Попробуем ознакомиться с устройством машины, которая сможет создавать детали любой сложности с идеальными параметрами.

Рис. 1. Поверхности, которые нельзя сделать традиционными методами

В основе принципа ее работы заложена технология послойного локального плавления порошкообразного материала. Подобная технология давно применяется в аппаратах быстрого прототипирования (SLS система от 3D System, LaserCusing от Hofmann и др.). Применение технологий быстрого прототипирования являются стандартом в современном процессе создания новых изделий. Развитие этих технологий привело к появлению оборудования, которое позволяет «выращивать» детали любой сложности. Их невозможно изготовить традиционными методами механообработки.

Примером применения технологии SLS (3D System) является изготовление формообразующих частей пресс-форм для литья термопластичного материала под давлением. Компания «Смирнов Технологии» совместно с НАМИ изготовили пресс-форму для литья, в которой формообразующие детали сделаны по технологии SLS (таблица 1).

Таблица 1. Процесс получения заготовки формообразующей детали

«Выращенная» заготовка может иметь твердость 10-20 HRc, а после закалки твердость достигает 39 HRc.  Характеристики получаемых по этой технологии заготовок (таблица 2) подходят для формообразующих деталей пресс-форм. Ресурс таких форм может составлять 100000 смыканий и более.

Полученные заготовки обрабатывались с помощью традиционных методов механообработки (фрезеровка, шлифовка, полировка). Изготовленные формообразующие (рис. 2) были установлены в универсальный блок пресс-формы и отлита партия деталей (рис. 3) в количестве 10000 шт.

Рис. 2. Формообразующие после механообработки

Рис. 3. Отливка, полученная в пресс-форме

Рис. 4. Формообразующая вставка

Последующий анализ износа трущихся поверхностей деталей показал, что на этой оснастке можно отливать детали без потери качества в больших объемах.

Примером использования технологии LaserCusing стало изготовление компанией Rowenta совместно с Hofmann формообразующих знаков для пресс-форм, которые производят детали корпуса утюга Rowenta DX 9100 (рис. 4).
Тонкие знаки сложной формы имеют криволинейные каналы охлаждения (обозначены синим цветом на рис. 4), которые невозможно было бы выполнить другим способом.

Рис. 5. Установка “Concept M2”

Эта технология уже не спекает металлический порошок как в технологии от 3D System, а расплавляет частицы металлического порошка полностью, что позволяет добиться однородной структуры получаемой заготовки. Для достижения такой сложной геометрии каналов охлаждения в установке (рис. 5) применяется 2 разных лазера. Один лазер настроен на расплавление порошка, другой на мгновенное испарение в тех местах, где должны быть пустоты.
Весь процесс происходит в среде инертного газа для исключения процессов окисления. Твердость формообразующих достигает 54 HRc без закалки. Это происходит из-за уплотнения материала при расплавлении лазерным лучом. Образующиеся в процессе расплавления газы уплотняют металл под большим давлением. Достижение такой твердости без внутренних напряжений, которые возникают при использовании традиционных методов закалки, многократно повышают ресурс работы деталей пресс-форм и точность изготовления. В сочетании с безграничными возможностями по созданию геометрии каналов охлаждения данная технология уже сейчас дает неоспоримые преимущества относительно традиционных методов изготовления деталей. Используя это оборудование можно существенно улучшить конструкцию системы охлаждения формообразующих частей оснастки. За счет разветвленной структуры каналов охлаждения удается уменьшить в несколько раз время охлаждения при эксплуатации пресс-форм (рис. 6).

Рис. 6. Конструкция каналов системы охлаждения

Применение технологий послойного выращивания деталей позволило разработать усовершенствованную систему охлаждения. Суть этой системы заключается в локализации теплообменных процессов в поверхностных слоях формообразующих деталей пресс-форм, контактирующих с расплавом пластмассы (рис. 7).

Рис. 7. Концепция усовершенствованной системы охлаждения

Изолирующий слой позволяет снизить теплообмен между поверхностью формообразующих деталей и остальной частью вставки. Таким образом, для охлаждения требуется меньше охлаждающей жидкости и можно очень быстро и точно обеспечить рабочую температуру пресс-формы.

Применяя оборудование послойного расплавления порошка, стало возможным легко восстанавливать поврежденные части формообразующей оснастки. При этом износостойкость и прочность восстановленных частей удается выполнить не хуже, чем оригинальных деталей. Компания «Смирнов Технологии» совместно с ОАО «НИАТ НТК» выполнила ремонт формообразующего знака пресс-формы (рис. 8).

Рис. 8. Ремонт формообразующего знака пресс-формы

Знак имел два тонких выступа, которые сопрягались с углублениями в ответной части пресс-формы и формировали прямоугольные отверстия в отливке. Один из выступов сломался и был восстановлен по технологии LaserCusing. После последующей шлифовки и полировки знак приобрел первоначальный вид и прочностные свойства.
Другое преимущество аддитивной технологии состоит в том, что можно «выращивать» части одной детали из совершенно разных материалов без потери ее прочностных свойств. Например, та часть, которая контактирует с агрессивной средой, будет выполнена из нержавеющей стали высокой твердости, та часть, которая должна работать как подшипник, будет выполнена из антифрикционного материала, а та часть, которая должна обладать высокой теплопроводностью, будет выполнена из материала с высокой теплопроводностью (рис. 9).

Для этого нужно лишь разместить в камере порошки разных материалов в тех местах будущей детали, где необходимо получить нужные свойства.

Рис. 9. Многокомпонентная деталь

Рис.10. Процесс получения высококачественных порошков

С другой стороны, в настоящее время существенно улучшилось качество и возможности по изготовлению порошков различных материалов. Последнее поколение оборудования по производству порошков позволяет практически исключить присутствие вредных примесей в частицах порошка и в то же время доводить нужные примеси до концентраций, которых невозможно добиться традиционными методами металлургии (рис. 10).

Использование подобных порошков последнего поколения позволяет существенно расширить возможности по достижению оптимальных параметров деталей.

После «выращивания» заготовки, в настоящее время, необходимо выполнять механическую обработку детали и ее доводку  традиционными методами. Однако технологии совершенствуются. В последнем поколении установок применяется лазер для гравировки поверхности детали. Следующим шагом может стать система, которая будет выжигать поверхность заготовки детали с высокой точностью при помощи лазера, так как сейчас происходит обработка фрезой на пятикоординатных фрезерных станках.

Итак, можно суммировать приведенные выше примеры и перечислить преимущества и новые возможности аддитивных технологий:
– Получение сплавов благодаря порошковым технологиям, которые невозможно получить другими способами.
– Достижение высокой твердости материала без внутренних напряжений и коробления.
– Новые возможности контроля температуры формообразующих деталей оснастки (пространственная система охлаждения, использование материалов с повышенной теплопроводностью и оптимальными свойствами).
– Восстановление поврежденных деталей без потери качества.
– Комбинирование материалов в одном изделии (многокомпонентные детали без сварных швов).

Теперь процесс «выращивания деталей» выглядит не такой уж утопией, а его возможности не ограничиваются производством деталей пресс-форм.  Технология с успехом может быть использована для производства продукции высокого качества в аэрокосмической, медицинской и автомобильной отраслях промышленности.

Патрикеев Иннокентий Владимирович
Генеральный директор
ООО «Смирнов Технологии»
тел. +7(495)973-20-58, тел./факс +7(499)123-10-41