Введение к работе
з
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 (FDM), изготовление объектов с использованием технологии ламинирования (LOM), селективное лазерное спекание (С Л С), 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 3D CAD-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.
-
Разработать специальное аппаратное и программное обеспечение и усовершенствовать технологию формирования поверхностного слоя изделий, полученных послойным лазерным спеканием (ПЛС).
-
Исследовать процесс спекания, получив при этом математические зависимости толщины (Z) и шероховатости (Rz) спеченного поверхностного слоя от режимов ПЛС.
-
Определить рациональные технологические режимы формирования поверхностного слоя, обеспечивающие требуемое качество спеченного изделия.
Научная новизна
-
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.
-
Получены математические зависимости толщины и шероховатости спеченного поверхностного слоя от режимов послойного лазерного спекания медного порошкового материала ПМС-1 и кобальтхроммолибденового порошка DSK-F75.
-
Установлены пределы, в которых можно изменять толщину Z спеченного поверхностного слоя и ее шероховатость Rz за счет изменения технологических режимов лазерной обработки (для кобальтхроммолибденового порошка возможно изменение Z и Rz на 200%, для медного порошка- Z на 174%, Rz на 225%).
-
Установлена взаимосвязь шероховатости спеченной поверхности Rz и диаметра d коагулированных частиц при послойном лазерном спекании.
-
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.
-
Разработаны рекомендации по повышению качества поверхности изделий, полученных послойным лазерным спеканием.
-
Предложен способ разбиения трехмерной модели на слои переменной толщины {Пат. 2268493), который позволяет получить поверхность требуемой шероховатости.
-
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 спека
ния и методика определения геометрических параметров спеченного поверхно
стного слоя.
2. Результаты математического моделирования толщины (Z) спеченного
слоя и шероховатости (Rz) при изменении технологических режимов спекания.
3. Способ формообразования единичного слоя в технологии ПЛС с разделе
нием технологических режимов при формировании поверхности изделия и внут
реннего 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.
