автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии формирования поверхностного слоя изделий, полученных послойным лазерным спеканием

На правах рукописи

Сапрыкина Наталья Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПОСЛОЙНЫМ ЛАЗЕРНЫМ СПЕКАНИЕМ

Специальность 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тюмень-2013

005531708

005531708

Работа выполнена в Юргинском технологическом институте (филиале) феде рального государственного бюджетного образовательного учреждения высшег профессионального образования «Национальный исследовательский Томский по литехнический университет» г. Юрга

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Кузбасский государственный технический университет им. Т.Ф. Горбачёва» (г. Кемерово)

Защита состоится 31 мая 2013 г. в 15 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.273.09 при Тюменском государственном нефтегазовом университете по адресу: 625000, г. Тюмень, ул. Володарского, 38, зал имени А.Н. Косухина.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотечно-информационном центре при ТюмГНГУ по адресу: 625039, г. Тюмень, ул. Мельникайте, 72, каб. 32.

Автореферат разослан «26» апреля 2013 г.

Научный руководитель:

Петрушин Сергей Иванович доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Некрасов Юрий Иннокентьевич доктор технических наук, доцент, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», заведующий кафедрой технологии машиностроения

Янюшкин Александр Сергеевич доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет», заведующий кафедрой технологии машиностроения

Ученый секретарь диссертационного совета

Бенедиктова И.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. Современная экономика требует снижения времени изготовления конкурентоспособной продукции. Сократить сроки выпуска нового изделия на этапах проектирования и изготовления позволяют технологии быстрого прототипирования. С их помощью можно создавать изделия любой формы и заданной точности без предварительных затрат на подготовку средств технологического оснащения.

К настоящему времени известно большое количество технологий быстрого прототипирования, которые отличаются друг от друга применяемым материалом и способом формообразования изделия. Основными являются стереолито-графия (СЛ), послойная укладка расплавленной полимерной нити (РБМ), изготовление объектов с использованием технологии ламинирования (ЬОМ), селективное лазерное спекание (СЛС), которые находят применение в литейном производстве, промышленном дизайне, медицине (имплантаты) и других сферах. Наибольшие перспективы имеет метод селективного лазерного спекания физической копии различных объектов из порошковых материалов на основе ЗБ САО-модели, позволяющий изготавливать функциональные изделия. Наряду с преимуществами этой технологии, выявлено, что получаемое качество изделий, на установках быстрого прототипирования, в ряде случаев не соответствует целям изготовления прототипов. Поэтому внедрение новых порошковых материалов, определение рациональных технологических режимов для формирования поверхностного слоя заданного качества представляет собой актуальную задачу для расширения сферы использования данной технологии.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии формирования поверхностного слоя изделий, полученных методом послойного лазерного спекания, путем определения рациональных технологических режимов изготовления.

Задачи работы

1. Исследовать процесс формирования поверхностного слоя изделий под действием лазерного излучения.

2. Разработать специальное аппаратное и программное обеспечение и усовершенствовать технологию формирования поверхностного слоя изделий, полученных послойным лазерным спеканием (ПЛС).

3. Исследовать процесс спекания, получив при этом математические зависимости толщины (Т) и шероховатости (Иг) спеченного поверхностного слоя от режимов ПЛС.

4. Определить рациональные технологические режимы формирования поверхностного слоя, обеспечивающие требуемое качество спеченного изделия.

Научная новизна

1. Выявлены основные параметры режима, влияющие на качество спеченного поверхностного слоя изделий, полученных послойным лазерным спеканием - мощность лазерного излучения, скорость и шаг сканирования лазерным лучом слоя порошка, предварительная температура подогрева порошкового материала.

2. Получены математические зависимости толщины и шероховатости спеченного поверхностного слоя от режимов послойного лазерного спекания медного порошкового материала ПМС-1 и кобальтхроммолибденового порошка 08К-Р75.

3. Установлены пределы, в которых можно изменять толщину Ъ спеченного поверхностного слоя и ее шероховатость Яг за счет изменения технологических режимов лазерной обработки (для кобальтхроммолибденового порошка возможно изменение Ъ и Яг на 200%, для медного порошка- Ъ на 174%, Лг на 225%).

4. Установлена взаимосвязь шероховатости спеченной поверхности Яг и диаметра с1 коагулированных частиц при послойном лазерном спекании.

5. Показано положительное воздействие защитной атмосферы и механо-активации металлических порошковых материалов на качество спеченного поверхностного слоя.

Практическая значимость

1. Определены рациональные режимы послойного лазерного спекания изделий, позволяющие расширить технологические возможности оборудования

и совершенствовать технологию формирования поверхностного слоя спеченного изделия.

2. Разработаны рекомендации по повышению качества поверхности изделий, полученных послойным лазерным спеканием.

3. Предложен способ разбиения трехмерной модели на слои переменной толщины {Пат. 2268493), который позволяет получить поверхность требуемой шероховатости.

4. Разработан способ формообразования слоя в технологии послойного лазерного спекания с разделением технологических режимов на черновые, получистовые и чистовые области, позволяющий повысить производительность процесса и монолитность изделий.

Методы исследования. Представленные в работе результаты получены на основе экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Применены методики, приборы и установки для изучения состояния поверхности после спекания. Исследования включали в себя реализацию процесса лазерного спекания с помощью созданной экспериментальной установки; изменение технологических параметров процесса; установление выходных параметров спекания - шероховатости, коагуляции и толщины спеченного слоя. Анализ геометрического состояния спеченной поверхности проводился по специально разработанной методике с применением инструментального цифрового микроскопа. Математические зависимости получены с использованием теории планирования экспериментов.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Конструкция экспериментальной установки послойного лазерного спекания и методика определения геометрических параметров спеченного поверхностного слоя.

2. Результаты математического моделирования толщины (2) спеченного слоя и шероховатости (Иг) при изменении технологических режимов спекания.

3. Способ формообразования единичного слоя в технологии ПЛС с разделением технологических режимов при формировании поверхности изделия и внутреннего объема на черновые, получистовые и чистовые.

4. Технологические рекомендации по механоактивации металлических порошковых материалов и использованию защитных сред при послойном лазерном спекании.

Достоверность. Основные научные положения, выводы и результаты, сформулированные в диссертационной работе, обоснованы и подтверждены результатами экспериментов. Достоверность и воспроизводимость опытов подтверждена результатами статистической обработки экспериментальных данных.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международных научно-практических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» - г. Томск (2004, 2005, 2009 гг.), на V межотраслевой научно- технической конференции - г. Новоуральск (2007 г), на 6-й Международной научно- технической конференции - г. Брянск, (2008 г.), на Международной школе- семинаре для магистрантов, аспирантов и молодых ученых,- г. Усть-Каменогорск, (2009г.), на научно-практической конференции «Инновации в машиностроении» - г. Бийск, (2010 г.), на Всероссийских научно- практических конференциях с международным участием «Инновационные технологии и экономика в машиностроении»- г. Юрга (2005-2012 гг.), на Всероссийской научно- практической конференции "Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе"- г. Новосибирск, на семинарах кафедры ТАМП НИ ТПУ (2008, 2009, 2010, 2011 гг.) и кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» КузГТУ имени Т.Ф. Горбачева (2013 г.).

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в разработке экспериментального оборудования, проведении исследований и анализа методов формообразования изделий послойным синтезом, установлении факторов, влияющих на формирование поверхностного слоя, постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов, получении математических зависимостей толщины спеченного слоя и шероховатости от режимов спекания, формулировании положений и выводов, выносимых на защиту, подготовке публикаций по данной теме.

Реализация и внедрение результатов работы. Технологический процесс изготовления прессформы с использованием метода послойного лазерного спекания внедрен в ООО «Юргинский машиностроительный завод». Экспериментальная установка выполнена при финансовой поддержке программы СТАРТ-2007г.

Публикации. По материалам диссертационного исследования опубликовано 32 печатные работы, из них 6 статей в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК РФ, 1 патент РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель. Основные из них приведены в автореферате.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Основной текст содержит 164 страницы, 124 рисунка, 24 таблицы, список литературы, включающий в себя 168 наименований источников и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность совершенствования технологии формирования поверхностного слоя изделий, полученных послойным лазерным спеканием. Изложены научная новизна, практическая ценность работы, представлены положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературных источников о текущем уровне развития формообразования изделий, полученных послойным лазерным спеканием. Проведен анализ прогрессивных направлений в области технологий быстрого прототипирования. Обоснована перспективность технологии послойного лазерного спекания, позволяющая изготавливать функциональные изделия из металлических порошковых материалов. Проведен анализ параметров установок послойного лазерного спекания для получения изделий из металла, дано описание применяемых металлических порошковых материалов. Показана обобщенная последовательность изготовления изделия. Рассмотрены основы технической реализации способов формообразования послойным лазерным спеканием и структура процесса. Выявлены преимущества и нерешенные проблемы послойного лазерного спекания. Среди наиболее важных проблем отмечено невысокое качество формирования поверхностного слоя получаемых изделий и вероятность расслоения. Установлены факторы, влияющие на качество

спеченного изделия, и рассмотрены существующие способы его повышения.

Во второй главе дано описание разработанной экспериментальной установки, характеристик применяемых порошковых материалов, методики проведения экспериментов, планирования и обработки результатов экспериментов.

Для проведения экспериментальных исследований сконструирована установка послойного лазерного спекания оригинальной конструкции, как показано на рисунке 1, позволяющая регулировать все технологические параметры процесса.

1-лазер, 2-трехкоординатный стол, 3— персональный компьютер, 4— система ЧПУ Рисунок 1 - Установка послойного лазерного спекания Установка представляет собой технологический лазерный комплекс формирования поверхностей изделий сложной пространственной формы, состоящий из итгербиевого волоконного лазера ЛК - 100 - В, трехкоординатного стола, персонального компьютера и оригинального программного обеспечения. На портале установки закреплен коллиматор с фокусирующей оптикой. Перемещение по координатам X, У, Ъ обеспечивается шаговыми двигателями. Управление лучом лазера с помощью специальной программы позволяет осуществлять сканирование по любому заданному контуру. На корпусе установки для нанесения слоя порошка в зону спекания закреплена каретка и выравнивающие ролики. Внутри каретки расположен бункер для порошка, который позволяет регулировать плотность нанесенного слоя. Сконструированная установка позволяет проводить комплекс исследований по оптимизации режимов лазерного спекания (Пат. 52348) и поиску новых порошковых композиций. Составлен

цикл работы установки послойного лазерного спекания и запрограммирована траектория перемещения луча лазера.

Для проведения исследования по послойному лазерному спеканию в качестве порошковых материалов были выбраны: медный порошок ПМС-1 (ГОСТ 4960-75) и кобальтхроммолибденовый порошок DSK-F75, который применяется для изготовления имплантатов и изделий, работающих при высоких температурах. Спекание осуществлялось с подачей в зону лазерного спекания аргона и азота. Варьируемые параметры: мощность излучения Р, диаметр фокусировки луча лазера dn, скорость перемещения луча лазера V, шаг сканирования S, температура подогрева порошковой композиции t, защитная среда, механоактива-ция порошка. В процессе эксперимента измерялась толщина и определялась шероховатость спеченного поверхностного слоя. Попытки использования про-филографа-профилометра и интерференционного микроскопа не дали результатов из-за высокой пористости спеченных образцов. Поэтому определение микронеровности спеченной поверхности проводилось по специально разработанной методике с применением инструментального цифрового микроскопа. Для этого подготавливались поперечные и продольные шлифы спеченного единичного слоя, затем при помощи микроскопа и цифровой камеры делались фотографии поверхности, далее в графическом редакторе поверхность спеченного слоя обводилась линией, являющейся профилограммой поверхности, по которой определялось значение параметра шероховатости.

Рентгенографический анализ неактивированного порошкового материала и материала с различной активацией выполнялся на дифрактометре ДРОН-6.

Для получения математической модели был спланирован полный факторный эксперимент типа 24. Уровни факторов и интервалы варьирования были выбраны по результатам предварительных поисковых экспериментов. Эксперименты поставлены по программе центрального композиционного планирования второго порядка. Проверка адекватности проводилась по критерию Фишера при 5%-ном уровне значимости. Обработка данных осуществлялась с использованием ПК и программ «Microsoft Excel - 2007» и «Mathcad -2000 Pro».

В третьей главе с помощью методов теории планирования экспериментов и статистической обработки результатов, получены эмпирические зависимости

толщины спеченного слоя кобальтхроммолибденового (1) и медного порошковых материалов (2) от технологических режимов спекания:

2, = 1,9 + 0,04-Р-0,027-Р+0,0000057-С2+ 0,000001-/2 + 0,0029-/-120-52-0,000294 ■/>•/ +0,25-Р-зО) 21 =0,7441+0,0224-Р-0,00017-К + 0,00054-/ (2)

где Р — мощность излучения лазера, Вт; V — скорость перемещения луча лазера, мм/мин; Б - шаг сканирования, мм; I - температура подогрева порошкового материала, °С.

На основании этих зависимостей построены графики с наложением экспериментальных значений толщины спеченного слоя Ъ для 08К-Р75 и ПМС-1 в зависимости от режимов спекания. Анализ графических зависимостей позволил выявить наиболее значимые параметры, влияющие на толщину спеченного слоя, а также возможность ее изменения в значительных пределах за счет комбинации технологических режимов лазерной обработки.

На толщину спеченного поверхностного слоя из порошка Б8К-Р75 значимое влияние оказывают Р, V, Б, как показано на рисунке 2.

• 1ЭвЮЧ.Р"103т

—— ?«ч, доеном, г: 2031 ■ Эвгнр г*«иР=10Эг

ТО'«1 Р?#0В»

357У

— — Рлсч. пенсом.

— Ржч. эмиом $=0,1 ¿им

ООЗУТО оэодавг/*

• Эпп СЬ(СП 1Р тгонЭД 1мм 15мм

V1

»57\г

Оорэст» гереиещето Рун* гихр* V, ь

Смроет* л«реиеиенн луч* лвжр« V к

а б

а—зависимости Ъ от V и Р, при 8=0,1 мм, б —зависимости Ъ от V и Б, при Р=10 Вт Рисунок 2 — Зависимости толщины Ъ спеченного слоя порошка ББК-Р75 от режимов спекания, 1г=26 °С Повышение мощности Р с 10 до 20 Вт приводит к увеличению толщины

спеченного слоя Ъ на 44 % при У=100 мм/мин, 8=0,1 мм, t=26 °С. Следующими

по значимости являются V и 8. Увеличение V со 100 до 300 мм/мин приводит к

изменению толщины слоя на 35% при Р=10 Вт, 8=0,1мм, 1=26 °С. Увеличение

шага сканирования с 0,1 до 0,15 мм , при У=100 мм/мин, Р=10 Вт, 1=26 °С

уменьшает Ъ на 36 %. Незначительное влияние на толщину спеченного слоя

оказывает температура подогрева порошкового материала. Так, увеличение I с 26 °С до 200 °С при Р=10 Вт, У=100 мм/мин и 8=0,1 мм увеличивает Ъ на 3%.

Значительное влияние на толщину спеченного поверхностного слоя из медного порошка оказывает скорость перемещения лазера и мощность, как показано на рисунке 3. Изменение V от 200 до 3000 мм/мин является причиной уменьшения толщины слоя на 59% при Р=15 Вт, 8=0,1 мм, 1=26 °С. Повышение Р с 15 до 30 Вт приводит к изменению Ъ на 41 %, при У=200 мм/мин, 8=0,1 мм, 1=26 °С. Влияние температуры подогрева порошкового материала на Ъ незначительно. Увеличение I с 26 °С до 200 °С при Р=15 Вт, У=200 мм/мин, 8=0,1 мм изменяет толщину спеченного слоя на 1%. Шаг сканирования лучом лазера 8 не присутствует в формуле (2), так как имеет низкий уровень значимости.

-Рас* явиошесть^ГООиаычи —Расч лівиснмость Этелдр. точві У»?СОыи-'мни

...;..... - ^ -С .7»« к 141 і

и ...і— ! .....;...... ■•• -і...... ...

-і- .... • •I...... -І-- -- —!— --і—

X: й- ■ ' -4- -"і" ... : _ ! ......и.

і;

- - >?Э(Ч и№««м. У=ЗіЮ0мм?ипн

-?асч мвмсим. У=20ОымАи»

■ Экспер.тсчм УгЗОООмм/мім

»Ос

Температур.» лэдогрееа перешчовоге

а б

а -зависимости г от Р и V, при 1=26 °С, 5=0,1 мм, б -зависимости Ъ от I и V, при 8=0,1 мм, Р=15Вт Рисунок 3 — Зависимости толщины спеченного слоя Ъ порошка ПМС-1 от

режимов спекания

В четвертой главе получены математические зависимости параметра шероховатости Яг спеченного слоя кобапьтхроммолибденового (3) и медного (4) порошковых материалов от технологических режимов спекания:

Лг = 395 + 53-Я+0,9К-/-2400-5-0,15-У-К-0>ЗЯ-< (3)

/Ъ = 356,15+15-/>-0,1-Н-0,0575-/+425-5 (4)

где Р - мощность излучения лазера, Вт; V - скорость перемещения луча лазера,

мм/мин; 8 — шаг сканирования, мм; I — температура подогрева порошкового материала, °С.

На основании этих зависимостей построены графики с наложением экспериментальных значений шероховатости Иг от режимов спекания.

Анализ графических зависимостей позволил выявить наиболее значимые параметры, влияющие на шероховатость спеченного слоя, а также пределы ее

изменения за счет технологических режимов спекания. На шероховатость спеченной поверхности из порошка Э8К-Р75 значительное влияние оказывает мощность лазера. Повышение Р с 10 до 20 Вт увеличивает Иг на 52% при 8=0,1 мм, У=100 мм/мин, 1=26 °С, как показано на рисунке 4, а. Следующим по значимости является скорость перемещения луча лазера. Увеличение V со 100 до 300 мм/мин приводит к уменьшению Яг на 32%, при 8=0,1 мм, Р=10 Вт, 1=26 °С. Меньшее влияние оказывает шаг сканирования. Изменение Б в диапазоне от 0,1 до 0,15 мм, при постоянной У=100 мм/мин и 1=26 °С приводит к уменьшению Яг на 24% при Р=10 Вт, как показано на рисунке 4, б. Незначительно на Яг влияет температура подогрева порошкового материала. Увеличение I с 26 до 200 °С, при Р=10 Вт, У=100 мм/мин, 8=0,1 мм уменьшает Иг на 6%.

Рвсч »№ішм.у:(0оим'инн Рас* довншы. У«30Л.н<Ли>|

Экпср ТО'«!! ООмм/ыш

Зкггмр течкії У*300«Г<АіИН

I 3« Эк* «Р IX « К чхиагЭ ЧЛ»$=0 с

> '«.г

...

иещмгать м.тучмш« паэгра р, 8т

Моцмос ть кэлучениА пажра Р, Вт

а б

а —зависимости Я2 отР и V, при 8=0,1 мм, б — зависимости Я2 от Р и 8, при У=100 мм/мин Рисунок 4 - Зависимости шероховатости Яг кобальтхроммолибденового порошка от режимов спекания, t=26 С На шероховатость спеченного поверхностного слоя из ПМС-1 наибольшее

влияние оказывает скорость перемещения луча лазера. Изменение V от 200 до 3000 мм/мин приводит к уменьшению Яг на 56%, при Р=15 Вт, 5=0,1 мм, Ь=26 °С, в соответствии с рисунком 5, а. Мощность значительно влияет на Яг. Повышение Р от 15 до 30 Вт Яг увеличивает на 42%, при У=200 мм/мин, 1=26 °С, 8=0,1 мм. Изменение 8 с 0,1 до 0,3 мм уменьшает Яг на 16%, при Р=15 Вт, 1=2б°С, У=200 мм/мин, в соответствии с рисунком 5, б. Температура подогрева порошкового материала на Яг влияет незначительно. Таким образом, скорость перемещения луча лазера, мощность излучения и шаг сканирования являются основными параметрами, влияющими на шероховатость спеченного поверхностного слоя из ПМС-1.

М '< 1е X 22 и 24 21 ¡0 12 ■ ■ г~^ ' '

Мощность излучения пахр» Р. Вт Ыощносты:М1>че»И1»Л8«;рзР Бт

а б

а - зависимости Кг от Р и V, при з=0,1 мм, б - зависимости Кг от Р и Б, при У=200 мм/мин Рисунок 5— Зависимости шероховатости Кг спеченного медного поверхностного слоя от режимов спекания, при 1=26 °С Экспериментально доказано, что коагуляция влияет на шероховатость спеченного поверхностного слоя. Размером коагулированных частиц также можно управлять, изменяя технологические режимы спекания, что имеет большое значение при изготовлении изделий с регулируемой пористостью. Уменьшению диаметра коагулированных частиц способствует спекание в защитной среде аргона, подогрев порошкового материала, увеличение диаметра пятна сфокусированного луча лазера, изменение скорости перемещения, мощности лазера, ме-ханоактивация порошка.

В пятой главе представлены технологические рекомендации по повышению качества спеченного поверхностного слоя. Рассмотрено влияние мощности, скорости перемещения лазера, шага сканирования, температуры подогрева порошкового материала, защитного газа и механоактивации на качество поверхностного слоя. Повышение мощности, как показано на рисунке 6, при спекании порошка ОЗК-Р75 приводит к увеличению диаметра коагулированных частиц на 86%, толщины спеченного слоя на 54% и шероховатости Кг на 47%. Деформации поверхностного слоя не наблюдалось.

а б

а — Р=10 Вт, б - Р=20 Вт Рисунок 6 - Внешний вид спеченной поверхности 05К-Р75 (х2), режимы

спекания У=300 мм/мин, t=26 °С, 8=0,1 мм При неправильном назначении мощности для спекания медного порошка

ПМС-1 образцы или рассыпаются от прикосновения, или деформируются, либо

происходит возгорание порошка и процесс выходит из-под контроля, в соответствии с рисунком 7.

¡0ШШЩШ

ЩшШт ЩШ^щ

«»зжШйМшкш ¡шшжэиНКЗЯН а б

а — Р=15 Вт, б - Р=30 Вт Рисунок 7 - Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2), режимы спекания У=200 мм/мин, 1=26 °С, 8=0,3 мм Из полученных данных сделан вывод, что мощность является основным

параметром, влияющим на качество спеченной поверхности.

При спекании кобаггьтхроммолибденовой композиции увеличение скорости перемещения луча лазера, в соответствии с рисунком 8, приводит к уменьшению диаметра коагулированных частиц на 30%, шероховатости на 36% и толщины спеченного слоя на 27%. На всех режимах спекания образцы получались без дефектов.

а б

а - У=100 мм/мин, б — У=300 мм/мин Рисунок 8 - Внешний вид спеченной поверхности Б8К-Р75 (х2), режимы спекания Р=20 Вт, 1=26 °С, 8=0,1 мм Назначая скорость перемещения луча лазера, при спекании ПМС-1 необходимо учитывать ее значительное влияние на качество поверхностного слоя, в соответствии с рисунком 9.

а б

а - У=200 мм/мин, б- У=3000 мм/мин Рисунок 9 - Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2), режимы спекания Р=30 Вт, 1=26 °С, 8=0,3 мм Повышение скорости приводит к уменьшению толщины слоя и шероховатости, в некоторых случаях она велика для формирования спеченной поверхности. Снижение скорости иногда приводит к горению порошкового материала, возникновению дефектов вследствие перегрева материала выше температуры кипения. Шаг сканирования и температура подогрева порошкового материала незначительно влияют на качество спеченного поверхностного слоя.

Выявлено значительное улучшение качества спеченного поверхностного слоя из ПМС-1 при спекании в среде защитного газа аргон, как показано на рисунке 10, а, б и спекании порошка, подвергнутого механической активации, как показано на рисунке 10, в, г. Снижается шероховатость, улучшается внутренняя структура и прочностные свойства, практически отсутствуют дефекты.

а б в г

а - на воздухе; б - в аргоне; в - неактивированный, г - после минутной активации Рисунок 10 - Внешний вид спеченной поверхности ПМС-1 (х2), режимы спекания Р=30 Вт, У=200 мм/мин, 8=0,1 мм, 1=200 °С Проведенные исследования показывают, что толщину спеченного поверхностного слоя Ъ и ее шероховатость Яг можно изменять в значительных пределах, меняя технологические режимы лазерной обработки. Для получения спеченной поверхности разного качества предлагается разделить режимы формирования поверхности прототипа и его внутреннего объема на черновой, получистовой и чистовой, как показано на рисунке 11.

Мощно-сгь Р, Вт

—о-У=Ю0мм/мин, 1=26°С, 8=0,1 мм; -■- У=100мм/мин, 1=200°С, 8=0,1 мм; -о- У=100мм/мин, 1=26°С, 8=0,15 мм; -*- У=100мм/мин, 1=200°С, 8=0,15 мм; -д- у=300мм/мин, 1=26°С, 8=0,1 мм; -а-у=300мм/мин, 1=200°С, 8=0,1 мм; -О" У=300мм/мин, 1=26°С, 8=0,15 мм; У=300мм/мин, 1=200°С, 8=0,15 мм. а

а - порошок 08К-Р75; Рисунок 11- Области

16 !в 23 21 >А 5Є И К 55

-о- У=200мм/мин, 1=26 С, 8=0,3 мм; -■- У=200мм/мин, 1=200°С, 8=0,3 мм; -о- У=200мм/мин, 1=26°С, 8=0,1 мм; У=200мм/мин, 1=200°С, 8=0,1 мм; У=300мм/мин, 1=26°С, 8=0,3 мм; -л.- у=3000мм/мин, 1=200°С, 8=0,3 мм; -О- у=3000мм/мин, 1=26°С, 8=0,1 мм; У=3000мм/мин, г=200°с, 8=0,1 мм. б

б — порошок ПМС-1 режимов спекания

Проведен анализ и рекомендовано принять такую стратегию спекания, когда «получистовой режим» используется для формирования поддерживающего контура с целью сохранения формы сечения при последующем заполнении слоя при помощи «чернового режима». «Черновой режим» обеспечивает повышенную шероховатость, что положительно влияет на прочность сцепления слоев между собой. Далее осуществляется заключительный проход по контуру на «чистовом режиме», при котором обеспечивается оплавление порошка точно по контуру сечения, исключаются возникшие неточности при предыдущих переходах — «черновом» и «получистовом» и одновременно обеспечивается заданное качество поверхности, как показано на рисунке 12.

Направленное изменение свойств спеченного поверхностного слоя путем разделения режимов обработки на получистовой для поверхности и черновой для основного объема приводит к повышению качества поверхности изделия. На основании с изложенной стратегией спекания предложены рекомендации по достижению заданного качества спеченной поверхности изделия из кобаль-тхроммолибденовой порошковой композиции, таблица 3 и медного порошкового материала ПМС-1, таблица 4.

Таблица 3 - Рекомендуемые режимы спекания кобальтхроммолибденового порошка Б8К-Р75

Получистовой Черновой Чистовой

Р=10Вт У=300 мм/мин 1=200°С 8=0,1 мм Р=10Вт У=100 мм/мин і=200°С 8=0,15 мм Р=20Вт У=(100+300) мм/мин 1=200°С 8=(0,1 -г0,3) мм

Рисунок 12 - Последовательность формирования единичного слоя

Таблица 4 - Рекомендуемые режимы спекания медного порошка ПМС-1

Получистовой Черновой Чистовой

Р=15Вт У=3000 мм/мин 1=200°С 8=0,3 мм Р=30Вт У=3000 мм/мин 1=200°С 8=(0,1-0,3) мм Р=15Вт У=3000 мм/мин 1=200°С 8=(0,1+0,3) мм

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выявлены общие закономерности построения прототипов и факторы, оказывающие наибольшее влияние на качество спеченного поверхностного слоя, такие как мощность излучения Р, скорость перемещения луча лазера V, шаг сканирования Б.

2. Разработана установка послойного лазерного спекания с управлением от компьютера посредством ЧПУ, позволяющая регулировать все технологические параметры спекания в сочетании с использованием контролируемой атмосферы и подогрева порошка на платформе. В совокупности с разработанной методикой проведения экспериментов они позволили достичь поставленной цели исследования.

3. В результате проведенных экспериментов установлены рациональные области технологических режимов послойного лазерного спекания для кобаль-тхроммолибденового порошка 08К-Р75: Р=( 10-20) Вт, У=( 100-300) мм/мин, 8=(0,1-0,15) мм, Н26-200) °С и медного порошка ПМС-1: Р=(14-30) Вт, У=(200-3000) мм/мин, Б=(0,1-0,3) мм, Н26-200) °С.

4. Установлен характер влияния режимов лазерного спекания и получены эмпирические зависимости толщины и шероховатости спеченного поверхностного слоя от режимов спекания, позволяющие управлять процессом с целью получения качественного изделия.

5. Выявлено влияние коагуляции на шероховатость спеченного поверхностного слоя и показана возможность управления размером коагулированных частиц путем изменения технологических условий спекания. Показано, что уменьшению диаметра коагулированных частиц способствует спекание в защитной среде аргона, подогрев порошкового материала, увеличение диаметра

фокусировки пятна лазера, увеличение скорости перемещения и мощности излучения лазера.

6. Показано положительное влияния защитной атмосферы и механоак-тивации металлических порошковых материалов на качество спеченного поверхностного слоя. Для уменьшения шероховатости, улучшения внутренней структуры и прочностных свойств спекание рекомендуется проводить в аргоне с применением металлических порошковых материалов, подвергнутых одно- и трехминутной активации.

7. Установлено, что толщина и шероховатость спеченного слоя оказывает влияние не только на качество поверхности изделия, но и на монолитность внутреннего объема через межслойную прочность сцепления смежных слоев.

8. Подтверждена эффективность разработанного способа формирования единичного поверхностного слоя в технологии послойного лазерного спекания с разделением технологических режимов на черновой, получистовой и чистовой, который позволяет улучшить качество поверхности изделия и его внутреннего объема. Определены области режимов спекания порошков DSK-F75 и ПМС-1.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в рецензируемых изданиях, входящих в перечень ВАК:

1. Сапрыкина, H.A. Понятие режимов лазерного спекания порошковых материалов / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. - 2010. - №3. - С. 49-52.

2. Сапрыкина, H.A. Применение технологии быстрого прототипирования при изготовлении горно-шахтного оборудования / A.A. Сапрыкин, H.A. Сапрыкина // Горное машиностроение. — 2010.-№ ОВЗ. — С. 34—40.

3. Сапрыкина, H.A. Исследование факторов, влияющих на качество поверхности, полученной лазерным спеканием / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин, Д.А. Шигаев // Обработка металлов. - 2011. - № 4. - С. 78-82.

4. Сапрыкина, H.A. Применение селективного лазерного спекания для изготовления медного электрода-инструмента / A.A. Сапрыкин, H.A. Сапрыкина // Горное машиностроение. — 2011. — № ОВ2. — С. 416—419.

5. Сапрыкина, H.A. Влияние механической активации металлических порош-

ков на качество поверхностного слоя, полученного технологией послойного синтеза / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин, В.И. Яковлев // Обработка металлов. -2012,-№4.-С. 108-110.

6. Сапрыкина, H.A. Применение селективного лазерного спекания для изготовления горношахтного оборудования / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин // Горное машиностроение. - 2012. -№ ОВЗ. - С. 25-29.

Патенты:

7. Пат. 52348, Российская Федерация. Устройство сканирования единичного слоя / А. А. Сапрыкин, H.A. Сапрыкина; заявитель и патентообладатель Томский политех. Ун-т-№2004105204; заявл. 24.02.2004, опубл. 27.03.2006.

8. Пат. 2268493, Российская Федерация. Способ лазерно-компьютерного макетирования / А. А. Сапрыкин, С. И. Петрушин, H.A. Сапрыкина; заявитель и патентообладатель Томский политех. Ун-т - №2004119122; заявл. 24.06.2004, опубл. 20.01.2006.

В других научных изданиях:

9. Сапрыкина, H.A. Моделирование влияния режимов селективного лазерного спекания на толщину слоя / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин // Проблемы повышения эффективности металлообработки в промышленности на современном этапе: материалы 10-ой Всероссийской научно-практической конференции. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2012. -С. 71-75.

10. Saprykina, N.A. Engineering Support for Improving Quality of Layer-by-layer Laser Sintering / A.A. Saprykin, .N.A. Saprykina // The 7th International Forum on Strategic Technology IFOST2012 - Tomsk: Tomsk Polytechnic University. -Tomsk: TPU Press, 2012. - P. 169- 172.

11. Saprykina, N.A. The research of a pulse laser powder materials sintering process / A.A. Saprykin, N.A. Saprykina, O.Y. Krovina // The Fifth International Conference on Physical and Numerical Simulation of Materials Processing. — Zhengzhou, China, 2007.-P. 281.

12. Сапрыкина, H.A. Технологическое обеспечение точности и качества прототипов, изготовленных методом послойного селективного лазерного спекания / H.A. Сапрыкина // Материалы 6-й международной научно- технической конференции. - Брянск: Изд-во БГТУ, 2008. - С. 403-405.

13. Сапрыкина, H.A. Управление качеством поверхности изделия-прототипа с помощью черновых и чистовых режимов лазерного спекания порошков / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин // Труды Международной школы- семинар для магистрантов, аспирантов и молодых ученых. - Усть- Каменогорск: Изд-во ТПУ, 2009.-С. 175-179.

14. Saprykina, N.A. Forecasting productivity of process layered laser sintering on the basis of form and orientation factor / A.A. Saprykin, N.A. Saprykina // XV Modern Technique and Technologies. - Tomsk, Russia, 2009. - P. 57- 59.

15. Сапрыкина, H.A. Режимы формирования поверхности прототипа, изготовленного методом послойного селективного лазерного спекания / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин // Инновации в машиностроении: материалы н/п конф. -Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. ун-та, 2010. - С. 58-60.

16. Saprykina, N.A. Effectiveness increase the laser sintering of powder material / A.A. Saprykin, N.A. Saprykina//Journal of International Scientific Publication: Materials, Methods & Technologies. - 2010. - V. 4. - P. 2 - P. 200 - 207.

17. Сапрыкина, H.A. Исследование факторов, влияющих на коагуляцию порошка кобальтхром, при спекании / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин, Д.А. Шигаез // Инновационные технологии и экономика в машиностроении: сборник трудов II междунар. н/п конф. с элементами научной школы для молодых ученых/ Юр-гинский технологический институт. - Томск: Изд-во ТПУ, 2011.-С. 180-182.

18. Сапрыкина, H.A. Исследование факторов, влияющих на качество поверхности, полученной лазерным спеканием / H.A. Сапрыкина, A.A. Сапрыкин, Д.А. Шигаев /'/ Машиностроение - традиции и инновации: сборник трудов Всероссийской молодёжной конференции / Юргинский технологический институт. -Томск: Изд-во ТПУ, 2011. - С. 436-438.

Подписано к печати ¡8- г.

Формат 60x84/16. Бумага офсетная.

Плоская печать. Усл.п.л. 1,16. Уч. изд.л. 1,05.

Тираж 130 экз. Заказ № фй ИПЛ ЮТИ ТПУ. Ризограф ЮТИ ТПУ.

652000, Юрга, ул. Московская, 17.

ЮРГИНСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ) ФЕДЕРАЛЬНОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО БЮДЖЕТНОГО ОБРАЗОВАТЕЛЬНОГО УЧРЕЖДЕНИЯ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ»

04201357852

На правах рукописи

Сапрыкина Наталья Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ФОРМИРОВАНИЯ

ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ ПОСЛОЙНЫМ ЛАЗЕРНЫМ СПЕКАНИЕМ

Специальность

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической

обработки

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - д-р техн. наук, профессор С.И. Петрушин

Юрга - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение..........................................................................................................................5

Глава 1 МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПОСЛОЙНЫМ СИНТЕЗОМ .................................................................................................................. 11

1.1 Общая характеристика методов быстрого прототипирования........................... 11

1.2 Установки послойного лазерного спекания для получения изделий из металла .........................................................................................................................................21

1.3 Обобщенная последовательность создания изделий методом послойного лазерного спекания........................................................................................................25

1.4 Металлические порошковые материалы для установок послойного лазерного спекания..........................................................................................................................27

1.5 Перспективные направления в области технологий быстрого прототипирования.........................................................................................................33

1.6 Факторы, влияющие на качество изделий, и существующие способы его

повышения.....................................................................................................................35

Глава 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ......................................................................................................42

2.1 Описание экспериментальной установки.............................................................42

2.2 Характеристики порошков для экспериментов ..................................................47

2.3 Методика проведения экспериментов .................................................................49

2.4 Планирование и обработка результатов экспериментов....................................53

2.5 Результаты предварительных экспериментов по послойному лазерному

спеканию порошковых материалов ПМС-1 и 08К-Г75...........................................55

Глава 3 ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ СПЕКАНИЯ НА ТОЛЩИНУ СПЕЧЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ.......................................................................................59

3.1 Установление математической зависимости толщины спеченного слоя из кобальтхроммолибденового порошка от технологических режимов спекания ... 59

3.2 Влияние технологических режимов спекания на толщину спеченного слоя из кобальтхроммолибденового порошкового материала..............................................66

3.3 Установление математической зависимости толщины спеченного слоя из медного порошка ПМС-1 от технологических режимов спекания..........................72

3.4 Влияние технологических режимов спекания на толщину спеченного слоя из

медного порошкового материала ПМС-1...................................................................76

Глава 4 ВЛИЯНИЕ РЕЖИМОВ СПЕКАНИЯ НА ШЕРОХОВАТОСТЬ СПЕЧЕННОГО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ...........................................................82

4.1 Установление математической зависимости шероховатости спеченной поверхности из кобальтхроммолибденового порошка от технологических режимов спекания..........................................................................................................................82

4.2 Влияние режимов спекания на шероховатость спеченного поверхностного слоя из кобальтхроммолибденового порошка....................................................................87

4.3 Установление математической зависимости шероховатости спеченного слоя из медного порошка ПМС-1 от технологических режимов спекания..........................93

4.4 Влияние режимов спекания на шероховатость спеченного поверхностного слоя из медного порошка ПМС-1.........................................................................................98

4.5 Исследование факторов, влияющих на коагуляцию кобальтхроммолибденового

порошка при спекании ............................................................................................... 104

Глава 5 ВЛИЯНИЕ УСЛОВИЙ ПОСЛОЙНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ НА КАЧЕСТВО ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ ИЗДЕЛИЙ........................................... 113

5.1 Влияние мощности лазерного излучения........................................................... 114

5.2 Влияние скорости перемещения луча лазера..................................................... 118

5.3 Влияние шага сканирования................................................................................ 123

5.4 Влияние температуры подогрева порошкового материала.............................. 126

5.5 Влияние защитного газа....................................................................................... 128

5.6 Влияние механоактивации порошка .................................................130

5.7 Способ, повышающий качество поверхности изделий получаемых технологией послойного лазерного спекания................................................................................ 137

5.8 Определение рациональных режимов спекания................................................ 139

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .................................................................................................... 143

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ .......................................................................................... 145

ПРИЛОЖЕНИЕ А ...................................................................................................... 162

ПРИЛОЖЕНИЕ Б ....................................................................................................... 163

ПРИЛОЖЕНИЕ В ............................................................................164

Введение

Современная экономика требует уменьшения времени изготовления новой продукции. Сократить сроки выпуска изделия на этапах проектирования и изготовления позволяют технологии быстрого прототипирования за счет сведения комплекса типовых процессов в единую технологическую установку, позволяющую создавать изделия любой формы и заданной точности без предварительных затрат на подготовку технологической оснастки [107]. Среди технологий быстрого изготовления прототипов и функциональных изделий наиболее перспективной является метод послойного селективного лазерного спекания (selective laser sintering) физической копии различных объектов из порошковых материалов на основе 3D CAD-модели [41]. Данная технология предусматривает использование широкого спектра исходных материалов - от пластиков до различных металлических сплавов. В результате смешивания различных порошковых материалов можно создавать сплавы, недоступные для обычных способов изготовления [47]. Области применения методов селективного лазерного спекания определяются как физико-механическими свойствами материала, так и достижимой точностью и качеством его поверхности. Получение сложных деталей из металлических порошковых материалов с требуемыми геометрическими и физико-механическими свойствами позволит значительно расширить сферы использования данной технологии.

Анализ литературных источников показал, что производители установок послойного синтеза, работающие с металлическими порошками, в спецификации установок указывают точность используемых механических и оптических систем, минимальную толщину слоя изделия и другие сведения. Эти данные отражают технически достижимую точность, которая не всегда соответствует реальным результатам, даже с применением рекомендованных порошков и на указанных режимах. Сведения по точности изделия и качеству поверхности, как правило, не приводятся. Также отсутствуют рекомендации о нормировании технологических режимов лазерного спекания и их влиянии на качество поверхности и точность изготовления изделий.

Термическое воздействие лазерного излучения на порошковый материал оказывает значительное влияние на качество изделий и сопровождается достаточно сложными и разнообразными по своей природе физическими явлениями. Качественные изделия можно получить только в узком диапазоне режимов [73, 76, 77]. В большинстве случаев для улучшения качества спеченных изделий используют последующую обработку (постобработку). Но методы постобработки не позволяют управлять геометрическими и микрогеометрическими параметрами поверхностей, поэтому необходимо добиваться высокого качества спеченного поверхностного слоя технологическими методами [97].

Для расширения сферы использования данной технологии и внедрения новых порошковых материалов, определения рациональных технологических режимов для формирования поверхностного слоя заданного качества представляет собой актуальную задачу.

Целью диссертационной работы является совершенствование технологии формирования поверхностного слоя изделий, полученных методом послойного лазерного спекания, путем определения рациональных технологических режимов изготовления.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие

задачи:

- исследовать процесс формирования поверхностного слоя изделий под действием лазерного излучения;

- разработать специальное аппаратное и программное обеспечение и усовершенствовать технологию формирования поверхностного слоя изделий, полученных послойным лазерным спеканием;

- исследовать процесс спекания, получив при этом математические зависимости толщины (£) и шероховатости (Яг) спеченного поверхностного слоя от режимов послойного лазерного спекания;

определить рациональные технологические режимы формирования поверхностного слоя, обеспечивающие требуемое качество спеченного изделия.

Решение указанных задач осуществляется путем проведения теоретических и экспериментальных исследований.

Научная новизна работы.

1. Выявлены основные параметры режима, влияющие на качество спеченного поверхностного слоя изделий, полученных послойным лазерным спеканием - мощность лазерного излучения, скорость и шаг сканирования лазерным лучом слоя порошка, предварительная температура подогрева порошкового материала.

2. Получены математические зависимости толщины и шероховатости спеченного поверхностного слоя от режимов послойного лазерного спекания медного порошкового материала ПМС-1 и кобальтхроммолибденового порошка 08К-Р75.

3. Установлены пределы, в которых можно изменять толщину Ъ спеченного поверхностного слоя и ее шероховатость Яг за счет изменения технологических режимов лазерной обработки (для кобальтхроммолибденового порошка возможно изменение Z и Яг на 200%, для медного порошка- Ъ на 174%, Яг на 225%).

4. Установлена взаимосвязь шероховатости спеченной поверхности Яг и диаметра коагулированных частиц при послойном лазерном спекании.

5. Показано положительное воздействие защитной атмосферы и механоактивации металлических порошковых материалов на качество спеченного поверхностного слоя.

Практическая ценность работы.

1. Определены рациональные режимы послойного лазерного спекания изделий, позволяющие расширить технологические возможности оборудования и совершенствовать технологию формирования поверхностного слоя спеченного изделия.

2. Разработаны рекомендации по повышению качества поверхности изделий, полученных послойным лазерным спеканием.

3. Предложен способ разбиения трехмерной модели на слои переменной толщины {Пат. 2268493), который позволяет получить поверхность требуемой шероховатости.

4. Разработан способ формообразования слоя в технологии послойного лазерного спекания с разделением технологических режимов на черновые,

получистовые и чистовые области, позволяющий повысить производительность процесса и монолитность изделий.

Методы исследования. Представленные в работе результаты получены на основе экспериментальных исследований в лабораторных условиях. Применены методики, приборы и установки для изучения состояния поверхности после спекания. Исследования включали в себя реализацию процесса лазерного спекания с помощью созданной экспериментальной установки; изменение технологических параметров процесса; установление выходных параметров спекания - шероховатости, коагуляции и толщины спеченного слоя. Анализ геометрического состояния спеченной поверхности проводился по специально разработанной методике с применением инструментального цифрового микроскопа. Математические зависимости получены с использованием теории планирования экспериментов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Конструкция экспериментальной установки послойного лазерного спекания и методика определения геометрических параметров спеченного поверхностного слоя.

2. Результаты математического моделирования толщины (7.) спеченного слоя и шероховатости (Яг) при изменении технологических режимов спекания.

3. Способ формообразования единичного слоя в технологии послойного лазерного спекания с разделением технологических режимов при формировании поверхности изделия и внутреннего объема на черновые, получистовые и чистовые.

4. Технологические рекомендации по механоактивации металлических порошковых материалов и использованию защитных сред при послойном лазерном спекании.

Степень достоверности и апробация результатов. Основные научные положения, выводы и результаты, сформулированные в диссертационной работе, обоснованы и подтверждены результатами экспериментов. Достоверность и воспроизводимость опытов подтверждена результатами статистической обработки экспериментальных данных.

Личный вклад автора заключается в непосредственном участии в разработке экспериментального оборудования, проведении исследований и анализа методов формообразования изделий послойным синтезом, установлении факторов, влияющих на формирование поверхностного слоя, постановке и проведении экспериментальных исследований, обработке и анализе полученных результатов, получении математических зависимостей толщины спеченного слоя и шероховатости от режимов спекания, формулировании положений и выводов, выносимых на защиту, подготовке публикаций по данной теме.

Диссертация состоит из пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. В первой главе представлен обзор литературных источников о текущем уровне развития формообразования изделий, полученных послойным лазерным спеканием. Проведен анализ прогрессивных направлений в области технологий быстрого прототипирования. Обоснована перспективность технологии послойного лазерного спекания, позволяющая изготавливать функциональные изделия из металлических порошковых материалов. Проведен анализ параметров установок послойного лазерного спекания для получения изделий из металла, дано описание применяемых металлических порошковых материалов. Показана обобщенная последовательность изготовления изделия. Рассмотрены основы технической реализации способов формообразования послойным лазерным спеканием и структура процесса. Выявлены преимущества и проблемы послойного лазерного спекания. Среди наиболее важных проблем отмечено невысокое качество формирования поверхностного слоя получаемых изделий. Установлены факторы, влияющие на качество спеченного изделия, и рассмотрены существующие подходы к повышению качества изделий, получаемых послойным лазерным спеканием.

Во второй главе дано описание разработанной экспериментальной установки, характеристик используемых порошковых материалов, методики проведения экспериментов, планирования и обработки результатов экспериментов. Для проведения экспериментальных исследований сконструирована установка послойного лазерного спекания оригинальной

конструкции, позволяющая регулировать все технологические параметры процесса.

В третьей главе с использованием методов теории планирования экспериментов и статистической обработки результатов, получены эмпирические зависимости толщины спеченного слоя кобальтхроммолибденового и медного порошковых материалов от технологических режимов спекания. На основании этих зависимостей построены графики с наложением экспериментальных значений толщины спеченного слоя для ОБК-Р75 и ПМС-1 в зависимости от режимов спекания. Анализ графических зависимостей позволил выявить наиболее значимые параметры, влияющие на толщину спеченного слоя, а также возможность ее изменения в значительных пределах за счет комбинации технологических режимов лазерной обработки.

В четвертой главе получены математические зависимости параметров шероховатости Яг спеченного слоя 08К-Р75 и ПМС-1 порошковых материалов от технологических режимов спекания. На основании этих зависимостей построены графики с наложением экспериментальных значений шероховатости в зависимости от режимов спекания. Рассмотрено влияние коагуляции порошка на шероховатость поверхностного слоя.

В пятой главе представлены технологические рекомендации по повышению качества спеченного поверхностного слоя. Рассмотрено влияние мощности, скорости перемещения луча лазера, шага сканирования, температуры подогрева порошкового материала, защитного газа и механоактивации на качество поверхностного слоя.

Глава 1 МЕТОДЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ПОСЛОЙНЫМ СИНТЕЗОМ

1.1 Общая характеристика методов быстрого прототипирования

На �