Определение геометрической точности и шероховатости поверхности малогабаритных деталей круглого и квадратного сечения, получаемых в зависимости от расположения в рабочем пространстве принтера по технологии селективного лазерного плавления из стали марки 12Х18Н10Т

Успешность современных производств опреде­ляется их способностью максимально быстро реагировать на меняющиеся запросы потреби­телей. Это становится возможным при глубоком внедрении цифровых технологий в процессы проектирования и производство. При проекти­ровании компьютерные технологии достаточно широко используются. В процессе изготовле­ния также применяются принципиально новые технологии послойного синтеза, или аддитив­ные технологии (Additive Manufacturing), кото­рые позволяют в кратчайшие сроки изготовить модель, прототип или даже функциональную деталь. Наибольшее практическое применение в настоящее время получили:

• SLA -технология (StereoLithography) - стереолитография, исходный материал - фо­тополимер;
• FDM-технология (FusedDepositionModelig) - моделирование методом послой­ного наплавления, исходный материал - тер­мопластичный полимер;
• SLS-технология (SelectiveLaserSinter­ing) - выборочное лазерное спекание, исход­ный материал - порошкообразный, в большин­стве случаев полимер сложного состава;
• SLM-технология (SelectiveLaserMel­ting) - выборочное лазерное плавление, ис­ходный материал - металлический порошок.

Активно используя различные техноло­гии объемной (3D) печати в производственном процессе как на стадии проектирования, так и на стадии изготовления деталей, можно суще­ственно сократить время на разработку новых изделий, подготовку производства и изготов­ление, а также уменьшить трудоемкость изго­товления и расход материалов. Большинство аддитивных технологий (технология SLA, SLS, FDM) применяются для изготовления моделей и прототипов, чтобы определить собираемость и эксплуатационные показатели, а также для ускорения и упрощения вспомогательных тех­нологических процессов производства (мастер-модели, формы для литья, пресс-формы). Бо­лее редко, но все же используются аддитивные технологии для производства слабо нагружен­ных деталей не очень ответственного назначе­ния (декоративные накладки, защитные кожухи и т. д.). SLM-технология позволяет создавать не только прототипы [1], но и готовые изделия из металлов и сплавов с высоким комплексом механических свойств. Как показали исследо­вания, в том числе проведенные в Снежинском физико-техническом институте (СФТИ НИЯУ МИФИ) совместно с РФЯЦ-ВНИИТФ, химиче­ский состав металлических порошков, исполь­зуемых для печати, может быть различным. Переход на печать другим материалом, который наиболее интересен для данного производителя, можно осуществить достаточно быстро. Разра­ботка режимов печати новых материалов про­водится аналитически с последующим анали­зом структуры и физико-механических свойств изготовленных образцов. В настоящее время отработаны режимы печати металлическими порошками нержавеющей стали и жаропроч­ного никелевого сплава, соответствующими по химическим составам российским стандартам. Свойства получаемых изделий соответствуют физико-механическим свойствам материалов, получаемых по традиционным технологиям, а в ряде случаев значительно превышают эти свойства (табл. 1).

В ядерно-оружейном комплексе, авиа- и ракетостроении существует ряд особенностей при выборе материала, из которого производят изделие, в частности, на первый план выхо­дят эксплуатационные (физико-механические) свойства материалов, в то время как их техно­логические свойства (обрабатываемость) не являются лимитирующим фактором. В связи с этим изготовление изделий с использованием традиционных технологий зачастую связано с большими материальными и временными за­тратами. Поэтому данные производства нельзя отнести к высокоэффективным. Значительно повысить эффективность можно путем внедре­ния аддитивных технологий в производствен­ный процесс. В целом ситуация с внедрением аддитивных технологий в российскую про­мышленность остается недостаточно благопо­лучной. Одним из факторов, который тормозит внедрение аддитивных технологий, является неопределенность в показателях точности из­готавливаемых деталей. В данной статье, в частности, остановимся на вопросах геомет­рической точности и показателях качества по­верхности деталей, получаемых по технологии селективного лазерного плавления (SLM), как наиболее перспективного для изготовления функциональных деталей ответственного на­значения.

Анализ показал, что основные вопросы, на которые необходимо ответить для широкого внедрения SLM-технологии в производствен­ный процесс, следующие: какова максимально высокая геометрическая точность изготовле­ния и какова микрогеометрия поверхности?

Таким образом, с прикладной точки зре­ния необходимо ответить на вопросы:

• возможно ли изготавливать изделия достаточной точности и качества поверхно­сти, чтобы не использовать дополнительную обработку;
• какова стабильность/повторяемость размеров изготавливаемых деталей;
• влияет ли форма поверхности изготав­ливаемых деталей на их отклонение от номи­нальных размеров 3D-модели;
• возможна ли последующая обработка изделий, полученных с использованием SLM- технологии;
• какие методы постобработки можно использовать и какие будут наиболее эффек­тивными;
• если необходима постобработка, то ка­кой минимальный припуск необходимо остав­лять;
• какова себестоимость постобработки;
• выгодно ли использовать 3D-печать, если будет применяться постобработка?

Исходным вопросом является определе­ние точности и стабильности/повторяемости геометрических размеров 3D-печати.

При определении точности геометрии необходимо выявить наибольшую теоретиче­скую геометрическую точность. Она следует из физической сущности процесса.

По своей физической сущности SLM-технология относится к Bed Deposition, т. е. первоначально формируется слой (bed), в котором выборочно идет отверждение (плавле­ние) металлического порошка. Слой формиру­ется за счет движения рабочего стола (платфор­мы построения) в вертикальном направлении (ось z) и последующем распределении порош­ка материала построения по платформе. В этом процессе имеются два лимитирующих факто­ра: величина единичного шага 3D-принтера (технические характеристики оборудования) и размер фракции материала построения.

Обзор технических характеристик SD-принтеров показал, что минимальный шаг построения 20 мкм.

Каждый производитель 3D-принтеров дает свои рекомендации по фракционному со­ставу порошков, используемых для печати: Phenix (3D Systems) - порошок с размерами частиц d₅₀ = 10 мкм [1], Conzept Laser - дис­персность порошка d₅₀ = 26,9 мкм (25.. .52 мкм), SLMSolutions - d₅₀ = 10...30 мкм, Arcam - размер частиц 45.100 мкм. Числовое значение пока­зателя d₅₀ означает, что 50 % частиц порошка должно быть не более указанного числового значения (если d₅₀ = 40 мкм, то это означает, что у 50 % частиц порошка размер частиц меньше или равен 40 мкм), соответственно остальные частицы могут быть больше указанного чис­лового значения d₅₀. Как видно из приведен­ных данных по различным 3D-принтерам, в большинстве случаев частицы используемого порошка превышают размер 20 мкм, следова­тельно, такую величину слоя bed с достаточно плотной упаковкой частиц расходуемого по­рошка технически сформировать невозможно. Исходя из вышесказанного и на основе реко­мендаций от производителей 3D-принтеров, толщина слоя bed обычно устанавливается начиная с 40 мкм с возможностью его увели­чения (пошагово) на 20 мкм. На основе этого все криволинейные поверхности смогут повто­рять форму 3D-модели только в виде ступенек (рис. 1). Причем высота ступеньки будет не ме­нее толщины единичного слоя.

Следующий лимитирующий фактор определяется самим процессом плавления (рис. 2).

В процессе формирования изделия про­исходит расплавление металла слоя bed под воздействием луча лазера. Размер единичной ванны расплава будет зависеть от фокусировки луча лазера, теплопроводности металла, плот­ности расположения частиц в слое bed, поверх­ностного натяжения, которое образуется на поверхности расплава и т. д. Это многофактор­ный процесс, но можно отметить, что единичная ванна всегда больше пятна воздействия ла­зера на слой bed. Величина пятна воздействия лазера (степень фокусировки) определяется на стадии создания управляющей программы, обычно варьируется в пределах 40.80 мкм. В связи с тем что единичная ванна расплава имеет определенную (близкую к полукругу) форму (см. рис. 2), на поверхности будут по­являться неровности, величина которых за­висит от степени фокусировки луча и теплопроводности слоя bed. Кроме того, в крайних единичных ваннах могут оставаться частично расплавленные («приплавленные») частицы, что искажает микрогеометрию поверхности и изменяет геометрические размеры получа­емых изделий. Степень приплавления частиц в крайних слоях может быть разнообразной, а следовательно, и прочность их удерживания поверхностью будет разной. Частицы с ми­нимальной величиной приплавления (размер частицы обычно от 18.80 мкм) могут зна­чительно влиять на шероховатость поверхно­сти и на геометрический размер, но их легко удалить. Если степень приплавления частицы более или около 50 %, то для ее удаления не­обходимы усилия, близкие по величине к проч­ности самого материала, но влияние на изме­нение размера изделия значительно меньше, чем в предыдущем случае. Из вышесказанно­го следует, что микрогеометрия поверхности изделий, получаемых по SLM-технологии, бу­дет определяться размером единичной ванны (т. е. пятном воздействия лазера) и величиной частиц исходного металлического порошка. Если исходить из предположения, что размер частиц исходного порошка 25...45 мкм и еди­ничная ванна 40 мкм, то шероховатость по­верхности должна быть около R_z = 20.

Таким образом, анализ физической сущ­ности процесса селективного лазерного плав­ления показал, что чем меньше шаг построения и мельче размер частиц исходного материала, тем выше точность и меньше шероховатость поверхности. Нижний размер частиц, исполь­зуемых в SLM-технологии, ограничен исходя из технологических особенностей процесса [3]. В частности, размер частиц должен обеспечить достаточную сыпучесть для создания слоя bed., но необходимо, чтобы он не сдувался потоками газа из рабочей области. Из этого следует, что минимальный размер частиц будет зависеть от удельной плотности самого исходного сплава.

Для получения конкретных данных по точ­ности был проведен ряд экспериментов. На ос­новании ранее полученного опыта по изготов­лению образцов и деталей по SLM-технологии было выявлено, что на точность получаемых размеров и микрогеометрию поверхности, кро­ме фракционного состава исходного порошка, могут влиять расположение образцов при пе­чати в рабочем пространстве 3D-принтера, их форма и расположение относительно вертикали в рабочем пространстве при изготовлении. Для подтверждения (опровержения) этого были вы­браны образцы простой формы:

• прямоугольный параллелепипед с раз­мерами 10 х 10 х 30 мм;
• цилиндр с диаметром 10 мм, длиной 30 мм.

Для выявления возможного влияния рас­положения детали в зоне печати при состав­лении управляющих программ 3D-модели расположили вертикально и под углом 45° к горизонту.

Печать проводилась на 3D-принтере Re- alizer SLM 100 по SLM-технологии. При печати были установлены следующие параметры: тол­щина слоя bed - 50 мкм, пятно лазера - 20 мкм. Фракция исходного порошка d₅₀ = 20 мкм.

Полученные образцы были измерены с использованием универсальных средств бес­контактным методом: трехмерное сканирова­ние (точность 0,005 мм) (рис. 3) и микрометр с точностью 0,001 мм (рис. 4). Измерения с использованием трехмерного сканирующего устройства были обработаны с применением специализированного программного обеспе­чения Magic. Данные измерения позволяют оценить отклонения от исходной модели по всей поверхности образца по очень большому количеству точек. Единичный скан содержит до 1 млн точек. При сканировании образца ис­пользовалось 14 единичных сканов. Недостат­ком данного метода является более высокая погрешность измерения (0,005 мм), чем при измерении микрометром, поэтому в данном эксперименте сканирование используется как дополнительный (оценочный) вид контроля, который дает более полную оценочную карти­ну отклонений действительной поверхности, но числовые значения имеют существенные отклонения, в том числе из-за бликования по­верхности.

С целью надежного получения результа­та с использованием микрометра было прове­дено 8 серий измерительных экспериментов для каждого из образцов. Полученные резуль­таты были обработаны с помощью методов статистического анализа [4, 5]. Результаты приведены на рис. 4. При вертикальном распо­ложении цилиндров разброс действительных значений составил 100 мкм, при наклонном расположении - 70 мкм, что соответствует 10-11 квалитетам.

По результатам измерений обоими мето­дами была выявлена закономерность: большая часть действительных размеров цилиндров несколько меньше номинального размера. Это объясняется особенностями подготовки управ­ляющей программы для печати [6]. Управляю­щая программа для 3D-принтера составляется по 3D-модели, представленной в формате STL (триангулированная модель). При описании цилиндрической поверхности треугольника­ми появляется погрешность, связанная с этой неточностью (рис. 5).

Для уменьшения отклонений действитель­ных размеров криволинейных поверхностей от номинала можно использовать два способа:

• повысить точность STL-модели путем уменьшения шага разбиения;
• провести пересчет и увеличить (умень­шить) номинальный размер 3D-модели, ис­пользуемой для создания управляющих про­грамм для 3D-принтера.

Первый способ можно использовать для достаточно простых изделий. Для изделий сложной пространственной формы при умень­шении шага модель может оказаться очень большой, и появятся дополнительные погреш­ности, связанные с проверкой 3D-модели на сплошность, а также повышаются требования к материально-аппаратному обеспечению.

Для реализации второго способа необ­ходимо провести пробную печать, выявить отклонения, ввести поправочные коэффици­енты на размеры 3D-модели. Преимуществом данного способа является то, что одновре­менно можно учесть влияние температурного коэффициента расширения и влияние распо­ложения изготавливаемой детали в рабочем пространстве. На практике был реализован второй способ с частичным уменьшением шага разбиения. Действительные значения изготов­ленных цилиндров после введения поправоч­ных коэффициентов приведены на рис. 6.

После введения поправочных коэффици­ентов в 3D-модель (уточненная печать) при вер­тикальном расположении цилиндров разброс действительных значений составил 52 мкм, при наклонном расположении - 50 мкм, что не превышает допуска на 9 квалитет.

После введения поправочных коэффици­ентов разброс действительных значений ци­линдров, вне зависимости от их расположения в рабочем пространстве 3D-принтера при изго­товлении, составляет 58 мкм, что на 6 мкм пре­вышает допуск по квалитету 9 (IT9 - 52 мкм), но значительно меньше допуска по квалитету 10 (IT 10 - 84 мкм). Как показала обработка экспе­риментальных данных, большая часть (95 %) действительных размеров изготавливаемых образцов группируется вблизи номиналь­ного размера, разброс составляет 40 мкм. Дальнейшее повышение точности изготов­ления возможно, но будет осложняться из- за приплавления частиц, т. е. шероховатости поверхности. Повысить точность геометри­ческих размеров можно путем использова­ния минимальной постобработки, например пескоструйной обработки.

Результаты измерений действительных размеров призм пробной печати приведены на рис. 7, 8.

Анализ формы поверхности с исполь­зованием трехмерного сканирования выявил приплавление частиц порошка на ре­брах призмы, что дало значительное отклоне­ние действительных размеров при измерении микрометром от номинальных. Была проведе­на пескоструйная постобработка, в результате чего действительные размеры граней призмы приблизились к номинальным (рис. 9, табл. 2).

Как видно из результатов опыта, повто­ряемость выполнения размеров высокая.

Анализ действительных размеров изго­товленных образцов выявил следующие осо­бенности:

• образцы с вертикальным расположе­нием (и цилиндрические, и призмы) имеют небольшую конусность на высоте 30 мм в пре­делах до 6 мкм;
• образцы, расположенные под углом 45°, при изготовлении не имеют конусности, разброс действительных размеров на 42 % меньше, чем у вертикальных.

Исследованию шероховатости поверх­ности были подвергнуты 40 образцов с раз­личным расположением поверхностей отно­сительно вертикали в рабочем пространстве 3D-принтера по SLM-технологии при печати. После проведения измерений было выявлено, что шероховатость поверхности зависит от ее положения в рабочем пространстве при печати и не зависит от формы. Наименьшая шерохова­тость получается на вертикальных поверхно­стях - R_a = 1,6...2,5. Чем больше поверхность отклоняется от вертикали, тем больше шеро­ховатость. На горизонтальных поверхностях она может составлять до R_z = 40...50.

Таким образом, в результате анализа фи­зической сущности процесса селективного лазерного плавления и проведения экспери­мента по объемной печати нержавеющей ста­ли 12Х18Н10Т можно сделать следующие вы­воды:

• точность изготовления соответствует квалитету 9-10;
• разброс действительных геометриче­ских размеров меньше, если деталь при печати имеет небольшой угол к вертикали (до 43°);
• образцы, произведенные с использова­нием SLM-технологии, имеют высокую повто­ряемость размеров;
• форма изготавливаемой поверхности влияет на точность геометрических размеров;
• для повышения точности можно вводить поправочные коэффициенты в 3D-модель на ста­дии подготовки управляющей программы;
• поверхности, получаемые по SLM-тех­нологии, могут быть подвергнуты пескоструй­ной обработке, что приводит к значительному снижению шероховатости поверхности и при­ближению действительных размеров к задан­ным;
• шероховатость изготавливаемых по­верхностей зависит от расположения ее в ра­бочем пространстве при изготовлении, чем ближе поверхность к вертикали, тем меньше шероховатость, и наоборот.

Точность изготовления (квалитет 9-10) может полностью соответствовать требова­ниям, предъявляемым к несопрягаемым по­верхностям, т. е. такие поверхности могут изготавливаться по технологии селективного лазерного сплавления SLM без последующей механической обработки. Для поверхностей с более высокими требованиями по точности (квалитет 6-7) и меньшей шероховатостью необходимо использовать последующую ме­ханическую обработку, поэтому новым этапом исследований должно являться определение глубины дефектного слоя при изготовлении деталей по технологии селективного лазерно­го плавления.