Прямое лазерное выращивание: Идея


В основе всех красивых вещей лежит идея. «А давайте ездить без лошадей?», «А давайте летать как птицы?», «А давайте сделаем сверхтяжелую полностью повторно используемую ракету на метане и полетим на марс?»… В основе описанной дальше истории тоже лежит простая и красивая идея: «А давайте печатать крупногабаритные металлические изделия из порошка?». Действительно, почему бы и нет? Если существует технология послойного лазерного сплавления (SLM) для изделий до полуметра диаметром, то почему не получится напечатать изделие побольше?

На КДПВ показан процесс прямого лазерного выращивания изделий диаметром 2 метра из титана. Для того чтобы сделать эту фотографию потребовалось пять лет упорной работы, пять лет проб, ошибок, разочарований, выкидывания всех наработок и начинания всего с начала. Но прежде чем начать, давайте вернемся к самому началу — к Идее и постараемся понять, в чем она заключается.
С момента появления первых технологий 3Д печати из полимеров люди мечтали о возможности использования металлов. Реализация не заставила себя долго ждать — с развитием мощных лазеров появилась возможность выборочно спекать металлические порошки, зародилась технология Selective Laser Sintering (SLS). Мощность и качество излучения лазеров росли, их стоимость падала и в середине 90х годов появилась техническая возможность сплавлять металлические порошки в сплошное изделие, появилась технология Selective Laser Melting (SLM). Суть метода проста — насыпаем тонкий слой металлического порошка, пробегаем по нему сфокусированным лазерным излучением, которое расплавляет порошинки, оставляет сплавленные «треки», опускаем платформу построения и повторяем процесс. Так, слой за слоем создается изделие требуемой геометрии.


На текущий момент это самая освоенная, изученная и широко применяемая технология 3Д печати из металла. Сотни компаний производителей оборудования, тысячи кейсов внедрения, большое научное сообщество, сертификация, материаловедение и так далее. Но как говорится, есть проблема (да и не одна) — а можно ли делать большие изделия? Основная проблема масштабирования — для этой технологии требуется поле построения, полностью заполненное порошком. Именно размер поля ограничивает размер изделия. На текущий момент большие установки SLM имеют размер поля до 400х400х400 мм (EOS M400) или 500x280x365мм (SLM500), да есть больше, но это тема для отдельной статьи. А если хочется больше? А если хочется производительность не 100 г/ч, а хотя бы 1 кг/ч, чтобы изделие в пару сотен килограмм не печатать полгода? Тогда надо менять подход.


Возьмем лазерную технологическую головку — устройство для фокусировки лазерного излучения, такие используются, например, для лазерной сварки, добавим к ней сопло подачи порошка, которое будет подавать порошок от специального питателя и повесим все на какой-нибудь манипулятор. Лазерное излучение фокусируется головкой в пятно размером в пару миллиметров, оно поглощается металлом подложки и энергия тратится на создания ванночки расплавленного металла — как сварочная ванна при обычной сварке. Теперь подадим в эту ванну металлический порошок, он будет захвачен расплавом после остывания сформирует наплавленный валик. Процесс похож на обычную сварку с присадкой — дуговую, газовую, лазерную, какую угодно.
А теперь будем накладывать валики друг на друга по определенной траектории и из этих валиков сформируем изделие. Все просто!

Спойлер
Нет.

У технологии только с названием не сложилось. Почему-то все разработчики решили давать свое уникальное имя: первыми были Optomec с их Laser Engeneered Net Shaping, потом Irepa Laser с их Construction Laser Additive Directe, затем пришли названия Laser Metal Deposition, Direct Metal Deposition, Direct Metal Tooling, Blown-Powder Direct Energy Deposition и многие другие. На русском с терминологией еще веселее (например кальки типа прямого лазерного осаждения), поэтому наше название — Прямое Лазерное Выращивание.

Пять лет назад наше путешествие началось с просмотра видео компании BeAM Machines на ютубе, сейчас мы создаем оборудование и разрабатываем технологии изготовления красивых, больших заготовок и выглядит все примерно вот так:


А изделия выглядят например вот так:


В чем же состоит самое интересное?

Можно за часы изготавливать большие заготовки — от согласования 3Д модели до готовой детали проходят дни. Свойства материала — на уровне стандартов на прокат. Размер изделия ограничен только смелостью заказчика (и его жадностью). Можно делать довольно сложные изделия, хотя сложность геометрических форм и не сравнивается с возможностью SLM, но они в разных лигах находятся. Можно изготавливать биметаллические и градиентные изделия — за счет комбинации разных порошков. Можно кастомизировать установку, адаптируя ее под требования изделия.

А так самая обычная аддитивная технология, для разработки которой потребовалось:

  • Шесть раз проектировать с нуля технологический инструмент
  • Семь раз выкидывать и создавать с нуля систему автоматического управления
  • Научиться программировать ПЛК B&R и осознать всю предыдущую боль
  • Подружиться с техподдержкой Фанука. Привет, Владимир Майский!
  • Переизобрести герметичные кабины
  • Заняться техническим шпионажем
  • Долго страдать при создании управляющих программ, искать решение, найти его и словить эйфорию. Привет, Александр Рагулин!
  • Десятки раз осознавать, что чем больше ты занимаешься технологией, тем меньше ты ее понимаешь
  • Наконец осознать собственную ограниченность, смириться с этим и поверить в процессы
  • Собрать лучшую команду и научиться творить чудеса

Если было интересно — пишите в комментариях, чему посвятить следующую статью? Технология? Физика процесса? Железо? Система управления? Создание управляющих программ? Или обзор того, что делается в мире по этой технологии и почему все машины разные и какая из них лучше?

Комментарии 61

    –2
    Это пример самого плотного размещение правильного и неправильного использования -тся/-ться, которое я только встречал!
      +3
      А давайте летать как плиты

      Это как?
        +2
        Автозамена? «птицы», м.б.
        Но вообще да, авторы в последнее время очень ленятся вычитывать свой текст.
          +2
          Спасибо за замечания, поправил. В дальнейшем буду внимательнее вычитывать.
          0
          Так даже смешнее
            0

            Как как… Стремительным домкратом!

            +4
            Если было интересно — пишите в комментариях, чему посвятить следующую статью? Технология? Физика процесса? Железо? Система управления? Создание управляющих программ? Или обзор того, что делается в мире по этой технологии и почему все машины разные и какая из них лучше?

            Чёрт возьми! Пишите про всёёёёё!!!
              0

              А к чему на лопастях дугообразные нашлёпки? А зачем семь раз менять систему автоматического управления и долго страдать при создании управляющих программ? Есть готовые решения от э-э (боюсь быть закиданным сцаными тапками), например, уважаемого американского концерна.

                +2
                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
                  ЭЭэээ… и это вся проблема? Ощущение, что несколько программистов на хорошей зарплате, создадут необходимый инструмент за разумное время.
                    +5

                    тут вспоминается
                    image


                    Вы не верно оцениваете сложность задачи

                      0
                      Думаю, что оцениваю правильно :) Тут вопрос больше в задаче — есть просто решение, есть оптимальное решение, есть инструменты для тонкой настройки.
                      Первое — вполне посильная (хоть и непростая) задача вполне понятной сложности с понятными путями решения. Второе (нахождение оптимального решения) вообще может не иметь общего решения и иметь сложность близкую к бесконечной. Третье это уже отдельная задача, которая предполагает отдельный продукт и сложность там тоже может быть любой.
                      Из текста статьи и комментариев мне показалось, что сейчас вообще используются крайне неоптимальные наборы инструментов и способы решения задачи построение траектории движения сопла. И есть стойкое ощущение, что на уровне «лучше чем сейчас» это задача решается за разумное время разумными силами. Самым сложным будет нахождение и обработка зон, недоступных для манипулятора. Но это именно, что автоматическое решение задачи каким-то способом, далёким от оптимального. Оптимизировать и улучшать там можно вечность.
                      И, конечно, если говорить о полноценном инструменте, то это вообще создание отдельного независимого продукта.
                        0
                        Для создания управляющий программ сейчас используются CAM-системы, разработанные для программирования пятиосевых фрезерных станков с ЧПУ. Создание такой CAM-системы это задача стоимость в пару сотен человеко-лет. Существующие системы не оптимальны для аддитивки и не всегда дружелюбны и ограничены. Это связано с тем, что весь рынок еще не очень большой и вкладывать много ресурсов в разработку никто не будет. Тем ни менее тот же Powermill позволяет делать почти все что хочется, да он не идеален, но дает «общее» решение задача, что гораздо лучше, чем набор «частных», узко заточенных под конкретную задачу/геометрию. Не забывайте, что кроме технической реализации процесса создания траектории есть еще организационная часть — процессы взаимодействия людей, участвующих в процессе подготовки и изготовления детали, должны быть повторяемы, масштабируемы и иметь защитные механизмы поиска и исправления ошибок. Плюс перед нами как разработчиками оборудования необходимо переносить разработанные решения к заказчику. А это отдельная, очень интересная и сложная история.
                          0

                          А именно пять очей это минимум при котором будет работать?
                          Технология, то идеологически близка FFF/FDM а там три оси — стандарт.

                            0
                            пять осей очень желательно, а лучше 8 =).
                            Есть примеры работы в трех осях — youtu.be/d2foaRi4nxM?t=145 Но это не от хорошей жизни, просто пятиосевой манипулятор они не сдюжили, хотя Optomec фирма древняя и известная. За три оси приходится платить — в первую очередь сложностью геометрии (нависающие конструкции делать сложно), а во-вторую — коэффициентом использования материала. Он неизбежно снизится в полтора-два раза.
                              0

                              Понятно.
                              А формат которые условный "принтер" понимает это GCode или слишком простой он?
                              Я пытаюсь понять насколько "слайсер" от привычных любительских должен отличаться.

                                0
                                Принцип схожий, не конечно не G-коды в чистом виде, но тоже последовательный список команд перемещения, задачи цифровых и аналоговых выходов и так далее.
                                Запустить программу с обычного слайсера можно, но сложно — нужно кроме трансляции «языка» еще например прореживать точки. По определенным причинам промышленные роботы плохо переваривают очень большие управляющие программы, когда расстояние между точками меньше полумиллиметра
                          0

                          вы сходите почитайте статью про роботов. Очень часто вам весьма сложно банально определить где там сопло. Как верно заметили задача далеко не простая и несколькими только программистами на зарплате не решается

                  +4
                  А как будут обстоять дела с прочностью у полученных изделий?

                  Как известно, сварка — и та создаёт проблемы из-за неравномерного нагрева деталей в районе швов. Эти участки становятся хрупкими и чувствительными к коррозии.

                  Когда всё изделие создано путём наплавления маленьких кусочков — то температурные градиенты там гигантские, и по многу раз в одних местах возникают.

                  Конечно, изделие можно после изготовления подвергнуть термообработке, закалке. Но при этом оно может деформироваться.

                  Есть на счёт прочности, упругости, хрупкости и т.д. изделий, созданных описываемыми вами методами, какая-нибудь информация?
                    +1
                    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.
                      0
                      Я слышал, что у метода SLM прочность даже выше, чем у поковки(по крайней мере когда мы говорим о титане/инконеле). Так ли это?
                        +8
                        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.
                    0
                    Интересно, а у такого способа будет разница в прочности в разных направлениях, как в обычной 3D печати?
                      +2
                      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.
                      0
                      А если сделать печатный стол с возможность наклоняться, это позволило бы поворачивать деталь в удобное для печати положение, да это бы также добавило бы сложностей для координации с соплом, но расширило бы возможности печати. Но я как понял у вас другие решения для таких задач
                        +1
                        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.
                        0
                        Какие преимущества у данной технологии по сравнению с WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) при печати крупного габарита? Пока я вижу только недостатки: дорогая установка и дорогие расходники, а качество печати (разрешение, прочность) и скорость, как минимум, не лучше, чем WAAM. Выбор материалов, как мне кажется, тоже сильно ограничен.
                          +1
                          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.
                            0
                            Я не металловед ни разу, но судя по информации с нашего сайта, выбор металлов несколько более богатый, чем конструкционная сталь.

                            Aluminium: 2319, 4043, 5183, 5356, 5087
                            Titanium: Ti-6Al-4V, Grade 5, Grade 23
                            Nickel Alloys: FeNi36 (INVAR), Inconel 625, Inconel 718, Nickel Aluminium Bronze
                            Steel: ER70, ER80, ER90, ER120, Maraging grade 250, Stainless 316L, 2205
                            In addition, the process is highly adaptable to virtually any material (titanium, nickel alloys, stainless steels, carbon steels, aluminium, bronze, etc.


                            Сам я видел лично изделия из стали, алюминия, нержавейки 318, каких-то бронзовых сплавов, титана.

                            Ширина валика настраивается, правда, в другом диапазоне. Вот сейчас держу в руках тестовую титановую стенку из 4 слоёв, толщиной, от 3.6 до 5.2мм. Не знаю, делали ли тоньше. Но неровности не превышают какие-то доли мм на глаз (тонкий красивый узор). Очевидно, это следствие отсутствия проблем с подачей материала в WAAM. Можно тонко играть этим параметром. Нужная ширина достигается не просто набором нужного количества валиков, а пилообразной траекторией движения наконечника (прошу прощения, если использую неправильные термины, знаю только по-английски). Таким образом мы печатаем стенки любой толщины больше минимальной, а не плюс-минус 4мм.

                            Литьё везде дорогое и долгое. С ним конкурировать не приходится.

                              +2
                              Что касается материалов — здесь проявляется специфика российских заказчиков. Они приходят с изделиями, разработанными для традиционных технологий, с традиционными материалами, зачастую внесения коррективов в конструкторскую документацию, а тем более замена материала не допускается. А в документации часто прописаны российские материалы — не инконель 718, а например ЭИ698, не Ti-6Al-4V (он же ВТ6), а ВТ20 и найти это все в виде проволоки очень дорого, порошок становится дешевле.
                              Если есть возможность купить готовую проволоку нужного состава — да, она будет дешевле, чем порошок. Насколько? Нужно смотреть конкретно.
                              Ширина одиночного валика WAAM больше, хорошо это или плохо — надо смотреть на конкретные детали. У нас самая частая толщина стенки (определяющая ширину валика) 2-3 мм. Но это не значит, что какая то технология условно «хорошая», а какая то «плохая», тут скорее про компетенцию и квалификацию технолога. У них несколько разные области применения и они не могут заменить друг друга.
                              Поперечные колебания для заполнения (заштриховки) массивных элементов распространенная тема, реализуется например стратегиями netfabb в powermill. Мы их тоже используем. Есть две вариации — с оконтуривающим проходом и без него. Во втором случае шероховатость наружной поверхности будет очень высокой. Проблема неприменимости этого подхода для рабочего колеса на картинке в том, что лопатка изгибается и поверхность сечения на слои не является плоскостью, что не позволяет использовать netfabb для создания траектории с осцилляцией (ну не реализовано еще).
                              Что касается нас — со следующего года мы начинаем заниматься проволочной темой, причем по двум направлениям — как классический WAAM (MIG), так лазер+проволока. Для нас это вынуждено — есть большая задача по алюминию, ПЛВ из алюминиевого порошка не самая удачная идея — получается большая пористость.
                                +1
                                Спасибо большое как за статью, так и за подробные ответы на вопросы!
                          +1
                          ИМХО, наиболее перспективный подход в плане автономности («а давайте, оно само всё сделает») — это как делает DMG MORI в серии Lasertec DED. Они не пытаются сделать высоко-точный принтер, а делают комбинированный аппарат, в котором совмещается сопло для грубой черновой формовки (всё-таки пятно в «пару мм» — это никакущая точность) и 5-осевой фрезер для точной обработки. Так можно делать детали сложной формы, с перекрывающими друг друга элементами, не парясь на тему «а как этот хитро-вывернутый винт потом финалить?».
                            +1
                            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.
                            0
                            Есть ли перспективы у этой технологии производить готовые изделия, не требующие последующей обработки? Локальный нагрев и остывание материала, по идее, должны приводить к деформации, а значит готовое изделие не получится изготовить. Отсюда необходимость в изготовлении изделия с допусками под последующую обработку. В чем я ошибаюсь?
                              0
                              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.
                              0
                              лааазеры лааазеры…
                              ЭЛЕКТРОСВАРКА
                              youtu.be/s-K83fEZrw0
                              ну или
                              www.interface.ru/iarticle/img/35455_47899438.png
                                0
                                Вот именно! Называется WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing).
                                Правда, 0.75/час, да ещё с водяным охлаждением — очень медленно. Мы делаем, если мне память не изменяет, до 4кг/час с воздушным охлаждением…
                                  0
                                  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.
                                    0
                                    Вообще — конечно да. Но мне кажется, в рекламном ролике, если уж и говорят о каком-то одном параметре, то стараются показать его лучшее значение. Возможно, это и не так в данном случае, но тогда это удивительно.
                                      0
                                      Этому видео уже пять лет. Тогда 0.75 кг/ч было очень не плохим результатом. Сравнивать было не с чем.
                                        0
                                        О, не заметил. :)
                                0
                                А что с геометрической точностью изделий? Этот способ изготовления будет сильно хуже, чем фрезеровка из одного большого куска металла?
                                  0
                                  Точность высокая, но разрешение не очень. Фрезеровка требуется после печати в любом случае, если нужна гладкая поверхность. Для этого модель предварительно «раздувается» (preform).
                                  Один кусок не всегда доступен, например, кубик 1м х1м х 1м из титана.
                                  Из одного куска металла может быть слишком много отходов (и много работы).
                                  Не всё можно вырезать, например, гнутую трубу или сферу.

                                  image
                                    0
                                    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.
                                    0
                                    1. А как это всё охлаждается? После первого слоя можно сразу второй слой накидывать, или там какое-то время (может значительное) нужно, для того чтобы охладить?
                                    2. При какой температуре это всё плавится?
                                    3. Я по материалам не специалист, но знаю что при высоком нагреве металл начинает забирать кислород из воздуха — у вас там ваккумная камера, получается, чтобы этого не происходило?
                                    4. Насколько я понимаю основная ниша таких устройств это детали, которые токарь будет делать значительно дольше (следовательно, дороже?). Ну и конечно случаи, когда токарю сделать такую деталь вообще практически не возможно.
                                    5. Сколько будет стоить изготовить молоток, например? Что формирует цену, и что самое дорогое при изготовлении? В случае если такие устройства будут относительно массовыми — из чего будет складываться цена? Много ли электричества тратится на лазеры и нагрев, например? Большой ли износ у лазеров, который может повлиять на конечную цену продукта?

                                    p.s коммерческого интереса не имею, но технология интересна
                                      +1
                                      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.
                                        0
                                        А вы случайно не подскажите, каким образом получается порошок? Это метод резкой подачи огромного тока, с последующим взрывообразным испарением проводника(забыл умное слово, которым эта технология называется), или просто измельчение каким-то образом?
                                          +1
                                          Есть несколько технологий изготовления порошков:
                                          1. Распыление металлической проволоки плазмой
                                          2. Газовое распыление расплава металла. струя жидкого метала падает в специальном баке и распыляется потоком аргона.
                                          3. Водяное распыление расплава металла. То что и пункт 2, только используются водяные струи. Дешевле, но и качество похуже.
                                          4. Плазменное распыление вращающегося электрода. Берем цилиндрический вал диаметром 50 мм и длинной 1000 мм, раскручиваем до 50-100 тысяч оборотов и к торцу подносим плазменную горелку. На торце вала образуется тонкая пленка расплава, которая центробежной силой разбрызгивается по кругу, отдельные капельки металла застывают в полете и падают на дно рабочей камеры.
                                          Разные технологии дают разное качество порошков и имеют разную стоимость.
                                      0
                                      Как изделия проходят дефектоскопию?
                                        +1
                                        В идеале нужна рентгеновская компьютерная томография, но большие изделия в томограф уже не влезут. Поэтому наружный контроль геометрии 3Д сканером, контроль внутренних дефектов с использованием металлографии и механические испытания образцов-свидетелей разрушающими методами (разрыв, удар, малоцикловая усталось, коррозионные испытания и т.д.).
                                          0
                                          А вы не используете ультразвуковой метод проверки?
                                          А по поводу томографии: не знаю подробностей, но видел на картинках, как проверяют корпуса ядерных реакторов на росатоме, это огромная камера с толстенной свинцовой дверью, в которую корпус целиком загоняется, выглядит очень эпично
                                          Так что влезет/не влезет это из разряда надо/не надо, если надо, то победа техники над здравым смыслом будет совершаться пока стоит задача «надо»:D
                                            +1
                                            Характерный размер внутренних дефектов в ПЛВ (как и в SLM) — это 100-150 мкм. Ультразвук не может различить такие малые размеры.
                                            Про промышленную компьютерную томографию можно посмотреть например тут.
                                            Видео с атомэнергомаша я видел, там не совсем томография, а рентген-контроль сварных швов. Разница в получаемом результате и разрешающей способности. Рентген выдает плоский снимок и если размер дефекта сравним с величиной шероховатости, то него нельзя будет отличить. Томография дает 3Д снимок, который можно рассечь плоскостями или обработать программно и подсчитать каждую пору.
                                            Хороший промышленный томограф стоит около 100 млн рублей, при этом размер и «пробиваемая» толщина не позволят тестировать большие изделия. Увеличение размера рабочего поля и пробиваемой толщины при неизменных требованиях к разрешающей способности нелинейно увеличивают стоимость томографа.
                                        0
                                        А что с печатью нависающих частей детали? В «обычной» 3d печати используются поддержки, а здесь как?
                                          +1
                                          Есть разные подходы. Мы можем выращивать уже на существующих элементах. Наклонные элементы можно делать с заклонением технологического инструмента. Также можно выращивать под углом к оси лазерного луча. То есть например головка стоит вертикально, а стенка растет под углом 45 градусов к вертикали, но это требует изменения технологического режима. Нависающие элементы не являются сложностью, проблемы скорее добавляют потолочные перекрытия — иногда приходится добавлять закладные элементы, которые ввариваются на определенном этапе выращивания.
                                          Поддержки используются редко, в основном для того, чтобы увеличить локальную жесткость изделия и предотвратить деформации.
                                          0

                                          А как ваша компания называется? Что-то ни в профиле, ни в статье не нашел.

                                            +2
                                            Я еще не до конца разобрался с правилами хабра касательно упоминания компании. Может быть мы со временем дозреем до корпоративного блога.
                                            Я являюсь начальником отдела исследований и разработок в ИЛИСТ — институт лазерных и сварочных технологий. Мы являемся подразделением Санкт-Петербургского Морского Технического Университета и да, кроме всего прочего мы еще и студентов учим =) Почти все сотрудники моего отдела — наши выпускники, правда выпускники политеха (там мы тоже являемся выпускающей кафедрой).
                                              0
                                              Очень интересно ознакомиться с вашей работой с точки зрения именно аддитивных технологий, как несколько нового для меня лично и коллег направления. Интерес представляют не только оборудование, но и сфера используемых материалов и изделий (особенно с точки зрения материаловедения). Как говорится, поделитесь ссылочками на себя)
                                                0
                                                Со ссылочками довольно сложно. Я думаю реализуем это в рамках будущих статей. Следующая будет про физику процесса, а потом — как раз планирую про материалы. Если будет положительный отклик — я могу привлечь кого-нибудь из наших материаловедов для углубленного погружения.
                                                  0
                                                  С нашей стороны отклик однозначно положительный и про физику, и про материалы. Очень интересная тематика!
                                            +1
                                            Ух ты. В комментариях информации как на отдельную статью или даже больше. Автору спасибо!
                                            Я бы с удовольствием прочитал следующую статью про физику процесса, особенно про изделия из нескольких видов материалов. Ну и про ваши инновации в гермокамерах расскажите.
                                              0
                                              Не иначе мы не первые пользователи аддитивных технологий.

                                              Только полноправные пользователи могут оставлять комментарии. Войдите, пожалуйста.

                                              Самое читаемое