочая зона 20Ч25Ч33 см) имеет размеры 1,32Ч1,07Ч2,2 м при весе 600 кг, и это без учета таких опций, как установки для смешивания порошка и системы очистки-фильтрации. Причем работать P100 может только с пластиками (полиамид, полистирол).

Вариантами технологии являются:

a. Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) , которое используется для работы с чистыми металлами без примесей полимера и позволяет создать готовый образец за один этап.

b. Электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting, EBM) с использованием электронного луча вместо лазера; эта технология требует работы в вакуумной камере, но позволяет использовать даже такие металлы, как титан.

Встречаются и такие названия, как Direct Metal Fabrication (DMF) , а также Direct Manufacturing .

Принтер SPRO 250 Direct Metal производства 3D Systems, который, как понятно из названия, может работать с металлами по технологии SLM, с рабочей камерой 25Ч24Ч32 см имеет размер 1,7Ч0,8Ч2 метра и вес 1225 кг. Заявленная скорость от 5 до 20 кубических сантиметров в час, и можно сделать вывод, что модель объемом со стакан будет изготавливаться минимум 10 часов.

• · широкий спектр материалов, пригодных для использования;
• · позволяет создавать очень сложные модели;
• · скорость в среднем выше, чем у SLA, и может достигать 30-40 мм в час по вертикали;
• · может использоваться не только для создания прототипов, но и для мелкосерийного производства, в т.?ч. ювелирных изделий;

• · требуются мощный лазер и герметичная камера, в которой создается среда с малым содержанием кислорода;
• · меньшее, чем у SLA, максимальное разрешение: минимальная толщина слоя 0,1-0,15 мм (в зависимости от материала может быть и немного менее 0,1 мм); по горизонтали, как и в SLA, точность определяется фокусировкой лазерного луча;
• · требуется долгий подготовительный этап для прогрева порошка, а затем нужно ждать остывания полученного образца, чтобы можно было удалить остатки порошка;
• · в большинстве случаев требуется финишная обработка.

Цена на установки SLS еще выше, чем SLA, и может достигать миллионов долларов. Однако отметим, что в феврале 2014 года истек срок патентов на технологию SLS, поэтому вполне можно спрогнозировать увеличение количества компаний, предлагающих подобную технику, а соответственно и заметное снижение цен. Тем не менее, вряд ли в ближайшие годы цены снизятся столь существенно, что SLS-печать станет доступной хотя бы малому бизнесу, не говоря уже о частных энтузиастах.

Поскольку материалы очень разнообразны, мы не приводим ориентировочных цен.

Технология SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание, является одной из технологий производства изделий любой геометрии из порошкообразного материала. Свое развитие, как и другие подобные методы, технология начала в 70-х годах прошлого века.

Так, в 1971 году француз Пьер Сиро (Pierre Ciraud) подал заявку на патент, описывающая способ изготовления изделий из порошкового материала, основанный на отверждении и скреплении порошка под воздействием сфокусированного луча энергии.

Представленная технология имеет малое отношение к любой из сегодняшних коммерческих аддитивных технологий, но она стала предшественником более поздних разработок технологии лазерной обработки материалов.

А в 1979 году, изобретатель по имени Росс Хоушолдер (Ross F. Housholder) подал заявку на патент, с описанием системы и метода создания трехмерного изделия слой за слоем, имеющего сходство с будущими технологиями лазерного спекания. Но из-за чрезвычайно высокой стоимости лазеров в то время, Хоушолдер смог только частично протестировать свой метод.

Коммерчески успешная технологии селективного лазерного спекания была разработана и запатентована студентом Техасского Университета в Остине Карлом Декардом (Carl Deckard) и его научным руководителем, профессором машиностроения Джо Биманом (Joe Beaman) в середине 1980-х годов при поддержке агентства DARPA (агентство передовых оборонных исследовательских проектов) и агентства NSF (независимое агентство при правительстве США, отвечающее за развитие науки и технологий).

Суть технологии заключалась в применении метода производства трехмерного объекта из металлического порошка под воздействием луча лазера , когда частицы порошка нагреваются лишь до оплавления внешнего слоя, достаточного для их скрепления. Процесс необходимо проводить в герметической емкости, заполненной инертным газом, чтобы избежать возгорания порошка и утечки токсичных газов, выделяющихся при твердотельном синтезе.

К сведению: термин «спекание» относится к процессу, с помощью которого объекты создаются из порошков с использованием механизма диффузии атомов. Диффузия атомов происходит в любом материале при температуре выше абсолютного нуля, но процесс происходит гораздо быстрее при более высоких температурах, поэтому спекание вызывается нагреванием порошка при достаточно высоких температурах. Поскольку в первых устройствах для построения 3D-изделий применялся порошок ABS пластика, термин «спекание» наиболее технически-точно отражал происходящие процессы. Однако, когда в установках начали использовать кристаллические и полу-кристаллические материалы, такие как нейлон и металлы, которые растекаются в процессе построения изделий, название «селективное лазерное спекание» уже хорошо зарекомендовало себя и осталось, несмотря на то, что стало неправильным.

В технологии SLS применяются многокомпонентные порошки или порошковые смеси из разных химических материалов, в отличие от технологии DMLS (), где в основном используются однокомпонентные порошки.

В первом прототипе устройства получить готовое изделие не удалось, так как в нем использовался лазер мощностью всего 2 Ватта. Перепроверив математические расчеты, Карл Декард выяснил, что при переносе физической константы с одной страницы на другую, ошибся почти на 3 порядка. После чего, лазер был заменен на более мощный — 100 Bт твердотельный лазер, где качестве активной среды используется алюмо-иттриевый гранат. Позднее стали применяться лазеры на диоксиде углерода.

В конце 1986 года Декард совместно с заместителем декана, доктором Полом Ф. МакКлюром (Paul F. McClure) и бизнесменом Гарольдом Блэром (Harold Blair) основывают компанию Nova Automation, которая в феврале 1989 года была переименована в DTM corp.

Первые установки разработанные в DTM corp назывались Mod A и Mod B, а первая партия из 4 установок была выпущена под названием 125S. В 2001 году DTM corp была куплена компанией 3D Systems, создавшей конкурирующую технологию — .

Компания 3D Systems была и остается одним из лидеров аддитивного производства, а получение прав на технологию селективного лазерного спекания — важная веха для развития коммерческого применения аддитивных технологий. В настоящий момент компания 3D Systems является одним из лидеров на рынке 3D-печати, наряду с такими компаниями как EOS GmbH и Stratasys Inc.

Компания EOS, после продажи 3D Systems в 1997 году своего направления специализирующегося на выпуске SLA оборудования, сфокусировалась на разработке оборудования использующего технологию SLM (селективное лазерное плавление).

Материалы:

• металлические порошки,
• пластиковые порошки,
• нейлон (чистый, стеклонаполненный или с другими наполнителями),
• керамика,
• стекло (кварцевый песок).

Основные области применения:

• Готовые продукты, печатающиеся индивидуально или небольшими сериями
• Прототипы деталей и частей машин и механизмов
• Инструменты для производства
• Преcс-формы

Отрасли применения:

• Аэрокосмическая отрасль (производство титановых форсунок и лопастей для турбин)
• Автомобильная отрасль и машиностроение
• Нефтяная отрасль
• Энергетика
• Медицина (слуховые аппараты, стоматология)

Вконтакте

Одноклассники

3D печать – это выполнение ряда повторяющихся операций, связанных с созданием объёмных моделей путём нанесения на рабочий стол установки тонкого слоя расходных материалов , смещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя и удалением с поверхности рабочего стола отработанных отходов. Циклы печати непрерывно следуют друг за другом: на предыдущий слой материалов наносится следующий слой, стол снова опускается и так повторяется до тех пор, пока на элеваторе (так называют рабочий стол, которым оснащён 3D принтер) не окажется готовая модель.

Существует несколько технологий 3D печати, которые отличаются друг от друга по типу прототипирующего материала и способам его нанесения. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие технологии 3D печати: стереолитография, лазерное спекание порошковых материалов, технология струйного моделирования, послойная печать расплавленной полимерной нитью, технология склеивания порошков, ламинирование листовых материалов и УФ-облучение через фотомаску. Охарактеризуем перечисленные технологии подробнее.

Стереолитография

Стереолитография – она же Stereo Lithography Apparatus или сокращённо SLA благодаря низкой себестоимости готовых изделий получила наибольшее распространений среди технологий 3D печати.

Технология SLA состоит в следующем: сканирующая система направляет на фотополимер лазерный луч, под действием которого материал твердеет. В качестве фотополимера используется хрупкий и твёрдый полупрозрачный материал, который коробится под действием атмосферной влаги. Материал легко склеивается, обрабатывается и окрашивается. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимерной композицией. После прохождения лазерного луча и отверждения очередного слоя его рабочая поверхность смещается вниз на 0,025 мм – 0,3 мм.

SLA технология

Оборудование для SLA печати изготавливают компании F& S Stereolithographietechnik GmbH, 3DSystem, а также Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН.

Ниже показаны шахматные фигуры, созданные методом SLA печати.

Шахматные фигуры, созданные методом SLA печати

Лазерное спекание порошковых материалов

Лазерное спекание порошковых материалов – оно же Selective Laser Sintering или просто SLS является единственной технологией 3D печати, которая может быть использована для изготовления металлических формообразующих для металлического и пластмассового литья. Пластмассовые прототипы обладают хорошими механическими свойствами, благодаря которым они моту быть использованы для изготовления полнофункциональных изделий.

В SLS печати используются материалы, близкие по своим свойствам к конструкционным маркам: металл, керамика, порошковый пластик. Порошковые материалы наносятся на поверхность рабочего стола и запекаются лазерным лучом в твёрдый слой, соответствующий сечению 3D модели и определяющий её геометрию.

SLS технология

Оборудование для SLS-печати изготавливают следующие заводы: 3D Systems, F& S Stereolithographietechnik GmbH, The ExOne Company / Prometal, EOS GmbH.

На рисунке представлена скульптурная модель «Так держать», изготовленная методом SLS печати.

Скульптурная модель «Так держать», изготовленная методом SLS печати, автор Лука Ионеску

Послойная печать расплавленной полимерной нитью

Послойная печать расплавленной полимерной нитью – она же Fused Deposition Modeling или просто FDM применяется для получения единичных изделий, приближенных по своим функциональным возможностям к серийным изделиям, а также для изготовления выплавляемых форм для литья металлов.

Технология FDM печати заключается в следующем: выдавливающая головка с контролируемой температурой разогревает до полужидкого состояния нити из ABC пластика, воска или поликарбоната, и с высокой точностью подаёт полученный термопластичный моделирующий материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие.

Технология FDM печати

В настоящее время 3D принтеры с технологией FDM печати изготавливаются компанией Stratasys Inc.

На картинке изображена модель, напечатанная 3D принтером с технологией FDM печати.

Модель, напечатанная 3D принтером с технологией FDM печати

Технология струйного моделирования

Технология моделирования или Ink Jet Modelling имеет следующие запатентованные подвиды: 3D Systems (Multi-Jet Modeling или MJM), PolyJet (Objet Geometries или PolyJet) и Solidscape (Drop-On-Demand-Jet или DODJet).

Перечисленные технологии функционируют по одному принципу, но каждая из них имеет свои особенности. Для печати используются поддерживающие и моделирующие материалы. К числу поддерживающих материалов чаще всего относят воск, а к числу моделирующих – широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам. Печатающая головка 3D принтера наносит поддерживающий и моделирующий материалы на рабочую поверхность, после чего производится их фотополимеризация и механическое выравнивание.

Технология струйного моделирования позволяет получить окрашенные и прозрачные модели с различными механическими свойствами, это могут быть как мягкие, резиноподобные изделия, так и твёрдые, похожие на пластики.

Технология струйного моделирования

Принтеры для 3D печати с использованием технологии струйного моделирования изготавливают следующие компании: Solidscape Inc, Objet Geometries Ltd, 3D Systems.

Технология склеивания порошков

– она же Binding powder by adhesives позволяет не просто создавать объёмные модели, но и раскрашивать их.

Принтеры с технологией binding powder by adhesives используют два вида материалов: крахмально-целлюлозный порошок, из которого формируется модель, и жидкий клей на водной основе, проклеивающий слои порошка. Клей поступает из печатающей головки 3D принтера, связывая между собой частицы порошка и формируя контур модели. После завершения печати излишки порошка удаляются. Чтобы придать модели дополнительную прочность, её пустоты заливаются жидким воском.

Технология склеивания порошков

Условные обозначения:

1-2 – ролик наносит тонкий слой порошка на рабочую поверхность; 3 – струйная печатающая головка печатает каплями связующей жидкости на слое пороша, локально укрепляя часть сплошного сечения; 4 – процесс 1-3 повторяется для каждого слоя до готовности модели, оставшийся порошок удаляется

В настоящее время 3D принтеры с технологией склеивания порошков изготавливаются компанией Z Corporation.

Ламинирование листовых материалов

Ламинирование листовых материалов – оно же Laminated Object Manufacturing или LOM предполагает изготовление 3D моделей из бумажных листов при помощи ламинирования. Контур очередного слоя будущей модели вырезается лазером, а ненужные обрезки режутся на небольшие квадратики, которые впоследствии удаляются из принтера. Структура готового изделия похожа на древесную, но боится влаги.

Технология ламинирования листовых материалов

До недавнего времени 3D принтеры для ламинирования листовых материалов производила компания Helisys Inc, но в настоящее время компания прекратила выпуск такого оборудования.

Объект, напечатанный на 3D принтере с технологией ламинирования листовых материалов, показан на фото ниже.

Модель, напечатанная 3D принтером с технологией LOM

Облучение ультрафиолетом через фотомаску

Облучение ультрафиолетом через фотомаску – оно же Solid Ground Curing или SGC предполагает создание готовых моделей из слоёв распыляемого на рабочую поверхность фоточувствительного пластика. После нанесения тонкого слоя пластика он через специальную фотомаску с изображением очередного сечения обрабатывается ультрафиолетовыми лучами. Неиспользованный материал удаляется при помощи вакуума, а оставшийся затвердевший материал повторно облучается жёстким ультрафиолетом. Полости готового изделия заполняются расплавленным воском, который служит для поддержки следующих слоёв. Перед нанесением последующего слоя фоточувствительного пластика предыдущий слой механически выравнивается.

Вконтакте

SLS (Selective Laser Sintering)

Порошкообразный материал в рабочей камере разогревается до температуры, близкой к плавлению, разравнивается и лучом лазера на нем прорисовывается необходимый контур слоя.

В месте контакта луча и порошки частицы плавятся и спекаются друг с другом и с предыдущим слоем. Затем платформа опускается на толщину одного слоя, в камеру насыпается новый слой порошка, разравнивается, и процесс повторяется. В итоге печати получается готовая модель с пористой шероховатой поверхностью.

Металлические изделия после изъятия из рабочей камеры помещают в специальную печь, где пластик выгорает, а поры заполняются легкоплавкой бронзой.

Порошки на основе керамики или стекла позволяют изготавливать также модели, обладающие высокой химической и термической стойкостью.

Метод был придуман группой студентов во главе с доктором Карлом Декартом в Университете Остина, штат Техас. Впервые он был запатентован в 1989 году фирмой DTM Corporation, которая в 2001 году была куплена компанией 3D Systems.

На сегодняшний день разнообразие материалов, применяемых в качестве порошка, поистине велико: частицы пластика, стекла, нейлона, керамики, металла.

Как и следует ожидать, существует много вариантов на каждом этапе такого производства. Существует два алгоритма запекания: в одном случае плавят только те участки, которые соответствуют границе перехода, в другом — плавят по всей глубине модели. Кроме того, само запекание может варьироваться по силе, температуре и длительности.

Важная особенность выборочного (селективного) лазерного спекания — отсутствие необходимости в поддерживающих структурах, так как излишек окружающего порошка по всему объему не дает модели разрушиться, пока окончательная форма еще не обретена и не достигнута прочность целевого объекта.

Последний этап — финишная обработка. Например, погружение в специальную печь для выжигания технологических полимеров, которые нужны на этапе спекания, если использовались порошки композитных металлов. Также возможна полировка для удаления видимых переходов между слоями. Технологии и материалы непрерывно совершенствуются и, благодаря этому, этап финишной обработки минимизируется.

Сфера применения 3D печати методом SLS обширна: детали силовых установок, авиастроение, машиностроение, космонавтика. В последнее время технология добралась и до предметов искусства и дизайна.