1. Охлаждение происходит за счет теплопроводности внутрь изделия. Если изделие маленькое — оно может прогреться до 200-300 градусов. Тут есть интересный момент — когда мы отрабатываем режимы на маленьких образцах, а потом пытаемся перенести на большое изделие. Размер другой, условия охлаждения разные, это может привести к формированию дефектов. Поэтому отработка делается с паузами между отдельными валиками для охлаждения.
2. Температура плавления сталей, никелевых и титановых сплавов находится в диапазоне 1300-1700 градусов
3. Все правильно, многие материалы окисляются. Титан — при температуре выше 400 градусов, нержавейка — уже при 300. Для защиты от окисления используются два механизма — локальная защита ванны расплава аргоном, подаваемым через сопло технологического инструмента и глобальная защита за счет контролируемой атмосферы. Мы используем герметичные кабины, которые продуваются аргоном, чтобы получить содержание кислорода ниже 500 ppm. Вакуумировать тоже можно, но реализовать сложнее — все оборудование должно быть рассчитано под вакуум.
4. Областей применения несколько:
— по другому не сделать.
— Аддитивка дешевле/быстрее/качественнее традиционного производства
— Нужно сделать одну-две детали и подготовка производства (инструмент, оснастка) будет неоправдано дорогой.
5. Экономика выращивания изделия — сложная вещь, зависит от геометрии, материалов, серии, сроков и источника денег (например работа с большими корпорациями очень накладная с точки зрения количества бумаг). Если по простому — то на молоток весом 1 кг нужно 1.2 кг порошка. Если это нержавейка 316l, то 1 кг порошка стоит 2000 р. Плюс нужен 1 н.ч. работы машины, у нас он стоит около 5000 р. суммируем, получаем 7400 р за молоток.
Что касается остальных расходников — аргон, электричество, изнашиваемые части питателя и сопла — их стоимость составляет не более 10% от стоимости порошка, поэтому при оценочном расчете их можно опустить. Потребление электричества составляет 4-10 кВт. Ресурс работы лазеров точно никто не знает, это где то 50 000 часов или больше.
Геометрическая точность сильно зависит от геометрии изделий. Если изделие жесткое, достаточно толстостенное или осесимметричное, то для размера ~500 мм точность с первой попытки будет в районе ± 2 мм, со второй попытки обычно получается ±0.5 мм. Если изделию требуется механическая постобработка, то припуски закладываются такие, что первая деталь получается годной — немного увеличили расход материала на деталь, зато не выкидываем первую попытку.
Если деталь тонкостенная, не осесимметричная и не жесткая — тут могут быть сильные деформации, вплоть до 20-40 мм. Это исправляется предварительным расчетом и итерационным подходом. Со второй-третьей попытки мы попадаем в требования заказчика. Тут надо отметить, что тонкостенные сложнопрофильные детали традиционно делаются методами гибки, штамповки и сварки листовых материалов и даже наши отклонения на 20 мм зачастую устраивают заказчика.
Если можно что то отфрезеровать из куска и экономика устраивает — отлично. Если есть работающая литейка и заготовку можно отлить — это вообще замечательно. Не надо менять хорошее на новое. А вот если с традиционным производством есть проблемы (дорого, долго, много брака), то аддитивка может помочь.
Производительность процесса (что ПЛВ, что WAAM) ограничивается условиями теплоотвода. Если хотим небольшой валик и высокую детализацию — будет небольшое тепловложение и небольшая производительность. Если хотим большую производительность — надо вкачать очень много тепла и валик будет широкий, шероховатость высокая, объем постобработки большой. Для каждой детали надо смотреть конкретику и оценивать целесообразность выбора той или иной технологии.
Все правильно. Вопрос требований к детали. В мире нет абсолютно точных деталей, никакие технологии не могут обеспечить абсолютную точность.
Вопрос объема этой самой постобработки. Как правило на деталях есть места стыковки с соседними деталями — фланцы, посадки, крепежные отверстия, их нужно обрабатывать механически, величина припуска задается не точностью выращивания, а требованиями технологии постобработки. Для фрезеровки/точения припуск обычно закладывается 1.5-3 мм.
Для остальных поверхностей смотрим на назначение. Если это проточный тракт — тогда часто подходит шлифовка (в том числе и ручная), полировка, электрохимическая полировка и т.д. Многие поверхности можно оставлять не тронутыми — шероховатость будет сравнима с литейной.
Еще один важный момент, который вы упомянули, это попадание в геометрическую сложность. То, что изделие во время выращивания деформируется не значит, что нельзя вырастить точное изделие. Это значит, что это сделать сложно. Прогнозирование деформаций, расчет напряженно-деформированного состояния, итеративный процесс (вырастили, обмерили, скорректировали, вырастили точнее) — все это часть нашей ежедневной работы. В качестве примера могу привести то самое двухметровое кольцо, представленное на КДПВ — на диаметре 2070 мм деформация составила 20 мм. При этом выращенное изделие попало в допуск ±1 мм по всей поверхности.
Гибрид? Их есть у меня:
С гибридной машиной, которая сочетает в себе выращивание и мехобработку есть несколько нюансов:
1. Как говорилось выше все выращенное изделие — это формально сварной шов, с присущими им сварочными напряжениями. Внутренние напряжения скомпенсированы (внутри детали сжимающие, снаружи — растягивающие), если мы без снятия напряжений начнем механическую обработку, то часть напряжений будут сняты вместе с металлом. Это приведет к деформации изделия. То есть мы начинаем фрезеровать деталь, а она прямо в процессе непредсказуемым образом деформируется. Это мешает получить точную деталь, поэтому перед механической обработкой требуется отжиг на снятие напряжений. Ну а есть мы деталь со станка сняли, засунули в печку, то какая разница, на какой станок нам его ставить? При этом стоимость гибридного станка примерно равно стоимости обычного пятиосевого фрезера и стоимости установки ПЛВ.
2. На гибридных станках практически нельзя реализовать герметичную кабину с контролируемой атмосферой чистого аргона и это ограничивает спектр используемых материалов. Например титановые сплавы будут активно окисляться и механические свойства изделия будут низкими. По нашему опыту любому материалу, кроме inconel 625, становится лучше с глобальной защитой.
3. Что касается точности. Давайте разбираться в терминологии. Ширина валика ограничивает детализацию, а не точность. Точность на валике 2 мм может быть и 0.5 мм и 0.1 мм, вплоть до величины шероховатости. Но, к сожалению, точность выращенного изделия определяется не размером валика и даже не точностью манипулятора, а тем самым напряженно-деформированным состоянием изделия, сформированным в процессе обработке. Сварочные напряжения по абсолютной величине находятся на уровне предела текучести материала и составляют сотни МПа. Это очень серьезная сила, которая деформирует изделия на миллиметры, а иногда и на сантиметры. Наш опыт показывает, что точность в 1-2 мм на изделии метрового размера — это очень хорошая точность.
4. Гибридный станок — это компромисс. Он хорошо работает на специализированных задачах, для которых и был придумал:
Ремонт — установили изделие, сняли фрезеровкой поврежденный слой, наплавили и обработали в чистовую. Отличное решение. Объем наплавки небольшой, деформаций не будет, можно не отжигать. Все делается в один установ.
Наращивание функциональных элементов — есть массивная заготовка (например штамп), локально наплавляем режущие кромки из износостойкого материала и их в чистовую обрабатываем.
Но как выращивание изделий целиком — делать конечно это можно, но качество, технологические возможности и гибкость будут отставать от специализированных машин.
ПЛВ дает большую гибкость и более сложное формообразование за счет точной настройки ширины валика (в диапазоне от 1 до 5 мм) и пассивной устойчивости процесса. WAAM дает валики большей ширины — от 5 мм, за счет это детализация ниже. Плюс большой валик дает большую шероховатость поверхности и как следствие нужен больше припуск на мехобработку, что уменьшает КИМ и увеличивает стоимость изделия как по материалам, так и по трудозатратам.
Что касается материалов — как правило проволока дешевле в полтора-два раза, но это при условии такая марка проволоки серийно производится (например с теми же никелевыми сплавами есть проблема).
Вот и получается, что у этих технологий различные области применения:
Если надо грубую, дешевую и большую заготовку из простого материала (например конструкционной стали) — WAAM будет отличным решением, хотя и конкурирующим уже с традиционными технологиями — сварка, фрезеровка из куска, литье.
Если нужны более сложные материалы — титановые сплавы, никелевые, высокопрочные стали, и/или нужна сложная геометрия, тонкие стенки, то выбор ПЛВ будет обоснованным. Но отмечу, что нет идеальных технологий, для каждой конкретной задачи нужно оценивать целесообразность. Хотя в нашей практики очень много задач, подходящий под литье. Просто отлить даже простую заготовку в нашей стране сложно, дорого и долго.
Тут очень сильно зависит от того, кто это говорит и что имеет ввиду.
Давайте возьмем самый распространенный титановый сплав ВТ6 (он же Grade5, он же Ti6Al4V). ГОСТ устанавливает для штамповок предел прочности от 950 до 1100 МПа при относительном удлинении 10-13%.
В качестве данных для сравнения давайте возьмем цифры с оффициального сайта компании EOS — одного из лидеров рынка. Там указаны цифры 1055 МПа и 13%, что находится в диапазоне свойств поковки.
А теперь залезем немного глубже. ВТ6 — альфа+бета сплав, фазовый состав которого зависит от параметров термического цикла (скорости остывания, количества нагревов-охлаждений и тд). Если он остывает медленно — будет много бета фазы, пластичной, но непрочной. Если остывает быстро — будет больше альфа фазы, более хрупкой, но прочной. Если остывает очень быстро — появляется еще альфа-штрих, еще больше увеличивающая прочность и уменьшающая пластичность.
Если залезть в даташит на сайте EOS, то видно, что после печати предел прочности составляет 1270 МПа при относительном удлинении 8.7%. Это связано с очень высокими скоростями охлаждения, характерными для технологии SLM, которые формируют мелкозернистую структуру с большим содержанием альфа и альфа-штрих фазы. Материал получается очень прочным, но малопластичным. А потом делают высокотемпературную термообработку на 800 градусах, которая приводит фазовый состав в норму и повышает пластичность при одновременном уменьшении прочности. Так что получить на SLM прочность выше поковки — не проблема, проблема — что делать с просевшей пластичностью?
Переходим к инконелю — инконели все разные. Самый распространенный в аддитивке — инконель 718. Он является термически упрочняемым сплавом, его паспортная механика достигается только путем многостадийной термической обработки. Возможно на SLM можно получить свойства лучше чем поковка, но тут надо смотреть на весь спектр свойств. Это не простые материалы, которые работают в сложных условиях, где зачастую важна не столько прочность, сколько стойкость к циклическим нагрузкам, высокотемпературная ползучесть, трещиностойкость и так далее. Все эти свойства зависят от фазового состава и размера зерна, многими свойствами можно управлять либо технологическими режимами, либо постобработкой, но надо понимать, что требуется.
Все правильно, это позволяет расширить технологические возможности и упростить выращивание сложных деталей. Поэтому мы используем двухосевые наклонно-поворотные позиционеры для того, чтобы перемещать деталь. В сумме с роботом это дает 8 степеней свободы и у технолога больше возможностей. Например если нужно вырастить кольцо большого диаметра — то робот стоит на месте, а позиционер крутится. Если есть элементы с резким изменением вектора инструмента, то можно их отрабатывать только роботом — у него динамика сильно выше, не происходит замедления и не образуются наплывы.
С точки зрения создания управляющих программ это сложностей не добавляет — у Фануков есть программная опция «скоординированное движение», которая реализует совместную работу робота и позиционера.
Анизотропия свойств бывает, но зависит от состава материала. На некоторых — доходит до 15-20%, поэтому все испытания делаются либо в двух направлениях, либо в самом «плохом», то есть поперек слоев.
Вы правы. Формально все изделие — один большой сварной шов, с присущими ему сварочными напряжениями. Поэтому для всех изделий рекомендуется термообработка на снятие внутренний напряжений. Что касается механических свойств — их много и они определяются наличием внутренних дефектов и структурно-фазовым составом материала. Высокие скорости охлаждения дают мелкозернистую структуру, что положительно сказывается на механике. Как правило мы показываем предел прочности, предел текущести и относительное удлинение на уровне горячего проката. Это лучше чем литье, но иногда хуже чем например поковка.
Давайте по порядку.
При выращивании толстостенных деталей (толщиной более чем в один валик) есть несколько областей, в которых могут образовываться внутренние дефекты. В первую очередь это области нахлеста валиков. Так как у детали переменная толщина (перо тоньше, чем середина), то есть три способа это вырастить:
1. Оконтуривающий проход, а внутренности заштриховываем. Отличный подход, но программно не реализован в CAMe, так как поверхность слоя не является плоскостью.
2. Оконтуривающий проход, а внутренности заливаем проходами, параллельными центральной линии сечения. Будут проблемы примыкания внутренних проходов к оконтуривающему.
3. Все валики строятся от центральной линии, переменную ширину лопатки получаем за счет переменного бокового смещения между валиками. Переменное боковой смещения — это технологически сложно, необходимо варьировать расход порошка, чтобы не было наплывов, а это не дает делать инертность системы подачи.
4. Подход реализованный на фотографии в статье. Все валики параллельны друг другу, боковое смещение постоянно, единственный минус — «ступеньки» на боковой поверхности, которые увеличивают объем механической постобработки.
Что касается системы автоматического управления — под этим подразумевается бортовой ПЛК, его прошивка, а также все исполняющие модули. Хорошо спроектировать сау с первого раза — это очень непростая задача. На момент старта работ у нас не было ни достаточной компетенции, ни опыта, ни понимания что САУ должна делать. Поэтому мы играли в итерации и за счет короткого времени цикла смогли быстро пройти длинный путь.
Что касается софта для подготовки управляющих программ (CAM-систем), то это тема для отдельного разговора. Если резюмировать — то сейчас нет решения, которое бы отлично решало наши задачи. Самое лучшее из имеющегося — это тот самый Powermill, и мы используем именно его, но многие из наших подходов сложно назвать элегантными =)
2. Температура плавления сталей, никелевых и титановых сплавов находится в диапазоне 1300-1700 градусов
3. Все правильно, многие материалы окисляются. Титан — при температуре выше 400 градусов, нержавейка — уже при 300. Для защиты от окисления используются два механизма — локальная защита ванны расплава аргоном, подаваемым через сопло технологического инструмента и глобальная защита за счет контролируемой атмосферы. Мы используем герметичные кабины, которые продуваются аргоном, чтобы получить содержание кислорода ниже 500 ppm. Вакуумировать тоже можно, но реализовать сложнее — все оборудование должно быть рассчитано под вакуум.
4. Областей применения несколько:
— по другому не сделать.
— Аддитивка дешевле/быстрее/качественнее традиционного производства
— Нужно сделать одну-две детали и подготовка производства (инструмент, оснастка) будет неоправдано дорогой.
5. Экономика выращивания изделия — сложная вещь, зависит от геометрии, материалов, серии, сроков и источника денег (например работа с большими корпорациями очень накладная с точки зрения количества бумаг). Если по простому — то на молоток весом 1 кг нужно 1.2 кг порошка. Если это нержавейка 316l, то 1 кг порошка стоит 2000 р. Плюс нужен 1 н.ч. работы машины, у нас он стоит около 5000 р. суммируем, получаем 7400 р за молоток.
Что касается остальных расходников — аргон, электричество, изнашиваемые части питателя и сопла — их стоимость составляет не более 10% от стоимости порошка, поэтому при оценочном расчете их можно опустить. Потребление электричества составляет 4-10 кВт. Ресурс работы лазеров точно никто не знает, это где то 50 000 часов или больше.
Если деталь тонкостенная, не осесимметричная и не жесткая — тут могут быть сильные деформации, вплоть до 20-40 мм. Это исправляется предварительным расчетом и итерационным подходом. Со второй-третьей попытки мы попадаем в требования заказчика. Тут надо отметить, что тонкостенные сложнопрофильные детали традиционно делаются методами гибки, штамповки и сварки листовых материалов и даже наши отклонения на 20 мм зачастую устраивают заказчика.
Если можно что то отфрезеровать из куска и экономика устраивает — отлично. Если есть работающая литейка и заготовку можно отлить — это вообще замечательно. Не надо менять хорошее на новое. А вот если с традиционным производством есть проблемы (дорого, долго, много брака), то аддитивка может помочь.
Вопрос объема этой самой постобработки. Как правило на деталях есть места стыковки с соседними деталями — фланцы, посадки, крепежные отверстия, их нужно обрабатывать механически, величина припуска задается не точностью выращивания, а требованиями технологии постобработки. Для фрезеровки/точения припуск обычно закладывается 1.5-3 мм.
Для остальных поверхностей смотрим на назначение. Если это проточный тракт — тогда часто подходит шлифовка (в том числе и ручная), полировка, электрохимическая полировка и т.д. Многие поверхности можно оставлять не тронутыми — шероховатость будет сравнима с литейной.
Еще один важный момент, который вы упомянули, это попадание в геометрическую сложность. То, что изделие во время выращивания деформируется не значит, что нельзя вырастить точное изделие. Это значит, что это сделать сложно. Прогнозирование деформаций, расчет напряженно-деформированного состояния, итеративный процесс (вырастили, обмерили, скорректировали, вырастили точнее) — все это часть нашей ежедневной работы. В качестве примера могу привести то самое двухметровое кольцо, представленное на КДПВ — на диаметре 2070 мм деформация составила 20 мм. При этом выращенное изделие попало в допуск ±1 мм по всей поверхности.
С гибридной машиной, которая сочетает в себе выращивание и мехобработку есть несколько нюансов:
1. Как говорилось выше все выращенное изделие — это формально сварной шов, с присущими им сварочными напряжениями. Внутренние напряжения скомпенсированы (внутри детали сжимающие, снаружи — растягивающие), если мы без снятия напряжений начнем механическую обработку, то часть напряжений будут сняты вместе с металлом. Это приведет к деформации изделия. То есть мы начинаем фрезеровать деталь, а она прямо в процессе непредсказуемым образом деформируется. Это мешает получить точную деталь, поэтому перед механической обработкой требуется отжиг на снятие напряжений. Ну а есть мы деталь со станка сняли, засунули в печку, то какая разница, на какой станок нам его ставить? При этом стоимость гибридного станка примерно равно стоимости обычного пятиосевого фрезера и стоимости установки ПЛВ.
2. На гибридных станках практически нельзя реализовать герметичную кабину с контролируемой атмосферой чистого аргона и это ограничивает спектр используемых материалов. Например титановые сплавы будут активно окисляться и механические свойства изделия будут низкими. По нашему опыту любому материалу, кроме inconel 625, становится лучше с глобальной защитой.
3. Что касается точности. Давайте разбираться в терминологии. Ширина валика ограничивает детализацию, а не точность. Точность на валике 2 мм может быть и 0.5 мм и 0.1 мм, вплоть до величины шероховатости. Но, к сожалению, точность выращенного изделия определяется не размером валика и даже не точностью манипулятора, а тем самым напряженно-деформированным состоянием изделия, сформированным в процессе обработке. Сварочные напряжения по абсолютной величине находятся на уровне предела текучести материала и составляют сотни МПа. Это очень серьезная сила, которая деформирует изделия на миллиметры, а иногда и на сантиметры. Наш опыт показывает, что точность в 1-2 мм на изделии метрового размера — это очень хорошая точность.
4. Гибридный станок — это компромисс. Он хорошо работает на специализированных задачах, для которых и был придумал:
Ремонт — установили изделие, сняли фрезеровкой поврежденный слой, наплавили и обработали в чистовую. Отличное решение. Объем наплавки небольшой, деформаций не будет, можно не отжигать. Все делается в один установ.
Наращивание функциональных элементов — есть массивная заготовка (например штамп), локально наплавляем режущие кромки из износостойкого материала и их в чистовую обрабатываем.
Но как выращивание изделий целиком — делать конечно это можно, но качество, технологические возможности и гибкость будут отставать от специализированных машин.
Что касается материалов — как правило проволока дешевле в полтора-два раза, но это при условии такая марка проволоки серийно производится (например с теми же никелевыми сплавами есть проблема).
Вот и получается, что у этих технологий различные области применения:
Если надо грубую, дешевую и большую заготовку из простого материала (например конструкционной стали) — WAAM будет отличным решением, хотя и конкурирующим уже с традиционными технологиями — сварка, фрезеровка из куска, литье.
Если нужны более сложные материалы — титановые сплавы, никелевые, высокопрочные стали, и/или нужна сложная геометрия, тонкие стенки, то выбор ПЛВ будет обоснованным. Но отмечу, что нет идеальных технологий, для каждой конкретной задачи нужно оценивать целесообразность. Хотя в нашей практики очень много задач, подходящий под литье. Просто отлить даже простую заготовку в нашей стране сложно, дорого и долго.
Давайте возьмем самый распространенный титановый сплав ВТ6 (он же Grade5, он же Ti6Al4V). ГОСТ устанавливает для штамповок предел прочности от 950 до 1100 МПа при относительном удлинении 10-13%.
В качестве данных для сравнения давайте возьмем цифры с оффициального сайта компании EOS — одного из лидеров рынка. Там указаны цифры 1055 МПа и 13%, что находится в диапазоне свойств поковки.
А теперь залезем немного глубже. ВТ6 — альфа+бета сплав, фазовый состав которого зависит от параметров термического цикла (скорости остывания, количества нагревов-охлаждений и тд). Если он остывает медленно — будет много бета фазы, пластичной, но непрочной. Если остывает быстро — будет больше альфа фазы, более хрупкой, но прочной. Если остывает очень быстро — появляется еще альфа-штрих, еще больше увеличивающая прочность и уменьшающая пластичность.
Если залезть в даташит на сайте EOS, то видно, что после печати предел прочности составляет 1270 МПа при относительном удлинении 8.7%. Это связано с очень высокими скоростями охлаждения, характерными для технологии SLM, которые формируют мелкозернистую структуру с большим содержанием альфа и альфа-штрих фазы. Материал получается очень прочным, но малопластичным. А потом делают высокотемпературную термообработку на 800 градусах, которая приводит фазовый состав в норму и повышает пластичность при одновременном уменьшении прочности. Так что получить на SLM прочность выше поковки — не проблема, проблема — что делать с просевшей пластичностью?
Переходим к инконелю — инконели все разные. Самый распространенный в аддитивке — инконель 718. Он является термически упрочняемым сплавом, его паспортная механика достигается только путем многостадийной термической обработки. Возможно на SLM можно получить свойства лучше чем поковка, но тут надо смотреть на весь спектр свойств. Это не простые материалы, которые работают в сложных условиях, где зачастую важна не столько прочность, сколько стойкость к циклическим нагрузкам, высокотемпературная ползучесть, трещиностойкость и так далее. Все эти свойства зависят от фазового состава и размера зерна, многими свойствами можно управлять либо технологическими режимами, либо постобработкой, но надо понимать, что требуется.
С точки зрения создания управляющих программ это сложностей не добавляет — у Фануков есть программная опция «скоординированное движение», которая реализует совместную работу робота и позиционера.
При выращивании толстостенных деталей (толщиной более чем в один валик) есть несколько областей, в которых могут образовываться внутренние дефекты. В первую очередь это области нахлеста валиков. Так как у детали переменная толщина (перо тоньше, чем середина), то есть три способа это вырастить:
1. Оконтуривающий проход, а внутренности заштриховываем. Отличный подход, но программно не реализован в CAMe, так как поверхность слоя не является плоскостью.
2. Оконтуривающий проход, а внутренности заливаем проходами, параллельными центральной линии сечения. Будут проблемы примыкания внутренних проходов к оконтуривающему.
3. Все валики строятся от центральной линии, переменную ширину лопатки получаем за счет переменного бокового смещения между валиками. Переменное боковой смещения — это технологически сложно, необходимо варьировать расход порошка, чтобы не было наплывов, а это не дает делать инертность системы подачи.
4. Подход реализованный на фотографии в статье. Все валики параллельны друг другу, боковое смещение постоянно, единственный минус — «ступеньки» на боковой поверхности, которые увеличивают объем механической постобработки.
Что касается системы автоматического управления — под этим подразумевается бортовой ПЛК, его прошивка, а также все исполняющие модули. Хорошо спроектировать сау с первого раза — это очень непростая задача. На момент старта работ у нас не было ни достаточной компетенции, ни опыта, ни понимания что САУ должна делать. Поэтому мы играли в итерации и за счет короткого времени цикла смогли быстро пройти длинный путь.
Что касается софта для подготовки управляющих программ (CAM-систем), то это тема для отдельного разговора. Если резюмировать — то сейчас нет решения, которое бы отлично решало наши задачи. Самое лучшее из имеющегося — это тот самый Powermill, и мы используем именно его, но многие из наших подходов сложно назвать элегантными =)