Использование аддитивных технологий в машиностроении

Использование аддитивных технологий в машиностроении для изготовления металлических деталей

Необходимые дефиниции

Термин «аддитивный» происходит от английского слова «add» (прибавлять, добавлять). Родственным ему по смыслу является понятие «additive» — присадка, добавка. Если классическое производство металлопродукции подразумевает снятие «лишнего» металла с заготовки резцом, фрезой, сверлом, абразивом, лазером, то аддитивные технологии предполагают изготовление изделий путём постепенного добавления материала на платформу построения и буквального выращивания на ней геометрического тела нужной конфигурации.

Принцип действия по металлу

Принтеры для объёмной печати машиностроительных деталей по методам формирования конечной продукции разделяются на два основных типа — лазерные и нелазерные. Первые простоты эксплуатации получили более широкое распространение. Промышленные аддитивные технологии, при которых используется луч лазера, можно описать следующим образом.

Принтером управляет проектной программное обеспечение AutoCAD. Цифровая модель требуемого объекта последовательно разбивается на слои, информация о которых используются позднее для управления движением лазерной головки. Согласно этой аддитивной технологии, платформа построения помещается в ёмкость, заполняемую строительным материалом — смесью металлического порошка и особой связки, напоминающей песок. Стройматериал должен быть по возможности более мелкодисперсным.

Формирование детали происходит при воздействии лазерного луча на порошковую смесь. Металлические частицы разогреваются и, спекаясь, образуют монолитный металлический слой. Затем платформа опускается на величину шага построения. Далее добавляется (англ. add) порция строительного материала, который разравнивается специальным роликом, после чего снова «работает» лазер. Таким образом, слой за слоем выращивается требуемый объект.

Нелазерное оборудование не получило широкого распространения сложности конструкции, а также неудобства использования. К этим аддитивным технологиям в машиностроении относится экструзионный метод, являющийся развитием традиционного прямого литья. Его недостатком является необходимость разогрева металла и экструдера до высокой температуры. Это ограничивает применение данного метода, позволяя формировать изделия только из сравнительно легкоплавких металлов, например, олова.

Другой нелазерной технологией является послойное построение предмета из тонких металлических плёнок (фольги). Здесь слои буквально свариваются при прохождении через них мощного электрического импульса. Формально этот способ входит в аддитивные технологии, хотя по своей концепции представляет собой аналог контактной сварки, а не объёмную печать в чистом виде.

Аддитивные технологии в России

В ближайшем будущем ожидается появление на рынке собственных принтеров. Лаборатории московских, новосибирских и уральских НИИ разрабатывают усовершенствованные методы послойного формирования металлических компонентов, ведут поиск новых строительных материалов, продумывают пути снижения себестоимости объёмной печати металлоизделий.

На выставке металлообработки ИННОПРОМ, которая пройдёт в Екатеринбурге в текущем году, посетители ознакомятся с широким выбором принтеров и смогут приобрести оборудование. Мероприятие призвано придать ускорение аддитивным технологиям в России и вывести металлообработку в нашей стране на качественно новый уровень.

Источник

Аддитивные технологии и 3D-сканирование в машиностроении: 7 историй успеха

fqreeoenmcr0 vhgdusnhbayuuy

3D-технологии все чаще оказываются в центре внимания крупных российских промышленных выставок, что отражает готовность предприятий к внедрению инновационных 3D-решений в свои производственные цепочки. Так, на выставке «Металлообработка-2018» аддитивные технологии впервые были представлены на отдельной площадке; цифровое производство стало главной темой Международной промышленной выставки «Иннопром», которая прошла в июле 2018 в Екатеринбурге.

Для машиностроения, как одной из ключевых отраслей российской экономики, исключительно важны разработки нового оборудования и применение передовых решений. 3D-технологии всецело отвечают этим потребностям. Совершенствуясь, они обеспечивают все большую эффективность, позволяя предприятиям сократить и упростить технологический процесс и оптимизировать расходы на производство.

К примеру, создание прототипа на 3D-принтере займет не месяцы, как на традиционном производстве, а всего несколько часов. Значительно экономятся временные затраты на доработку конструкции и запуск продукта в серийное производство, и, соответственно, снижается стоимость всего проекта. Благодаря применению 3D-сканеров и программного обеспечения для реверс-инжиниринга и контроля геометрии затраты времени и средств сокращаются в среднем в 1,5 раза.

Преимущества 3D-печати

Задачи, решаемые в машиностроении с помощью 3D-печати

Технологии 3D-печати для машиностроительных предприятий

Преимущества 3D-сканирования

Задачи, решаемые при помощи 3D-сканеров и специализированного ПО

7 историй успеха

Блок гидравлических клапанов

Финальный CAD-файл блока клапанов, готовый к 3D-печати

Конструкция нового блока гидравлических клапанов, разработанного компаниями VTT и Nurmi Cylinders, была оптимизирована c использованием технологии селективного лазерного плавления (SLM), позволившей значительно сэкономить вес, объем и материал. В результате было создано изделие, вес которого на 66% меньше исходной модели. Благодаря инновационному дизайну удалось оптимизировать поток жидкости по внутренним каналам и решить проблему утечки.

Смеситель жидкости с газом

Схема цельнометаллического смесителя, созданного по SLM-технологии. Справа внизу: изначальная модель, состоящая из 12 элементов

Центр быстрого прототипирования Jurec, использующий оборудование SLM Solutions, выполнил проект по усовершенствованию смесителя жидкости с газом. Изначально устройство собиралось из 12 частей, включая 3 крупных элемента – первое и второе фланцевые корпусные соединения и вставка смесителя. Селективное лазерное плавление дало возможность создать единый корпус, сократив количество деталей с 12 до одной. Отпадает необходимость использовать несколько металлов и фланцевых соединений: внутри цельнометаллического корпуса просто нарезается резьба, благодаря чему вес смесителя уменьшился с 1,3 кг до 50 г. В два раза сократилось время производства. И наконец, финансовые затраты на производство уменьшились на 73%.

Разветвитель гидроакустической антенны

61zcy2 waizyivsl4kbinuz4ohy

Слева: мастер-форма из двух частей, напечатанная на 3D-принтере. Справа: извлечение готовой детали из силиконовой формы

ОАО «Концерн «Океанприбор» (Санкт-Петербург) производит системы связи для Военно-Морского Флота РФ, в том числе оборудование с большим количеством мелких элементов, например, разветвитель – один из основных компонентов новой гидроакустической антенны. Для быстрого прототипирования при изготовлении литьевых деталей концерн использует профессиональный 3D-принтер 3D Systems ProJet 660Pro, работающий по технологии CJP. На 3D-принтере выращивается литейная форма, которая затем заливается силиконом. В силиконовую форму можно заливать любой другой материал, в данном случае это полиуретан. В результате предприятие получает своего рода форму для форм – не просто прототип, а опытный образец, готовый к использованию. Реализация проекта с применением стандартных методов потребовала бы нескольких месяцев, но благодаря 3D-принтеру срок создания антенны удалось сократить до трех недель.

Компоненты газотурбинных двигателей

dpgb0utmjosnbjulziytdg1zojo

Восковая модель, выращенная методом 3D-печати, и готовое изделие

Американская компания Turbine Technologies, Ltd. разработала модификацию двигателей внутреннего сгорания, на которые устанавливаются турбины высокого давления. Компания приобрела принтер 3D Systems ProJet MJP 3600W для 3D-печати восковых моделей и получает готовую отливку в течение 3-4 дней. Восковые модели теперь изготавливаются непосредственно из 3D-моделей CAD, а литейный цех Turbine Technologies производит компоненты прототипов газотурбинных двигателей с большей точностью и меньшими расходами.

Компоненты и узлы для авиастроения

uvm d5ywbg2bcmr6jmpfbuvy9pe

3D-печать фотополимерами по технологии QuickCast позволяет сэкономить время и деньги, поскольку позволяет обойтись без дорогостоящей оснастки

Компания Vaupell разрабатывает производственные решения для литейных предприятий, которые выполняют заказы аэрокосмической и оборонной отрасли. Благодаря стереолитографическому 3D-принтеру 3D Systems ProX 800 компания смогла радикально повысить эффективность производства. В принтере предусмотрен специальный режим печати фотополимером – QuickCast, при котором воспроизводится тонкостенная внешняя оболочка детали, а пустоты внутри детали заполняются ячеистой структурой. QuickCast-модели заменяют традиционные литейные модели и не требуют дорогостоящей оснастки. Таким образом, компания снизила затраты на литейные модели на 95%.

Контроль геометрии корпуса насоса

fjoz09jup1umz ge5whqgatcwhq

Карта отклонений геометрии футеровки

Компания iQB Technologies выполнила проект, включавший 3D-сканирование корпуса насоса после мехобработки и отдельное 3D-сканирование корпуса с футеровкой для контроля толщины покрытия. На первом этапе изделие было оцифровано ручным 3D-сканером Creaform HandySCAN 700, а затем была получена высокополигональная 3D-модель корпуса насоса. Затем специалисты произвели контроль отклонений геометрии в ПО Geomagic Control X. Выявленные отклонения в поверхности покрытия создают дополнительное давление на корпус, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации. Проект осуществлен всего за 4 часа.

Реверс-инжиниринг рабочего колеса гидротурбины

3D-сканирование колеса гидротурбины для последующего обратного проектирования

Компания Dependable Industries (производитель литейных моделей и инструментов из Ванкувера) обратилась к предпринимателю Мэтью Персивалю из 3D Rev Eng для помощи в обратном проектировании отливки рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины. Программа для реверс-инжиниринга Geomagic Design X позволяет в течение нескольких часов создавать такие модели со сложными формами, для изготовления которых при помощи традиционных технологий потребовалось бы несколько недель. Благодаря Geomagic Design X время на реверс-инжиниринг было сокращено на 50%, и на 48% уменьшены производственные затраты.

Источник

Журнал об аддитивном производстве

Аддитивные технологии в машиностроении

В конце XX — начале XXI века зародилось аддитивное (иногда называют быстрое или цифровое) производство — совокупность технологических процессов, основанных на изготовлении деталей путём послойного «выращивания» из различных материалов: порошковых пластиков, порошковых металлов, жидкостей, композитов и др. Быстрое производство позволяет выпускать единичные сложные изделия гораздо дешевле, чем при традиционном производстве, при этом экономически оправданным становится производство малых и даже средних серий.

stankoprom medvedev kolosov at 1 2017

Демонстрация главе Правительства РФ Д. А. Медведеву 3D-принтера «Альфа-2», разработанного специалистами холдинга «Станкопром» и Центра технологической компетенции аддитивных технологий (г. Воронеж)

Технология быстрого производства подразумевает изготовление физических образцов на основе данных CAD-файлов или других параметров (например, данных 3D-сканирования) с использованием оборудования 3D-послойного синтеза без применения технологической оснастки и практически не нуждающихся в последующей доработке. В мире аддитивное производство уже перестало быть «зарождающейся технологией», а стало ведущей промышленной инновацией.

Перечислим основные тенденции развития современного производства:

• расширение номенклатуры изготавливаемых изделий;

• существенное сокращение сроков поставки;

• возможность к экономически обоснованному переходу от массового к мелкосерийному и индивидуальному производству;

• снятие технологических ограничений на сложность деталей и узлов (изготовление деталей недоступных для существующих технологий);

• возможность удовлетворения индивидуальных потребностей единичного заказчика (кастомизация);

• сокращение производственного цикла;

• снижение требований к квалификации рабочих;

• снижение себестоимости при малых партиях;

stankoprom arcam rocket nozzle at 1 2017

Ракетное сопло с пористой структурой, имитирующее трабекулярную костную ткань, выполнено по технологии послойного сплавления металлических порошков с помощью электронно-лучевой системы EBM фирмы Arcam

Все эти задачи в будущем поможет решить развитие технологий аддитивного производства, преимущество которого выражается в следующем:

• переход от массового производства к массовой кастомизации (возможность удовлетворения как можно большего числа индивидуальных заказчиков);

• сокращение производственных издержек, отсутствие длинных технологических переделов, не требуется содержание большого парка технологического оборудования;

• возможность создания изделий со сложной или даже невозможной в обычном производстве конфигурацией;

• отсутствует необходимость использования технологической оснастки;

• резкое повышение гибкости производства, нет необходимости переналадки оборудования под новое изделие, достаточно просто загрузить новую 3D-модель;

• полная автоматизация процесса, весь производственный процесс проходит в автоматическом режиме без дополнительных технологических операций со стороны оператора;

• возможность децентрализации производства и организации дистанционного управления — для запуска производства нет необходимости личного присутствия оператора, можно удалённо отправить 3D-модель по сети интернет, а затем лишь забирать готовые партии изделий;

• значительное уменьшение объёма отходов;

• влияние на качество получаемых изделий за счет улучшения качества используемых материалов (дисперсность и. т.д.).

За рубежом данной отрасли уделяется большое внимание: создаются центры развития аддитивных технологий, проводится постоянная работа по совершенствованию физико-химических параметров и повышению эксплуатационных характеристик производимой продукции. Уже сегодня изделия, изготовленные методами послойного синтеза, активно используются в различных отраслях. Таким образом, очевидно появление нового вида производства, обладающего неоспоримыми преимуществами по сравнению с традиционным, и от степени его освоения зависит не только технологическая независимость государства, но и его безопасность.
Россия продолжает отставать в технологическом плане, и это отставание носит длительный системный характер. Однако, изучив опыт конкурентов, в том числе негативный, не повторяя их ошибок, при наличии инвестиций РФ вполне может выйти в лидеры в аддитивных технологиях.

at 1 2017 stankoprom original winner 1024x343

Кронштейн для реактивного двигателя выполнен с помощью 3D печати в рамках соревнования компаний GE и GrabCAD. Оригинальный кронштейн весил 2033 г. Победителю удалось уменьшить его массу почти на 84 %, т. е. до 327 г.

В России развитие аддитивных технологий сегодня осуществляется по следующим основным направлениям:

— организация собственных инженерно-производственных центров и отделов в структуре крупных промышленных предприятий строго для своих нужд;

— создание инженерных центров, кафедр и лабораторий на базе научно-исследовательских институтов и технических университетов;

— организация частных коммерческих фирм, оказывающих услуги по изготовлению изделий на заказ.

Однако организации, работающие в данной отрасли, действуют сами по себе, не придерживаясь единой стратегии и решают при этом узкоспециализированные задачи, не охватывая всего спектра проблем, среди которых можно выделить:

— отсутствие позитивного опыта внедрения в промышленности,

— отечественные разработки технологий и оборудования находятся на начальном уровне, требуется проведение ряда дополнительных НИОКР,

— отсутствие опыта проектирования изделий, изготавливаемых аддитивными методами, с обеспечением их функциональных свойств,

— нехватка квалифицированного персонала,

— отсутствие разработанных и готовых к промышленному применению мелкодисперсных порошков (20–50 мкм), являющихся исходным материалом для установок послойного синтеза;

— отсутствие стандартов на используемые материалы, технологии изготовления и методов контроля производимой продукции;

— отсутствие системы сертификации аддитивных технологических процессов и получаемой в результате продукции.

Для успешного развития аддитивных технологий в машиностроении, необходимо использование в полной мере их потенциала и преимуществ за счет объединения компетенций промышленных, научно-исследовательских и коммерческих структур вокруг головной организации (например, холдинговой компании АО «Станкопром»). При этом необходимо проведение единой научно-технической и производственной политики, переход на принципы системного подхода, и организация стратегического управления процессами создания, развития, внедрения и применения данных технологий.

Еще в начале 2015 года «Станкопром» подготовил и направил на утверждении в Минпромторг РФ план мероприятий, дорожную карту по развитию отрасли аддитивных технологий как приоритетного направления науки, технологий и техники Российской Федерации, продолжает вести работу с одной из самых крупных организаций «Центром технологической компетенции аддитивных технологий» (ОАО «ЦТКАТ») г. Воронеж, в части привлечения заказов на конечные изделия от предприятий ГК «Ростех».

Второе направление работы АО «Станкопром» в сфере развития АТ — формирование проектных консорциумов, ориентированных на внешние и внутренние рынки и состоящих в том числе из крупных компаний с государственным участием — потребителей аддитивных технологий, ведущих высших учебных заведений и исследовательских центров, инжиниринговых компаний, малых и средних предприятий, производящих продукты и технологические решения в сфере аддитивных технологий (Протокол № 5 заседания президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России от 16 сентября 2014 г). Мы считаем, что будущее за консорциумами, т. к. они объединяют в себе индустриального партнера (заказчика на конечные изделия), производителя материалов (порошков) и предприятия, где будут изготавливаться конечные изделия, одним словом АТ под ключ. Это соответствует п. 2 поручений Президента РФ от 14.07.2015 г. № Пр‑1363 о включении в подпрограмму мероприятий, направленных на развитие перспективных и принципиально новых видов станкоинструментального оборудования.

В качестве системной инициативы АО «Станкопром» провел работу в части создания проектных консорциумов по аддитивным технологиям. Было рассмотрено более 14 проектов, в том числе: 4 проектных консорциума представляются готовыми к созданию и выполнению работ, имеются документальные подтверждения на спрос и готовность к промышленному освоению результатов со стороны промышленных партнеров; 4 проектных консорциума имеют большой потенциал реализации при нахождении промышленных партнеров.

Третье направление работы — это разработка отечественных 3D принтеров для промышленных целей. Проектная организация АО НИПТИ «Микрон», входящая в периметр АО «Станкопром» обладает такими компетенциями и имеет соответствующий опыт.

Четвертым направлением является производство отечественных материалов (порошков). АО «Станкопром» периодически принимает участие в совещаниях Минпромторга РФ, где обсуждается серийное изготовление изделий из отечественных материалов (порошков) и отработка технологии спекания отечественных материалов, пока еще на импортном оборудовании. Среди отечественных производителей материалов, с кем сотрудничает АО «Станкопром» можно отметить ВИЛС, ОАО «Электромеханика», ИПЛИТ РАН, ФГУП «ВИАМ», ОАО «ПОЛЕМА» и др.

Основная цель — это импортозамещение и отработка технологий спекания изделий из отечественных металлических порошков вышеперечисленных производителей материалов. Вся работа направлена на снижение стоимости поставки за 1 кг (в пределах 2500–5000 рублей за 1 кг в зависимости от марки материала).

Пятым, немаловажным направлением, является обеспечение возможности подбора и отработки технологических процессов спекания (изготовления) изделий из отечественных порошков на промышленных 3D-принтерах. Это значительное преимущество, но и кропотливая работа, требующая времени по отработке процессов спекания и изготовления изделий. Например, только для предварительной отработки технологий спекания и изготовления тестовых образцов (испытания прочностных, структурных и эксплуатационных характеристик) требуется не менее 50–60 кг отечественного порошка, при этом высота заполнения камеры составляет порядка 100 мм.

Подводя итог проделанной за этот короткий период времени работы, АО «Станкопром» считает, что для успешного внедрения аддитивных технологий в машиностроении и максимального использования их потенциала требуется переход на принципы системного подхода и организация стратегического управления, включающего в себя:

1. Объединение компетенций научно-исследовательских, промышленных и коммерческих (пользователей технологий) организаций с целью проведения единой научно-технической политики.

2. Формирование базы данных потребностей предприятий различной отраслевой принадлежности в изделиях, обладающих расширенными функциональными характеристиками, в части возможности использования аддитивных технологий.

3. Формирование базы данных используемых материалов и потребности в разработке новых видов материалов.

4. Разработка принципов, методик и стандартов проектирования изделий с учетом внедрения аддитивных производственных процессов.

5. Создание специализированного программного обеспечения для разработки изделий сложной геометрии, изготавливаемых аддитивными методами.

6. Разработка технологических решений, объединяющих различные методы изготовления изделий, в т. ч. аддитивные. Объединение традиционных методов обработки с нетрадиционными.

7. Организация системы сертификации и стандартизации изделий, технологий и материалов для аддитивного производства.

8. Разработка методик метрологического контроля и испытаний образцов изделий, изготовленных послойным синтезом.

9. Разработка и серийное производство оборудования для изготовления материалов.

10. Разработка и серийное производство перспективных полимерных, композитных, керамических, металлических и интерметаллидных материалов.

11. Разработка гаммы отечественного оборудования послойного синтеза и организация его серийного производства.

12. Организация сети центров коллективного пользования аддитивных технологий.

13. Организация профильного обучения на базе вузов.

В будущем развитие аддитивных технологий будет происходить в части технологических решений, объединяющих различные методы изготовления изделий, в т. ч. аддитивные. Уже сегодня многие компании на выставках по станкостроению представляют оборудование, сочетающее в себе получение заготовок аддитивным способом с последующей механической обработкой. Над этой задачей также работает научно-исследовательский институт ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», входящий в контур АО «Станкопром». Перед ним стоит задача разработать такое оборудование.

Все вышеперечисленное будет иметь место в случае, если в рамках Государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» на период до 2020 года будет сформирована и профинансирована подпрограмма «Аддитивное производство» и заложены необходимые инвестиции.

Кукушкин Валерий Алексеевич, главный специалист Функции науки, инжиниринга, инновационного развития и разработки стандартов эксплуатации станочного парка и инструмента АО «Станкопром»

Источник: Журнал АТ №1’2017, стр. 20-23

Источник

Adblock
detector