ПНСТ 666-2022 Аддитивные технологии. Функционально-градиентные материалы. Общие положения.

        ПНСТ 666-2022

(ISO/ASTM TR 52912:2020)

 

 ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

 

 

 Аддитивные технологии

 

 ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

 Общие положения

 

 Additive technologies. Functionally graded materials. General provisions

ОКС: 25.040

        03.120.10

Срок действия с 2022-12-01

до 2025-12-01

 

 Предисловие

     

1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью "Русатом - Аддитивные технологии" на основе официального перевода на русский язык англоязычной версии документа, указанного в пункте 4

2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 182 "Аддитивные технологии"

3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 2 августа 2022 г. N 47-пнст

4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к документу ISO/ASTM TR 52912-2020* "Аддитивное производство. Проектирование. Производство функционально-градиентных материалов" (ISO/ASTM TR 52912-2020 "Additive manufacturing - Design - Functionally graded additive manufacturing", MOD) путем изменения структуры для приведения в соответствие с требованиями национальной системы стандартизации и путем добавления отдельных положений, учитывающих отечественную терминологию и выделенных путем их заключения в рамки из тонких линий, а информация с объяснением причин включения этих положений приведена в указанных пунктах в виде примечаний, а также путем изменения отдельных фраз (слов, значений показателей, ссылок), которые выделены в тексте курсивом**.

 

 

           

Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5) и для увязки с наименованиями, принятыми в существующем комплексе национальных стандартов.

Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного документа приведено в дополнительном приложении ДА

5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ

Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011** (разделы 5 и 6).

Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: [email protected] и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112, г.Москва, Пресненская набережная, д.10, стр.2.

В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты" и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)

 

 Введение

Функционально-градиентные материалы разработаны в 1984 году для проекта орбитального самолета для того, чтобы преодолеть недостатки традиционных композитных материалов и обеспечить достижение высокого теплового барьера. Традиционные композиты [см. рисунок 1, a)] являются однородным сочетанием материалов, что обуславливает компромиссы в отношении свойств конечных деталей.

 

 

 

 

a) Традиционный композит

b) Функционально-градиентный материал

 

     Рисунок 1 - Распределение материалов в традиционном композите и функционально-градиентном материале

Функционально-градиентные материалы (ФГМ) - это современные материалы с пространственно изменяющимся составом и с соответствующими изменениями свойств самого материала. В ФГМ достигается выполнение различных требований к свойствам материалов в зависимости от расположения заданной точки. Таким образом становится возможным выполнение требуемой стратегии структурирования и распределения материала [см. рисунок 1, b)].

Традиционные процессы производства ФГМ включают в себя дробеструйное упрочнение, ионную имплантацию, термическое напыление, электрофоретическое осаждение и химическое парофазное осаждение. Так как аддитивные технологические процессы основаны на последовательном нанесении слоев материала, их использование позволяет производить материалы с функционально-градиентными свойствами, что в настоящее время называют функционально-градиентным аддитивным производством (ФГАП). Так как данное направление работы является относительно новым и не стандартизовано в достаточной степени, существуют разные термины, такие как функционально-градиентное быстрое прототипирование (functionally graded rapid prototyping, FGRP), быстрое прототипирование с переменными свойствами (varied property rapid prototyping, VPRP) и аддитивное производство со свойствами конкретного объема. Таким образом, несмотря на то, что необходимо прояснить ключевые термины, связанные с ФГАП, терминология в настоящем стандарте не устанавливается.

Настоящий стандарт представляет собой обзор текущего уровня развития науки и техники в части ФГАП, доступный для существующих технологических процессов, и по сути своей носит только информационный характер. Этот обзор основан на доступных публикациях и для упрощения использования перекрестных ссылок, содержит терминологию, применяемую в данных публикациях.

 

      1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на аддитивные технологии производства функционально-градиентных материалов и представляет собой обзор текущего состояния технологий, их преимущества и ограничения.

Использование аддитивного производства (АП) дает возможность изготовления геометрически сложных деталей за счет точного размещения материалов контролируемым путем. Технический прогресс в аппаратном и программном обеспечении АП, а также открытие новых рынков, требующих повышения гибкости и более высоких эксплуатационных свойств сегодняшней продукции, стимулируют разработку новейших материалов с функционально-градиентными и высокоэффективными характеристиками. Производство данных материалов получило наименование функционально-градиентного аддитивного производства (ФГАП). ФГАП - метод послойного изготовления, который предполагает постепенное изменение соотношения материалов внутри компонента для выполнения целевой функции. Поскольку исследования в этой области привлекают интерес по всему миру, трактовка понятия "ФГАП" требует большего уточнения. Цель настоящего стандарта заключается в представлении концептуального понимания ФГАП. Текущее состояние и возможности технологии ФГАП рассмотрены наряду с существующими технологическими препятствиями и ограничениями.

В настоящем стандарте дана оценка формата обмена данными и некоторых вариантов применения, а также изложены рекомендации о возможных стратегиях преодоления барьеров и будущих направлениях развития ФГАП.

 

      2 Термины, определения и сокращения

 

2.1 В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

 

2.1.1 лазерная наплавка; LMD (laser metal deposition, LMD): Процесс прямого подвода энергии и материала, в котором в качестве источника энергии для расплавления и наплавления металлических материалов по мере их нанесения используют лазер.

 

2.1.2 экструзионное изготовление в замороженной форме; FEM (freeze-form Extrusion Fabrication, FEM): Процесс экструзии материала, основанный на экструзии исходного материала в виде паст и применении сублимационной сушки для образования заготовок ("зеленой" детали), которая может быть упрочнена до желаемых свойств материала при помощи спекания.

 

Примечание - В настоящее время процесс используют только для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

 

 

2.1.3 селективное тепловое спекание; SHS (selective heat sintering, SHS): Процесс синтеза порошка на подложке, при котором порошок полимера плавится с помощью термопечатающей головки.

 

Примечание - Процесс был первоначально разработан компанией Blueprinte и был снят с рынка после банкротства этой компании.

 

 

2.1.4 воксел (voxel): Элемент объемного изображения, содержащий значение элемента растра в трехмерном пространстве.

 

Примечание - Термины 2.1.1-2.1.4 приведены в настоящем стандарте для обеспечения взаимопонимания используемой в стандарте терминологии и являются более подробной расшифровкой используемых в международном документе сокращений.

2.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения:

 

АП

- аддитивное производство (Additive Manufacturing, AM);

 

МАП

- мультиматериальное АП (производство, подразумевающее послойное изготовление изделий из нескольких материалов) (Multi-Material Additive Manufacturing, MMAM);

 

МКЭ

- метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM);

 

САПР

- система автоматизированного проектирования (Computer Aided Design, CAD);

 

ФГАП

- функционально-градиентное АП (Functionally Graded Additive Manufacturing, FGM);

 

ФГБП

- функционально-градиентное быстрое прототипирование (сокращение применяют для ФГАП в некоторых публикациях) (Functionally Graded Rapid Prototyping, FGRP);

 

ФГМ

- функционально-градиентные материалы (Functionally Graded Materials, FGM);

 

ФГМАП

- функционально-градиентное мультиматериальное АП (мультиматериальное АП изделий с изменяемым по объему свойствами и молекулярным составом материала) (Multi-Material Functionally Graded Additive Manufacturing, MM FGAM);

 

AMF

- формат файлов АП (Additive Manufacturing format);

 

CAE

- система автоматизированного конструирования (Computer Aided Engineering);

 

DED

- прямой подвод энергии и материала (Directed Energy Deposition);

 

DMLS

- прямое лазерное спекание металлов (наименование процесса синтеза металлического порошка на подложке лазерным лучом, используемое EOS Gmbh) (Direct Metal Laser Sintering);

 

EBM

- электронно-лучевое плавление (наименование процесса синтеза металлического порошка на подложке электронным пучком, используемое Arcam AB) (Electron Beam Melting);

 

FAV

- изготавливаемый воксел (Fabricatable Voxel);

 

FEA

- анализ методом конечных элементов (Finite Element Analysis);

 

FDM

- моделирование методом наплавления (наименование процесса экструзии материала, используемое Stratasys Ltd) (Fused Deposition Modelling);

 

LOM

- производство слоистых объектов (процесс листовой ламинации изначально разработанный Helisys Inc.) (Laminated Object Manufacturing, LOM);

 

PBF

- синтез на подложке (Powder Bed Fusion) (см. [1]);

 

SLM

- селективное лазерное плавление (наименование процесса синтеза металлического порошка на подложке, изначально разработанного в сотрудничестве Realizer Gmbh и Франкфуртского института лазерных технологий) (Selective Laser Melting).

 

Примечание - Данное наименование в настоящее время является зарегистрированной торговой маркой SLM Solutions Group AG, а также используется по лицензионному соглашению несколькими другими организациями;

 

SLS

- селективное лазерное спекание (наименование для процесса синтеза на подложке, изначально разработанное DTM Corp, в настоящее время в результате приобретения компании наименование принадлежит 3D Systems) (Selective Laser Sintering, SLS).

 

Примечание - Так как данный процесс был первым из представленных в дальнейшем на рынке, наименование процесса иногда употребляют как синоним для всех процессов синтеза на подложке;

 

STL

- цифровой формат файлов для описания трехмерной твердотельной модели.

 

Примечание - Формат файлов изначально разработан для процесса стереолитографии, но так как преобразование в данный формат нашло широкое применение в некоторых программах САПР, этот формат файлов в настоящее время является де-факто стандартным форматом для АП (см. [1]);

 

UAM

- ультразвуковое АП [наименование процесса листовой ламинации металла, используемое Fabrisonic LLC. Процесс основан на соединении тонких листов (или ленты) металла при помощи ультразвуковой вибрации] (Ultrasonic Additive Manufacturing);

 

VDM

- нечеткое дискретное моделирование (Vague Discrete Modelling);

 

VPRP

- быстрое прототипирование с переменными свойствами (наименование ФГАП, используемое в некоторых публикациях) (Variable Property Rapid Prototyping);

 

3MF

- цифровой формат файлов для описания трехмерной твердой модели в аддитивном производстве, разработанный консорциумом 3MF (3D Manufacturing Format) (см. [2]).

 

 

      3 Концепция функционально-градиентного аддитивного производства

3.1 Общие положения

АП представляет собой технологию послойного изготовления изделий на основе трехмерной геометрической модели. В отличие от субтрактивного или традиционного производства АП дает возможность непосредственного изготовления мелкоструктурных компонентов за счет точного нанесения в заданные точки малых объемов материала и формирования единого изделия. АП также открывает возможности для ФГАП и изготовления деталей из ФГМ. Аддитивные технологии изготовления ФГМ могут быть основаны на таких процессах, как экструзия материала, прямой подвод энергии и материала, синтез на подложке, листовая ламинация и технология PolyJet.

ФГАП - это технология послойного изготовления изделий, которая позволяет постепенно варьировать пространственную организацию материалов в рамках одного компонента.

Целью использования ФГАП является изготовление изделий произвольной формы, основанной на требованиях к эксплуатационным характеристикам за счет свойств градиентных материалов. В отличие от АП с одним или несколькими материалами, при котором функциональные характеристики детали основаны только на ее геометрической форме, ФГАП - это процесс изготовления, учитывающий возможное изменение свойств материала в зависимости от участка детали. ФГАП представляет собой радикальный переход от контурного моделирования к моделированию эксплуатационных характеристик. Поскольку функциональность изделия основана непосредственно на материале, процессы ФГАП обладают фундаментальным преимуществом, значительно улучшая технологии АП. В качестве примера можно привести возможность широкой настройки внутренних элементов со встроенным функционалом, которые невозможно было бы изготовить при помощи обычного производства [3]. Количество, объем, форму и расположение армирующих элементов в матрице материала можно точно контролировать для достижения необходимых механических свойств для конкретной задачи (см. [4]).

В публикации (см. [5]) описана концепция ФГАП как способа быстрого прототипирования с возможностью контроля плотности и анизотропности материала в сложном трехмерном распределении для получения высокого уровня бесшовной интеграции монолитных конструкций на одном и том же оборудовании. На характеристики и свойства материала влияет изменение состава, фаз и микроструктуры в заранее определенном месте. Потенциальный состав материала, достижимый с помощью ФГАП, можно разделить на три вида:

a) переменное уплотнение в рамках однородного материала;

b) неоднородный состав за счет одновременного сочетания двух или более материалов посредством постепенного перехода;

c) использование комбинации переменного уплотнения в рамках неоднородного состава.

Эти три вида подробно описаны в 3.2 и 3.3.

3.2 Однородные материалы (ФГАП с одним материалом)

ФГАП позволяет производить спроектированные изделия путем рационального регулирования пространственного положения (например, плотность и пористость) и морфологии решетчатых структур по всему объему сплавленного материала (см. [6]). Данный вид материала называют ФГАП с переменным уплотнением (также существует название ФГАП с градиентной пористостью). В публикации (см. [7]) этот метод называют методом быстрого прототипирования, "заимствованным у природы", поскольку он имитирует материалы, встречающиеся в природе, такие как радиальные градиенты плотности у пальм, губчатая (трабекулярная) структура костей и изменение тканей в мышцах, неоднородных по упругости и жесткости. Анизотропность, размеры и плотность вещества в монолитной анизотропной композитной структуре обеспечивают функциональные отклонения от нормы, изменения физических свойств и создание функциональных форм посредством структурной иерархии.

Искусственные сооружения, такие как бетонные столбы, как правило, обладают объемной однородностью (см. [8]). ФГАП с одним материалом с переменным уплотнением продемонстрировано в работе Стивена Китинга на функционально-градиентном бетоне, напечатанном на 3D-принтере MakerBot с модифицированным экструдером. Данный кусок бетона демонстрирует, как функциональный градиент плотности имитирует клеточные структуры пальмы с радиальным градиентом плотности от твердой внешней части к пористой сердцевине. Градиент пористости был достигнут путем изменения размеров частиц порошка, которые были переназначены для различных точек в процессе градации и путем изменения параметров производственного процесса (см. [6]). В публикации (см. [8]) плотность предлагают контролировать по совокупности содержания воды в бетоне в любой конкретной точке, что приводит к превосходному соотношению прочности и массы, делая кусок бетона еще легче, эффективнее и прочнее, чем цельный.

3.3 Неоднородные материалы (функционально-градиентное мультиматериальное аддитивное производство)

Мультиматериальное аддитивное производство реализуют с помощью обычных 3D-принтеров с несколькими головками сопел для подачи различных материалов на платформу (см. [9]). В технологиях синтеза на подложке МАП может быть реализовано с использованием обычного устройства подачи в сочетании с модулем всасывания, что позволяет удалить один порошок после этапа затвердевания (см. [10]). Так как в большинстве изделий МАП существует резкая граница раздела, где встречаются и взаимодействуют два материала, образуется хрупкая фаза (см. [10]). Разрушение обычно возникает в местах дискретных изменений свойств материалов (см. [11]), например расслоения, трещины, вызванные поверхностным натяжением между двумя материалами или предыдущим слоем. ФГМАП улучшает межповерхностные связи путем устранения четких границ между разнородными или несовместимыми материалами. Концентрации механических напряжений и термические напряжения, вызванные разными коэффициентами расширения, будут значительно снижены (см. [12]). На рисунке 2 представлена схема вокселизации МАП (см. [10]).

 

 

 

     a) Концептуальная схема, показывающая воксели, расположенные в трехмерном виде

 

 

 

     b) Иллюстрация МАП

     1 - направление построения; 2 - один материал; 3 - 2D-гибрид; 4 - несколько материалов в 3D; 5 - несколько материалов в 3D

     Рисунок 2 - Вокселизация аддитивного производства с несколькими материалами

В публикации (см. [13]) рассмотрено влияние взаимодействия материалов в слоистых конфигурациях для достижения оптимального сочетания свойств компонентов, таких как масса, твердость поверхности, износостойкость и ударная вязкость. Влияние сложной морфологии в производстве ФГМ на физические, химические, биохимические или механические свойства представлено в публикациях [14], [15]. Геометрическое расположение двух фаз определяет общие свойства материала и допуск при проектировании, при этом точность изготовления должна надлежащим образом контролироваться для того, чтобы итоговый компонент соответствовал ожидаемому требованию (см. [12]). Различие между изделиями МАП и ФГАП показаны на рисунке 3 (см. также [16]). На рисунке 4 представлена градиентная микроструктура ФГАП с двумя материалами.

 

 
 

 

a) Мультиматериальное аддитивное производство

b) Функционально-градиентное аддитивное производство

 

     1 - дискретное изменение свойств материала; 2 - твердый материал для усиления; 3 - опора для укрепления формы; 4 - плавное изменение материала

     Рисунок 3 - Пример детали с несколькими материалами

 

 

 

     1 - фаза 1 (с частицами фазы 2 в матрице); 2 - переходная фаза; 3 - фаза 3 (с частицами фазы 1 в матрице)

     Рисунок 4 - Непрерывно градуированная микроструктура, полученная ФГАП с двумя материалами

Непрерывные изменения в трехмерном пространстве можно получить путем регулирования соотношений смешивания двух или более материалов до размещения и затвердевания веществ (см. [6]). К ФГАП относят только те процессы, в которых изменения состава контролируются компьютером (см. [17]). При использовании сырья, которое смешано в установленных пропорциях до размещения или затвердевания, процесс не рассматривается как ФГАП. Изделия ФГАП с многослойной структурой можно разделить на четыре вида: переход между двумя материалами [рисунок 5, b)], переход между тремя материала или более [рисунок 5, c)], перемена состава в различных точках [рисунок 5, d)] и неоднородные составы с изменением плотности [рисунок 5, e)].

 

 

 

     Рисунок 5 - Различные классы расположения нескольких материалов

Изменение материала внутри неоднородного компонента можно классифицировать как одно-, дву- и трехмерный градиент (см. [18]). Ключевые параметры включают в себя размерность градиентного вектора, геометрическую форму и разделение эквипотенциальных поверхностей. На рисунке 6 приведен пример классификации градиента изделий ФГАП.

 

 

     1 - одномерный градиент; 2 - двумерный градиент; 3 - трехмерный градиент

     Рисунок 6 - Классификация градиентов в ФГАП

 

      4 Преимущества функционально-градиентного аддитивного производства

4.1 Общие положения

АП позволяет достигать свободы проектирования, сокращать при разработке продукции время выхода на рынок, техническое обслуживание и увеличивать эффективность научно-исследовательских работ (см. [3]). Появление ФГАП расширяет возможности прототипирования более эффективных конструкций, обладающих лучшими функциями и структурными характеристиками без затрат на оснастку [19].

ФГАП представляет собой совершенно новую парадигму, влияющую на традиционные модели производства с точки зрения промышленной техники, сборочных процессов и цепочек поставок (см. [20]). Технология предоставляет широкие возможности для проектирования, улучшения эксплуатационных характеристик и увеличения экономической эффективности и срока службы изделий. Например, регулируя решетчатые структуры при сохранении прочности, можно получить более легкую конструкцию. Для получения нужных свойств для каждой конкретной задачи возможно индивидуально изменять параметры матрицы материалов, усиление, объем, форму и расположение элементов усиления, а также метод изготовления (см. [4]). Наиболее высокую эффективность внедрения технологий ожидают в отрасли медицинских имплантатов, а также в аэрокосмической и творческой отраслях (см. [21]).

ФГАП оптимизирует использование материалов и расширяет набор инструментов проектирования, доступный в аддитивных технологических процессах за счет потенциального применения нескольких материалов (см. [3], [22]). ФГАП расширяет возможности обработки материалов и способствует эффективной экономии материалов (см. [5]). За счет упрощения сборки сложных деталей с помощью динамических градиентов можно избежать некоторых недостатков традиционных композитов, например: снизить напряжения в плоскости и поперечные напряжения в критических местах, улучшить распределение остаточных напряжений, сопротивление излому, повысить теплозащитные свойства, увеличить вязкость разрушения и уменьшить интенсивности напряжений (см. [13], [23]). Кроме того, ФГАП может обеспечить нужное изменение свойств на небольшом участке, в конкретном месте или в ключевых точках в объеме материала деталей (см. [17]). Хотя для формирования деталей с помощью АП требуется больше времени, чем при обычном производстве, возможность объединения нескольких этапов обработки в один производственный этап позволяет значительно снизить общее время производства, ускорить оборот при работе с материалами, деталями или компонентами и сократить время выхода на рынок. Существует потенциал к уменьшению количества материала поддержек, поскольку изделия ФГАП можно спроектировать как самостабилизирующиеся в процессе построения с минимальным количеством опорных элементов. ФГМ также позволяют создавать поддержки с переменными свойствами, в которых могут быть участки, облегчающие их удаление. ФГАП имеет огромный потенциал для удовлетворения будущих потребностей в экологической устойчивости относительно сокращения потребления материалов и энергии.

4.2 Общие положения

Ключевой производственный процесс АП состоит из пяти основных этапов: a) получение геометрической электронной модели (файла САПР) в системе АП; b) преобразование файла САПР в файл формата STL (или AMF); c) нарезка трехмерных деталей на двухмерные слои с помощью специализированного программного обеспечения; d) послойное изготовление трехмерной модели; e) постобработка (например, удаление опорных элементов, очистка, полировка) (см. рисунок 7).

 

 

 

     a) геометрическая электронная модель; b) файл формата STL; c) нарезка на двумерные слои; d) послойное изготовление трехмерной модели; e) постобработка

     Рисунок 7 - Этапы процесса аддитивного производства

Методология ФГАП вводит понятие важности траектории перемещения инструмента. Планирование траектории оказывает ключевое влияние на распределение материала в изготавливаемых деталях. Планирование особенностей траектории перемещения инструмента разделяют на четыре этапа, как показано в таблице 1 (см. также [18], [24]).

Таблица 1 - Особенности траектории перемещения

 

Этап

Описание этапа

Этап 1

 

Описание геометрии детали и распределения материала

Определение механической функции детали путем описания геометрии, распределения материала, размера или вектора градиента, формы поверхностей с одинаковым составом или свойствами

Этап 2

 

Определение стратегий производства

Сбор данных о материалах, относящихся к химическому составу и характеристикам используемых материалов. Определяют распределение материалов и ориентацию слоев. Оценивают и рассчитывают траектории перемещения инструментов. Математические данные используют для поиска наиболее подходящих стратегии производства и принтера

Этап 3

 

Программирование числового программного управления (ЧПУ)

Программирование числового программного управления (ЧПУ), включая траектории перемещения и технологические параметры, выполняют, например, на языке G (см. [25]) согласно траектории перемещения инструмента. Трехмерная сетка с данными установки и распределением материалов генерируется по заданным траекториям

Этап 4

 

Производство

Программа ЧПУ используется, помимо прочего, контроллером ЧПУ. Операция предполагает изготовление срезов для построения трехмерных профилей поперечного сечения, чтобы изготовить компонент слой за слоем путем размещения заранее определенного материала. Файл отправляют на установку АП для начала производственного цикла

 

Основные аддитивные технологические процессы, включая экструзию материала, синтез на подложке, прямой подвод энергии и материала и листовую ламинацию, рассмотрены в следующих разделах. Другие технологии чаще всего используют для производства ФГМ типа металл-металл или металл-керамика, включают селективное лазерное плавление, методы на основе лазерного плакирования и ультразвуковое объединение (УЗО). Для изготовления ФГМ типа полимер-полимер, полимер-керамика или керамика-керамика, как правило, применяют выборочное лазерное спекание и струйную печать (см. [11], [26], [27]).

4.3 Экструзия материала

Экструзия материала - это распространенный аддитивный технологический процесс, при котором материал выборочно распределяется через сопло или выходное отверстие. Схема процесса экструзии материалов приведена на рисунке 8.

 

 

 

     1 - катушка материала; 2 - нагревательный элемент; 3 - сопло; 4 - объект; 5 - материал поддержки; 6 - платформа построения

     Рисунок 8 - Экструзия материала

В процессе экструзии материала полимерный материал, такой как ABS, PLA, нейлон и др., проходят через сопло, где он нагревается и размещается слой за слоем на поперечное сечение среза объекта. Основные технологические параметры при экструзии материала - ширина филамента, угол заполнения и шаблон заполнения двумерного слоя (см. [6]). При использовании данного процесса для компонентов, в которых требуется жесткий допуск, необходимо учитывать гравитацию и поверхностное натяжение (см. [28]).

Экструзионное изготовление в замороженной форме - это еще один процесс экструзии материала для построения деталей ФГАП слой за слоем при помощи управляемых компьютером экструзии и размещения. В нем используют механизм с тремя экструдерами, в каждом из которых находится пастообразный материал (см. [29]). Различные материалы последовательно направляют в статический смеситель для смешивания в однородную пасту (полуфабрикат), как показано на рисунке 9.

 

 

 

     1 - статический смеситель; 2 - функционально-градиентная "зеленая" деталь

     Рисунок 9 - Схема статического смесителя и тройного экструдера

Заготовка ("зеленая" деталь), представленная в [
30
],
изготовленная из оксида алюминия
и диоксида циркония
, сублимируется при температуре ниже точки замерзания минус 25
°C
и высоком давлении 3000 Па в течение 24 ч. Затем деталь спекают при высокой температуре с увеличением температуры со скоростью 1
°C/
мин до температуры 600
°C
при первом нагреве для удаления органического связующего. Второй нагрев проводят со скоростью 10
°C/
мин до температуры 1550
°C
в течение еще 90 мин, затем происходит охлаждение до комнатной температуры со скоростью 25
°C/
мин. Температура нагрева не должна превышать температуру плавления составных материалов (см. [
30
]).
Для анализа компонентного состава различного материала используют метод энергодисперсионной спектроскопии. Результаты использования экструзионного изготовления в замороженной форме, приведенные в публикации [
30
],
показывают требуемое изменение состава в образцах по градиенту.
 
Непрерывный контроль компонентного состава материала и градиентов в процессе построения детали можно достичь при помощи планирования (с учетом временной задержки) и контроля относительного расхода различного пастообразного материала. Например, если предположить, что три цилиндра, содержащие три различных пастообразных материала, имеют одинаковые площади поперечного сечения, то материал нужного состава, содержащий 20% пастообразного материала A, 30% пастообразного материала B и 50% пастообразного материала C, можно получить путем контроля скоростей трех плунжеров с соотношениями
, где
,
и
- скорости плунжеров для пастообразного материала A, B и C соответственно.
 

Экструзия материала - это широко распространенный и доступный процесс, использующий преимущества доступных материалов, таких как пластмасса ABS, имеющих требуемые структурные свойства, аналогичные материалу конечного изделия, но его точность и скорость ниже по сравнению с другими процессами АП. Радиус и толщина сопла ограничивают и снижают конечное качество (см. [31]). В целях повышения качества чистовой обработки следует учитывать многие факторы (например, постоянное давление подачи материала). Как и в большинстве процессов постобработки, связанных с теплом, высока вероятность усадки, и ее необходимо учитывать, если существуют высокие требования к допускам. Одним из методов постобработки для улучшения визуального облика моделей является повышение прозрачности материала. К изученным методам относятся повышение температуры и использование смолы.

В настоящее время контроль смешивания и экструзии материалов необходимо разделить на две отдельные системы, а затем скоординировать с траекторией перемещения инструмента для получения указанных градиентов. Рекомендовано, чтобы выходной канал соединялся непосредственно с контроллером системы экструзии (см. [31]).

Экструзия материала имеет потенциал для изготовления деталей с локально управляемыми свойствами путем изменения плотности материала и ориентации размещения. Два концептуальных примера с локально управляемыми свойствами показаны на рисунке 10.

 

 

 

     a) Однонаправленное осаждение (
0) с различной плотностью осаждения
 
 

 

     b) Ориентации осаждения (0/0), (0/90/0) и (±45), соответственно, с различной плотностью осаждения для каждого участка детали

     Рисунок 10 - Пример, показывающий направление и плотность осаждения в горизонтальной проекции

Идентичная геометрия детали, выполненная различным способом на четырех различных участках деталей для того, чтобы получить локально контролируемые свойства. Жесткость детали локально контролируют путем размещения материала с различными ориентацией и плотностью. В результате наблюдается изменение жесткости вдоль горизонтальной оси (см. [32]).

Предложен принцип изготовления ФГМ из пластмассы ABS экструзией материала с индивидуальным подбором свойств для разных участков (см. [33]). Этот принцип может быть расширен в части моделирования и имитации компонентов для различных условий нагружения. Основным шагом является определение параметров контроля процесса, которые с высокой вероятностью могут повлиять на свойства деталей (см. [33]). Исходя из ранее построенных моделей для объема модели, который является одним из основных параметров, влияющих на плотность материала и, следовательно, модуль упругости, были выбраны следующие параметры построения: ширина растра, ширина контура, воздушный зазор и угол растра.

4.4 Синтез на подложке

Методы синтеза на подложке (PBF) включают в себя прямое лазерное спекание металла (DMLS), электронно-лучевое плавление (ЕВМ), селективное тепловое спекание (SMS), селективное лазерное плавление (SLM) и селективное лазерное спекание (SLS). В этих процессах предполагают распределение и спекание порошка слой за слоем толщиной 0,1 мм или менее и выравнивание слоя между сплавлением, селективное плавление и сплавление с использованием либо лазерного, либо электронного луча (см. рисунок 11, а также [34]).

 

 

 

     1 - ролик для порошка; 2 - лазер; 3 - синтезируемая деталь; 4 - новое порошковое сырье; 5 - несплавленный порошок; 6 - платформа построения

     Рисунок 11 - Процесс синтеза на подложке

Синтез на подложке - это относительно доступный процесс с широким выбором материалов. Для синтеза на подложке часто используют следующие порошковые материалы: нейлон для SHS, нержавеющая сталь, титан, алюминий, кобальт, хром, сталь для DMLS, SLS, SLM и, с добавлением меди, для ЕВМ (см. [34]). Помимо высокого разрешения с иерархической и функциональной сложностями преимуществами синтеза на подложке являются текучесть сырья и возможность его повторного использования, а также отсутствие необходимости в дополнительных элементах поддержки. Но большинство лазерных систем синтеза на подложке в качестве недостатка имеют медленную скорость и высокое потребление энергии (см. [35]). Качество поверхности зависит от размера зерна порошка, во многих случаях необходима постобработка.

Процесс SLS, использование которого описано в [27], применяют для изготовления трехмерных структур в функционально-градиентных полимерных нанокомпозитах из нейлона-11 с различными объемными долями (от 0% до 30%) наночастиц высокодисперсного оксида кремния размером 15 нм. Технологические параметры процесса для различных составов разработаны путем планирования эксперимента. Плотность и микро-, наноструктура нанокомпозитов исследованы методом оптической микроскопии и просвечивающей электронной микроскопии. Затем проведены испытания свойств при растяжении и сжатии для каждого материала. Отмечено, что в зависимости от объемной доли заполнителя эти свойства меняются нелинейно. Полученные результаты были использованы для создания двухкомпонентной конструкции, которая представляет собой полимерный нанокомпозитный материал с одномерным градиентом.

Результаты показывают, что SLS позволяет производить сложные изделия с пространственной вариацией механических свойств за счет правильной подачи порошка (см. [27]). Благодаря точности процессов SLS, с помощью которых можно соединять очень тонкие элементы (от 0,02 до 0,06 мм), стало возможным создавать очень сложные геометрии, что показано в исследовании [27], в котором предполагается, что процесс SLS может быть использован для производства имплантатов и каркасов из ФГМ со структурой, очень близкой к структуре человеческой кости. В публикации [36] описано получение с помощью SLS имплантатов из титанового сплава Ti-6AI-4V с градиентной пористостью, для которых определены шероховатость поверхности, микроструктура, химический состав и механические свойства.

Селективное лазерное сплавление (SLM) также является одним из возможных способов реализации ФГАП для металлических материалов, в этом процессе металлические порошки подвергают воздействию лазерного луча высокой мощности. При использовании по крайней мере двух устройств подачи порошка можно непрерывно изменять состав сплавляемого металла (см. [37]). Сильной стороной селективного лазерного сплавления является возможность изготовлять изделия с решетчатой структурой (см. [38]). В публикации [38] рассмотрено влияние решетчатой структуры на механические свойства решетки и механические свойства изделий из металла марки Al-Si10-Mg с равномерной решетчатой структурой и поведением ФГМ при разрушении под квазистатической нагрузкой. Решетчатая структура непосредственно после построения подвергалась хрупкому разрушению и проявляла неидеальную деформацию. Применение термической обработки для изменения микроструктуры резко улучшило их свойства, в том числе способность к поглощению энергии. Термообработанные градиентные решетчатые структуры демонстрировали последовательное разрушение слоев и прирост в прочности. Градиентные и однородные структуры поглотили одинаковое количество энергии до термообработки, но после термообработки градиентные структуры показали увеличение характеристик прочности примерно на 7%.

Реализован прототип, который демонстрирует последовательное распределение и затвердевание двух материалов и рассмотрена возможность создания деталей с двумя различными материалами в одном слое, как показано на рисунке 12 (см. [10]).

 

 

 

     1 - сталь марки 1.2709; 2 - CuCr1Zr (хромистая бронза); 3 - деталь, изготовленная обычным способом из стали марки 1.2767

Примечание - Конус из стали марки 1.2709 встроен в конус из CuCr1-Zr.

     Рисунок 12 - Деталь из нескольких материалов, полученная методом лазерного синтеза на подложке, состоящая из меди-хрома-диоксида циркония и инструментальной стали марки 1.2790

Деталь изготовлена путем сплавления нескольких материалов, размещенных в требуемом месте без их предварительного смешивания.

Процесс ЕВМ также может использоваться для быстрого и энергетически эффективного производства деталей из ФГМ, к которым предъявляют высокие требования к механическим свойствам (см. [26]). Детали, полученные методом ЕВМ, имеют низкий уровень остаточных напряжений из-за повышенной температуры построения (см. [15]). Эта теория показана на примере экспериментального и имитационного исследования зависимости микроструктуры и толщины слоя для изделий из сплава титана Ti-6AI-4V полученных при помощи ЕВМ (см. [39]).

4.5 Прямой подвод энергии и материала

Лазерная наплавка (LMD) - это важная технология прямого осаждения металла, которая относится к процессам прямого подвода энергии и материала. Прямой подвод энергии и материала представляет собой сложный процесс изготовления, используемый в производстве, позволяющий изменять, ремонтировать, укреплять элементы изделий или добавлять дополнительный материал (например, покрытие) к существующей базовой структуре материала, указанной в электронной модели САПР в рамках одного процесса, что недостижимо с помощью других технологий АП (см. [28]). Процесс прямого подвода энергии и материала может быть использован для изготовления металлических деталей с градиентным составом путем регулирования объемной доли металлических порошков или проволоки, подаваемых в ванну расплава, в зависимости от заданных точек. Тем не менее, как представлено в [40], процесс лазерного осаждения металла ограничен в части возможности создания сложных геометрических форм. Необходимо разрабатывать новые способы для усовершенствования систем с целью изготовления геометрически более сложных деталей.

Установка прямого подвода энергии и материала состоит из сопла, установленного на многоосевом рычаге, которое размещает расплавленный материал (проволоку или порошок) на указанную поверхность под любым углом. Энергию от лазера, электронного луча или плазменной дуги используют для создания валиков и слоев из твердого материала после затвердевания ванны расплава на подложке. Одновременно с этим порошок или проволока, расположенные соосно с источником энергии, подаются в ванну расплава (см. рисунок 13).