Лазерные аддитивные технологии в машиностроении

Лазерные аддитивные технологии
в машиностроении 

Учебное пособие

Под редакцией А.Г. Григорьянца

ISBN 978-5-7038-4976-7
© Оформление. Издательство
     МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2018

УДК 621.7 (075.8)
ББК 34.441
 
Л17

Издание доступно в электронном виде по адресу
ebooks.bmstu.press/catalog/41/book1876.html

Факультет «Машиностроительные технологии»
Кафедра «Лазерные технологии в машиностроении»

Рекомендовано Научно-методическим советом  
МГТУ им. Н.Э. Баумана в качестве учебного пособия

Авторы:
А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И.Мисюров, Р.С. Третьяков

Лазерные аддитивные технологии в машиностроении : учебное пособие / 
[А. Г.  Григорьянц и др.] ; под ред. А. Г. Григорьянца. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2018. — 278, [2] с. : ил.  

ISBN 978-5-7038-4976-7

УДК 621.7 (075.8)
ББК 34.441

Л17

Представлен значительный объем информации по современным наукоемким процессам аддитивных технологий, применяемых в машиностроении. Особое внимание уделено лазерным аддитивным технологиям 
стереолитографии, селективного лазерного плавления и прямого лазерного 
осаждения материала. Рассмотрены физические основы процессов, их технологические особенности и оборудование для промышленной реализации. 
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров 
15.03.01 «Машиностроение» по профилю «Лазерные аддитивные технологии» и изучающих дисциплины «Лазерные аддитивные технологии выращивания готовых деталей и узлов коаксиальным лазерным плавлением», 
«Лазерные аддитивные технологии выращивания готовых деталей и узлов 
селективным лазерным плавлением», «Оборудование для быстрого прототипирования». 

Предисловие

Аддитивные технологии, или технологии послойного синтеза, ранее 
имевшие название быстрое прототипирование, в настоящее время одно из 
наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Они позволяют на порядок ускорить НИОКР и решение задач подготовки производства, а также активно применяются и для производства готовой продукции. Существует множество технологий, которые можно назвать 
аддитивными, объединяет их одно: построение модели происходит путем добавления материала в отличие от традиционных технологий, где создание детали выполняют путем удаления «лишнего» материала. Ускоренное развитие 
данной отрасли в развитых странах Европы, США и Японии говорит о широком интересе к этой проблеме.
На кафедре «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Бау- 
мана созданы научные основы для разработки аддитивных технологий. Сотрудниками кафедры был выполнен большой объем научно-исследовательских работ по разработке отечественных технологий и оборудования аддитивного производства, многие из которых являются приоритетными в нашей 
стране и за рубежом. За последние годы опубликовано большое число статей, 
получено множество патентов, выпущен ряд монографий, сборников трудов 
и учебных пособий.
Для практической реализации разработок кафедры в МГТУ им. Н.Э. Бау- 
мана создано Общество с ограниченной ответственностью «Московский 
центр лазерных технологий», ставший базой для промышленного освоения 
разработок кафедры и развития практических навыков при обучении студентов и выполнении аспирантских работ. Объединение научно-педагогических 
школ МГТУ им. Н.Э. Баумана различных кафедр в области аддитивного производства осуществляется в «Центре аддитивных технологий».
Обширный научный потенциал знаний в области аддитивного производства позволил открыть, впервые в стране, на кафедре «Лазерные технологии 
в машиностроении» новую учебную специальность для подготовки бакалавров, инженеров и магистров «Лазерные аддитивные технологии». 
Наряду с МГТУ им. Н.Э. Баумана значительный вклад в развитие аддитивных технологий в России вносят крупные компании и научные центры, 
способные проводить НИОКР, создавать оборудование и решать сложные 
производственные задачи. К таким организациям относятся ИПЛИТ РАН,  
ФГУП ВИАМ, ООО «МЦЛТ», ОАО НИАТ, ГК «Промтехнология», СанктПетербургский 
политехнический 
университет, 
МГТУ 
«СТАНКИН», 
НИТУ «МИСиС», Госкорпорация «Росатом» и др. Кроме того, при поддержке 

Предисловие 

федерального бюджета открываются региональные инжиниринговые центры. Есть и более мелкие компании, которые в основном представляют интересы зарубежных производителей оборудования. 
Многолетний накопленный отечественный и  зарубежный опыт сконцентрирован в разделах данного учебного пособия ведущими преподавателями кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» МГТУ им. Н.Э. Баумана в соответствии с учебными планами и программами подготовки новых 
кадров для перспективной отрасли промышленности.
В учебном пособии приведена классификация существующих аддитивных технологий. Из множества аддитивных технологий рассмотрены основные, наиболее распространенные при изготовлении деталей машиностроения 
и связанные с применением лазерного излучения. Описан процесс лазерной 
стереолитографии. Сущность метода состоит в послойном выращивании с 
помощью лазерного излучения высокоточных, сложных пластиковых деталей путем отверждения фотополимеризующейся жидкой композиции, которые могут иметь самостоятельное применение, а также использоваться как 
формы для литья. Представлены научные основы лазерной фотополимеризации и основные виды фотополимеров.
Кратко даны представления об особенностях технологического процесса 
и свойствах получаемых деталей. Рассмотрены конструктивные особенности 
установок для лазерной стереолитографии и представлены примеры отечественных и зарубежных промышленных образцов.
Другим направлением аддитивных технологий является послойное выращивание деталей из металлических порошков под воздействием лазерного 
излучения. В рамках этого направления в пособии рассмотрен процесс изготовления готовых деталей из порошков-гранул методом их лазерного селективного спекания или сплавления. Представлены виды порошков и методы 
их производства. Показаны физические и металлургические процессы полного плавления, частичного плавления или жидкофазного спекания порошков. Изменение технологических режимов обработки влияет на комплекс физических и механических свойств полученных материалов. Для объяснения 
этих зависимостей показан широкий спектр металлографических исследований и структур. 
Оборудование для реализации этого процесса подробно описано по отдельным элементам и в целом на примере отечественных и зарубежных установок. Приведены примеры практического применения.
Кроме того, рассмотрен процесс прямого нанесения материала путем 
лазерной послойной наплавки. Этот процесс является, с одной стороны, 
конкурентом традиционных методов быстрого прототипирования, которые 
он напоминает по принципу работы (материал обрабатывается с помощью 
управляемого компьютером лазера). С другой стороны, он может быть конкурентом традиционным технологиям механообработки, литья и штамповки. 
По сути, это процесс объемной лазерной наплавки, используя которую можно  получить объекты путем последовательного послойного нанесения металла по заданному контуру. В этом плане лазерная наплавка — уникальный 
способ, позволяющий, во-первых, формировать слои заданных размеров, 

Предисловие 

а во-вторых, достаточно легко перемещать луч по необходимой траектории. 
В связи с этим в пособии уделено значительное внимание созданию лазерной наплавкой одного качественного слоя. Для этого рассмотрены элементы 
теории технологической прочности и формирование структур различных материалов. В процессе выращивания используют порошки, смеси порошков, в 
том числе обеспечивающие получение композиционных материалов с принципиально новыми эксплуатационными свойствами. Рассмотрены технологические режимы наплавки, схемы нанесения слоев и получаемые механические свойства.
Элементы конструкции установок показаны на примере отечественной 
установки для прямого лазерного нанесения материала, а также зарубежных 
промышленных образцов. Приведены примеры практического применения.
В конце пособия дан список основной и дополнительной литературы.
Пособие соответствует программе курса «Лазерные аддитивные технологии» и формирует у студентов профессионально значимые компетенции в 
области лазерных аддитивных технологий, применяемых в машиностроении.
После изучения материала пособия студенты получат основные представления о принципах процессов лазерной стереолитографии, применяемых материалах, технологических режимах и оборудовании, а также об областях применения метода лазерной стереолитографии как для изготовления конечных 
изделий-прототипов, так и для изготовления форм для литья, усвоят физические и металлургические основы этих процессов и технологические особенности изготовления изделий, научатся различать особенности формирования 
структур при различных лазерных аддитивных технологиях, что позволит 
оценивать их качество, возникающие дефекты и методы их предупреждения.

Основные сокращения

ГЦК — гранецентрированная решетка
КЛП — коаксиальное лазерное плавление
САПР — системы автоматизированного проектирования
СЛП — селективное лазерное плавление
СЛС — селективное лазерное спекание
ТВЧ — токи высокой частоты
ТИХ — температурный интервал хрупкости
ТЭН — теплоэлектрические нагреватели
ЧПУ — числовое программное управление
CAD — Computer Aided Design (компьютерное проектирование )
DMD — Direct Metal Deposition (прямое нанесение материала)
DED — Direct Energy Deposition (прямое осаждение материала)
LMD — Laser Metal Deposition (лазерное осаждение металла)
SLA — Stereo Lithography Apparatus
SLS 
— Selective Laser Sintering (селективное лазерное спекание)

Глава 1. КЛАССИФИКАЦИЯ СОВРЕМЕННЫХ  
АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Многие технологии обработки материалов, основанные на добавлении 
материала при создании детали, называют аддитивными (от англ. to аdd — 
добавлять) в отличие от традиционных технологий, где деталь получают путем удаления «лишнего» материала. Для ориентации в применении и эффективности аддитивных технологий необходимо знать их основные названия и 
классификацию. 
Наиболее полно сложившаяся терминология аддитивных технологий 
и их классификация представлены (США) компанией ASTM International 
(American Society for Testing Materials), занимающейся разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг, 
в стандарте ASTM F2792.1549323-1. В частности, в этом стандарте дано такое 
определение: 
«Аддитивные технологии — это процесс объединения материалов с целью 
создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем в отличие 
от «вычитающих» производственных технологий».
В этом определении под «вычитающими» технологиями в первую очередь 
подразумевается механическая обработка. 
В табл. 1.1 представлены основные виды аддитивных технологий в соответствии со стандартом ASTM F2792.1549323-1. 

Таблица 1.1 

Виды аддитивных технологий по стандарту ASTM F2792.1549323-1 

Вид
Материал
Метод формирования слоев
Способ 
нагрева материала

Послойное наложение 
расплавленной полимерной нити (Fused 
Deposition Modeling)

Термопластичные полимерные нити

Выращивание  слоя 
одной нитью. Выращивание слоя несколькими 
нитями

Экструзионная 
головка 

Струйные (Material 
Jetting)
Фотополимеры, 
воск
Нанесение слоя и 
отверждение засветкой 
(Poly-Jet)

Ультрафиолетовая 
лампа

Разбрызгивание связующего (Binder Jetting) 
Связующий 
реагент
Опрыскивание основного материала связующим 
элементом (Ink-Jet)

Ультрафиолетовая 
лампа

Глава 1. Классификация современных аддитивных технологий 

Рассмотрим подробнее виды аддитивных технологий, представленные в 
табл. 1.1.
Схема процесса послойного наложения расплавленной полимерной нити 
(Fused Deposition Modeling) показана на рис. 1.1.
Термопластичный моделирующий материал в форме тонкой нити диаметром 1,78 мм подается в экструзионную (выдавливающую) головку с системой 
регулировки температуры, где он разогревается до полужидкого состояния. 

Окончание табл. 1.1

Вид
Материал
Метод формирования слоев
Способ 
нагрева материала

Использование фотополимеризующихся модельных материалов (Vat 
Photopolymerization)

Жидкие фотополимеры

Лазерная стереолитография (Stereo Lithography 
Apparatus)

Лазерное излучение

Отверждение полимера ультрафиолетовым 
источником света  
(Photopolymerization)

Лампы ультрафиолетового света

Соединение листовых 
материалов — ламинирование (Sheet 
Lamination)

Листы металла, пластика, 
бумаги

Вырезка контуров и 
склейка слоев между 
собой, ламинирование (Laminated Object 
Manufacturing)

Лазерное излучение,  нагретые 
валики

Расплавление материала 
в заранее сформированном слое (Powder Bed 
Fusion)

Порошки из 
полимеров, 
порошки из 
металлов

Спекание или сплавление порошков с помощью лазера (Selective 
Laser Sintering). 

Лазерное излучение

Спекание или плавление порошков с помощью электронного луча 
(Arcam) 

Электронно-лучевое излучение

Спекание порошков с 
помощью тепловых источников (Selective Heat 
Sintering)

Тепловые нагреватели (ТЭНы)

Прямой подвод энергии 
непосредственно в место 
построения (Directed 
Energy Deposition)

Металлические 
порошки

Подача порошка вместе 
с лазерным излучением 
в зону расплава (Direct 
Metal Deposition).
Подача порошка двухтрех видов вместе с 
лазерным излучением 
в зону расплава (Laser 
Engineered Net Shape)

Лазерное излучение

Подача порошка вместе 
с электронным излучением в зону расплава 
(Electron beam Direct 
Manufacturing)

Электронно-лучевое излучение

Глава 1. Классификация современных аддитивных технологий  

Рис. 1.1. Схема процесса наложения расплавленной полимерной нити системой с несколькими (а) и с одной экстру зионной головкой (б):
1 — катушка с материалом поддержки (BS-пластик); 2 — катушка с основным материалом (АВS-пластик); 3 — исходная CAD-модель в STL-формате; 4 — нагревающая 
головка с нагревающими фильерами (движение по осям X, Y ); 5 — готовый прототип;  
6 — основание на столе (движение по оси Z); 7 — удаляемая поддержка; 8 — XYZ-система 
позиционирования; 9 — экструдируемое сопло; 10 — формируемый объект; 11 — термический корпус; 12 — катушка с материалом; 13 — платформа

а

б

Глава 1. Классификация современных аддитивных технологий 

Выдавливающая головка наносит материал очень тонкими слоями на неподвижное основание, формируя за один проход законченный слой изделия. Последующие слои наносятся на предыдущие, отвердевают, соединяются друг с 
другом. 
Струйные технологии (Material Jetting) основаны на использовании в качестве  модельного материала обычно фотополимеров или воска, которые подаются  в зону построения через многоструйную головку (рис. 1.2).

Нанесeнный пластик освещают ультрафиолетовой лампой, и он застывает. Слои наносят один на другой и в результате получают объемную модель 
или прототип. Затвердевшую модель можно брать в руки и пользоваться ей 
сразу, не прибегая к дополнительной обработке. Помимо определенных материалов для моделирования на 3D-принтере применяют гелеобразный опорный материал, разработанный специально для укрепления длинных выступов 
и элементов сложной геометрической формы. Его легко удаляют с помощью 
руки или смывают водой.
Рассмотрим технологии, использующие жидкие модельные материалы 
(Vat Photopolymerization), например фотополимерные смолы, отверждаемые 
фотонными источниками различного рода (лампы, лазеры).
Примером такой технологии является лазерная стереолитография SLA 
(Stereo Lithography Apparatus). Этот процесс предполагает изготовление твердых копий моделей посредством воздействия лазерного излучения на жидкие 
фоточувствительные полимеры.
Основой стереолитографии является локальное изменение фазового состояния однородной среды (переход жидкость — твердое тело) в результате 

Рис. 1.2. Упрощенная схема процесса разбрызгивания 
материала:
1 — стол; 2 — модель объекта; 3 — выравнивающий механизм; 
4 — струйные головки; 5 — перемещение струйной головки 
по осям X, Y; 6 — капли расплава; 7 — перемещение изделия 
по оси Z