Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор)

В данной работе рассмотрены новые тенденции применения сварочных технологий для трехмерной печати сложных металлических изделий, в том числе, дополняемых сопутствующей или последующей механической обработкой....

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Date:	2016
Main Authors:	Коржик, В.Н., Хаскин, В.Ю., Гринюк, А.А., Ткачук, В.И., Пелешенко, С.И., Коротенко, В.В., Бабич, А.А.
Format:	Article
Language:	Russian
Published:	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України 2016
Series:	Автоматическая сварка
Subjects:	3D аддитивные технологии
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146767
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор) / В.Н. Коржик, В.Ю. Хаскин, А.А. Гринюк, В.И. Ткачук, С.И. Пелешенко, В.В. Коротенко, А.А. Бабич // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 127-134. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-146767
record_format	dspace
spelling	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-1467672025-02-09T13:45:08Z Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор) 3D-printing of metallic volumetric parts of complex shape based on welding plasma-arc technologies (Review) Коржик, В.Н. Хаскин, В.Ю. Гринюк, А.А. Ткачук, В.И. Пелешенко, С.И. Коротенко, В.В. Бабич, А.А. 3D аддитивные технологии В данной работе рассмотрены новые тенденции применения сварочных технологий для трехмерной печати сложных металлических изделий, в том числе, дополняемых сопутствующей или последующей механической обработкой. This paper deals with new tendencies in application of welding technology for 3D-printing of complex metallic products, including those complemented by concurrent or subsequent machining. 2016 Article Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор) / В.Н. Коржик, В.Ю. Хаскин, А.А. Гринюк, В.И. Ткачук, С.И. Пелешенко, В.В. Коротенко, А.А. Бабич // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 127-134. — Бібліогр.: 19 назв. — рос. 0005-111X DOI: https://doi.org/10.15407/as2016.06.20 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146767 621.791.755 ru Автоматическая сварка application/pdf Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	3D аддитивные технологии 3D аддитивные технологии
spellingShingle	3D аддитивные технологии 3D аддитивные технологии Коржик, В.Н. Хаскин, В.Ю. Гринюк, А.А. Ткачук, В.И. Пелешенко, С.И. Коротенко, В.В. Бабич, А.А. Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор) Автоматическая сварка
description	В данной работе рассмотрены новые тенденции применения сварочных технологий для трехмерной печати сложных металлических изделий, в том числе, дополняемых сопутствующей или последующей механической обработкой.
format	Article
author	Коржик, В.Н. Хаскин, В.Ю. Гринюк, А.А. Ткачук, В.И. Пелешенко, С.И. Коротенко, В.В. Бабич, А.А.
author_facet	Коржик, В.Н. Хаскин, В.Ю. Гринюк, А.А. Ткачук, В.И. Пелешенко, С.И. Коротенко, В.В. Бабич, А.А.
author_sort	Коржик, В.Н.
title	Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор)
title_short	Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор)
title_full	Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор)
title_fullStr	Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор)
title_full_unstemmed	Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор)
title_sort	трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (обзор)
publisher	Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
publishDate	2016
topic_facet	3D аддитивные технологии
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/146767
citation_txt	Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор) / В.Н. Коржик, В.Ю. Хаскин, А.А. Гринюк, В.И. Ткачук, С.И. Пелешенко, В.В. Коротенко, А.А. Бабич // Автоматическая сварка. — 2016. — № 5-6 (753). — С. 127-134. — Бібліогр.: 19 назв. — рос.
series	Автоматическая сварка
work_keys_str_mv	AT koržikvn trehmernaâpečatʹmetalličeskihobʺemnyhizdelijsložnojformynaosnovesvaročnyhplazmennodugovyhtehnologijobzor AT haskinvû trehmernaâpečatʹmetalličeskihobʺemnyhizdelijsložnojformynaosnovesvaročnyhplazmennodugovyhtehnologijobzor AT grinûkaa trehmernaâpečatʹmetalličeskihobʺemnyhizdelijsložnojformynaosnovesvaročnyhplazmennodugovyhtehnologijobzor AT tkačukvi trehmernaâpečatʹmetalličeskihobʺemnyhizdelijsložnojformynaosnovesvaročnyhplazmennodugovyhtehnologijobzor AT pelešenkosi trehmernaâpečatʹmetalličeskihobʺemnyhizdelijsložnojformynaosnovesvaročnyhplazmennodugovyhtehnologijobzor AT korotenkovv trehmernaâpečatʹmetalličeskihobʺemnyhizdelijsložnojformynaosnovesvaročnyhplazmennodugovyhtehnologijobzor AT babičaa trehmernaâpečatʹmetalličeskihobʺemnyhizdelijsložnojformynaosnovesvaročnyhplazmennodugovyhtehnologijobzor AT koržikvn 3dprintingofmetallicvolumetricpartsofcomplexshapebasedonweldingplasmaarctechnologiesreview AT haskinvû 3dprintingofmetallicvolumetricpartsofcomplexshapebasedonweldingplasmaarctechnologiesreview AT grinûkaa 3dprintingofmetallicvolumetricpartsofcomplexshapebasedonweldingplasmaarctechnologiesreview AT tkačukvi 3dprintingofmetallicvolumetricpartsofcomplexshapebasedonweldingplasmaarctechnologiesreview AT pelešenkosi 3dprintingofmetallicvolumetricpartsofcomplexshapebasedonweldingplasmaarctechnologiesreview AT korotenkovv 3dprintingofmetallicvolumetricpartsofcomplexshapebasedonweldingplasmaarctechnologiesreview AT babičaa 3dprintingofmetallicvolumetricpartsofcomplexshapebasedonweldingplasmaarctechnologiesreview
first_indexed	2025-11-26T10:09:33Z
last_indexed	2025-11-26T10:09:33Z
_version_	1849847217070800896
fulltext	3 аддитивные технологии 1 2 7 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - УДК 621.791.755 трехмерная печать металличесКих оБЪемных изДелий слоЖной Формы на основе сварочных плазменно-ДУговых технологий (обзор) В. Н. КОРЖИК1, В. Ю. ХАСКИН1, А. А. ГРИНЮК1,2, В. И. ТКАЧУК1, С. И. ПЕЛЕШЕНКО3, В. В. КОРОТЕНКО1,2, А. А. БАБИЧ1 1иЭс им. е. о. патона нан Украины. 03680, г. Киев-150, ул. Казимира малевича, 11. E-mail: office@paton.kiev.ua 2нтУУ «Киевский политехнический институт». 03056, г. Киев-56, пр-т победы, 37. E-mail: mail@KPI.ua 3Южно-Китайский технологический университет. 510641, г. гуанжоу, Кнр. E-mail: sviatoslav@qq.com в современной промышленности все более актуальным становится изготовление металлических изделий сложной формы при помощи трехмерной печати. Для этого чаще всего применяют лазерные технологии (SLS- и SLM-процес- сы), реже — электронно-лучевые (EBF3). и те и другие отличаются достаточно высокой себестоимостью и невысокой производительностью. в данной работе рассмотрены новые тенденции применения сварочных технологий для трех- мерной печати сложных металлических изделий, в том числе, дополняемых сопутствующей или последующей меха- нической обработкой. показано, что использование сварочных технологий для получения металлических объемных изделий значительно снижает себестоимость их изготовления при одновременном повышении производительности по сравнению с SLS- и SLM-процессами. наиболее перспективной сварочной технологией трехмерной печати является плазменно-дуговая с применением проволок или порошков. она позволяет при сравнительно малом тепловложении создавать качественные объемные изделия с толщиной стенки 3,0…50,0 мм из сплавов на основе Fe, Ni, Co, Cu, Ti, Al, а также композитных материалов, содержащих тугоплавкие компоненты. применение сварочных технологий позволяет получать как сравнительно небольшие, так и длинномерные изделия, не нуждающиеся в финишной механической обра- ботке (например, выращивать ребра жесткости на крупногабаритных панелях, создавать сотовые панели, строительные конструкции и т.д.). сочетание сварочных технологий трехмерной печати с сопутствующей или финишной механиче- ской обработкой (чаще всего чпУ-фрезерованием) позволяет изготавливать готовые к применению сложнопрофильные металлические изделия. Библиогр.19, табл. 2, рис. 8. К л ю ч е в ы е с л о в а : трехмерная печать, металлические изделия, сварочные технологии, механическая обработка, материалы, оборудование в настоящее время трехмерная (3D) печать или быстрое прототипирование (rapid prototyping) объемных изделий сложной формы рассматрива- ется, как «технология XXI века», которая прин- ципиально изменит структуру промышленного производства и экономики, обеспечит автоматиче- ское проектирование деталей, гибкость и быстроту изготовления различных изделий, перераспределе- ние производства от больших предприятий к мел- ким или изготовление деталей непосредственно у потребителя [1]. трехмерная печать — это техноло- гия аддитивного производства. процесс начинается с получения данных виртуального проектирования посредством компьютерного моделирования с ис- пользованием программного обеспечения систем автоматизированного проектирования (Computer- aided design — CAD). машина для 3D-печати счи- тывает данные из файла модели CAD, с помощью программных (Computer-aided manufacturing — CAM) модулей деталь делиться (режется) на слои, для каждого из которых автоматически создается траектория перемещения инструмента, которая мо- жет учитывать множество технологических и гео- метрических факторов. в сумме все программы для каждого слоя формируют управляющую программу, согласно которой движется рабочий инструмент чпУ-манипулятора. инструмент накладывает по- следовательные слои жидкого, порошкового или листового материала, создавая физическую модель из набора поперечных сечений. Эти слои, соответ- ствующие созданным в модели CAD виртуальным поперечным сечениям, автоматически соединяются для создания окончательной формы. существуют различные процессы трехмерной печати, но их объединяет то, что прототип изготав- ливается путем послойного наложения материала. основное преимущество быстрого прототипирова- ния состоит в том, что прототип создается за один прием, а исходными данными для него служит не- посредственно геометрическая модель детали. сле- довательно, при этом отпадает необходимость в пла- нировании последовательности технологических процессов, специальном оборудовании для обработ- © в. н. Коржик, в. Ю. хаскин, а. а. гринюк, в. и. ткачук, с. и. пелешенко, в. в. Коротенко, а. а. Бабич, 2016 3 аддитивные технологии 1 2 8 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - ки материалов на каждом этапе изготовления, транс- портировке от станка к станку и т. д. среди известных и достаточно широко приме- няемых в настоящее время процессов трехмерной печати можно отметить такие, как стереолито- графия [2], струйное выдавливание с расплавле- нием термопластичного полимерного материала (Fused Deposition Modeling — FDM) [3], изби- рательное лазерное спекание (Selective Laser Sintering — SLS) [4]. такие процессы, при всей их эффективности, обладают одним существен- ным ограничением — в качестве основного кон- струкционного или связующего материала в них применяется пластик, что значительно ограничи- вает номенклатуру изготавливаемых изделий по температуре эксплуатации, нагрузкам, механиче- ской прочности и другим показателям. Для расширения возможностей трехмерной печати требуется наличие технологий получения высокопрочных объемных изделий из металлов, сплавов, в том числе с высокой твердостью. в ряде научно исследовательских центров сШа (на- пример, NASA’s Langley Research Center, Houston и Johnson Space Center, Hampton) ведется разра- ботка электронно-лучевого процесса изготовле- ния металлических изделий произвольной формы (Electron beam freeform fabrication — EBF3) [5]. при этом электронный пучок используется в ка- честве источника энергии для плавления подавае- мой проволоки в вакууме. Данная методика была продемонстрирована на алюминиевых и титано- вых сплавах, представляющих интерес для аэро- космического использования [6]. по нашему мне- нию, она может быть также распространена на сплавы на основе никеля и железа. однако при- менение данного процесса ограничено необходи- мостью применения дорогостоящей и сложной ва- куумной техники. одной из перспективных технологий получе- ния высокопрочных объемных металлических из- делий является избирательное лазерное плавление (Selective Laser Melting — SLM), обеспечивающее их формирование путем сплавления порошков из различных металлов и сплавов лазерным лучом [7]. Данная технология дает возможность получ- чать сложные объемные металлические изделия с высокой степенью детализации их элементов и высокой плотностью (до 99 %), а также с высокой размерной точностью (± 50 мкм). вместе с тем, при всей его эффективности и гибкости, процесс SLM также обладает ря- дом ограничений, сужающих его использование (табл. 1): необходимость применения дорогостоящего и энергетически затратного оборудования с высокой стоимостью обслуживания, что обусловливает вы- сокую себестоимость процесса трехмерной печа- Т а б л и ц а 1 . Сравнение распространенных SLM-технологий трехмерной печати металлических изделий с новой PAM-технологией на основе плазменно-дуговой сварки показатели технология трехмерной печати металлических изделий селективное лазерное плавле- ние – SLM (фирма LENS) селективное лазерное плав- ление – SLM (фирма POM) селективное лазерное плавле- ние – SLM (фирма AeroMet) плазменно-дуговое плавление – PAM характеристики используе- мого оборудования Nd:YAG-лазер, мощность 1 квт CO2-лазер, мощность 2 квт CO2-лазер, мощность 14 квт на основе сварки, мощность 2…20 квт производительность по на- ращиваемому металлу, (см3/ час) 8 8 160 >1000...15000 возможность обработки по осям (степеням свободы) 3 оси 3 оси 3 оси 4-5 осей тип используемого материала для 3D-печати металлический порошок металлический порошок металлический порошок порошки металлов, сплавов, композиционных материалов, смеси порошков. проволока сплошная и по- рошковая (металлический сер- дечник с порошковым напол- нителем) Коэффициент использования материала, % около 40 около 40 около 70 Более 90 области применения изготовление и ремонт мелких дорогостоящих деталей сложной формы изготовление и ремонт мелких дорогостоящих деталей сложной формы изготовление и ремонт мелких дорогостоящих деталей сложной формы изготовление и ремонт средних и крупных объемных изделий различного назначения ориентировочная стоимость основных единиц оборудова- ния (за 1 квт мощности) стоимость лазера 80,000…120,000 дол. сШа стоимость сварочного оборудования 1000…5000 дол. сШа 3 аддитивные технологии 1 2 9 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - ти и приводит к высокой стоимости изготавлива- емых изделий; относительно низкая производительность трех- мерной печати (обычно для наиболее распростра- ненных машин не более 10 см3/ч наращиваемого металла); ограничения по материалу – для SLM исполь- зуются дорогостоящие порошки с жесткими тре- бованиями по гранулометрическому и химическо- му составу, текучести и другим характеристикам; недостаточно высокие прочностные характери- стики изготовленных изделий. с учетом сказанного, актуальным является рас- смотрение сварочных технологий для трехмерной печати металлических изделий сложной формы, поскольку сварка, при большей производительно- сти, также позволяет реализовать принцип адди- тивного производства, а именно послойного фор- мирования объемных конструкций. Кроме того, сварочные технологии разрабатывались задолго до появления трехмерной печати и являются го- раздо более зрелыми и менее затратными. поэто- му сварочные процессы актуально использовать при разработке экономичного способа производ- ства максимально плотных объемных металличе- ских деталей и инструментов [8]. в работе [9] приводится следующая хроно- логия попыток использования сварочных техно- логий для получения трехмерных конструкций сложной формы: 1926 г. Бейкер запатентовал «использование электрической дуги в качестве источника тепла для получения объемных объектов, напыляя рас- плавленный металл в накладываемые слои»; 1971 г. Юджи (Mitsubishi) — изготовление со- суда высокого давления используя сварку под флюсом, электрошлаковую технологию и TIG для получения изделий с функционально-градиентны- ми стенками; 1983 г. Куссмаул использовал Shape Welding (фигурную сварку или сварку с заформовкой) для изготовления крупногабаритных изделий из вы- соколегированной стали (20MnMoNi5) весом 79 т; 1993 г. принц и вейс запатентовали комбини- рованную технологию наращивания материала с помощью сварки с фрезерованием на станках с чпУ (Shape Deposition Manufacturing – SDM); 1994–1999 гг. Университет Кренфилда разра- ботал технологию SMD для изготовления обо- лочек двигателей для корпорации Rolls-Royce (великобритания). также имеются данные о предпринятых в гер- мании в 1960-х годах попытках создания объем- ных металлических конструкций с помощью ду- говой сварки с заформовкой (Shape Welding). на основе этого процесса такие компании, как Krupp и Thyssen, организовали изготовление крупнога- баритных деталей простой геометрии, например, сосудов высокого давления весом до 500 т [10]. Успешные попытки применения дуговой сварки для изготовления крупных металлических кон- струкций и изделий из аустенитных сталей были предприняты компанией The Babcock & Wilcox Company (сШа) в виде создания технологии под названием — процесс «плавления с заформовкой» (Shape Melting) [11]. Как уже отмечалось, в корпо- рации Rolls-Royce (великобритания) проводятся работы по применению дуговой сварки в качестве технологии, обеспечивающей высокую произво- дительность формовки и снижение уровня отхо- дов, которые могут возникнуть при традиционной обработке в процессе изготовления изделий из дорогих сплавов [12]. в настоящее время в дан- ной корпорации успешно внедряют эту техноло- гию для производства различных частей самоле- тов из дорогостоящих сплавов на основе никеля и титана. Кроме вышеперечисленных примеров, науч- но-исследовательская работа по трехмерной ду- говой сварке ведется в университете ноттинге- ма, (великобритания), университете вуллонгонга (австралия) и Южном методистском универси- тете в Далласе (сШа, штат техас) [13]. группы исследователей из индийского института техно- логий (Бомбей, индия) и института технологии производства и автоматизации Фраунгофера пред- ставили свои концептуальные идеи объедине- ния сварки с фрезерованием (combining a welding operation with milling). исследовались также ха- рактерные дефекты формирования объемных из- делий сварочными способами и разрабатывались пути их устранения [14]. Была показана необходи- мость контроля температуры наращиваемых сло- ев. особое внимание обращалось на создание из- делий из титановых [15] и никелевых [16] сплавов для задач аэрокосмической отрасли. в целом, ос- новные сварочные и родственные технологии для аддитивного производства можно представить в виде табл. 2 [17]. в иЭс им. е. о. патона также была под- тверждена принципиальная возможность форми- рования крупногабаритных объемных конструк- ций с помощью дуговой сварки. одним из ярких примеров может служить создание г. Дочкиным объемных сварных скульптур и картин из титано- вого сплава по собственному уникальному методу, разработанному в середине 1970-х годов [18]. ре- шались также отдельные производственные зада- чи, связанные с изготовлением уникальных изде- лий оборонной промышленности. в упомянутых работах в основном изучались возможности применения для трехмерной печа- 3 аддитивные технологии 1 3 0 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - ти таких сварочных процессов, как дуговая свар- ка плавящимся электродом в среде защитного газа (GMAW) и дуговая сварка вольфрамовым элект- родом в защитном газе (GTAW). Эти процессы обеспечивают хорошее металлургическое сцепле- ние, а также защиту сварочной ванны и наращи- ваемых слоев изделий от образования оксидов. однако эти процессы при их доступности также обладают такими недостатками, как значительный размер зоны термического влияния (зтв) и доста- точно большие размеры наращиваемого слоя, что приводит к возникновению нежелательных тем- пературных градиентов и накоплению остаточных напряжений. Кроме этого, в качестве расходного материала для формирования объемных изделий используется преимущественно обычная свароч- ная проволока, что ограничивает химический со- став и свойства этих изделий. Устранить указанные недостатки можно при- меняя способы микроплазменного или плаз- менно-дугового плавления (plasma-arc melting – PAM), а также микроплазменной или плазмен- но-дуговой сварки (plasma-arc welding – PAW). Эти сварочные технологии способны обеспечить новый уровень трехмерной печати как по срав- нению с процессами дуговой сварки (GMAW, GTAW), так и по сравнению с лазерным селек- тивным спеканием (SLM), ввиду следующих достоинств: температура в факеле плазменной дуги может достигать 30000 °C, что существенно больше, чем в обычной электрической дуге, поэтому плазма может расплавить практически любой тугоплав- кий материал для послойного наращивания объ- емных изделий; минимальный нагрев ранее нанесенных слоев при формировании изделий, проникновение тепла в основной металл менее 5 %; отсутствие разбрызгивания металла при на- ращивании слоев, чрезвычайно низкое их перемешивание; возможность регулирования в широких преде- лах толщины (0,5…5,0 мм) и ширины (1,5…50,0 мм) наносимого слоя металла при аддитивном на- ращивании объемных изделий; возможность регулирования состава газовой среды (восстановительной, инертной, окислитель- ной) в процессе аддитивного наращивания слоев при формировании изделия; более высокая экономичность и производи- тельность процесса (в 2…3 раза и более); возможность использования широкой но- менклатуры расходных материалов (порошки ме- таллов, сплавов, композиционных материалов, порошковые смеси, сплошные и порошковые про- волоки), в том числе из сплавов на основе Fe, Ni, Co, Cu, Ti, Al, а также из композитных материа- лов, содержащих тугоплавкие компоненты — кар- биды, бориды и другие (например, WC, Cr3C2, TiC, TiB2) тугоплавкие материалы, композицион- ные материалы с тугоплавкими компонентами; возможность изменения состава металла в про- цессе формирования изделий, получение изделий из материалов с градиентной структурой. в настоящее время в передовых исследова- тельских институтах и промышленных корпора- Т а б л и ц а 2 . Основные технологии аддитивного производства, использующие процессы локального плавления [17] 3 аддитивные технологии 1 3 1 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - циях экономически развитых стран ведутся на- учно-практические исследования по разработке технологий PAM и PAW, а также других свароч- ных технологий трехмерной печати металличе- ских изделий. рассмотрим некоторые характерные примеры таких работ. в университете Кренфилда (великобритания) разработаны различные комплексы для реализа- ции сварочных аддитивных технологий – как с механической обработкой в процессе наращива- ния слоев, так и без таковой (рис. 1) [9]. в основе изготовления объемных изделий на этих комплек- сах лежит технология WAAM (Wire + Arc Additive Manufacture) проволочно-дугового аддитивного производства (рис. 2). изделия изготавливаются из различных материалов, например, углероди- стой стали, титановых и алюминиевых сплавов и др. при этом может использоваться как обыч- ная (непрерывная или импульсная), так и сжатая электрическая дуга, т. е. плазма (рис. 3). одним из перспективных направлений использования тех- нологии WAAM является изготовление габарит- ных сотовых конструкций (рис. 4). в Южном методистском университете в Дал- ласе (штат техас, сШа) были рассмотрены ва- рианты лазерной, дуговой и плазменно-дуговой технологий изготовления трехмерных объектов с одновременной либо финишной механической обработкой (чпУ-фрезерованием) [13]. Были разработаны соответствующие технологиче- ские комплексы, а также предложен ряд техниче- ских решений, позволяющих изготавливать как относительно простые, так и достаточно слож- ные изделия (рис. 5). в том числе были прове- дены исследования в области микроплазменно- рис. 1. Комплексы для реализации сварочных аддитивных технологий [9]: а – пятиосная система с чпУ-фрезерованием и технологией WAAM; б – процесс WAAM без механической обработки, реализуемый при помощи антропоморфного робота рис. 2. примеры объемных изделий из углеродистой стали S355, полученных по технологии WAAM [9]: а – панели с пересе- кающимися ребрами без механической обработки; б – цилиндр, механически обрабатываемый после изготовления рис. 3. Корпуса снарядов диаметром 160 и длиной 800 мм с толщиной стенки 8…18 мм массой 32 кг из высокопрочной стали, изготавливаемые по технологии WAAM импульсной MIG-сваркой с производительностью 4 кг/ч, до (а) и после (б) механической обработки [9] 3 аддитивные технологии 1 3 2 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - го порошкового выращивания объемных изделий (рис. 6). показана принципиальная возможность получения градиентных композитных структур таким способом. анализ особенностей и перспек- тив указанных сварочных технологий показал, что для наиболее высокопроизводительного и эконо- мичного создания качественных объемных изде- лий с толщиной стенки 3,0…50,0 мм оптималь- ным является использование плазменно-дуговой порошковой наплавки слоев высотой 0,5…5,0 мм за один проход. помимо изделий машин и механизмов, сва- рочные технологии трехмерной печати позволя- ют создавать и строительные конструкции. при- мером может служить создание новой технологии MX3D [19]. проект MX3D создан лаборатори- ей JORIS LAARMAN LAB в сотрудничестве с ACOTECH и HAL (голландия). новая технология имеет огромные перспективы, поскольку позволя- ет быстро создавать сложные металлические со- оружения без возведения каких-либо сопутству- ющих поддерживающих конструкций, например, лесов или временных промежуточных опор. в процессе трехмерной сварки MX3D человек или сварочный робот сам строит себе опору и двигает- ся вперед по возводимой конструкции. Это уско- рис. 4. алюминиевая сотовая балочная конструкция повы- шенной жесткости длиной 3 м [9] рис. 5. процесс изготовления лопатки турбины при по- мощи сочетания дуговой наплавки и чпУ-фрезерования: а – CAD-модель; б – начало TIG-наплавки; в – окончание TIG-наплавки; г – заготовка после чпУ-фрезерования [13] рис. 6. микроплазменное порошковое выращивание объемных изделий [13]: а – лабораторная установка; б – полый одно- родный цилиндр (инструментальная сталь н-13); в – создание градиентной композитной структуры (инструментальная сталь н-13 + карбид вольфрама) 3 аддитивные технологии 1 3 3 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - ряет и упрощает строительство, к тому же MX3D может быть полностью роботизирован и работать круглосуточно. обобщение данных, приведенных в проана- лизированных работах, позволяет предложить следующий подход к изготовлению объемных изделий с помощью сварочных технологий: ком- пьютерное моделирование изделия, его изготовле- ние при помощи плазменно-дуговой технологии с использованием проволоки или порошка в усло- виях контроля температуры и формообразования, механическая обработка минимально необходимо- го количества участков изделия. Для реализации такого подхода целесообразно отдельно использо- вать установку для плазменно-дуговой трехмер- ной печати (рис. 7) и отдельно проводить механи- ческую обработку на фрезерном и/или токарном станке с чпУ. объединять процессы трехмерной печати и финишной механической обработки в рамках одной многоосевой универсальной уста- новки, по нашему мнению, не целесообразно. после создания компьютерной модели выра- щиваемой детали (при помощи системы автома- тизированного проектирования CAD, например Solidworks) ее автоматически (при помощи системы CAM, например Lazy CAM, Art CAM) разделяют на слои с получением для каждого из слоев управляющих программ, за- гружаемых в систему чпУ комплек- са (рис. 7). выращивание детали 5 производят в экранированной (для улавливания сварочных брызг и не- использованного порошка) зоне 1, расположенной на поворотном сто- ле 6, имеющем возможность вра- щения С и пошагово вертикального перемещения Z. плазмотрон пря- мого действия 3 установлен на ка- ретке двухкоординатного манипу- лятора, обеспечивающего точное перемещение по координатам X и Y. в зону действия плазмотрона 3 при помощи системы 4 подается приса- дочная проволока или порошок. на- блюдение за процессом ведется при помощи системы 2, включающей две CCD-камеры, расположенные под 90° друг к другу, и тепловизор. при этом контролируется не только формообразование детали 5, но и ее температурное состояние. системы 4 и 2 также расположены на карет- ке. Электрическое питание плазмо- трона 3 обеспечивается источником 7, а управление процессом трехмер- ной печати — системой чпУ 8. по окончании выращивания детали 5 ее могут передавать на пост механической обработ- ки, обрабатывать непосредственно на той же уста- новке, на которой ее создали, либо оставлять не- обработанной, при условии получения требуемого качества ее поверхностей. в настоящее время в иЭс им. е. о. патона нан Украины ведется изготовление оборудова- ния для создания трехмерных объектов на основе технологий плазменно-дуговой сварки и наплав- ки. Для этого спроектирован комплекс на базе трехкоординатного манипулятора, оснащенный плазмотроном с источником питания, дозатором присадочного порошка и системой чпУ (рис. 8). Управление комплексом осуществляется при по- мощи общего контроллера с возможностью об- мена данными по режимам трехмерной печати и управляющими командами с компьютером. про- водимые работы позволят создать ряд унифици- рованного оборудования различных типоразмеров для трехмерной печати металлических объемных изделий сложной формы на основе плазменно-ду- говых технологий. рис. 7. схема установки для плазменно-дуговой трехмерной печати объемных изделий (обозначения см. в тексте) рис. 8. спроектированный в иЭс им. е. о. патона комплекс для изготовления трехмерных объектов на основе технологий плазменно-дуговой сварки и на- плавки: а – общий вид; б – трехкоординатный манипулятор с плазмотроном 3 аддитивные технологии 1 3 4 - АВТОМАТИ ЕСКАЯ СВАРКА - Выводы 1. использование сварочных технологий для по- лучения металлических объемных изделий по- зволяет значительно снизить себестоимость их изготовления при одновременном повышении производительности по сравнению с SLS- и SLM-процессами. 2. наиболее перспективной сварочной техноло- гией трехмерной печати является плазменно-ду- говая с применением проволок или порошков. она позволяет при сравнительно малом теплов- ложении создавать качественные объемные изде- лия с толщиной стенки 3,0…50,0 мм из сплавов на основе Fe, Ni, Co, Cu, Ti, Al, а также компо- зитных материалов, содержащих тугоплавкие компоненты. 3. применение сварочных технологий позво- ляет получать как сравнительно небольшие, так и длинномерные изделия, не нуждающиеся в фи- нишной механической обработке (например, вы- ращивать ребра жесткости на крупногабаритных панелях, создавать сотовые панели, строительные конструкции и т. д.). 4. сочетание сварочных технологий трехмерной печати с сопутствующей или финишной механи- ческой обработкой (чаще всего чпУ-фрезеровани- ем) позволяет изготавливать готовые к применению сложнопрофильные металлические изделия. 1. Kruth J. P. Progress in additive manufacturing and rapid prototyping / J. P. Kruth, M. C. Leu, T. Nakagawa // CIRP Annals-Manufacturing Technology. – 1998. – № 47(2). – P. 525–540. 2. лазерные технологии обработки материалов: совре- менные проблемы фундаментальных исследований и прикладных разработок: монография; под ред. в. я. панченко: разд. лазерные технологии быстрого прототи- пирования и прямой фабрикации трехмерных объектов. – м.: Физматлит, 2009. – 664 с. 3. слюсар в. и. Фаббер-технологии. новое средство трех- мерного моделирования / в. и. слюсар // Электроника: наука, технология, бизнес. – 2003. – № 5. – C. 54–60. 4. Deckard C. R. Recent advances in selective laser sintering / C. R. Deckard, J. J. Beaman // Proceedings of the 14- th Conference on Production Research and Technology, Michigan, 1987. – P. 447–451. 5. Каблов е. н. аддитивные технологии – доминанта наци- ональной технологической инициативы / е. н. Каблов // интеллект&технологии. – №2 (11) . – 2015. – C. 52–55. 6. Madigan R. Bruce. Measurement and simulation of tita- nium alloy deposit temperature in electron beam additive manufacturing / Madigan R. Bruce, Sean F. Riley, Mark J. Cola [et al.] // Trends in Welding Research 2012: Proceedings of the 9th International Conference, Chicago, Illinois, USA, June 4–8, 2012. – P. 963–969. 7. Kruth J. P. Selective laser melting of iron-based powder / J. P. Kruth // J. Mater. Process. Technol . – 2004. – V. 149. – P. 616–622. 8. Karunakaran K. P. Low cost integration of additive and subtractive processes for hybrid layered manufacturing / K. P. Karunakaran, S. Suryakumar, Vishal Pushpa, Sreenathbabu Akula // Robotics and Computer-Integrated Manufacturing. – October 2010. – V. 26(5). – P. 490–499. 9. Colegrove P. High deposition rate high quality metal additive manufacture using wire + arc technology [Электронный ресурс] / P. Colegrove, S. Williams // Cranfield University, 2013. – режим доступа: https://xyzist.com/wp-content/ uploads/2013/12/Paul-Colegrove-Cranfield-Additive- manufacturing.pdf 10. Venuvinod P. K. Rapid prototyping: laser-based and other technologies / Patri K. Venuvinod, Weiyin Ma // Springer Science+Buisness Media, LLC, New York, 2004. – 389 p. 11. Pat. № EP0340939A1 (US4857694): Cooling workpieces being manufactured by shape melting / T. E. Doyle, P. M. Ryan // The Babcock & Wilcox Company. – B 23 K 9/04, B 23 K 37/003, B 23 K 37/00F; 8.11.1989. 12. Martina F. Investigation of methods to manipulate geometry, microstructure and mechanical properties in titanium large scale wire+arc additive manufacturing / F. Martina // School of Aerospace, Transport and Manufacturing, Cranfield University, UK, 2014. – 178 р. 13. Kovacevic R. Development of machine for rapid manufacturing/repair [Электронный ресурс] / R. Kovacevic // The 2003 CTMA Symposium, March 31–April 3, Salt Lake City, USA, 2003. – режим доступа: www.engr.smu. edu/rcam 14. Abdullah F. Alhuzaim. Investigation in the use of plasma arc welding and alternative feedstock delivery method in additive manufacture / Abdullah F. Alhuzaim // A thesis submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science General Engineering, Montana Tech of the University of Motana, 2014. – 228 р. 15. Baufeld B. Additive manufacturing of Ti–6Al–4V components by shaped metal deposition: microstructure and mechanical properties / Bernd Baufeld, Omer Van der Biest, Rosemary S. Gault // Materials & Design. – 2010. – V. 31. – P. 106–111. 16. Clark D. Shaped metal deposition of a nickel alloy for aero engine applications / D. Clark, M. R. Bache, M. T. Whittaker // Journal of Materials Processing Technology. – 2008. – V. 203. – P. 439–448. 17. Chad H. Metallic additive manufacturing: Comprehensive Overview and Findings on 3D Printing for Construction, CMIC 2014, Sept. 2014. – [Электронный ресурс]. – / Henry Chad: режим доступа: https://www2.iceaustralia.com/ei/ images/cmic14/cmicpresentations/plenary/henry.pdf. 18. искусство григория Дочкина // CWELD – оборудова- ние и материалы для сварки и резки: новости, 1.08.2015. – [Электронный ресурс]. – режим доступа: http:// adiosgroup.ru/?p=242. 19. 3D-сварка от MX3D распечатает мост над водой: ново- сти, 17/06/2015. – [Электронный ресурс]. – режим досту- па: http://weldworld.ru/news/razrabotki/5583-3d-svarka-ot- mx3d-raspechataet-most-nad-vodoy.html. поступила в редакцию 22.03.2016 Кон еренция - Восьмая международная конференция «Математическое моделирование и информационные технологии в сварке и родственных процессах» ( I -2016) 19–23 сентября 2016 г., отель «Курортный», г. Одесса, Украина Первое информационное сооб ение: - . Архив трудов конференции: .

Трехмерная печать металлических объемных изделий сложной формы на основе сварочных плазменно-дуговых технологий (Обзор)

Institution

Similar Items