Материал: Комплексные проблемы техносферной безопасности. материалы Международной научно-практической конференции. Колодяжный С.А., Небольсин В.А

УДК 621.01

В.К. Мугандин, Н.В. Голубов, И.А. Горобец

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Рассмотрены технологии, которые позволяют обеспечить экономию материальных и трудовых ресурсов при создании новых изделий. Показаны тенденции развития традиционных технологий изготовления изделий в машиностроении и задачи которые могут решить аддитивные технологии. Приведены примеры реализации этих технологий. Рассмотрены проблемы, которые возникают при реализации новых технологий

Ключевые слова: ресурсы, экономия, аддитивная технология, лазер, конструкция, порошок, затраты, схема

Одним из направления обеспечения техносферной безопасности является экономия природных ресурсов. Значительная доля природных ресурсов в машиностроении тратится на этапе изготовления опытных образцов. Добиться экономии ресурсов на этом этапе позволяет использование аддитивных технологий.

Аддитивные технологии или Additive Manufacturing (АМ технологии) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала.

Вопрос терминологии рассматривался в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials),занимающейся разработкой техниче-

ских стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. В стандарте ASTM F2792.1549323-1 аддитивные технологии определены как «process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies» («процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий») [1].

Под «вычитающими» технологиями подразумевается механообработка – удаление («вычитание») материала из массива заготовки. Таким образом, сообщество американских инженеров прибегло к понятию (subtractive) «вычитание», чтобы определить новое понятие (additive) «добавление», в самом определении «аддитивные технологии» трактуются как противоположность технологиям механообработки. Но не все технологии соединения материала, а только те, которые создают объект по данным 3D-модели или из CAD-данных, на основе трѐхмерной компьютерной модели. Это второе ключевое слово – CAD. Третье ключевое слово здесь – «послойно». Можно отметить, что американцы используют в определении термина слово «usually» (обычно), по-видимому, допуская, по меньшей мере, теоретическую возможность и непослойного построения. Рекомендованы два основных термина – Additive Manufacturing (AM), Additive Fabrication (AF), а также равнозначные по смыслу – Additive Processes, Additive Techniques, Additive Layer Manufacturing, Layer Manufacturing и Freeform Fabrication. Все они могут быть переведены как «аддитивные технологии», их также можно называть технологиями послойного синтеза [1].

Основные тенденции развития традиционного производства, которые направлены на

[2]:

─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);

─экономия площадей;

187

─экономия труда;

─сокращение производственного цикла;

─снижение требований к квалификации рабочих;

─снижение себестоимости при малых партиях;

─экономия электроэнергии.

Эти задачи поможет решить развитие технологий аддитивного производства, преимущество которого выражается в следующем [2]:

─переход от массового производства к массовой кастомизации (возможность удовлетворениякак 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 удаленно отправить 3D-модель по сети Интернет, а затем лишь забирать готовые партии изделий;- значительное уменьшение объема отходов.

Согласно данным аналитической организации Wohlers Associates, которая с 1993 году начала изучать рынок 3D-печати, на протяжении последних четырех лет средний темп годового прироста составлял 32,3 %. В 2014 году общий объем рынка 3D-печати достиг показателя в 3,07 млрд. долларов. Исследовательская компания Lux Research прогнозирует увеличение объема мирового рынка аддитивных технологий практически в 4 раза до 2025 года, давая оценку в 12 млрд. долларов. Доля стран на рынке аддитивных технологий в 2012 году показана на рис. 1 [3].

Широкое распространение при реализации аддитивных технологий получили системы лазерного спекания SLS (Selective Laser Sintering). Системы лазерного спекания формируют изделие путем точечного плавления частиц металлического порошка, расположенных в разравнѐнном слое. В ходе построения платформа, на которой расположена деталь, пошагово опускается вниз. Таким образом, готовая деталь оказывается расположенной внутри бункера

снеотвержденным материалом (рис. 2) [3].

Возможность послойной печати металлических изделий действительно является своеобразной панацей, охватившей промышленность в последние годы. Этому факту есть целый ряд логичных объяснений, вытекающих из уникальных производственных возможностей АМ-установок. Прежде всего, аддитивные технологии позволяют создавать изделия с практически любой геометрией сложности. Формирование детали путем последовательного наращивания материала слой за слоем предоставляет возможность воплощать любые задумки конструкторов. Отличительной особенностью, конечно же, является способность изготавливать сложные внутренние структуры, которые нельзя получить традиционной обработкой. Первая проблема, с которой сталкиваются конструкторы – ограничение размеров деталей. В настоящее время они ограничены габаритами зоны построения 800 × 400 × 500 мм у самой крупной установки X line 2000R производства немецкой компании Concept Laser. На сегодня такая система была поставлена только одному заказчику в США. Большинство же производителей выпускают 3D-принтеры с габаритами рабочей зоны в 250 × 250 × 280 мм и лазером мощностью 400 Вт, что считается общерыночным стандартом. Вторая проблема – непосредственно методика проектирования, понимая теоретические возможности аддитивных технологий, конструкторам очень тяжело отойти от существующих методик проектирования.

188

Рис. 1. Доля стран на рынке аддитивных технологий в 2012 году, % (оригинальный)

Рис. 2. Схема работы установок SLS – Выборочное Лазерное Спекание (оригинальный)

Третий вопрос кажется еще менее очевидным, но, тем не менее, остается не решенным. Ведущие конструкторские бюро сталкиваются с проблемой нехватки специального программного обеспечения, которое бы облегчило конструктору задачи проектирования деталей для аддитивного производства в 3D-редакторе [3]. Несмотря на названные проблемы аддитивные технологии позволяют значительно облегчить конструкцию изделий. Для целого ряда отраслей, таких как авиа- и ракетостроение, огромную роль играют соотношение весовых и прочностных характеристик изделий. Конструкторы участвуют в непрерывной гонке за достижением максимально эффективного сочетания характеристик этих двух параметров. Аддитивные технологии, так же, как и композитные материалы, стали ключом к решению данной проблемы. На рис. 3 можно видеть пример детали для британского спутника E3000. Благодаря использованию технологии лазерного плавления алюминиевых порошков удалось сократить вес изделия на 35 %, при этом увеличив прочность на 40 % за счет перераспределения нагрузки на новый каркас из ребер жесткости. 3D-печать также позволила значительно

189

сократить необходимый парк оборудования для выпуска изделия. Так, по традиционным технологиям показанная деталь собиралась из четырех частей с использованием 44 заклепок

[3].

Рис. 3. Облегчение конструкции детали британского спутника E3000 на 35%

при повышении прочности на 40% за счет перераспределения нагрузки на новые ребра жесткости (оригинальный)

Вкачестве рабочего материала в SLS – технологиях используются порошки - сыпучие материалы с характерным размером частиц до 1,0 мм. Порошки классифицируют по размерам частиц (по условному диаметру d), подразделяя их на нанодисперсные с d<0,001 мкм, ультрадисперсные d = 0,01-0,1 мкм, высокодисперсные d = 0,1–10 мкм, мелкие d = 10–40 мкм, средние d = 40–250 мкм и крупные d = 250–1 000 мкм [1].

Внастоящее время не существует общих требований к металлопорошковым композициям, применяемым в AM-технологиях. В разных машинах используются порошки различного фракционного состава. Одним из параметров, характеризующих порошок, является ве-

личина d50 – «средний диаметр частиц». Например, d50 = 40 мкм означает, что у 50% частиц порошка размер частиц меньше или равен 40 мкм [1].

За рубежом вопросы стандартизации по материалам для аддитивных технологий на-

ходятся в компетенции NIST – National Institute of Standards and Technology (США); Между-

народной организации по стандартизации ISO (комитет TC261 по аддитивным технологиям)

иASTM (международный комитет F42 по аддитивным технологиям). В настоящее время разработан только один стандарт (ASTM F2924) на материал Ti-6-Al-4-V для применения в технологиях Powder Bed Fusion [1]. Общим требованием к порошкам для AM-машин является сферическая форма частиц. Это связано, во-первых, с тем, что такие частицы более компактно укладываются в определенный объем. И, во-вторых, необходимо обеспечить «текучесть» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением, что как раз достигается при сферической форме частиц [1].

Наиболее значимый вклад в развитие российского производства металлопорошковых композиций вносит ФГУП "ВИАМ" – Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов [3]. Но вначале стоит разобраться в специфике выпуска расходных материалов для 3D-принтеров. В установках лазерного спекания в основном используются мелкодисперсные порошки с размерами гранул от 10 до 45 мкм. Дополнительным требованием является сферическая форма частиц, которая позволяет обеспечить лучшую насыпную плотность при разравнивании в камере построения. Основной способ получение металлического порошка для аддитивного производства – это «диспергирование расплава» или, другими словами, атомизация. Производительность атомайзеров сильно зависит от их класса, который, в свою очередь, зависит от объема плавильной камеры или тигля. Так, лабораторные установки могут выпускать от 1–5 кг порошка в день, тогда как промышленные позволяют

190