ПНСТ 666-2022
(ISO/ASTM TR 52912:2020)
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Аддитивные технологии
ФУНКЦИОНАЛЬНО-ГРАДИЕНТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Общие положения
Additive technologies. Functionally graded materials. General provisions
ОКС: 25.040
03.120.10
Срок действия с 2022-12-01
до 2025-12-01
Предисловие
1 ПОДГОТОВЛЕН Обществом с ограниченной ответственностью "Русатом - Аддитивные технологии" на основе официального перевода на русский язык англоязычной версии документа, указанного в пункте 4
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 182 "Аддитивные технологии"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 2 августа 2022 г. N 47-пнст
4 Настоящий стандарт является модифицированным по отношению к документу ISO/ASTM TR 52912-2020* "Аддитивное производство. Проектирование. Производство функционально-градиентных материалов" (ISO/ASTM TR 52912-2020 "Additive manufacturing - Design - Functionally graded additive manufacturing", MOD) путем изменения структуры для приведения в соответствие с требованиями национальной системы стандартизации и путем добавления отдельных положений, учитывающих отечественную терминологию и выделенных путем их заключения в рамки из тонких линий, а информация с объяснением причин включения этих положений приведена в указанных пунктах в виде примечаний, а также путем изменения отдельных фраз (слов, значений показателей, ссылок), которые выделены в тексте курсивом**.
________________
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей.
** В оригинале обозначения и номера стандартов и нормативных документов приводятся обычным шрифтом, за исключением отмеченного в разделе "Предисловие" знаком "**". - Примечание изготовителя базы данных.
Наименование настоящего стандарта изменено относительно наименования указанного международного стандарта для приведения в соответствие с ГОСТ Р 1.5-2012 (пункт 3.5) и для увязки с наименованиями, принятыми в существующем комплексе национальных стандартов.
Сопоставление структуры настоящего стандарта со структурой указанного международного документа приведено в дополнительном приложении ДА
5 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта и проведения его мониторинга установлены в ГОСТ Р 1.16-2011** (разделы 5 и 6).
Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии собирает сведения о практическом применении настоящего стандарта. Данные сведения, а также замечания и предложения по содержанию стандарта можно направить не позднее чем за 4 мес до истечения срока его действия разработчику настоящего стандарта по адресу: rusat@rosatom.ru и/или в Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии по адресу: 123112, г.Москва, Пресненская набережная, д.10, стр.2.
В случае отмены настоящего стандарта соответствующая информация будет опубликована в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты" и также будет размещена на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.rst.gov.ru)
Введение
Функционально-градиентные материалы разработаны в 1984 году для проекта орбитального самолета для того, чтобы преодолеть недостатки традиционных композитных материалов и обеспечить достижение высокого теплового барьера. Традиционные композиты [см. рисунок 1, a)] являются однородным сочетанием материалов, что обуславливает компромиссы в отношении свойств конечных деталей.
|
|
a) Традиционный композит | b) Функционально-градиентный материал |
Рисунок 1 - Распределение материалов в традиционном композите и функционально-градиентном материале
Функционально-градиентные материалы (ФГМ) - это современные материалы с пространственно изменяющимся составом и с соответствующими изменениями свойств самого материала. В ФГМ достигается выполнение различных требований к свойствам материалов в зависимости от расположения заданной точки. Таким образом становится возможным выполнение требуемой стратегии структурирования и распределения материала [см. рисунок 1, b)].
Традиционные процессы производства ФГМ включают в себя дробеструйное упрочнение, ионную имплантацию, термическое напыление, электрофоретическое осаждение и химическое парофазное осаждение. Так как аддитивные технологические процессы основаны на последовательном нанесении слоев материала, их использование позволяет производить материалы с функционально-градиентными свойствами, что в настоящее время называют функционально-градиентным аддитивным производством (ФГАП). Так как данное направление работы является относительно новым и не стандартизовано в достаточной степени, существуют разные термины, такие как функционально-градиентное быстрое прототипирование (functionally graded rapid prototyping, FGRP), быстрое прототипирование с переменными свойствами (varied property rapid prototyping, VPRP) и аддитивное производство со свойствами конкретного объема. Таким образом, несмотря на то, что необходимо прояснить ключевые термины, связанные с ФГАП, терминология в настоящем стандарте не устанавливается.
Настоящий стандарт представляет собой обзор текущего уровня развития науки и техники в части ФГАП, доступный для существующих технологических процессов, и по сути своей носит только информационный характер. Этот обзор основан на доступных публикациях и для упрощения использования перекрестных ссылок, содержит терминологию, применяемую в данных публикациях.
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на аддитивные технологии производства функционально-градиентных материалов и представляет собой обзор текущего состояния технологий, их преимущества и ограничения.
Использование аддитивного производства (АП) дает возможность изготовления геометрически сложных деталей за счет точного размещения материалов контролируемым путем. Технический прогресс в аппаратном и программном обеспечении АП, а также открытие новых рынков, требующих повышения гибкости и более высоких эксплуатационных свойств сегодняшней продукции, стимулируют разработку новейших материалов с функционально-градиентными и высокоэффективными характеристиками. Производство данных материалов получило наименование функционально-градиентного аддитивного производства (ФГАП). ФГАП - метод послойного изготовления, который предполагает постепенное изменение соотношения материалов внутри компонента для выполнения целевой функции. Поскольку исследования в этой области привлекают интерес по всему миру, трактовка понятия "ФГАП" требует большего уточнения. Цель настоящего стандарта заключается в представлении концептуального понимания ФГАП. Текущее состояние и возможности технологии ФГАП рассмотрены наряду с существующими технологическими препятствиями и ограничениями.
В настоящем стандарте дана оценка формата обмена данными и некоторых вариантов применения, а также изложены рекомендации о возможных стратегиях преодоления барьеров и будущих направлениях развития ФГАП.
2 Термины, определения и сокращения
2.1 В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями: 2.1.1 лазерная наплавка; LMD (laser metal deposition, LMD): Процесс прямого подвода энергии и материала, в котором в качестве источника энергии для расплавления и наплавления металлических материалов по мере их нанесения используют лазер. 2.1.2 экструзионное изготовление в замороженной форме; FEM (freeze-form Extrusion Fabrication, FEM): Процесс экструзии материала, основанный на экструзии исходного материала в виде паст и применении сублимационной сушки для образования заготовок ("зеленой" детали), которая может быть упрочнена до желаемых свойств материала при помощи спекания. Примечание - В настоящее время процесс используют только для научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ. 2.1.3 селективное тепловое спекание; SHS (selective heat sintering, SHS): Процесс синтеза порошка на подложке, при котором порошок полимера плавится с помощью термопечатающей головки. Примечание - Процесс был первоначально разработан компанией Blueprinte и был снят с рынка после банкротства этой компании. 2.1.4 воксел (voxel): Элемент объемного изображения, содержащий значение элемента растра в трехмерном пространстве. |
Примечание - Термины 2.1.1-2.1.4 приведены в настоящем стандарте для обеспечения взаимопонимания используемой в стандарте терминологии и являются более подробной расшифровкой используемых в международном документе сокращений.
2.2 В настоящем стандарте применены следующие сокращения:
АП | - аддитивное производство (Additive Manufacturing, AM); |
МАП | - мультиматериальное АП (производство, подразумевающее послойное изготовление изделий из нескольких материалов) (Multi-Material Additive Manufacturing, MMAM); |
МКЭ | - метод конечных элементов (Finite Element Method, FEM); |
САПР | - система автоматизированного проектирования (Computer Aided Design, CAD); |
ФГАП | - функционально-градиентное АП (Functionally Graded Additive Manufacturing, FGM); |
ФГБП | - функционально-градиентное быстрое прототипирование (сокращение применяют для ФГАП в некоторых публикациях) (Functionally Graded Rapid Prototyping, FGRP); |
ФГМ | - функционально-градиентные материалы (Functionally Graded Materials, FGM); |
ФГМАП | - функционально-градиентное мультиматериальное АП (мультиматериальное АП изделий с изменяемым по объему свойствами и молекулярным составом материала) (Multi-Material Functionally Graded Additive Manufacturing, MM FGAM); |
AMF | - формат файлов АП (Additive Manufacturing format); |
CAE | - система автоматизированного конструирования (Computer Aided Engineering); |
DED | - прямой подвод энергии и материала (Directed Energy Deposition); |
DMLS | - прямое лазерное спекание металлов (наименование процесса синтеза металлического порошка на подложке лазерным лучом, используемое EOS Gmbh) (Direct Metal Laser Sintering); |
EBM | - электронно-лучевое плавление (наименование процесса синтеза металлического порошка на подложке электронным пучком, используемое Arcam AB) (Electron Beam Melting); |
FAV | - изготавливаемый воксел (Fabricatable Voxel); |
FEA | - анализ методом конечных элементов (Finite Element Analysis); |
FDM | - моделирование методом наплавления (наименование процесса экструзии материала, используемое Stratasys Ltd) (Fused Deposition Modelling); |
LOM | - производство слоистых объектов (процесс листовой ламинации изначально разработанный Helisys Inc.) (Laminated Object Manufacturing, LOM); |
PBF | - синтез на подложке (Powder Bed Fusion) (см. [1]); |
SLM | - селективное лазерное плавление (наименование процесса синтеза металлического порошка на подложке, изначально разработанного в сотрудничестве Realizer Gmbh и Франкфуртского института лазерных технологий) (Selective Laser Melting). |
Примечание - Данное наименование в настоящее время является зарегистрированной торговой маркой SLM Solutions Group AG, а также используется по лицензионному соглашению несколькими другими организациями;
SLS | - селективное лазерное спекание (наименование для процесса синтеза на подложке, изначально разработанное DTM Corp, в настоящее время в результате приобретения компании наименование принадлежит 3D Systems) (Selective Laser Sintering, SLS). |
Примечание - Так как данный процесс был первым из представленных в дальнейшем на рынке, наименование процесса иногда употребляют как синоним для всех процессов синтеза на подложке;
STL | - цифровой формат файлов для описания трехмерной твердотельной модели. |
Примечание - Формат файлов изначально разработан для процесса стереолитографии, но так как преобразование в данный формат нашло широкое применение в некоторых программах САПР, этот формат файлов в настоящее время является де-факто стандартным форматом для АП (см. [1]);
UAM | - ультразвуковое АП [наименование процесса листовой ламинации металла, используемое Fabrisonic LLC. Процесс основан на соединении тонких листов (или ленты) металла при помощи ультразвуковой вибрации] (Ultrasonic Additive Manufacturing); |
VDM | - нечеткое дискретное моделирование (Vague Discrete Modelling); |
VPRP | - быстрое прототипирование с переменными свойствами (наименование ФГАП, используемое в некоторых публикациях) (Variable Property Rapid Prototyping); |
3MF | - цифровой формат файлов для описания трехмерной твердой модели в аддитивном производстве, разработанный консорциумом 3MF (3D Manufacturing Format) (см. [2]). |
3 Концепция функционально-градиентного аддитивного производства
3.1 Общие положения
АП представляет собой технологию послойного изготовления изделий на основе трехмерной геометрической модели. В отличие от субтрактивного или традиционного производства АП дает возможность непосредственного изготовления мелкоструктурных компонентов за счет точного нанесения в заданные точки малых объемов материала и формирования единого изделия. АП также открывает возможности для ФГАП и изготовления деталей из ФГМ. Аддитивные технологии изготовления ФГМ могут быть основаны на таких процессах, как экструзия материала, прямой подвод энергии и материала, синтез на подложке, листовая ламинация и технология PolyJet.
ФГАП - это технология послойного изготовления изделий, которая позволяет постепенно варьировать пространственную организацию материалов в рамках одного компонента.
Целью использования ФГАП является изготовление изделий произвольной формы, основанной на требованиях к эксплуатационным характеристикам за счет свойств градиентных материалов. В отличие от АП с одним или несколькими материалами, при котором функциональные характеристики детали основаны только на ее геометрической форме, ФГАП - это процесс изготовления, учитывающий возможное изменение свойств материала в зависимости от участка детали. ФГАП представляет собой радикальный переход от контурного моделирования к моделированию эксплуатационных характеристик. Поскольку функциональность изделия основана непосредственно на материале, процессы ФГАП обладают фундаментальным преимуществом, значительно улучшая технологии АП. В качестве примера можно привести возможность широкой настройки внутренних элементов со встроенным функционалом, которые невозможно было бы изготовить при помощи обычного производства [3]. Количество, объем, форму и расположение армирующих элементов в матрице материала можно точно контролировать для достижения необходимых механических свойств для конкретной задачи (см. [4]).
Попробуйте «Техэксперт: Лаборатория. Инспекция. Сертификация» бесплатно