3D-печать: требуется контроль

Аддитивные технологии (АТ) перерастают сегодня из стадии перспективных разработок в разряд промышленного оборудования. И крайне важно формирование эффективных инструментов контроля, способных сообщить о качестве и характеристиках изделий.

Как метод изготовления конечного изделия любой сложной геометрии, 3D-печать позволяет снять технологические ограничения и добиться оптимизации формы. Свойства изделий, выращенных из металлических материалов, превосходят аналоги, полученные традиционными литейными технологиями. Это достигается равномерной структурой, мелким зерном металла, минимальным количеством включений, управляемым и повторяемым процессом аддитивного производства.Сравнение структуры металла: отливка и прямое аддитивное производство. Алюминиевый сплав.

]Улучшенные свойства материалов позволяют оптимизировать топологию изделий, сокращая массу и/или улучшая механические свойства.

Рычаг подвески автомобиля, алюминиевый сплав. Снижение массы 12%. Масса рычага до оптимизации (на рисунке слева): 854 г, масса после оптимизации: 749 г.

Контроль изделий

Более наукоемкие, оптимизированные и ответственные изделия требуют и более пристального контроля. Эйфория от потенциальной способности изготовить сложную геометрию зачастую проходит в момент испытаний выращенных изделий, т. к. их свойства могут не соответствовать ожиданиям.

Расхождение в расчетных и реальных показателях часто связано с дефектами в аддитивном производстве.

Контроль качества - важнейший этап в любом производстве. Неразрушающий контроль – это один из распространенных способов проверок. Ревизия наружной геометрии сегодня осуществляется бесконтактным трехмерным сканером, это популярный и проверенный способ. Используя поле отклонений, оценивают геометрию и принимают решение о пригодности детали для дальнейших технологических операций.

Контроль геометрии на 3D-сканере, поле отклонений - сопоставление результатов 3D-сканирования и CAD-модели.

Однако для определения многих показателей визуального и геометрического контроля недостаточно. Требуется выявлять внутренние дефекты, области с более низкой плотностью, включения и определять их влияние на характеристики детали. Заглянуть внутрь изделия позволяет рентгеновское излучение. Контроль с использованием ионизирующего излучения был открыт Вильгельмом-Конрадом Рентгеном еще в 1895 году. В основе метода лежит оценка плотности материала по интенсивности излучения, проходящего через объект и попадающего на детектор.

В отличие от традиционных рентгеновских аппаратов, которые способны работать лишь с физическими снимками на пленке, компьютерный томограф – создает трехмерные данные, сопоставляя серии двумерных цифровых изображений.

Современные данные компьютерной томографии. Блок цилиндров ДВС V8.

Преимущества томографии – полностью цифровое взаимодействие с трехмерными данными, информацией о внутренних дефектах, скрытых полостях, недоступных оптическим и контактными средствам измерений.

Данные компьютерной томографии (КТ) – воксели – помимо геометрической информации содержат сведения об интенсивности, коррелирующиеся с плотностью исследуемого материала. Чем плотнее материал, тем меньше интенсивность. По трехмерным данным КТ определяют размер, количество и распределение дефектов.

Для автоматизированного принятия решения о качестве изделий используют CAD-данные с PMI (Product and Manufacturing Information). Трехмерные модели с размерами и допусками, описанными аннотациями PMI, сопоставляют с данными КТ. Программное обеспечение способно воспринимать все размеры с допусками и, сопоставляя их с фактически измеренными величинами, создавать отчет об измерениях с принятым решением по каждой позиции.

Слева: данные КТ. Справа: CA D-модель PMI, В центре: отчет об измерениях. Volume Graphics.

Виртуальные испытания

Томография позволяет обнаруживать дефекты и оценивать их размеры. Однако каким образом оценить влияние несплошностей и включений, как определить, насколько критичны дефекты и приведут ли они к разрушению? Оценку с учетом дефектов проводят с помощью виртуальных испытаний. Традиционно такие испытания – это моделирование поведения нагруженной детали на основе сетки конечных элементов.

Симуляция позволяет получить информацию о зонах потенциального разрушения и предельных нагрузках по всему объему изделия. Ключевая особенность симуляции на основе данных КТ состоит в том, что сетка конечных элементов создается на основе воксельных данных с учетом информации о дефектах. Это позволяет проводить симуляцию нагружения конкретного изделия, а не идеализированной CAD-модели.

Образцы для проверки расчетных данных. Данные КТ. Расчетные напряжения по Мизесу.

Статистические данные, собранные на образцах и изделиях, показывают высокую степень сходимости расчетных показателей и экспериментальных данных.

Возможные дефекты в аддитивном производстве: пропуски слоя, пористость, включения и пр.

Сходимость экспериментальных и расчетных данных испытаний контрольных образцов.

Опираясь на истинные данные о дефектах конкретного изделия, а также средства виртуальных испытаний, можно исключить физические испытания для оптимизированных, высокоэффективных, сложных и/или уникальных изделий, тем самым добиться повышения экономической эффективности производства.

Прогноз разрушения изделия на основе данных томографии. Прямое производство, алюминиевый сплав. На рисунке слева: поле нагрузок и прогноз разрушения. На рисунке справа: деталь после испытаний.

Заключение

Инструменты «Индустрии 4.0» позволяют создавать изделия с уникальными характеристиками на основе принципов цифрового и автоматизированного проектирования и производства: сборки заменяются несколькими деталями с эффективной и оптимизированной геометрией, все выше требования к компонентам. Важно на каждом этапе аддитивного производства контролировать характеристики и прогнозировать поведение таких компонентов, это залог успешного развития нового технологического уклада.

К. Н. Казмирчук, начальник Отдела перспективных

технологий и развития, ФГУП «НАМИ»