Разработка технологических основ 3D печати высоконаполненными металлополимерными композициями для изготовления металлических изделий сложной формы

Аддитивные технологии – это одно из прорывных направлений разви-
тия современной науки и техники. В основе данных технологий лежат науч-
ные аспекты поведения материалов при их высокоэнергетической обработке.
Получить заданные свойства материала, с помощью аддитивных техноло-
гий, возможно применяя знания материаловедения и понимая, какая струк-
тура будет сформирована в готовом изделии.
Динамически развивающиеся быстрыми темпами аддитивные техноло-
гии 3D печати используются в прогрессивных производствах. Существует
несколько видов аддитивных технологий, основанных на разных физических
принципах, таких как: SLS, SLM, EBM, FDM, LOM и т.д. Все их объединяет
один технологический принцип – получение изделий методом послойного
построения. Как и традиционные технологии формирования изделий, каж-
дый из типов аддитивных технологий имеет свои достоинства и недостатки.
Основным материалом, из которого традиционно получают функцио-
нальные изделия различного назначения, являются металлы и сплавы. Для
производства изделий из металлов наиболее отработанными в мире являются
две основные технологии: SLM (селективное лазерное сплавление) и EBM
(электронно-лучевое сплавление). Несмотря на высокую точность и неплохое
качество получаемых изделий у данной технологии есть ряд недостатков, ка-
сающихся как высокой стоимости самого технологического оборудования,
так и сырьевых материалов. При этом количество порошка, который необхо-
димо иметь при получении деталей вышеуказанными методами, должно
кратно превышать по весу саму деталь. Часть порошка металла в данном слу-
чае не подлежит восстановлению и уходит в отход. Кроме того, в процессе
3D печати металлических изделий методами SLM и EBM зачастую в детали
формируются внутренние напряжения из-за сильно выраженной неравновес-
ности процессов, происходящих при сплавлении. В то же время данные тех-
нологии приводят к формированию анизотропной микроструктуры в матери-
але вдоль направления построения.
Данные особенности технологий послойного сплавления при высоко-
энергетическом воздействии на порошок металла диктуют необходимость
постобработки получаемых изделий для снятия внутренних напряжений в
материале.
В ставшей уже традиционной технологии инжекционного формирова-
ния полимерно-порошковых смесей в металлические формы также использу-
ется один из принципов и преимуществ аддитивного производства – форми-
рования изделий методом прибавления. Технология порошкового инжекци-
онного литья (PIM) с 70-х годов XX века используется в высокоточном про-
изводстве металлических изделий (MIM – инжекционное литье металлами)
сложной конфигурации и является продолжением развития порошковых ме-
таллургических технологий. Главными недостатками использования данной
технологий является необходимость использования сложного технологиче-
ского оборудования, дорогостоящей оснастки для отливки «зеленой» детали;
невозможность получения деталей со сложной внутренней структурой.
В настоящее время практически в каждый дом, офис, предприятие во-
шли доступные технологии 3D печати в виде установок, реализующих ме-
тод FDM (моделирование методом послойного наплавления). Эти установки
имеют главное достоинство – это их низкая цена и простота использования,
возможность легко управлять процессом получения изделия, достаточно вы-
сокая точность производства и скорость построения.
FDM технология используют полимерные сырьевой материалы для по-
лучение изделии сложный формы методом 3D печать. При этом исходные
материалы PIM, представляющие собой высоконаполненный металлическим
порошком полимер, являются доступным с точки зрения цены и технологии
получения сырьем.
Основной целью данной диссертационной работы является изучение
возможности получения «зеленых» деталей методом FDM из готовых поли-
мер-металлических композиций, применяемых в PIM технологиях. Результа-
том работы должны стать научные основы технологии, сочетающие в себе
достоинства PIM и технологические возможности FDM. Основной задачей
работы стало выявление влияния технологический параметров 3D печати вы-
соконаполненными полимерами на качество (наличие дефектности) получа-
емых деталей.
Актуальность работы заключается в разработке технологии для полу-
чения функциональных металлических изделий сложной формы и структуры
методом FDM (Fused deposition modeling) с использованием в качестве ис-
ходных сырьевых материалов фидстоков, используемых в MIM (Metal
Injection Molding) технологиях.
Обзор литературы