7. Егоров О. Д. Структурный анализ механизмов мехат-ронных устройств // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2012. № 2. С. 16—19.
8. Илюхин Ю. В. Роль метода компьютерного моделирования в познании технических объектов // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2013. № 4 (27). С. 141—145.
9. Лукинов А. П. Применение метода сканирования пространства параметров в функциях натурального ряда чисел для решения задач проектирования и управления в машиностроении // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2009. № 3. С. 71—78.
10. Башевская О. С., Бушуев С. В., Подураев Ю. В., Ковальский М. Г., Кайнер Г. Б., Ромаш Е. В., Мельниченко Е. А. Разработка экспериментально-аналитической методики определения температурных деформаций концевых мер длины в нанометровом диапазоне // Измерительная техника. 2014. № 3. С. 8—11.
11. Башевская О. С., Бушуев С. В., Подураев Ю. В., Ковальский М. Г., Кайнер Г. Б., Ромаш Е. В. Исследование влияния температурных деформаций на точность линейных измерений // Измерительная техника. 2013. № 9. С. 34—36.
12. Grigoriev S. N., Krasnovskii A. N., Kazakov I. A. An international journal for the science and application of composite materials // Appl. Compos. Mater. 2014. Т. 21. № 4. С. 651—659.
13. Andreev V., Kuvshinov S., Pryanichnikov V., Poduraev Y.
Education on the Basis of Virtual S.Learning Robotics Laboratory and Group-Controlled Robots // Conf. Proc. 24th DAAAM International Symposium on Intelligent Manufacturing and Automation — 2013: Procedia Engineering. 2014. V. 69. P. 35—40.
14. Марков Б. H., Шарамков А. Б. Использование результатов калибровки координатно-измерительных машин Faro Arm для сравнительной оценки их точностных возможностей // Измерительная техника. 2014. № 8. С. 19—21.
15. Григорьев С. H., Телешевский В. И., Глубоков А. В., Педь С. Е., Глубокова С. В. Проблемы метрологического обеспечения подготовки производства в машиностроении // Измерительная техника. 2012. № 5. С. 27—29.
16. Григорьев С. H., Мастеренко Д. А., Телешевский В. И., Емельянов П. H. Современное состояние и перспективы развития метрологического обеспечения машиностроительного производства // Измерительная техника. 2012. № 11. С. 56—59.
17. Егоров О. Д. Механика электромеханических роботов. М.: МГТУ «СТАНКИН», 2009.
18. Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника. М.: Мир, 1989.
19. Chernov N. Circular and Linear Regression Fitting Circles and Lines by Least Squares. London: CRC Press Taylor & Francis Group, 2011.
Дата принятия 29.05.2015 г.
681.786.42
Средства оптического диагностирования селективного лазерного плавления с излучением, альтернативным гауссову
А. В. ГУСАРОВ, А. А. ОКУНЬКОВА, П. Ю. ПЕРЕТЯГИН, И. В. ЖИРНОВ,
П. А. ПОДРАБИННИК
Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»,
Москва, Россия, e-mail: a.okunkova@stankin.ru
Разработана система оптического мониторинга и диагностики процесса селективного плавления лазерным лучом с различными распределениями плотности мощности. Выявлена взаимосвязь между распределениями плотности мощности и геометрическими параметрами единичных треков. Обнаружены технологические окна формирования стабильных единичных треков для различных распределений, произведена высокоскоростная съемка процесса.
Ключевые слова: аддитивное производство, селективное лазерное плавление, модуляция лазерного луча, оптический контроль и диагностика.
A system of optical monitoring and diagnostics of the selective laser melting process with alternative beam power density distributions is developed. The experimental work showed the correlation between obtained power density distribution and geometrical parameters of single tracks. The technological gaps of stable track formation for different distributions were detected, high-speed process photography have been realized.
Key words: additive manufacturing, selective laser melting, laser beam modulation, optical control and diagnostics.
В настоящее время интенсивно развиваются способы быстрого прототипирования. Одним из перспективных методов, позволяющих за короткое время получать изделия сложной конфигурации из широкого спектра материалов, является метод селективного лазерного плавления (СЛП) [1—3]. Он находит широкое применение в машино- и авиастроении, медицине, где существует необходимость созда-
ния индивидуальных протезов и имплантов. Суть метода — послойное сплавление порошка под действием лазерного излучения в соответствии с исходной 3D-моделью. Порошок наносят на подложку, разравнивают роликом или ракелем и сплавляют лазером в соответствии с текущим сечением 3D-модели. Затем подложку опускают на один уровень и процесс повторяют. Будущее изделие формируется в слое по-
рошка, таким образом минимизируется количество поддержек, необходимых для бездефектного построения изделия [4, 5].
Однако до сих пор не решены задачи по уменьшению негативных последствий этой технологии, отражающиеся на качестве конечного изделия. В основном, это связано с процессом СЛП гранул порошка [6]. В момент сплавления происходит некоторый выброс гранул в зоне обработки. В результате они разлетаются, нарушая околозонный гранулометрический состав каждого слоя, что приводит к ряду отрицательных явлений, например к химическому взаимодействию гранул с защитной средой в камере и др. Также среди негативных эффектов выделяют перегрев ванны расплава и эффект Марангони [7]. Описанные эффекты могут быть непосредственно связаны с особенностью распределения градиента плотности мощности излучения в пятне лазерного луча, когда создается высокоскоростной поток жидкого металла в зоне обработки. Такое распределение получило название гауссово распределение или ТЕМ00-мода. Данную проблему можно решить или уменьшить ее влияние с помощью модификации оптической системы для модуляции излучения в пятне. Таким образом, градиент плотности мощности можно скорректировать для создания на поверхности ванны расплава оптимальных условий тепломассоперено-са, ликвидирующих и снижающих эффект выброса гранул порошка [8—10].
Также можно повысить качество изделий, подобрав оптимальные параметры процесса. Критерий их определения — соответствие изделия заявленным характеристикам по геометрической точности, качеству микроструктуры и механическим свойствам. Процесс плавления порошка включает множество непостоянных входных параметров и их комбинаций, что существенно усложняет поиск оптимальных режимов. Поэтому целесообразно использовать системы оптического мониторинга процесса СЛП, что позволяет собирать достаточное количество данных для диагностирования возникающих негативных эффектов и объяснения некоторых процессов [11].
В настоящее время ни на одной из промышленных машин не установлена система контроля процесса плавления
[12]. Производственный контроль качества выполняет на глаз оператор оборудования. Таким образом, разработка средств оптического диагностирования СЛП с альтернативным гауссову излучением является актуальной задачей.
Постановка задачи. Исследования в области модуляции лазерного излучения показали возможность получения равномерных температурных полей в зоне нагрева при использовании обратного гауссову распределения плотности мощности лазерного луча и распределения с плоским верхом
[13]. Многие ученые отмечали примерно одинаковый набор (12 позиций) параметров процесса СЛП, связанных с лазерным излучением, установочной платформой, газовой средой и характеристиками порошка [14, 15]. Все эти параметры были разделены на входные и выходные.
К основным входным контролируемым параметрам можно отнести мощность лазерного излучения, длину лазерной волны, режим пульсации, диаметр луча в фокусе, профиль и фактор качества луча, его скорость сканирования по поверхности обработки, используемую стратегию обработки лазерным лучом. Выходными параметрами обработки принято считать измеряемые характеристики, влияющие на функциональность изделия: полученные геометрическая точ-
ность, шероховатость поверхностей и микроструктура (поры, остаточные трещины), механические свойства изделия. В свою очередь, при СЛП указанные измеряемые выходные параметры изделия находятся в прямой зависимости от измеряемых параметров формирования единичного трека изделия: геометрические параметры (высота, ширина, глубина проплавления), металлургическая и геометрическая однородность, зона консолидации порошка (термического воздействия). Кроме контролируемых входных параметров существуют неконтролируемые и частично контролируемые параметры атмосферы в камере плавления и параметры порошка. Атмосфера характеризуется составом, термическими свойствами, температурой. Также учитываются температура подложки, на которой выращивается изделие, непроницаемость камеры установки (присутствие кислорода). Основные свойства порошка: его состав и термические свойства (не все порошки пригодны для использования при СЛП); характеристики гранул (форма и размер: считается, что круглая форма более предпочтительна для лучшей абсорбции энергии луча). Необходимо учитывать толщину насыпаемого слоя, которая должна, прежде всего, соответствовать размеру гранул порошка. Среди негативных эффектов обработки можно выделить такие, как выброс гранул порошка вследствие термического удара и их химическое взаимодействие с атмосферой.
Таким образом, основные задачи исследования — анализ существующих установок для СЛП, разработка оптической системы экспериментальной установки, выявление параметров системы, при которых наблюдается формирование альтернативных распределений лазерного луча, апробирование разработанной системы с помощью средств оптического мониторинга и диагностики.
Экспериментапьный стенд оптического диагностирования. Существует несколько основных производителей установок для СЛП, например EOS и Concept (Германия), Phenix Systems (Франция), Renishaw (Англия). Принципиально эти установки устроены одинаково: лазерный луч выходит из коллиматора, попадает в сканатор и затем обрабатывает необходимую область нанесенного слоя порошка в рабочей плоскости в соответствии с текущим сечением, потом рабочая платформа опускается на толщину порошкового слоя и процесс повторяется.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.