ОБЗОР МЕТОДОВ АДДИТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ. Аддитивные технологии журнал

ОБЗОР МЕТОДОВ АДДИТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ | Опубликовать статью РИНЦ

Баксанова Ю.А.1, Максимов П.В.2

1Магистрант, 2Кандидат технических наук, доцент, Пермский национальный исследовательский политехнический университет

ОБЗОР МЕТОДОВ АДДИТИВНОГО ФОРМИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ

Аннотация

В работе представлен обзор наиболее популярных аддитивных технологий, выполненный на основе публикаций, представленных в научно-технических журналах и открытых источниках в последние пять лет. Описаны методы, основанные на порошковых технологиях, экструдировании рабочего материала, методы фотополимеризации. Представлены достоинства и недостатки каждого метода аддитивного формирования изделий, приведены ссылки на работы других авторов. Представлена информация о российских научных центрах и университетах, имеющих значимые наработки в области аддитивных технологий.

Ключевые слова: аддитивные технологии, аддитивное производство, порошковые технологии, экструдирование, фотополимеризация.

Baksanova Yu.A.1, Maksimov P.V.2

1Undergraduate, 2PhD in Engineering, associate professor, Perm National Research Polytechnic University

THE OVERVIEW OF THE ADDITIVE MANUFACTURING METHODS

Abstract

The paper provides an overview of the most popular additive technology, made on the basis of publications represented in scientific and technical journals and public sources over the last five years. The methods based on powder technology, extrusion working material, photopolymerization techniques are described. The advantages and disadvantages of each method of forming an additive manufacturing are presented; links to the work of other authors are shown. The information about the Russian scientific centers and universities with significant experience in the field of additive technologies are presented.

Keywords: аdditive technologies, additive manufacturing, powder technology, extrusion, photopolymerization.

Аддитивные технологии (AF) на сегодняшний день являются современным и перспективным способом производства изделий сложной конфигурации. Если при традиционных методах при производстве изделий c заготовки удаляется лишний материал, либо используются литьевые процессы и пр., то при аддитивных технологиях происходит послойное формирование изделия различными с использованием различных технологических методов и устройств. При формировании изделия использует идеология сквозного проектирования, при этом основой является созданная ранее в специализированных конструкторских системах твердотельная или поверхностная STL-модель изделия.

В результате процесса формируется изделие без существенных отходов производства. Экономия материала, а значит и средств, не единственное достоинство данной технологии. Другими преимуществами являются возможность изготовления сложных объектов произвольной конфигурации, а также сокращение времени, затрачиваемого на подготовку производства изделий в авиационной, космической и других отраслях промышленности [1].

Целью данной работы является проведение классификации популярных способов аддитивного производства изделий на основе публикаций, представленных в научно-технических журналах и открытых источниках, а также проведение анализа научно-технической информации в сфере использования аддитивных технологий в России за период с 2011 по 2016 годы.

Классификация аддитивных технологий на основе публикаций в журналах и открытых источниках

С точки зрения способа послойного формирования изделия можно выделить три направления развития аддитивных технологий:

• порошковые технологии;
• экструдирование;
• фотополимеризация;

1. Порошковые технологии

1.1 Селективное лазерное спекание (SLS-технологии).

В принтерах, работающих по такой технологии, сначала формируется слой материала, после чего происходит выборочное спекание порошка лазером, связывая частички порошка в соответствии с текущим сечением исходной модели [2,3]. В качестве исходного материала SLS-технологии используются полимерные и керамические порошки и термопластики.

Так как плавление материала происходит выборочно по заданной траектории, то достоинством этой технологии является возможность одновременного производства нескольких деталей, что приводит к повышенной производительности всего аддитивного процесса.

1.2 Прямое лазерное спекание металлов.

Эта технология является частным случаем селективного лазерного спекания с применением металлопорошков. Из таких порошков возможно создавать детали сложной формы, которые трудно получить литьем [4], а также «вырастить» их на заранее подготовленном изделии [5].

На сегодняшний день производится широкий спектр металлических порошков на основе никеля, стали, титана, алюминия, бронзы и драгоценных металлов. Важными для современной промышленности являются никель и сплавы на его основе. Их важность и значимость объясняется тем, что детали, полученные на их основе, способны выдерживать большие нагрузки, в том числе и температурные. Порошки, полученные с применением специальных устройств – атомайзеров применяются в AF-технологиях.

Неруш С.В. (2015) посвятил целую статью исследованию металлического порошка жаропрочного сплава марки ЭП648-ВИ применительно к технологии лазерного спекания [6]. Показано, что детали, полученные по данной технологии, на 99,99 % состоят из металла [14] и, соответственно, имеют высокие механические свойства.

1.3 Селективное лазерное плавление (SLM-технология).

Данная технология является аналогом лазерного спекания металлов. Принцип работы: происходит избирательное плавление порошка в зоне пятна лазерного луча. Материал полностью плавится и образует контакт с предыдущим слоем.

Исследования показали, что прочность деталей, полученных методом SLM, главным образом зависит от способа обработки порошкового материала при помощи лазерного луча [7].

Выделяют 4 способа формирования нового слоя. В первом случае треки с материалом располагаются на расстоянии близком друг к другу, равному диаметру лазерного луча. Во втором – расстояние между треками меньше и это приводит к пористости образцов и, как следствие, к невысоким механическим свойствам деталей. При третьей стратегии обрабатывание лазерным лучом происходит в два приема – сначала обрабатывается слой материала с шагом переплавленного трека, а затем луч проходит между уже переплавленными треками, сплавляя два соседних трека. Особенностью четвертой стратегии является то, что сканирование слоя происходит перпендикулярно направлению предыдущего слоя. В этом случае маловероятно возникновение волновой структуры изделия.

От выбора способа воздействия на исходный материал зависят механические свойства материалов, пористость образцов и время изготовления детали.

В описываемой технологии, как и в методе SLS, возможно создание нескольких деталей одновременно, при этом, производство является почти безотходным.

В работе [8] было проведено сравнение механических свойств литьевых изделий и материалов на основе титана, алюминия и стали, полученных SLM-методом. Опыты показали, что пределы прочности материалов, созданных по SLM-технологии больше, чем пределы прочности литьевых изделий (в среднем на 40 МПа). Объясняется это мелкой зернистой структурой, которая формируется в результате быстрого охлаждения расплава.

В работе [9] автор выделил две основные проблемы селективного лазерного наплавления. Это низкая производительность и высокая вероятность образования трещин. Во избежание образования трещин применялась двухзонная стратегия, основанная на дополнительном проходе лазерного луча.

1.4 Электронно-лучевая плавка.

По данной технологии изделие создается путем избирательного плавления порошка в зоне действия электронного луча. Этот метод схож с SLM-методом, только вместо лазерного луча используется электронный. За счет этого получается более высокая производительность и уменьшается трещинообразование из-за уменьшения градиента температур.

1.5 Избирательное тепловое спекание.

Источником тепла данной технологии являются ультрафиолетовые лампы. Специальная лампа закрывается маской и появляется возможность выборочного воздействия на исходный материал. Для данного метода используются термопластичные порошки.

На пластине из кварцевого стекла печатается предварительное изображение. Незатронутые зоны печати пропускают тепло и запекают порошок, а остальные – отражают тепловой поток.

Главное преимущество метода – это экономия материала, так как неиспользованный порошок можно использовать повторно.

2. Экструдирование

2.1 Метод послойной наплавки (FDM-технология).

Полимерная нить из нагретой головки в расплавленном состоянии подается на плоскость, где осаждаясь и застывая формирует очередной слой [10]. В качестве материалов используются термопластики, легкоплавкие металлы и сплавы, поставляемые в виде катушек [11].

Для FDM-метода характерны несколько определяющих факторов, а именно: траектория наложения нити трека, толщина нити, способ подачи нити и нагрева, скорость подачи нити и скорость протекания процесса в целом. Изменения факторов приводят к различным формам рельефа детали. А это не всегда положительно сказывается на качестве получаемой конструкции [12].

Несомненными преимуществами данного метода являются использование тех же термопластиков, что и для традиционного литья под давлением, и возможность печати материалом, нагретым до полужидкого состояния.

3. Фотополимеризация

3.1 Стереолитография (SLA-технология).

Принтеры, работающие по данному принципу имеют платформу, которую погружают в бак с жидким фотополимером. Лазер проходит по поверхности, в результате чего слой фотополимера затвердевает. Затем платформа опускается на глубину одного слоя и процесс повторяется до тех пор, пока объект полностью не построится.

Материал, использующийся в SLA-технологиях – фотополимерная смола.

3.2 Технология PolyJet.

Нанесение материала происходит с помощью струйных головок. Жидкий фотополимер отвердевает под действием светового излучения. После окончания нанесения всего слоя зону печати подвергают мощному ультрафиолетовому излучению для полного отвердевания материала, после чего наносится следующий слой.

Для примера, с помощью современных 3D принтеров Object 350, в данной технологии могут применяться до 7 различных фотополимеров, которые отличаются физическими свойствами [13].

Анализ научно-технической информации в области применения аддитивных технологий в России за последние пять лет.

Лидером применения аддитивных технологий в России является ФГУП «Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов» (ВИАМ), имеющий значительные наработки как в области подготовки и производства материалов для AF, так и в части изготовления новых уникальных изделий, созданных по при помощи аддитивных технологий.

Значительных результатов добились в МГТУ им. Баумана, Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королёва и Центре Аддитивных Технологий ФГУП «НАМИ».

В последнее время в МГТУ им. Баумана, активно занимаются исследованиями, нацеленным на повышение технологической прочности изделий, изготовленных из материалов на основе никеля. В работе [3] представлен анализ проблемы и приведены некоторые способы повышения технологической прочности.

В Научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте активно развивают несколько направлений применения AF-технологий. Первым направлением является способ формирования изделий методом стереолитографии. Второе направление – послойное спекание порошков (SLS-технология). С использованием аддитивных методов инженеры института создают компоненты двигателей внутреннего сгорания для гибридных легковых и грузовых автомобилей.

Заключение

Аддитивное производство в настоящее время многообразно и обладает большим количеством преимуществ, в том числе, применение AF-технологий приводит к экономия средств, экономия времени и пр. Аддитивные технологии способны в разы упростить производственный процесс создания деталей. Перспективы таковы, что в ближайшем будущем вместо производственного цеха с огромными установками и работниками можно будет ограничиться одним отделом с несколькими 3D-принтерами и двумя-тремя инженерами. Поэтому неудивительно, что темпы развития аддитивных технологий в России, как и во всем мире, стремительно увеличиваются с каждым годом. Но это приводит и к ряду проблем. Например, в России самыми распространенными проблемами являются: нехватка квалифицированных кадров, недостаток отечественных материалов, а также слабая проработка методических основ производства новых изделий, создаваемых при помощи аддитивных технологий.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор №02.G25.31.0168 от 01.12.2015 г. в составе мероприятия по реализации постановления Правительства РФ № 218).

Литература

1. Шеховцов А.А., Карпова Н.П. Аддитивные технологии как способ реализации концепции бережливого производства // Научно-методический электронный журнал концепт. – 2015. – том 13. – с. 141-145.
2. Шестакова Е.А., Шайхутдинова Е.Ф., Янбаев Р.М., Янбаев Ф.М. Технологии селективного спекания для авиастроения // Ползуновский альманах. – 2014. – №1. – с. 21-24.
3. Кулиш А.М. Использование аддитивных технологий для получения деталей машиностроения // Молодежный научно-технический вестник. 2015. – №5. – с.1.
4. Казмирчук К., Довбыш В. Аддитивные технологии в российской промышленности [Электронный ресурс] – 2012. – Режим доступа: http://konstruktor.net/podrobnee-det/additivnye-texnologii-v-rossijskoj-promyshlennosti.html.
5. Кузнецов П.А., Васильева О.В., Теленков А.И., Савин В.И., Бобырь В.В. Аддитивные технологии на базе металлических порошковых материалов для российской промышленности // Новости материаловедения. Наука и техника. – 2015. – №2. – с.4-10.
6. Неруш С.В., Евгенов А.Г. Исследование мелкодисперсного металлического порошка жаропрочного сплава марки ЭП648-ВИ применительно к лазерной LMD-наплавке, а также оценка качества наплавки порошкового материала на никелевой основе на рабочие лопатки ТВД // Труды ВИАМ. – 2015. – №3. – с.1.
7. Волосова М. А., Окунькова А.А. Пути оптимизации процесса селективного лазерного плавления при помощи выбора стратегии обработки лазерным лучом // Известия самарского научного центра российской академии наук. – 2012. – №14. – с.587-591.
8. Дмитренко А.А. Аддитивные технологии как новый этап развития производства деталей машин. Статья из сборника трудов конференции “Современные материалы, техника и технология”. – 2014. – с.164-167.
9. Смуров И.Ю., Конов С.Г., Котобан Д.В. О внедрении аддитивных технологий и производства в отечественную промышленность // Новости материаловедения. Наука и техника. – 2015. – №2. – с.11-22.
10. Баева Л.С., Маринин А.А. Современные технологии аддитивного изготовления объектов // Вестник МГТУ. – 2014. – №1. – с.7-12.
11. Чумаков Д.М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники // Электронный журнал «Труды МАИ». – 2014. – №76. – с.1-22.
12. Любимов В.В, Пермяков Д.Г. Технология изготовления технологической оснастки с применением прототипированных оправок // Известия тульского государственного университета. Технические науки. – 2013. – №7-2. – –с.272-285.
13. Агаповичев А.В, Балякин А.В, Смелов В.Г. Разработка методики литья сложных деталей аэрокосмического профиля с использованием аддитивных технологий // Вестник самарского государственного аэро-космического университета им. Академика С.П. Королёва. – 2014. – №5-2 (47). – с.166-172.

References

1. Shehovcov A.A., Karpova N.P. Additivnye tehnologii kak sposob realizacii koncepcii berezhlivogo proizvodstva // Nauchno-metodicheskij jelektronnyj zhurnal koncept. – 2015. – tom 13. – p. 141-145. [in Russian]
2. Shestakova E.A., Shajhutdinova E.F., Janbaev R.M., Janbaev F.M. Tehnologii selektivnogo spekanija dlja aviastroenija // Polzunovskij al’manah. – 2014. – #1. – p. 21-24. [in Russian]
3. Kulish A.M. Ispol’zovanie additivnyh tehnologij dlja poluchenija detalej mashinostroenija // Molodezhnyj nauchno-tehnicheskij vestnik. 2015. – # – p.1. [in Russian]
4. Kazmirchuk K., Dovbysh V. Additivnye tehnologii v rossijskoj promyshlennosti [Jelektronnyj resurs] – 2012. – Rezhim dostupa: http://konstruktor.net/podrobnee-det/additivnye-texnologii-v-rossijskoj-promyshlennosti.html. [in Russian]
5. Kuznecov P.A., Vasil’eva O.V., Telenkov A.I., Savin V.I., Bobyr’ V.V. Additivnye tehnologii na baze metallicheskih poroshkovyh materialov dlja rossijskoj promyshlennosti // Novosti materialovedenija. Nauka i tehnika. – 2015. – # – p.4-10. [in Russian]
6. Nerush S.V., Evgenov A.G. Issledovanie melkodispersnogo metallicheskogo poroshka zharoprochnogo splava marki JeP648-VI primenitel’no k lazernoj LMD-naplavke, a takzhe ocenka kachestva naplavki poroshkovogo materiala na nikelevoj osnove na rabochie lopatki TVD // Trudy VIAM. – 2015. – #3. – p.1. [in Russian]
7. Volosova M. A., Okun’kova A.A. Puti optimizacii processa selektivnogo lazernogo plavlenija pri pomoshhi vybora strategii obrabotki lazernym luchom // Izvestija samarskogo nauchnogo centra rossijskoj akademii nauk. – 2012. – #14. – p.587-591. [in Russian]
8. Dmitrenko A.A. Additivnye tehnologii kak novyj jetap razvitija proizvodstva detalej mashin. Stat’ja iz sbornika trudov konferencii “Sovremennye materialy, tehnika i tehnologija”. – 2014. – p.164-167. [in Russian]
9. Smurov I.Ju., Konov S.G., Kotoban D.V. O vnedrenii additivnyh tehnologij i proizvodstva v otechestvennuju promyshlennost’ // Novosti materialovedenija. Nauka i tehnika. – 2015. – # – p.11-22. [in Russian]
10. Baeva L.S., Marinin A.A. Sovremennye tehnologii additivnogo izgotovlenija ob#ektov // Vestnik MGTU. – 2014. – #1. – p.7-12. [in Russian]
11. Chumakov D.M. Perspektivy ispol’zovanija additivnyh tehnologij pri sozdanii aviacionnoj i raketno-kosmicheskoj tehniki // Jelektronnyj zhurnal «Trudy MAI». – 2014. – #76. – p.1-22. [in Russian]
12. Ljubimov V.V, Permjakov D.G. Tehnologija izgotovlenija tehnologicheskoj osnastki s primeneniem prototipirovannyh opravok // Izvestija tul’skogo gosudarstvennogo universiteta. Tehnicheskie nauki. – 2013. – #7-2. –p.272-285. [in Russian]
13. Agapovichev A.V, Baljakin A.V, Smelov V.G. Razrabotka metodiki lit’ja slozhnyh detalej ajerokosmicheskogo profilja s ispol’zovaniem additivnyh tehnologij // Vestnik samarskogo gosudarstvennogo ajero-kosmicheskogo universiteta im. Akademika S.P. Koroljova. – 2014. – #5-2 (47). – p.166-172. [in Russian]

research-journal.org

Лазерные аддитивные технологии: перспективы применения

Аддитивные технологии появились еще в 80‑е годы XX века, однако только в последние несколько лет это направление начало разворачиваться в полную мощность. Тема аддитивных технологий стала центральной для крупных исследовательских институтов, конференций, прикладных изданий во всем мире.Для России это технологическое направление также актуально. Развивается рынок оборудования и технологий 3D-печати пластиком. На выставке «Металообработка‑2016» показан первый серийный российский станок для послойного спекания металлопорошков производства группы компаний «Лазеры и Аппаратура» (рис. 1). Институтами ИЛИСТ, ЦНИТМАШ, УрФУ, МГТУ им. Н. Э. Баумана созданы опытные установки аддитивного лазерного выращивания из металлических порошков. Создается опытное оборудование для аддитивного выращивания электронно-лучевым методом. Работы осуществляются в направлении разработки отечественных материалов, технологий производства детелей для различных актуальных приложений, сертификации изделий и т.д. Проводятся многочисленные конференции как научные с целью обмена достижениями, так и для широкого круга специалистов для популяризации технологий и демонстрации их новых возможностей. Безусловно, в данной ситуации мировой опыт чрезвычайно интересен. Одной из ведущих конференций в области лазерной техники в мире является Международный конгресс лазерных технологий в Аахене (Германия), который проходит раз в 2 года и собирает всех основных и значимых исследователей и представителей производителей. Его организатором является Институт лазерных технологий Фраунгофера (ILT) [Fraunhofer Institute for Laser Technology]. В 2016 году одной из основных тем конференции стали аддитивные технологии: текущее состояние, основные тенденции и перспективы.Настоящей статьей мы начинаем обзор ЛАЗЕРНЫХ аддитивных технологий и оборудования, а также актуальных проблем и задач, связанных с их применением.

Рис. 1. Станок  для  послойного спекания  МL6-1 фирмы «Лазеры и Аппаратура» 

Ключевые особенности и отличия основных методов

Лазерные аддитивные технологии можно разделить на две группы. Различные производители могут использовать некоторые другие термины, что связано в первую очередь не с разницей в технологическом процессе, а с вопросами патентования названий.1) SLM — Selective Laser Melting — селективное лазерное сплавление (синтез или спекание) с использованием ванны расплава (рис. 2, 3). Речь идет о наличии некой поверхности, на которой сначала формируют слой, а затем в этом слое выборочно отверждают (фиксируют) материал. К этой категории относятся такие обозначения технологии, как SLS и SLA, DMLS, Laser Cusing, SPLA и другие.

Рис. 2. Схема построения детали по SLM-технологии

Рис. 3. Рабочая камера станка ML6-1 фирмы «Лазеры и аппаратура»

2) LMD — Laser Metal Deposition — прямое лазерное осаждение или прямое лазерное выращивание с использованием прямой подачи порошка или проволоки непосредственно в место построения (рис. 4, 5). К этой категории относятся технологии: DMD — Direct Metal Deposition, LENS — Laser Engineered Net Shape, DM — Direct Manufacturing, MJS — Multiphase Jet Solidification.

Рис. 4. Схема построения детали по LMD-технологии

Рис. 5. Лазерная коаксильная LMD наплавка сферическими порошками

На настоящий момент мировые лидеры в области аддитивных технологий отмечают в качестве основных преимуществ метода SLM высокую точность и качество построения. С помощью этой технологии возможно создавать практически сколь угодно сложные изделия с полостями внутри, нависающими частями. Однако скорости построения и размер выращиваемых деталей в таких системах ограничены.Прямое осаждение, в свою очередь, позволяет вести построение с большими скоростями и в большем объеме, исследованно значительное число материалов, однако точность здесь ниже и сложность выращиваемых деталей ограничена (рис. 6, таблица 1).Показателен опыт изготовления одной и той же детали с применением SLM и LMD технологий. В этих целях была изготовлена опорная деталь самолета Airbus A 320, предназначенная для крепления двигателя под крыло из сплава Инконель 718. Полученая деталь должна быть устойчива к высоким темепературным, химическим и механическим воздуействиям. На текущий момент изготавливается при помощи литья и фрезеровки.Кроме определенной разницы в структуре полученного материала (рис. 6) и прочности на разрыв и сжатие, обращают на себя внимание следующие различия:LMD. Время построения составило 14 часов, скорость построения составила 146,7 мм3/сек. В ходе построения требовалась корректировка параметров, отсутствовали некоторые отверстия (требовалась дополнительная обработка).SLM. Время построения составило 40 часов, скорость — 15 мм3/сек. При этом уровень и качество детализации были очень высокими.

а)                                                                                 b)

Рис. 6. LMD (а) и SLM – структуры (b)

Таблица 1   LMD SLM

Материалы	Большой выбор порошков	Ограниченное количество порошков
Размеры детали	Ограничен ходом осей	Ограничен размером камеры
Сложность	Ограничена	Не ограничена
Точность	>=0,3 мм	>=0,1 мм
Скорость построения	10–40 см3/час	2–10 см3/час
Субстрат	Поверхности сложной формыУже существующая деталь	Плоская поверхностьСпециальная платформа
Rz	60–100 мкм	30–50 мкм
Толщина слоя	0,1–1 мм	0,03–0,1 мм

 

Области эффективного использования 

Вопросов стоит много: от сложности внедрения и сертификации деталей, производимых новым методом до ограниченного числа экспертов‑технологов. Однако по большому счету эти вопросы — сопутствующие и решение их — дело времени. При этом ключевой является перспективность технологии как таковой, целесообразность и эффективность внедрения аддитивных технологий в производство.В целом производство деталей с помощью лазерных аддитивных технологий конкурентоспособно по стоимости в первую очередь в тех случаях, когда речь идет о производстве небольшого количества деталей, имеющих сложную геометрию (рис. 7). Именно этим объясняется значительный спрос на установки послойного лазерного синтеза металлических изделий в авиационной промышленности, космической индустрии, стоматологии и производстве имплантов.

Рис. 7. Графики эффективности применения аддитивных технологий

В последние годы большое внимание в самолетостроении и автомобильной промышленности уделяется технологиям, позволяющим создавать облегченные конструкции. Их применение обеспечивает дополнительную экономию горючего. При создании Airbus A380 в начале 2000-ых активно внедрялась технология лазерной сварки некоторых деталей фюзеляжа взамен традиционной клепки. Тогда это позволило уменьшить вес на 15 %. В самолетостроении уменьшение веса на 1 кг позволяет сэкономить до 100 литров топлива в год, а в автомобилестроении уменьшение веса на 10 % дает экономию на топливе на 4 %. Внедрение таких облегченных конструкций, как правило, требует их изготовления с помощью аддитивных лазерных технологий(рис. 8, 9, 10).

Рис. 8. Снижение веса конструкций с применением аддитивных технологий

Рис. 9. График снижения стоимости изделий за счет снижения веса

Рис. 10. Кронштейн крепления элементов авиационного кресла, изготовленный с помощью технологии SLM

В следующих номерах журнала «Аддитивные Технологии» мы продолжим обзор материалами об оборудовании и особенностях SLM-технологии.

 

Е.В. Раевский, А.Л. ЦыганцоваГруппа компаний «Лазеры и аппаратура»

Использованы материалы International Laser Technology Congress 2016 (AKL’16):1. SLM and LMD Manufacturing Processes, Dr. Wilhelm Meiners, Fraunhofer ILT, Aachen.2. Lightweight in Automotive and Aerospace, Dr. E. h. Peter Leibinger, TRUMPF GmbH + Co. KG, Ditzingen.3. Digital Photonic Production in Aachen, Prof.Dr.Reinhart Poprawe, Fraunhofer Institut fuer Lasertechnik ILT, Aachen. RWTH Aachen University Lehrstuhl fuer Lasertechnik LLT.4.Comparison LMD and SLM in Additive Manufacturing, Dipl.-Ing. Moritz Alkhayat, Fraunhofer ILT, Aachen. 

additiv-tech.ru

Проблемы проектирования для аддитивных технологий

Появление аддитивных технологий изменяет как индустрию производства заготовок и деталей для машин и механизмов, так и всю связанную с этим экосистему. С развитием новых технологий появляются новички рынка, предлагающие различные процессы изготовления, инновационные производственные станки, методики, навыки и новые возможности для конструирования. Это приводит к повышению конкуренции в этом сегменте. 

Ограничение девиза «свобода конструирования»

Конструктор более не связан ограничениями, накладываемыми машинной обработкой или изготовлением литейных форм. Аддитивное производство позволяет изготавливать сложные изделия, которые до настоящего времени было невозможно получить традиционными методами. Условия конструирования меняются. Становится возможным преодолеть некоторые ограничения и усовершенствовать функциональность изделия или объединить новые функции в одном продукте.Однако появляются новые проблемы и задачи. Даже если технологические вопросы были решены, условия конструирования остаются сложными. Вдобавок к новым производственным возможностям конструктор всегда должен принимать в расчет техническую и функциональную спецификацию продукта. Они включают в себя аспекты, связанные с ремонтопригодностью, сборкой, также как и потенциально новые феномены (на данный момент это динамические характеристики системы, остаточные напряжения, аэродинамическое и термическое поведение). Также возможно изменение анализа отказов. Кроме того, условия производства влияют на механические свойства материала, и это требует дальнейшего изучения.Граница между возможностью производства традиционным путем и по аддитивной технологии определяется осмыслением новых параметров, связанных с изготовлением и ценой. 

Индустриализация новых способов производства

Происходит быстрая индустриализация новых аддитивных способов производства и связанных с ними методик (например, для технологии SLS в аэронавтике уже достигнут высокий уровень готовности технологии — Technology Readiness Level). Для того чтобы лучше понять и проконтролировать наиболее важные параметры: толщину слоя, скорость построения объекта, термические эффекты, качество используемых порошков, изменение механических свойств материала и т. д., проводятся многочисленные исследования.Лабораторные испытания проходят на существующих деталях, часто при этом в фокусе находится оптимизация массы. Тем не менее финальной целью является эксплуатационная сертификация продукта в течение всего его жизненного цикла. До сих пор мало ресурсов направлено на осуществление перехода на более высокий уровень, означающий инженерию, полностью посвященную аддитивному производству.Основываясь на своем опыте разработки компонентов и анализа отклонений в авиационной сфере (более 15 лет), инженерный центр Smartec использует свои профессиональные качества для развития методик конструирования под аддитивные технологии и рассчитывает занять свое место в данной экосистеме.Smartec — специализированное конструкторское бюро, основанное в 2001 году холдингом Safran, владеющим контрольным пакетом акций в 70% уставного капитала, и российской двигателестроительной компанией «ОДК-Сатурн», владеющей 30% акций. Smartec специализируется на разработке различных типов двигательных и газогенераторных установок, включая гражданские авиационные двигатели и силовые установки. Деятельность конструкторского бюро, в котором работает 150 ведущих инженеров России, охватывает весь жизненный цикл этих систем, от проектирования и моделирования до доводочных испытаний и эксплуатационной поддержки. 

Проект EFAM 2020

Исследовательский проект EFAM 2020 (Engineering For Additive Manufacturing 2020 — инженерия для аддитивного производства) был запущен в 2016 году в сотрудничестве с российскими и французскими партнерами, университетами и центрами аддитивного производства. Целью этого проекта (разделенного на 3 фазы) является развитие способов и навыков конструирования как для аддитивного производства, так и для аддитивного ремонта к 2020 году.Целями и задачами проекта являются постепенное усовершенствование навыков этого конструкторского бюро и, в более широком смысле, подготовка будущего поколения конструкторов и разрушение барьеров между конструированием, моделированием и производством. 

Цепочка оптимизация — прототипирование

Первая фаза проекта (2016–2017 гг.) состояла в выполнении первичной цепи оптимизации: начиная с функционального анализа, оптимизации и проверочных расчетов и заканчивая изготовлением прототипов (на установках SLM и LMD). Одной из целей является преодоление обычных затруднений между конструкцией детали, моделированием и расчетами, особенно с помощью изменения образа мыслей при разработке концепции. Для оптимизации был выбран кронштейн (рис. 1) обвязки авиационного двигателя (рис. 2). Он интересен тем, что существует множество похожих оптимизируемых деталей (и даже стандартизуемых). Также этот кронштейн небольшой по объему, что делает его подходящим выбором для подтверждения концепции.

Рис. 1. Исходная геометрия кронштейна

Рис. 2. Обвязка двигателя SaM146 

Стратегия и ограничения оптимизации

Для проведения оптимизации была определена стратегия, были заданы цели, которые требовалось достичь, особенно касающиеся снижения массы. Многочисленные ограничения были наложены на оптимизируемую деталь, такие как: критерии сборки, механическая целостность с учетом установленного уровня надежности, допустимый объем и пр. Параметры, связанные с оптимизацией, также были определены, в том числе: жесткость, критическая масса и расчетные случаи (данные по температуре, собственной частоте, много- и малоцикловой усталости или отрыве лопатки).

Соблюдая все технические и функциональные спецификации, для кронштейна, показанного на рис. 3, масса была снижена на 35 % при сохранении достаточного запаса прочности и необходимой жесткости. Другие кронштейны были сконструированы с выигрышем до 75 % исходной массы (рис. 4).

Исходная деталь

Оптимизированная деталь —   версия 1

Оптимизированная деталь —   версия 2 

Рис. 3. Исходный кронштейн и варианты его оптимизации

Рис. 4. Исходный и оптимизированный кронштейн

Эта оптимизация принимает во внимание характеристики порошка, свойства получаемого аддитивного материала при следующих характеристиках процесса: толщина слоя 30 мкм, температура платформы 200°C, температура в камере 50°C, скорость построения 35 см3/час. На рис. 5. приведены примеры изготовленных кронштейнов по технологии SLM и LMD.

Рис. 5. Оптимизированный и изготовленный кронштейн с использованием технологий SLM и LMD 

Цифровая среда

На данный момент можно отметить тенденцию к сведению всех этапов разработки и производства в единую цифровую среду, которая может обеспечить сквозной контроль над всем процессом создания изделия: от разработки до проверочных расчетов, от соответствия требованиям до изготовления. Тем не менее использование широко распространенных программных пакетов позволяет обеспечить определенную гибкость, чтобы учесть специфические особенности деталей и технологический опыт предприятий (в том числе в области цифровых технологий).

 

Последующие шаги

Следующие шаги проекта EFAM 2020 определяются более широким развитием методик и оптимизационной цепи, а также внедрением многопараметрической системы. Повышение сложности компонентов позволит совершенствовать навыки конструирования и проектирования. Топологическая оптимизация, направленная на снижение массы, является только одним из первых шагов. Будущее разработок свяжет аддитивные технологии в течение всего жизненного цикла. Таким образом, реинжиниринг откроет новые пути к улучшению характеристик продукта, к его доступности (с помощью аддитивного ремонта) и даже к снижению критичности типов отказа либо продлению жизненного цикла. ■

Smartec, www.safran.ru 

additiv-tech.ru

как аддитивные технологии меняют окружающий мир

Когда новые технологии становятся известны широкому кругу людей, то, как правило, сфера услуг либо промышленное производство уже активно их применяют. Так происходит и с объемной печатью, которой специалисты предрекают стремительный рост вплоть до 2020 года. Тогда, по примерным оценкам, рынок 3D-печати вырастет до $5.2 млрд. Однако уже сейчас методы аддитивного прототипирования внедряются в ключевые отрасли человеческой деятельности.Наибольшее влияние развивающейся технологии заметно в медицине. На данный момент ученый состав Дрексельского университета занимается изучением раковых опухолей путем объединения злокачественных клеток и биоматериала, созданного с помощью установки объемной печати. Также проводятся успешные операции по замене поврежденных частей суставов разработанными на 3D-принтере составляющими. А для более быстрого восстановления (на 40–80 %) собственных костей был создан специальный гипс, действие которого основано на исцеляющих свойствах ультразвуковых вибраций. Не так давно Центр объемной печати 3dVision также внес свою лепту в развитие медицинской отрасли, изготовив корпус совершенно нового эндоскопа. Также за прошедший год было изготовлено более тысячи корпусов для аппарата искусственной вентиляции легких, который используется в реанимобилях. Также на данный момент мы участвуем в разработках корпусов для экзоскелета, аппарата мгновенного тестирования крови пациента на определенные изменения в его состоянии и многих других.Сейчас 3D-печать появляется во всех сферах приборостроения. В мае 2017 года была создана технология аддитивного производства, решающая проблему структурной целостности деталей. Работа нового метода основана на воздействии так называемой электрической плазмы, которая реагирует с воздухом и, просвечивая слой за слоем, придает изготавливаемому объекту прочность. Возможно, именно эта логика станет основополагающей для авиационной отрасли, ведь, согласно прогнозам экспертов, уже через три года более 100 000 частей самолета будут составлять продукты 3D-печати. И такая перспектива кажется весьма реалистичной, поскольку 25 мая 2017 года в открытый космос была запущена ракета, двигатель которой фактически полностью состоит из материалов, созданных с помощью объемной печати.

Поскольку аддитивное производство является более эффективным в плане расхода материалов, нежели субстратные процессы, 3D-печать можно назвать экологически чистым методом производства. Вместо того чтобы попросту отрезать 2/3 лишнего материала с его последующей переплавкой, 3D-принтер использует ровно столько металла или пластика, сколько требуется для изделия. Таким образом, необходимость траты ресурсов на переработку неизрасходованного материала отпадает. Кстати, о пластике. Компания 3D Systems разработала и запустила в серийное производство принтер Ekocycle Cube, который для работы использует переработанную в нити пластмассу. Исследования показали, что традиционный способ переработки полимеров требует больше энергии по сравнению с созданием из вторичного сырья специальных катушек для объемной печати.Мы привели лишь некоторые примеры того, как 3D-печать влияет на производственные процессы в некоторых важных областях человеческой деятельности. А ведь есть еще текстильная сфера, сфера питания, строительство, военная отрасль, в конце концов. Каждую неделю в мире появляется что-то новое, созданное с помощью объемной печати. То, что раньше казалось невероятным, сегодня становится реальностью. Ну а темпы, с которыми развивается аддитивное производство, доказывают, что пределы возможностей 3D-печати — лишь в нашей голове.Компания 3dVision прекрасно понимает, насколько динамично развивается отрасль аддитивного производства, и поэтому мы, работая изо дня в день, становимся лучше, чтобы запросы абсолютно каждого клиента были удовлетворены на все 100 %. Центр объемной печати работает не только с физическими и юридическими лицами, но и государственными предприятиями. Так, к чемпионату мира по футболу мы получили большой заказ на изготовление видеодетектора транспорта — устройства, которое анализирует трафик в режиме реального времени, оптимизируя таким образом стратегию управления дорожным движением.3dVision — уникальная в своем роде фирма, поскольку мы являемся компанией полного цикла, то есть специалисты могут взять заказ на любом этапе его изготовления. Наша организация способна работать как с точечными прототипами (например, создать макет нового корпуса на тестирование и сертификацию), так и с продукцией, выпускающейся многомиллионными тиражами (прежде всего, речь идет о литье пластиковых корпусов в пресс-формы).Абсолютно все наши клиенты имеют возможность при необходимости получить квалифицированную техническую поддержку на любой стадии выполнения заказа. Для удобства и расширения числа заказчиков компания 3dVision не ограничивается работой в Москве и Санкт-Петербурге, мы с удовольствием сотрудничаем с представителями других регионов нашей страны. Благодаря налаженной сети курьерской доставки фирма способна обеспечить получение изделия уже через считаные дни после заявки на изготовление модели.У нас вы можете заказать:• 3D-печать и быстрое прототипирование, которые на сегодняшний день являются самым востребованным направлением в отрасли;• 3D-моделирование, в ходе которого Центр объемной печати 3dVision поможет вам в создании моделей любого предназначения;• 3D-сканирование, позволяющее изучить строение исследуемого объекта;• макетирование, главным образом ориентированное на изготовление макетов архитектурных строений;• литье в силиконовые формы, которое до процесса изготовления дорогостоящей пресс-формы для литья пластмасс позволяет получить первые пластиковые корпуса для всевозможных опытов.Будучи основанной пять лет тому назад, в 2012 году, как очень маленькая фирма, сегодня компания 3dVision является одним из главных участников российского рынка объемной печати. Каждый день мы печатаем десятки моделей, изготавливаем макеты, рисуем, сканируем и моделируем сложные проекты, приобретая с каждым заказом новый опыт. Центр объемной печати 3dVision с радостью приглашает студентов на производство. Мы также открыты к сотрудничеству и готовы взаимодействовать с коллегами, работающими в отрасли аддитивного производства.Мы любим свою работу и уверены, что с помощью нашего Центра объемной печати аддитивные технологии изменяют и будут изменять мир исключительно в лучшую сторону.

additiv-tech.ru

Статья журнал Фотоника - Аддитивные технологии Часть 2. - Литейное производство

• CategoryDocuments

• View283

• Download0

• Posted on11-Apr-2017

Report

• 10 фотоника № 6 / 54 / 2015 аддитивные технологии ДОРОГИЕ ИГРУШКИ ИЛИ ЧУДО МАШИНОСТРОЕНИЯ? ОбНОвЛЯЕМ ЛИТЕйНыЕ цЕхА М. Макаров, ООО "НеоВейтус", [email protected], Москва 3D-печать в металле постепенно стала воплощать "мечты технолога" в реальность. Послойное создание цельных металлических изделий уже изменило парадигму организации производства в машиностроительном секторе. В первой части этой статьи* был детально рассмотрен современный уровень развития 3D-принтеров по металлу и описаны текущие возможности оборудования. Многие же специалисты редко смотрят дальше спекания металлических порошков и теряют целый пласт применения аддитивных технологий. Множество проблем, исконно присутствующих в литейном производстве, могут быть разрешены с помощью 3D-печати наиболее технологически эффективным и экономически целесообразным образом. Веской причиной этому служит отсутствие проблемы с сертификацией. А ддитивные технологии захватили мысли отечественных машиностроителей еще в  середине первого десятилетия двухты- сячных годов. Появление  же первых серийных 3D-принтеров, позволяющих создавать изделия из  металлических порошков, произвело миро- вой фурор. Постепенно "технологическая эйфо- рия" докатилась и  до  России. Казалось  бы, что 3D-печать металлических изделий навсегда изме- нит подход к  организации производственного процесса на  предприятиях. В  действительности оказалось, что волшебной таблетки, конечно, не существует. До сих пор многие производственники смо- трят на  3D-принтеры "по металлу" как на  чудо западной инженерной мысли. Всех технических специалистов, которые первый раз увидели напе- чатанную деталь из  стали или титана, можно условно разделить на  два лагеря. Лица, принад- лежащие к  первому, сразу  же уходит в  отрица- ние. Они никак не  могут поверить, что детали по прочности не уступают деталям, полученным литьем. Часто можно увидеть человека, который пытается сломать титановый образец на выставке. Конечно  же, все попытки оказываются безуспеш- ными. Вторая категория специалистов сразу  же ухватывает потенциал 3D-печати и  проникается возможностями технологии. Незамедлительно начинается мыслительный процесс. Вот уже в  голове технолога создается идеалистическая картина, при которой реализуются самые слож- ные проекты и  разрешаются закоренелые про- блемы предприятия. * Макаров М. Промышленные 3D-принтеры – дорогие "игруш- ки" или реальный путь модернизации машиностроения в России? – Фотоника, 2015, № 5, с.20. На самом деле, второй лагерь, несмотря на свою открытую позицию к  восприятию инновацион- ных веяний, несет даже больше опасности для рас- пространения аддитивных технологий в  России. Не  разобравшись в  специфических чертах и  огра- ничениях технологии, на  нее возлагают большие надежды, которые потом разбиваются о  суровые реалии. Но  негативное впечатление у  промыш- ленности остается. Оно якорным эффектом закре- пляется в  сознании и  влияет на  все последующее восприятие промышленной 3D-печати. В  даль- нейшем  же предприятия остаются в  проигрыше, так как при правильном использовании 3D-печать металлических изделий создает реальную цен- ность. Именно с  миссионерской целью "спасения" будущего аддитивного производства в России в пер- вой части этой статьи были напрочь разбиты суще- ствующие мифы, которые окружают возможности АМ-машин (Additive Manufacturing). В  результате был выявлен очень ограниченный круг приме- нения данного оборудования. Но  он существует и  в  будущем будет только расширяться. Даже дли- тельный бюрократический процесс сертифика- ции материалов и  метода производства, в  итоге, не  будет помехой. Как только станет очевидным, что Россия уже практически упустила последний вагон уходящего поезда третьей промышленной революции, то сразу же волшебным образом начнут приниматься реальные решения на  встречах рабо- чих групп по внедрению аддитивных технологиях, а  не  просто писаться протоколы, будут найдены средства на  проведение всех необходимых тестов и согласованы все юридические формальности. Оспаривать тот факт, что за 3D-печатью метал- лических изделий будущее авиа- и  ракетостро- ения, сейчас уже никто не  будет. Но  наиболее печальным выглядит то, что в  погоне за  послой-
• 11Photonics № 6 / 54 / 2015 additive technologies ным созданием деталей из металлических порош- ков наши инженеры упускают огромный пласт применения аддитивных технологий. А именно – литейное производство! НЕ ПОЗДНО ЛИ ЛИТЬ СЛЕЗЫ ПО ЛИТЕЙКЕ?! Советское машиностроение строилось согласно всем базовым принципам плановой экономики. Создавались предприятия полного цикла, которые обладали собственными конструкторскими бюро, заготовительными цехами, участками механиче- ской обработки, сборки и  далее по  списку в  зави- симости от  специфики отрасли. Период пере- стройки в начале 1990-х годов нанес жесточайший удар по  промышленности. В  бюджете недавно образованной России была огромная дыра. Пред- приятия, всегда жившие за счет бюджетных дота- ций, не могли перестроиться на рыночные рельсы и  навязать конкуренцию зарубежным производи- телям, которые завалили российский рынок деше- выми импортными товарами превосходящего качества. Промышленные активы массово разво- ровывались, а раздутая за время холодной войны "оборонка" держалась лишь на  людском энтузи- азме. Еще в этот период начался упадок литейного производства как наименее ликвидного. В 2000-х годах в  машиностроительный сектор, наконец, стали поступать деньги. Предприятия перестраивались по  западному аналогу, в  рам- ках которого не было места производству полного цикла. Специализация стала новым трендом. Первым делом все стали сворачивать собствен- ные "литейки". И  был целый ряд причин, объяс- няющих эти решения. Во-первых, оказалось, что многие отливки легче и  главное дешевле полу- чать из-за границы. Это при том, что уровень брака был гораздо ниже. Во-вторых, за время пере- стройки литейные производства лишились наи- более квалифицированных кадров. В-третьих, модернизация литейных цехов требовала боль- ших инвестиций в то время, когда предприятиям хватало средств только на  точечное обновление парка оборудования и  ремонт производственных помещений. Следующим ударом по  литью стало ужесточе- ние экологических норм. Практически во  всех крупных городах были приняты законодательные акты, ограничивающие возможность организа- ции литейных производств как сильно загрязня- ющих окружающую среду. Наиболее же опасный враг как всегда прятался там, где его не  ждали. Им была сама система организации производства. Приведем наглядное сравнение с  японским подходом. Большинство предприятий в  России укомплектованы тяже- лыми станками, предназначенными для сило- вой обработки. Качество исходной заготовки всегда было далекое от  идеала, так как ставка делалась именно на механический обдир детали. Никто не ориентировался на величину припуска. В  Японии  же, наоборот, всегда стремились полу- чать высокоточные заготовки, не  требующие дол- говременной и  трудоемкой обработки. Поэтому большинство японских станков спроектированы именно под эти задачи, что видно при изучении их технических характеристик. В итоге получилось, что все прошедшие годы литейное производство проводило практически в  упадке. Время шло, в  машиностроение вкла- дывались деньги, закупались самые высокотех- нологичные обрабатывающие центры, повыша- лась квалификация персонала и, наконец, стало заметно, что без нового подхода к  организации заготовительного производства будет очень сложно выпускать действительно конкурентную продукцию. Как приступиться к этой задаче? ОПЯТЬ, ЧТО ЛИ, ПЕЧАТАЕМ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ? НЕТ, НЕ В ЭТОТ РАЗ! Будучи честными с  самими собой, стоит при- знать, что массово предприятия задумались над обновлением литейных производств только 7–8 лет назад. Из  Европы стали заказываться совре- менные формовочные линии, начали переходить на альфа-сет (alphaset) процесс и осваивать приме- нение литья по газифицируемым моделям (ЛГМ). Перечислять новшества литейного производства можно довольно долго. Среди них, конечно  же, не  последнее место занимают и  аддитивные тех- нологии. Казалось  бы, 3D-принтерам место уж точно не в литейном цеху. На самом же деле циф- ровое производство оказалось лекарством от  мно- гих болезней, преследовавших главных метал- лургов и  литейщиков долгое время. Так что  же может 3D-печать изменить в, казалось  бы, самых консервативных цехах?! Прежде чем ответить на  этот вопрос, необ- ходимо определить, для каких целей могут применяться аддитивные технологии в  литей- ном производстве. Начнем с  того, что 3D-печать может создавать металлические пресс-формы и  элементы кокилей. В  предыдущей части ста- тьи уже рассказывалось о  3D-принтерах, которые позволяют производить изделия из  металличе- ских порошков. Были подробно описаны все пре-
• 12 фотоника № 6 / 54 / 2015 аддитивные технологии имущества послойной печати пресс-форм с  кон- формно охлаждающими каналами. В  рамках  же данной статьи речь пойдет об  установках, кото- рые применяются для получения песчано-поли- мерных форм и  стержней, выжигаемых моделей для литья в  гипсовые и  керамические формы, а  также модельную оснастку для формовки ПГС и ХТС. На первый взгляд, кажется странным, что описание затрагивает именно традиционные технологии литья, ведь аддитивные технологии всегда ассоциируются с  чем-то инновационным и прорывным. На самом деле 3D-печать не создает новый процесс заливки металла, а меняет подход к уже существующим. "КАК, КОГДА И ЗА СКОЛЬКО" ПЕЧАТАЕМ ИЗ ПЕСКА? Требуется поэтапно разобраться в  том, какие плюсы у  цифрового производства по  сравнению с  традиционными подходами. Начнем с  преиму- ществ, которые получают литейные цеха при непосредственной печати песчано-полимер- ных форм и  внутренних стержней на  принтере. Во-первых, расширяются возможности литья. 3D-печать позволяет создавать объекты с  любой геометрией сложности благодаря послойному методу формирования изделия. На  рис.1 приве- дены фотографии напечатанной формы и стержня из песка. С первого взгляда бросается в глаза высо- кий уровень детализации частей и  сложности объектов, которые невозможно получить методом традиционной формовки при литье в землю или с  помощью пескострельных стержневых автома- тов. 3D-принтеры  же позволяют создавать формы с  поднутрениями, без уклонов непосредственно по  CAD-данным. В  результате отливки получа- ются максимально близкие по геометрии к конеч- ному изделию. Хотелось  бы отметить успешное решение наболевшей проблемы технологов, свя- занной с  обработкой внутренних поверхностей. Инструментом можно подлезть далеко не  везде. Сварные  же детали не  всегда имеют необходи- мые характеристики, особенно для работы под большими температурами и нагрузками. С помо- щью аддитивных технологий получают внутрен- ние стержни с  уникальной геометрией, кото- рые используются также и  в  качестве кокильной оснастки. Более того, для управления кристал- лизацией структуры металла в форме могут быть спроектированы полости для установки метал- лических пластин или холодильников, мак- симально подробно повторяющие геометрию отливки. Таким образом, благодаря 3D-печати, перед литейщиками больше не  стоит вопрос, о  том "как" получить отливку. В  разумных преде- лах все стало возможно! Следующим весомым преимуществом приме- нения 3D-принтеров является сокращение циклов конструкторской и  технологической подготовки производства металлических отливок до  3–10 раз благодаря отсутствию этапов, связанных с  разра- боткой, изготовлением и  доработкой модельной оснастки. 3D-модель создается непосредственно с  назначенными припусками на  механическую обработку, заложенными литниково-питающими и  газоотводными каналами, а  также рассчитан- ным коэффициентом усадки металла. Иными словами, сокращается злосчастный период НИОКР. Предприятия получают ответ на  вопрос, "когда" будет получена отливка. В  случае, если нужно выпустить опытную партию или мелкую серию деталей, 3D-принтер становится незаме- нимым помощником, который решает эту задачу быстрее и экономически эффективнее. В предыдущем абзаце, наконец, в  первый раз было упомянуто, что 3D-принтер, способен спра- виться с задачей не только технологически лучше, но и экономически выгоднее. Это не пустые слова. Рис.1. Пример песчано-полимерной формы и внутрен- него стержня
• 13Photonics № 6 / 54 / 2015 additive technologies 3D-печать позволяет получать более высокое каче- ство отливок: минимальный 5–6 класс размерной точности; минимальное значение шероховатости для степени точности поверхности отливок 8–10 (Ra = 10–16  мкм). На  самом деле, показатели зна- чительно лучше, но,  дабы не  вводить всех метал- лургов и литейщиков в состояние эйфории, будем ориентироваться на технологические минимумы. В  результате уменьшается съем дорогостоящего материала на  этапах механической обработки и  сохраняется режущий инструмент. Ответ на  вопрос, "сколько" будет стоить конечное изде- лие, становится более приятным! ВЫПЛАВЛЯЕМЫЕ… А НЕТ, ТЕПЕРЬ УЖЕ ГОВОРЯТ "ВЫЖИГАЕМЫЕ" МОДЕЛИ! Размерная точность отливок всегда была ключе- вым показателем, по  которому можно было оце- нить работу литейного цеха. До  сих пор одной из  наиболее точных считается технология литья в  оболочковые формы по  выплавляемым моде- лям. Она в  основном применяется, когда нужно получить сложные по  форме отливки с  высо- ким классом чистоты поверхности. Данная тех- нология используется при производстве ответ- ственных деталей из  таких металлов, как титан. Казалось  бы, уже много лет все спокойно делают восковки и  получают отливки высокого качества. Что можно изменить в данной области? Ответ как всегда очень простой! Принципи- ально технология не  стала новой, металл все также заливается в  образовавшуюся после удале- ния модельного состава полость в  керамической или гипсовой форме. Основная суть заключается в изменении подхода к получению той самой пре- словутой восковки. В табл.1 приведено поэтапное сравнение получения отливок по  двум  – выжи- гаемому и  выплавляемому – методам. 3D-печать имеет три основных преимущества. Во-первых, от 2 до 5 раз сокращается время, необходимое для отработки технологии литья конкретного изде- лия. На  принтере изделие получается непосред- ственно по 3D-модели, которая за считанные часы создается в  CAD-редакторе c назначенными при- пусками. На  промышленном предприятии сей- час, конечно, никто не вырезает восковые модели вручную. В  основном их отливают в  металличе- ские или полимерные пресс-формы. Это в  разы быстрее. Но  не стоит забывать о  том, с  каким количеством трудностей придется столкнуться на этом пути. В основном они связаны с техноло- гическими этапами разработки, изготовления
• 14 фотоника № 6 / 54 / 2015 аддитивные технологии и доработки оснастки. Речь идет как о металличе- ских разъемных формах, которые надо вырезать на  фрезерах, так и  о мастер-моделях для полу- чения силиконовых форм. Это занимает много ценного времени. Во-вторых, традиционные восковые модели из  парафина очень часто деформируются при нанесении огнеупорной оболочки ввиду их низкой прочности. Как итог  – высокий уровень брака. Для того чтобы решить это проблему, при- ходится утолщать стенки модели, что вылива- ется в  увеличение последующей механической обработки, от  которой как раз и  старались уйти, ведь не  зря технология относится к  категории "точного" литья. Выжигаемые модели, получен- ные на  3D-принтере, намного прочнее. Темпера- тура их тепловой деформации выше, поэтому они не  станут пластичными знойным летом в  душ- ном цехе. Технология поэтому и  носит назва- ние литье по  "выжигаемым" моделям, так как они выгорают при температурах, которые значи- тельно выше, чем у горячей воды для вытаплива- ния. Сам процесс выжигания занимает больше времени, поскольку требует последующего охлаж- дения формы, дабы не возникло трещин при уда- лении продуктов горения. Затрачиваемое время аналогично тому, которое тратится на  прокали- вание формы в  промышленной печи. В  итоге временные сроки, необходимые для удаления модельного состава, эквивалентны при обоих подходах. На  этом различия заканчиваются  – процесс заливки металла и разрушения оболочки проходит стандартно. В-третьих, обратив внимание на рис.2, можно заметить высокий уровень сложности выжига- емых моделей и  полученных отливок. Изгото- вить изделие такой сложной геометрии из  пара- фина будет крайне трудно. Частично проблему можно решить путем сборки модели из  состав- ных частей, но это всегда чревато погрешностями и  повышением требований к точности. Да  и  сде- лать это могут только специалисты с  золотыми руками, которых также тяжело найти на  пред- приятии, как заточников инструмента или шлифовщиков, моховиками ловящих микроны. Конечно, возможности литейного производства расширяются. Но  как всегда, половник дегтя есть и тут. 3D-принтеры могут напечатать любую модель. Но  с  другой стороны, чем сложнее будет керамическая форма, тем труднее будет добиться адекватного пролива металла. Тем не  менее, эко- номия на  последующей механической обработке Таблица 1. Сравнение получения отливок по двум методам – выжигаемому и выплавляемому Параметр Выжигаемые модели Выплавляемые модели Создание модели Получение выжигаемой модели (полистирол / фотополимер) Технология • 3D-печать изделия по STL-файлу (экономия вре- мени) • Очистка / инфильтрация воском Литниково-питающая система и газоотводные каналы программируются в CAD-редакторе и создаются на принтере Получение выплавляемой модели (парафин / воск) Технология • Получение мастер-модели • Создание и отработка конструкции матрицы / пресс-формы • Литье восковок Аналогичные проблемы возникают при литье ЛГМ по газифицируемым моделям! Нанесение огнеупорной оболочки Прочные изделия с высокой четкостью кромок не подвержены деформации при облицовывании Мягкий модельный состав деформируется при нанесении керамической оболочки Время сушки слоев Стандартно Удаление модельного состава • Выжигание модели в промышленной печи • Удаление продуктов горения сжатым воздухом • Вытапливание восковой модели в горячей воде • Прокаливание формы в промышленной печи (900°С) Пролив металла Стандартно Разрушение оболочки Стандартно
• 15Photonics № 6 / 54 / 2015 additive technologies может оправдать даже повышенный риск при литье. В настоящее время многие предприятия успешно осваивают технологию литья по  гази- фицируемым моделям, специалистам известная просто как ЛГМ. Основой данной технологии слу- жит пенополистирол. Для изготовления модели гранулы полистирола "задувают" в алюминиевые многоместные пресс-формы. Далее модель нагре- вают до 120°С для вспенивания и склеивания гра- нул. Здесь встает вопрос о скорости изготовления пресс-форм, как в  случае с  литьем по  выплавля- емым моделям. Модель можно получить и  дру- гим методом, вырезая ее нихромовой проволо- кой из цельного куска пенополистирола на станке с  ЧПУ. Тут встает вопрос не  только о  скорости производства, но  и  об уровне сложности, кото- рый достигается за  счет всего лишь трех осей. Получившуюся модель покрывают огнеупорным материалом и  помещают в  опоку для создания песчаной оболочки вкруг нее. Для этого подхо- дят только вибростолы с  двумя направлениями уплотнения  – горизонтальным и  вертикальным. Металл льют непосредственно на модель, металл вследствие высокой температуры, испаряет мате- риал модели, замещая его. На  этом этапе самая большая сложность заключается в формировании выпоров и  газоотводных каналов, так как песок не имеет связующего, позволяющего ему держать форму. Выделяемые газы приходится удалять прямо из  опоки с  помощью насосного оборудо- вания. Как можно видеть из  приведенного опи- сания, сравнивать технологии литья по  выжи- гаемым и  газифицируемым моделям не  совсем корректно. Ошибки возникают из-за созвучности используемого материала. В  обеих технологиях может использоваться порошковый полистирол, что сбивает с  толку. ЛГМ является решением для массового производства, тогда как 3D-печать под- ходит в основном для низкой серийности. АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ "ФОРМУЮТ" БУДУЩЕЕ ЛИТЕЙНЫХ ЦЕХОВ! Фактически вся приведенная выше информация была посвящена мысли донести идею о  том, что аддитивные технологии оправдывают себя только при НИОКР или мелкосерийном производстве. На самом деле это не совсем так. На 3D-принтерах можно успешно создавать модельную оснастку для традиционной формовки песчано-гли- нистых (ПГС) или холодно-твердеющих смесей (ХТС). Сейчас все предприятия используют фре- зеры по  дереву или несколько пар рук модель- щиков для решения этой задачи. Но  почему переход на  3D-печать должен принеси какую-то пользу, ведь зоны построения маленькие, строи- тельные материалы дорогие, а  скорость построе- ния не  такая уж и  большая? Это во  многом было справедливо, когда речь шла о  3D-принтерах для спекания металлических порошков. Суще- ствуют принтеры, работающие с пластиком. Они позволяют создавать изделия длиной более двух метров со скоростью несколько тысяч кубических сантиметров в  час по  приемлемой себестоимо- сти. Более подробно эти системы будут описаны позже. Не  забываем и  о  том, что 3D-принтеры помогут сократить расход строительного мате- риала и  время построения, просто-напросто делая полую оснастку. Также установки могут работать без обязательного присутствия опера- тора в ночное время. Важно понять, что написать программу ЧПУ под фрезер или задействовать несколько людей для ручной обработки зачастую требует больше времени. Главная мысль нащей статьи заключается в том, что применение 3D-печати в литейном про- изводстве на  данный момент является наиболее целесообразным. Веская причина этому – отсут- ствие проблемы с сертификацией. Предприятиям Рис.2. Пример выжигаемых моделей, напечатанных на 3D-принтере, и получившихся отливок
• 16 фотоника № 6 / 54 / 2015 аддитивные технологии Таблица 2. Параметры 3D-принтеров, в которых реализована технология binder jetting (BJ) Параметр ExOne voxeljet Модель S-Print S-Max VX200 VX500 VX1000 Габариты рабочей зоны, мм 800 × 500 × 400 1800 × 1000 × 700 300 × 200 × 150 500 × 400 × 300 1000 × 600 × 500 Скорость печати, дм/ч 20 60 0,7 3 23 Толщина слоя, мкм 240–380 280–500 150 80–150 100–300 Материал Кварцевый или цирконовый песок / Корунд Полиметилметакрилат (орг. стекло) / Кварцевый песок Ориентировочная цена, евро от 1 315 000 от 1 650 000 от 250 000 от 800 000 от 1 100 000 в  большинстве случаев не  требуется сертифици- ровать технологию получения отливки, так как по  химическому составу, да  и  по механическим свойствам после обработки она будет полностью соответствовать ГОСТ-Р и  указанным хоть даже в советских чертежах параметрам. Итак, все пре- имущества использования аддитивных техноло- гий при различных способах литья рассмотрены. Самое время обратиться к анализу того оборудова- ния, которое позволяет получать все представлен- ные здесь плюсы. ОБЗОР РЫНКА – СМОТРИМ МОЛЧА И ЗАВИДУЕМ…! Название этого раздела, к  большому сожале- нию, не  шуточное. В  России действительно нет отечественных 3D-принтеров, которые могли  бы успешно использоваться для модернизации литейных цехов. Как и  во  многих других обла- стях, нам остается делать только то, что мы хорошо умеем – повернуть голову в сторону запада и  смотреть, что могут предложить Европа и  Аме- рика. У них действительно есть очень интересные решения. Чего только стоит технология binder jetting (BJ), которую используют две компании, а  именно voxeljet и  ExOne. Оба производителя оборудования выросли из  одной организации, распавшейся после конфликта между основате- лями. Так получилось, что патенты, полученные каждой компанией после начала самостоятель- ной деятельности, защищали не  столько техно- логию, сколько перечень материалов, с которыми можно было работать (табл.2). Так ExOne выпу- скает установки для работы с  кварцевым песком, тогда как voxeljet  – с  полиметилметакрилатом (органическим стеклом). На  рис.3 представлена схема работы 3D-принтеров по  технологии binder jetting. Она подразумевает отверждение разров- ненного слоя материала посредством связующей жидкости, которая выпрыскивается из многочис- ленных сопел, находящихся в  основании печат- ной головки. Сама по  себе технология позволяет работать с любыми материалами, что, к примеру, и  делает voxeljet. Работая как сервисное бюро, компания делает изделия из  песка. Но  исполь- зовать установки, которые она продает, с  песком было запрещено. Только в 2014 году фирма смогла внести небольшие конструктивные изменения в  технологию, что позволило ей получить новый патент, который разрешал реализацию на  внеш- нем рынке систем, работающих с песком. До этого времени фактически монополистом рынка был ExOne. С  другой стороны, модели из  полиметил- метакрилата, после того как инфильтруются вос- Рис.3. Схема работы 3D-принтеров по технологии binder jetting (BJ) Поршень рабочего бункера Поршень питающего бункера Камера построения Строительный материал Питающий бункер Формируемое изделие Печатающая головка Разравнивающий ролик Подача связующего вещества
• 17Photonics № 6 / 54 / 2015 additive technologies ком, могут быть использованы для литья в  обо- лочковые формы, так как легко выжигаются. Получается, что каждый производитель закры- вает только одно направление литья. ExOne делает песчано-полимерные формы и  стержни, а voxeljet в основном используется для целей литья в оболочковые формы. Технология BJ имеет целый ряд преимуществ. Существуют установки, печатающие со  скоростью до  максимума в  300 000  см3 или 0,3  м3/ч. Да-да, у  вас все в  порядке со  зрением, скорость действи- тельно потрясающая. С  такой производительно- стью 3D-принтер может посоревноваться чуть  ли не  с  небольшой автоматической формовочной линией. Приведенные цифры реальны, но  они были получены даже не на установках, а на целых производственных комплексах, фотографии кото- рых можно видеть на  рис.4. Они могут за  один цикл или давайте по привычке назовем "установ", создавать изделия габаритами до 4 × 2 × 1 м или 8 м2. Возможности поистине грандиозные. Но фактиче- ски на  этом заканчиваются плюсы технологии  BJ. Рис. 4. Производственные комплексы ExOne EXERIAL и voxeljet VX4000
• 18 фотоника № 6 / 54 / 2015 аддитивные технологии Сейчас речь пойдет даже не  об этих комплексах – ведь они созданы фактически в единичных экзем- плярах и  используются в  основном самими про- изводителями в  виду баснословной стоимости. В табл.2 можно увидеть сравнительную характери- стику самых популярных установок, выпускаемых данными производителями. Технические возмож- ности выглядят действительно впечатляюще, даже несмотря на  то, что скорость построения у  серий- ных моделей в  разы ниже. Вся картина портится, как только взгляд спускается до  строки с  ценами. После падения курса рубля летом 2014  года рас- считывать экономическое обоснование целесоо- бразности приобретения установок стало практи- чески невозможно ввиду несоизмеримо больших капитальных издержек. Проблема еще и в том, что установки работают только с расходными материа- лами зарубежного производства. Это сильно повы- шает операционные расходы. К  примеру, к  систе- мам S-Print и S-Max требуется специальный песок и жидкости – активатор и клеящий состав (фурано- вые или фенольные смолы). К этому прибавляются эксплуатационные траты, связанные с ежегодным обслуживанием или заменой печатной головки. Как и  на  обычных домашних струйных цветных принтерах, форсунки имеют тенденцию заби- ваться. Эти манипуляции не  только времязатрат- ные, но  еще требуют существенных финансовых вложений. И  главное  – эти технологии тоже отно- сят к  двойному назначению. Уже были проблемы не  только с  ввозом оборудования и  проведением ПНР, но  даже расходных материалов из-за нало- женных Евросоюзом санкций. Что же делать, если технологию все равно без проблем не  получить? А  если и  получишь, то  потом придется думать, как отбить потраченные на  принтер денежные средства! Выход есть. Брать пример с  нашего герба  – двуглавого орла, и  обратить взор на  восток. Как и в предыдущей статье, внимание нужно уделить не  Японии, хоть она и  ассоциируется с  самым высокотехнологичным оборудованием в  регионе. Страна восходящего солнца так же, как и  Рос- сия, упустила прорыв в  области промышленной 3D-печати и  только судорожно пытается нагнать лидеров рынка. Намного более интересная ситу- ация наблюдается на  рынке Китайской Народ- ной Республики. Аддитивные технологии были поставлены одним из приоритетов развития про- мышленности Китая еще в  начале 2000-х годов. Следуя своим любимым путем, китайские про- изводители начали делать реплики с  куплен- ных на  Западе установок. Но  благодаря своев- ременно полученному финансированию смогли продолжить развитие самостоятельно. В  неко- торых случаях они даже обгоняли европейские и  американские компании. Так, фирма Wuhan Binhu Mechanical & Electrical Co. Ltd первая в мире выпустила установку селективного лазерного спе- кания (SLS) с  четырьмя одновременно работаю- щими лазерами. Производитель специализиру- ется именно на  проектировании оборудования для решения литейных задач. Предлагаемые им системы работают по технологии SLS, которая под- разумевает отверждение порошкового материала под воздействием энергии лазера. Схема работы идентична той, которая применяется при сплав- лении частиц металла (SLM). В  данном  же слу- чае используются менее мощные лазеры – до  100 Вт, которые не деформируют частицы материала, Таблица 3. Параметры 3D-принтеров компании Wuhan Binhu Параметр Wuhan Binhu Модель HRPS-IIA HRPS-IV HRPS-V HRPS-VI HRPS-VII Габариты рабочей зоны, мм 320 × 320 × 450 500 × 500 × 400 1000 × 1000 × 600 1200 × 1200 × 600 1400 × 700 × 500 Мощность лазера, Вт 30 55 100 100 × 2 Скорость сканирования, м/с 4 5 8 14 (7 × 2) Скорость печати, см/ч 80–120 800–1100 1600–2200 Толщина слоя, мкм 80–300 Материал Кварцевый песок / полистирол / полиамид Кварцевый песок / полистирол Ориентировочная цена, долл. От 225 000 От 350 000 От 615 000 От 665 000 –
• 20 фотоника № 6 / 54 / 2015 аддитивные технологии а именно спекают их края между собой. Техноло- гия имеет три несомненных преимущества. Первая из них – мультизадачность, или уни- версальность. Лазерное спекание позволяет выпускать не  только формы и  стержни из  песка с  отвердителем, но  также работать с  порошко- вым полистиролом и  полиамидом. Из  поли- стирола изготавливаются выжигаемые модели. В силу технологических особенностей они имеют микропустоты. Для повышения механических свойств и  уменьшения остаточной зольности модели инфильтрируются обычным литейным воском. Из  полиамида  же изготавливается креп- кая модельная оснастка, которая дополнительно может быть покрыта эпоксидной смолой для уве- личения срока службы. Второе преимущество – низкая эксплуата- ционная стоимость. Используемые источники – CO2-лазеры – имеют минимальный срок службы от 30 000 до 45 000 рабочих часов. Даже при эксплу- атации по  24 часа в сутки без остановки каждый рабочий день в течение года  лазер будет функ- ционировать от  5 до  7,5 лет гарантированно без замены. Третье преимущество новой технологии – упро- щенная адаптация материалов. Универсальность заключается не  только в  возможности использо- вать различные материалы, но  также и  в  отсут- ствии зависимости от  сырья, поставляемого производителем. В  3D-принтерах, работающих по  технологии SLS, можно использовать песок и полистирол отечественного производства. В табл.3 приведено описание установок, постав- ляемых компанией Wuhan Binhu. 3D-принтеры имеют большую линейку с  широким спектром габаритов рабочей зоны, что позволяет подобрать наиболее подходящий вариант для конкретной задачи. К  примеру, приборостроителям вряд  ли понадобится получать метровые отливки. В случае, если речь идет об очень крупном литье, то формы, как и  оснастка, могут изготавливаться по  частям. Затем они собираются и  склеиваются с  помощью эпоксидного клея. При этом увеличивается веро- ятность образования облоя, но на отливках более 1 метра такие трудности практически неизбежны. Скорость построения ниже, чем у технологии binder jetting. Российский опыт эксплуатации систем, работающих по  BJ, показывает, что ввиду пере- боев с поставкой материалов и капризностью уста- новок, они простаивают большую часть времени. Кроме того, они не  могут похвастаться такой уни- версальностью. Одна система HPRS может заменять целый комплекс оборудования, начиная от  фор- мовочной линии, заканчивая фрезерным стан- ком по дереву. Такой мультизадачный 3D-принтер закрывает сразу множество потребностей в  литей- ном цеху и решает насущные проблемы при литье в  землю, кокиль и  оболочковые формы. Не  мало- важную роль здесь играет цена, которая с  учетом всего дополнительного к  3D-принтерам оборудова- ния от  2 до  3,5 раз ниже, чем у  западных произво- дителей, в том числе еще и потому, что оно номи- нируется в долларах США, а не в евро. Ну и конечно, союзное Российской Федерации государство никак не  ограничивает ввоз и  использование таких тех- нологий в нашей стране. Сейчас знатокам аддитивных технологий самое время начать задаваться вопросом, почему не  было ни  слова сказано о  возможности созда- ния выжигаемых моделей из фотополимеров или непосредственной печати керамических форм. Возможности технологий DLP и SLA для литейных целей, и  не  только, будут подробно рассмотрены в рамках следующего выпуска цикла статей. ВМЕСТО ЗАКЛЮЧЕНИЯ – ЛЬЕМ БЕЗ СЕРТИФИКАЦИИ В статье были рассмотрены конкретные преиму- щества 3D-печати для литейных производств, позволяющие повысить эффективность их работы. Был проведен сравнительный анализ существу- ющих на  рынке технологий и  оборудования. Но  главной мыслью, которая обязательно должна остаться по  завершении прочтения статьи, явля- ется возможность изготовления реальных конеч- ных изделий с  помощью 3D-принтеров. Метод получения отливок не подлежит сертификации и, значит, после механической обработки они могут стать деталями для работы в ответственных отрас- лях, таких как авиация или нефтегазовый сектор. Именно для литейного производства 3D-принтеры будут приносить самый ощутимый эффект в  Рос- сии в ближайшем обозримом будущем. УЖЕ В КОТОРЫЙ РАЗ НЕ КОНЕЦ! БЫСТРОЕ ПРОТОТИПИРОВАНИЕ ЖДЕТ СВОЕГО ЧАСА! Две статьи из  цикла "дорогие игрушки или чудо машиностроения?" уже опубликованы. Возмож- ности аддитивных технологий при создании металлических изделий и  модернизации литей- ного производства уже были проанализиро- ваны. Не  раскрытым остался вопрос, связанный с  быстрым прототипированием, ознакомиться с  рассмотрением которого можно будет в  следую- щем номере журнала "Фотоника". ■

Description

10 фотоника № 6 / 54 / 2015 аддитивные технологии ДОРОГИЕ ИГРУШКИ ИЛИ ЧУДО МАШИНОСТРОЕНИЯ? ОбНОвЛЯЕМ…

documents.tips

---

Смотрите также

• 
  Информационные войны журнал
• 
  Журнал информационные войны
• 
  Журнал мир севера
• 
  Биоорганическая химия журнал
• 
  Журнал тайный советник
• 
  Автомобильный транспорт журнал
• 
  Человеческий капитал журнал
• 
  Управление проектами журнал
• 
  Панорама тв журнал
• 
  Журнал ордер 11
• 
  Обложки журнала vogue