Разработку нового способа точного изготовления металлических деталей на 3D-принтере методом лазерной проволочной наплавки с управляемым переносом металла выполнили специалисты Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ), 13 ноября сообщает пресс-служба вуза.

В настоящее время метод 3D-печати для производства различных изделий широко применяется в самых различных отраслях — от медицины до автомобильной и аэрокосмической промышленности, поскольку он предоставляет возможность бездефектного изготовления изделий сложной формы с хорошими механическими свойствами.

При этом в аддитивном производстве крупногабаритных деталей часто используют технологию проволочно-дуговой наплавки. Например, в авиадвигателестроении таким методом можно производить сложные детали для компрессоров и элементов сопловой части.

Однако в процессе применения современных технологий печати возникают нежелательные эффекты, изменяющие структуру материала, ухудшающие характеристики получаемых изделий, снижающие их качество и срок службы. Метод, разработанный учеными Пермского Политеха, — лазерная проволочная наплавка с управляемым переносом металла, решает эти проблемы.

Специалисты ПНИПУ создали прототип оборудования для реализации новой технологии и экспериментальным путем установили параметры оптимальных режимов для наплавки никель-хромовых жаропрочных сплавов. Такая технология позволит создавать бездефектные детали сложной формы, требующие минимальной финишной обработки.

В процессе проволочно-дуговой наплавки вертикально направленный лазерный луч плавит подаваемую сбоку одну или несколько проволок, которые плавятся, формируя слой за слоем металлическое изделие. Эта технология с учетом того, что она практически безотходна и обеспечивает достаточно высокую скорость производства, начинает всё шире применяться во всем мире.

Это в свою очередь требует определения оптимальных режимов наплавки для разных сплавов, так как иначе материал изделия может потерять свои механические свойства, став менее прочным, могут неправильно формироваться слои, нарушив размеры и форму конечных изделий. Также возникает риск появления на поверхности микропор, которые в процессе эксплуатации изделия могут привести к появлению и распространению трещин.

Поэтому учеными Пермского Политеха было проведено исследование влияния мощности лазерного излучения и скорости перемещения печатающей головки 3D-принтера на качество и форму слоя из никель-хромового жаропрочного сплава Inconel 718. В результате они определили предварительные режимы наплавки для этого материала.

Эти сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, но из-за сложного химического состава считаются трудными для механообработки. Они востребованы для изготовления оборудования, работающего при высоких температурах или в химически агрессивных средах.

Результаты проведенного исследования были представлены в статье «Исследование формирования одиночных валиков из сплава Inconel 718 распределенным лазерным лучом», опубликованной в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение» № 3 за 2024 год.

В статье предложен способ наплавки с использованием относительно недорогих лазерных систем и 6-осевого сварочного робота. Приведена принципиальная схема процесса с использованием вертикальной подачи проволоки, оплавляемой двумя лазерными лучами с круговой осцилляцией лазера.

Профессор кафедры «Сварочное производство, метрология и технология материалов» ПНИПУ, доктор технических наук Дмитрий Трушников рассказал о новой технологии:

«Мы разработали уникальный метод лазерной проволочной наплавки, который позволяет печатать заготовки с минимальным припуском на последующую мехобработку. Новая технология аддитивного изготовления использует комбинированный лазерный источник тепла с управлением его распределением в наплавляемой области и переносом расправленного металла в изделие».

Исследователи провели новым методом наплавку девяти образцов из никелевого сплава Inconel 718 и проанализировали влияние различных факторов на их ширину и высоту. Эксперименты показали, что увеличение скорости перемещения и уменьшение мощности лазерного излучения ухудшает стабильность процесса и приводит к образованию дефектов.

Трушников добавил, что в результате исследования они «определили оптимальные параметры предварительного режима наплавки для аддитивного лазерно-проволочного выращивания заготовок из никелевых сплавов. Это поможет повысить прочностные характеристики деталей».

Разработанный учеными Пермского Политеха метод лазерной проволочной наплавки для 3D-печати металлических деталей, позволяющий сохранять механические свойства материала, заданные размеры и геометрию конечного продукта, может быть использован в производстве качественных металлических изделий для двигателестроительной отрасли.