Определение возможности создания сетчатых структур при изготовлении их с использованием аддитивных технологий

Создание нового изделия - это слож­ная комплексная задача, успешность и опти­мальность решения которой определяется со­трудничеством конструкторов и технологов, а также применяемыми ими методами констру­ирования и средствами производства. Возмож­ности используемых технологических методов изготовления изделий могут оказывать существенное, а в ряде случаев и определяющее значение как на конструкцию изделия в целом, так и на геометрию его составных частей.

Одной из важных проблем настоящего времени является уменьшение массы изделий с сохранением функционала, а в некоторых случаях при модернизации уже существующих механизмов задача стоит еще более сложная - уменьшение массы изделия с сохранением объема и эксплуатационных показателей. Это можно решить:

• либо заменой на материал с меньшей плотностью, но в этом случае возможно не­соответствие эксплуатационных свойств ма­териала, в том числе диапазона рабочих температур,
• либо используя инновационный под­ход к конструированию - внедрение в изделие сетчатых структур (рис. 1), это позволит зна­чительно уменьшить массу изделия. Как пока­зывает практика проектирования, внедрение таких структур позволяет уменьшать массу изделия на 20-40 % в зависимости от парамет­ров сетчатой структуры.

Изготовление таких структур по тради­ционным технологиям невозможно, поэто­му необходимо обратиться к аддитивным технологиям и рассмотреть возможности изго­товления и ограничивающие факторы.

Анализ возможностей и ограничений этих технологий изготовления позволит опре­делить и допустимые границы конструк­торской свободы при проектировании изде­лия в целом.

Сущностью аддитивных технологий яв­ляется процесс послойного построения объек­тов из исходного материала (порошок, нить, жидкий фотополимер) на основе компьютер­ной CAD-модели.

Аддитивные технологии по физической сущности процесса принципиально отличают­ся от традиционных, а следовательно, отлича­ются и их возможности.

При изготовлении объектов с исполь­зованием аддитивных технологий тоже есть ряд ограничений, причем они могут несколь­ко различаться в зависимости от используе­мой технологии (SLA, SLS, SLM, FDM и т.д.), но основной принцип у них все-таки одина­ковый - изготовление/построение единичного слоя. Поэтому при определении возможности изготовления (технологичности) конструкции детали для изготовления с использованием ад­дитивных технологий необходимо рассматри­вать два ограничительных фактора:

• возможность изготовления единично­го слоя;
• ограничения, связанные с отличием последующего слоя от предыдущего.

Единичный слой можно рассматривать как 2-мерную модель, построение которой определяет траекторию движения инструмен­та (луча лазера, печатающей головки и т.д.). При построении единичного слоя необходимо учитывать следующие факторы:

• траектория движения инструмента (ла­зер, сопло) не может допускать прохождения дважды через единичную точку плоскости, в противном случае толщина слоя в этой точ­ке будет отличаться от общей толщины слоя;
• нельзя допускать большой градиент температур по слою, т.к. большая разница тем­ператур может вызвать большие внутренние напряжения в слое, следовательно, его короб­ление;
• нельзя допускать охлаждение слоя или его части ниже определенных температур, в противном случае не будет адгезии между слоями, т.е. изделие будет расслаиваться.

Стандартные программы создания G-кода при проектировании процесса изготов­ления сложных пространственных объектов, например с внедрением сетчатых конструкций, выдают ошибку - невозможность создания траектории движения инструмента (лазер, соп­ло) на стадии проектирования управляющей программы. Был рассмотрен ряд вариантов устранения этой ошибки:

• полностью ручное построение всей управляющей программы, но это связано с большой трудоемкостью процесса и возмож­ностью возникновения ошибок субъективного характера;
• использование стандартных программ создания G-кода с последующим исправле­нием ошибок в ручном режиме, но в связи с наличием большого количества пересечений траектории данная методика исправления про­граммы приводит к значительному повыше­нию трудоемкости процесса подготовки управ­ляющей программы.

Наиболее эффективным способом устранения ошибки является принципиально новый подход за счет технологии построения/ моделирования твердотельной 3D-модели, используемой для создания G-кода. При по­строении твердотельной 3D-модели нельзя допускать пересечение объемов, плоскостей. Например, при построении сетчатой струк­туры ее надо моделировать не как пересече­ние элементов, а как моделирование отвер­стий (пустот) определенной формы, причем толщина элементов (материала) не может быть меньше двух единичных проходов ла­зера (SLM технология) / сопла (FDM техно­логия) (рис. 2).

Данный фактор можно не учитывать при изготовлении деталей по технологии SLA (стериолитография), т.к. в этой технологии весь слой изготавливается одновременно.

Второй влияющий фактор - большой градиент температур по слою - может быть устранен двумя способами.

Первый способ. Дополнительный подо­грев зоны построения изделия. Если изделие имеет достаточно большие габариты единич­ного слоя, то этот способ будет недостаточно эффективен.

Второй способ. Траектория построения единичного слоя строится так, чтобы макси­мально рассредоточить нагрев по всему полю единичного слоя. Например, траектория прой­дет вначале по контуру единичного слоя, потом выполнит часть траектории (10 %) в правом нижнем углу единичного слоя, переместится на левый верхний угол, затем среднюю часть и т.д. При такой траектории построения еди­ничного слоя большого и явно выраженного градиента температур не будет.

Оптимальный результат получается при сочетании первого и второго способов.

Если не учитывать третий фактор, проис­ходит расслаивание получаемого изделия. В технологиях FDM и SLM это может быть устранено сочетанием нескольких приемов: повышением скорости движения сопла/лазера при построении единичного слоя, рассредото­чения областей построения по разным частям единичного слоя, обеспечение перекрытия по­следующим слоем предыдущего не менее чем на 50 %, что обеспечит достаточный подвод тепла для хорошей адгезии между слоями. Последнее накладывает ограничения на про­странственную геометрию всего изделия и/или требует наличия дополнительных (поддержи­вающих) структур.

Данные факторы можно не учитывать при изготовлении деталей по технологии SLA (стериолитография), т.к. в этой технологии весь слой изготавливается одновременно.

Следующий фактор, который надо учи­тывать при проектировании для аддитивных технологий, - сопряжение между слоями. Каж­дый последующий слой должен опираться на предыдущий. При печати последующего слоя необходимо обеспечить его соединение с предыдущим слоем. Это можно сделать толь­ко при достаточной температуре. Необходимые значения температур обеспечиваются:

• поддержанием достаточной температу­ры предыдущего слоя за счет внешнего подо­грева: в SLM технологии - подогрев рабочего стола, в FDM технологии - подогрев рабочего стала и всей камеры построения;
• достаточный контакт (не менее 50 %) предыдущего и последующего слоев; таким образом, при построении не вертикальных по­верхностей сдвиг между слоями должен быть не более чем на 0,5 от ширины единичного прохода;
• чем меньше толщина слоя, тем лучше он прогревается и выше адгезия, но при этом значительно увеличивается время печати.

Исходя из вышесказанного, наклон бо­ковых поверхностей не может быть более 45° без использования дополнительных поддер­живающих структур. Наклонные поверхно­сти, идущие вдоль оси z, будут иметь явно выраженный ступенчатый вид (рис. 3). Высота каждой ступеньки - это толщина слоя в данном месте детали.

Уменьшение высоты слоя приведет к уве­личению слоев детали, времени ее изготов­ления, но уменьшит отклонение получаемой поверхности от чертежа.

Более высокая точность кривых поверх­ностей может достигаться путем их ориен­тации в рабочем пространстве 3D-принтера. Например, приближать наклонные плоскости к горизонтали и/или вертикали относительно рабочего инструмента 3D-принтера.

Эти факторы необходимо учитывать при оптимизации расположения 3D-модели и выборе режимов печати, в частности толщи­ны слайсинга модели.

В технологическом процессе подготовки управляющих программ для аддитивных про­цессов выделяют такое понятие, как «висячие» структуры. Под «висячими» в аддитивных тех­нологиях понимаются элементы, у которых нет опоры на предыдущий слой. Если угол боковой стороны более 45°, то перекрытие последующе­го слоя менее 50 %, следовательно, этот слой те­ряет устойчивость и необходимы дополнитель­ные поддерживающие структуры (поддержки). Когда рассматривается процесс изготовления сетчатых структур, то дополнение их поддержи­вающими структурами недопустимо, следова­тельно, необходимо спроектировать 3D-модель и сам процесс изготовления таким образом, что­бы не допустить появления поддерживающих структур даже для «висячих» частей элементов построения. Для этого был проведен ряд экспе­риментов, в результате которых было выявлено, что размер «висячих» структур зависит от тех­нологии, исходного материала, расположения изделия в рабочем пространстве 3D-принтера. Для FDM технологии - от температуры hot-end и расположения «висячей» структуры в рабо­чем пространстве 3D-принтера. Для SLM тех­нологии (рис. 4) наибольший размер «висячей» структуры, т.е. изготавливаемой без опоры, мо­жет составлять до 4 мм, но при этом возникают некоторые искажения поверхности, что скажет­ся на прочности изделия с сетчатой структурой.

С учетом вышеизложенного были разра­ботаны единичные элементы сетчатых струк­тур (рис. 5), которые позволят исключить наличие поддерживающих структур на вися­чих мостиках.

Следующим этапом является оценка прочностных свойств разработанных струк­тур. Это необходимо для оценки эксплуата­ционных характеристик изделий, в структуру которых внедрены сетчатые структуры. Полу­чаемые поверхности сетчатых структур имеют очень сложную форму, поэтому современные CAE системы провести количественную оцен­ку не могут.

Проведем аналитическую оценку воз­можной потери прочности структуры на основе физической сущности процессов, протекаю­щих при изготовлении по технологии SLM. Процесс изготовления по технологии SLM основывается на последовательном расплавле­нии элементарных зон лазером, т.е. получаются мини-расплавленные области, а следовательно, они имеют поверхность раздела сред. Поверх­ностное натяжение [1] в каждой точке поверх­ности расплава будет определяться степенью кривизны в этой точке, и его можно оценить по формуле Лапласа. Построение изделия идет послойно. Чем более резкие переходы объемов металла в решетке, тем больше перепад темпе­ратур. В таких местах будет наблюдаться повы­шение внутренних напряжений, которые могут привести к различным последствиям в зависи­мости от их величины: отрыв поддерживающих структур от стола построения, деформация из­делия в целом после его печати, разрывы в ре­шетке в местах с наибольшими напряжениями. Анализ разработанных структур показывает, что наибольшие напряжения могут возникнуть в кубической решетке (рис. 5а), наименьшие - в решетке, представленной на рисунке 5г. Исхо­дя из анализа теоретических данных, решетка, представленная на рисунке 5 а, будет иметь бо­лее низкие прочностные свойства и, возмож­но, при ее изготовлении может нарушаться целостность сечения ребер сетки. На основе единичных структур разработаны макрострук­туры (рис. 6).

Разработанные структуры были успешно изготовлены (рис. 7) на SD-принтере по тех­нологии SLM. Исходный материал - нержаве­ющая сталь 12Х18Н10Т российского производства. За счет использования принципиально новой технологии проектирования сетчатых структур при использовании стандартных про­грамм создания G-кода для изготовления не по­надобилось использование дополнительных поддерживающих структур ни внутренних, ни внешних, все сечения ребер решетки сохра­нили целостность.

Изготовление аналогичных структур по технологии FDM выявило ряд сложно­стей. В соответствии с ранее разработанными и обоснованными рекомендациями толщина ребра решетки должна быть не меньше двух единичных проходов сопла, что составляет не менее 0,6 мм. Экспериментально было уста­новлено, что для технологии FDM, материал PLA, величина «висящей» структуры (мости­ка) без прогиба составляет не более 1,2 мм, при б0льших величинах появляется прогиб. В соответствии с чем были разработаны модифицированные структуры, которые дали менее существенное уменьшение массы детали.

Была разработана SD-модель детали с внедренной сетчатой структурой (рис. 5б) и изготовлена (рис. 7) по технологии SLM из нержавеющей стали.

Таким образом, в результате ряда теоре­тических и практических исследований были получены следующие результаты:

• разработана принципиально новая методика проектирования твердотельных SD-моделей с сетчатыми структурами, кото­рая обеспечивает на стадии проектирования создание G-кода с использованием стандарт­ных программ slicing, при этом траектории движения лазера соответствуют параметрам создания качественного единичного слоя;
• разработан ряд сетчатых структур с различной формой ячейки, которые были успешно изготовлены из нержавеющей стали 12Х18Н10Т российского производства без дополнительных поддерживающих структур;
• определены наибольшие размеры «ви­сячих» (неподдерживаемых) отрезков при пе­чати по рассматриваемым технологиям;
• произведен анализ изготовленных структур, который показал, что разработан­ные структуры имеют разные прочностные свойства и внутренние напряжения в зависи­мости от формы ячейки и ребра. Разработана методика цифрового проектирования сетча­тых структур, позволяющая создавать G-коды управляющих программ без дополнительного исправления в ручном режиме;
• проведено практическое изготовление данных структур, которое подтвердило воз­можность их изготовления без дефектов;
• технические возможности SLM (SelectiveLaserMelding) технологии позво­ляют произвести внедрение сетчатых струк­тур в тело изготавливаемой из металла детали и изготавливать ее как единое целое, что обес­печивает более высокие прочностные свойства при условии не повышения трудоемкости изго­товления и значительном понижении веса;
• технология FDM позволяет внедрить сетчатые структуры в тело детали, но с мень­шей величиной пор.

Использование таких структур при проектировании и изготовлении деталей поз­волит значительно уменьшить общий вес из­делия, что очень важно в самолето- и ракетостроении, при этом прочность таких изделий достаточно высока, а трудоемкость изготов­ления не повышается, в некоторых случаях может даже уменьшиться. Внедрение аддитивных технологий в производственный про­цесс - очень сложная и многогранная задача, но ее реализация позволит получать значи­тельные преимущества, которые невозможны при изготовлении деталей с использовани­ем «вычитающих» технологий, даже самых передовых.

Авторы: Горбатов И.В., Пильщиков А.А., Орлов Ю.А., Антюфеев В.А., Антюфеева С.А., Орлова Н.Ю., Карпов Д.Ю.

Материал предоставлен для публикации журналом "Вестник концерна ВКО "Алмаз - Антей"