eng
Выпуск #3/2018
М. О. Макаров
Дорогие игрушки или чудо машиностроения? Обновляем литейные цеха
Дорогие игрушки или чудо машиностроения? Обновляем литейные цеха
Просмотры: 2036
В статье рассказывается о применении аддитивных технологий в литейном производстве. Производится сравнительный анализ инновационных и классических методов в данном секторе промышленности.
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.71.3.298.307
DOI: 10.22184/1993-7296.2018.71.3.298.307
Теги: 3d printers 3d printing 3d-печать 3d-принтеры consumable models foundries melted models technology certification выжигаемые модели выплавляемые модели литейное производство сертификация технологии
Аддитивные технологии захватили мысли отечественных машиностроителей еще в середине первого десятилетия двухтысячных годов. Появление же первых серийных 3D-принтеров, позволяющих создавать изделия из металлических порошков, произвело мировой фурор. Постепенно "технологическая эйфория" докатилась и до России. Казалось бы, что 3D-печать металлических изделий навсегда изменит подход к организации производственного процесса на предприятиях. В действительности оказалось, что волшебной таблетки, конечно, не существует.[1]
До сих пор многие производственники смотрят на 3D-принтеры "по металлу" как на чудо западной инженерной мысли. Всех технических специалистов, которые первый раз увидели напечатанную деталь из стали или титана, можно условно разделить на два лагеря. Лица, принадлежащие к первому, сразу же уходит в отрицание. 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 безуспешными. 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 сложные проекты и разрешаются закоренелые проблемы предприятия.
На самом деле, второй лагерь, несмотря на свою открытую позицию к восприятию инновационных веяний, несет даже больше опасности для распространения аддитивных технологий в России. Не разобравшись в специфических чертах и ограничениях технологии, на нее возлагают большие надежды, которые потом разбиваются о суровые реалии. Но негативное впечатление у промышленности остается. Оно якорным эффектом закрепляется в сознании и влияет на все последующее восприятие промышленной 3D-печати. В дальнейшем же предприятия остаются в проигрыше, так как при правильном использовании 3D-печать металлических изделий создает реальную ценность. Именно с миссионерской целью "спасения" будущего аддитивного производства в России в первой части этой статьи были напрочь разбиты существующие мифы, которые окружают возможности АМ-машин (Additive Manufacturing). В результате был выявлен очень ограниченный круг применения данного оборудования. Но он существует и в будущем будет только расширяться. Даже длительный бюрократический процесс сертификации 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 рабочих 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 металлических изделий будущее авиа- и ракетостроения, сейчас уже никто не будет. Но наиболее печальным выглядит то, что в погоне за послойным созданием деталей из металлических порошков 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 механической обработки, сборки и далее по списку в зависимости от специфики отрасли. Период перестройки в начале 1990-х годов нанес жесточайший удар по промышленности. В бюджете недавно образованной России была огромная дыра. Предприятия, всегда жившие за счет бюджетных дотаций, не могли перестроиться на рыночные рельсы и навязать конкуренцию зарубежным производителям, которые завалили российский рынок дешевыми импортными товарами превосходящего качества. Промышленные активы массово разворовывались, а раздутая за время холодной войны "оборонка" держалась лишь на людском энтузиазме. 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 рамках которого не было места производству полного цикла. Специализация стала новым трендом. Первым делом все стали сворачивать собственные "литейки". И был целый ряд причин, объясняющих эти решения. Во-первых, оказалось, что многие отливки легче и главное дешевле получать из-за границы. Это при том, что уровень брака был гораздо ниже. Во-вторых, за время перестройки литейные производства лишились наиболее квалифицированных кадров. В-третьих, модернизация литейных цехов требовала больших инвестиций в то время, когда предприятиям хватало средств только на точечное обновление парка оборудования и ремонт производственных помещений.
Следующим ударом по литью стало ужесточение экологических норм. Практически во всех крупных городах были приняты законодательные акты, ограничивающие возможность организации литейных производств как сильно загрязняющих 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 тяжелыми станками, предназначенными для силовой 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 получать высокоточные заготовки, не требующие долговременной 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 вкладывались деньги, закупались самые высокотехнологичные обрабатывающие центры, повышалась 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 признать, что массово предприятия задумались над обновлением литейных производств только 7–8 лет назад. Из Европы стали заказываться современные формовочные линии, начали переходить на альфа-сет (alphaset) процесс и осваивать применение литья по газифицируемым моделям (ЛГМ). Перечислять новшества литейного производства можно довольно долго. Среди них, конечно же, не последнее место занимают и аддитивные технологии. Казалось бы, 3D-принтерам место уж точно не в литейном цеху. На самом же деле цифровое производство оказалось лекарством от многих болезней, преследовавших главных металлургов и литейщиков долгое время. Так что же может 3D-печать изменить в, казалось бы, самых консервативных цехах?!
Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо определить, для каких целей могут применяться аддитивные технологии в литейном производстве. Начнем с того, что 3D-печать может создавать металлические пресс-формы и элементы кокилей. В предыдущей части статьи уже рассказывалось о 3D-принтерах, которые позволяют производить изделия из металлических порошков. Были подробно описаны все преимущества послойной печати пресс-форм с конформно охлаждающими каналами. В рамках же данной статьи речь пойдет об установках, которые применяются для получения песчано-полимерных 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 преимуществ, которые получают литейные цеха при непосредственной печати песчано-полимерных 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 приведены фотографии напечатанной формы и стержня из песка. С первого взгляда бросается в глаза высокий уровень детализации частей и сложности объектов, которые невозможно получить методом традиционной формовки при литье в землю или с помощью пескострельных стержневых автоматов. 3D-принтеры же позволяют создавать формы с поднутрениями, без уклонов непосредственно по CAD-данным. В результате отливки получаются максимально близкие по геометрии к конечному изделию. Хотелось бы отметить успешное решение наболевшей проблемы технологов, связанной с обработкой внутренних поверхностей. Инструментом можно подлезть далеко не везде. Сварные же детали не всегда имеют необходимые характеристики, особенно для работы под большими температурами и нагрузками. С помощью аддитивных технологий получают внутренние стержни с уникальной геометрией, которые используются также и в качестве кокильной оснастки. Более того, для управления кристаллизацией структуры металла в форме могут быть спроектированы полости для установки металлических пластин или холодильников, максимально подробно повторяющие геометрию отливки. Таким образом, благодаря 3D-печати, перед литейщиками больше не стоит вопрос, о том "как" получить отливку. В разумных пределах все стало возможно!
Следующим весомым преимуществом применения 3D-принтеров является сокращение циклов конструкторской и технологической подготовки производства металлических отливок до 3–10 раз благодаря отсутствию этапов, связанных с разработкой, изготовлением и доработкой модельной оснастки. 3D-модель создается непосредственно с назначенными припусками на механическую обработку, заложенными литниково-питающими и газоотводными каналами, а также рассчитанным 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 незаменимым помощником, который решает эту задачу быстрее и экономически эффективнее.
В предыдущем абзаце, наконец, в первый раз было упомянуто, что 3D-принтер, способен справиться с задачей не только технологически лучше, но и экономически выгоднее. Это не пустые слова. 3D-печать позволяет получать более высокое качество 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 значительно лучше, но, дабы не вводить всех металлургов 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 изделие, становится более приятным!
ВЫПЛАВЛЯЕМЫЕ… А НЕТ, ТЕПЕРЬ УЖЕ ГОВОРЯТ "ВЫЖИГАЕМЫЕ" МОДЕЛИ!
Размерная точность отливок всегда была ключевым показателем, по которому можно было оценить работу литейного цеха. До сих пор одной из наиболее точных считается технология литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям. Она в основном применяется, когда нужно получить сложные по форме отливки с высоким классом чистоты поверхности. Данная технология используется при производстве ответственных 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! Принципиально технология не стала новой, металл все также заливается в образовавшуюся после удаления модельного состава полость в керамической или гипсовой форме. Основная суть заключается в изменении подхода к получению той самой пресловутой восковки. В табл.1 приведено поэтапное сравнение получения отливок по двум – выжигаемому и выплавляемому – методам. 3D-печать имеет три основных преимущества. Во-первых, от 2 до 5 раз сокращается время, необходимое для отработки технологии литья конкретного изделия. На принтере изделие получается непосредственно по 3D-модели, которая за считанные часы создается в CAD-редакторе c назначенными припусками. На промышленном предприятии сейчас, конечно, никто не вырезает восковые модели вручную. В основном их отливают в металлические 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 технологическими этапами разработки, изготовления и доработки оснастки. Речь идет как о металлических разъемных формах, которые надо вырезать на фрезерах, так и о мастер-моделях для получения 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, приходится утолщать стенки модели, что выливается в увеличение последующей механической обработки, от которой как раз и старались уйти, ведь не зря технология относится к категории "точного" литья. Выжигаемые модели, полученные на 3D-принтере, намного прочнее. Температура их тепловой деформации выше, поэтому они не станут пластичными знойным летом в душном цехе. Технология поэтому и носит название литье по "выжигаемым" моделям, так как они выгорают при температурах, которые значительно выше, чем у горячей воды для вытапливания. Сам процесс выжигания занимает больше времени, поскольку требует последующего охлаждения формы, дабы не возникло трещин при удалении продуктов горения. Затрачиваемое время аналогично тому, которое тратится на прокаливание 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 выжигаемых моделей и полученных отливок. Изготовить изделие такой сложной геометрии из парафина будет крайне трудно. Частично проблему можно решить путем сборки модели из составных частей, но это всегда чревато погрешностями и повышением требований к точности. Да и сделать это могут только специалисты с золотыми руками, которых также тяжело найти на предприятии, 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, экономия на последующей механической обработке может оправдать даже повышенный риск при литье.
В настоящее время многие предприятия успешно осваивают технологию литья по газифицируемым моделям, специалистам известная просто как ЛГМ. Основой данной технологии служит пенополистирол. Для изготовления модели гранулы полистирола "задувают" в алюминиевые многоместные пресс-формы. Далее модель нагревают до 120°С для вспенивания и склеивания гранул. Здесь встает вопрос о скорости изготовления пресс-форм, как в случае с литьем по выплавляемым моделям. Модель можно получить и другим методом, вырезая ее нихромовой проволокой из цельного куска пенополистирола на станке с ЧПУ. Тут встает вопрос не только о скорости производства, но и об уровне сложности, который достигается за счет всего лишь трех осей. Получившуюся модель покрывают огнеупорным материалом и помещают в опоку для создания песчаной оболочки вкруг нее. Для этого подходят только вибростолы с двумя направлениями уплотнения – горизонтальным и вертикальным. Металл льют непосредственно на модель, металл вследствие высокой температуры, испаряет материал 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 оборудования. Как можно видеть из приведенного описания, сравнивать технологии литья по выжигаемым 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 подходит 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-глинистых (ПГС) или холодно-твердеющих смесей (ХТС). Сейчас все предприятия используют фрезеры по дереву или несколько пар рук модельщиков для решения этой задачи. Но почему переход на 3D-печать должен принеси какую-то пользу, ведь зоны построения маленькие, строительные материалы дорогие, а скорость построения не такая уж и большая? Это во многом было справедливо, когда речь шла о 3D-принтерах для спекания металлических порошков. Существуют принтеры, работающие с пластиком. Они позволяют создавать изделия длиной более двух метров со скоростью несколько тысяч кубических сантиметров в час по приемлемой себестоимости. Более подробно эти системы будут описаны позже. Не забываем и о том, что 3D-принтеры помогут сократить расход строительного материала и время построения, просто-напросто делая полую оснастку. Также установки могут работать без обязательного присутствия оператора 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 производстве на данный момент является наиболее целесообразным. Веская причина этому – отсутствие проблемы с сертификацией. Предприятиям в большинстве случаев не требуется сертифицировать 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 преимущества использования аддитивных технологий при различных способах литья рассмотрены. Самое время обратиться к анализу того оборудования, которое позволяет получать все представленные здесь плюсы.
ОБЗОР РЫНКА – СМОТРИМ МОЛЧА И ЗАВИДУЕМ…!
Название этого раздела, к большому сожалению, не шуточное. В России действительно нет отечественных 3D-принтеров, которые могли бы успешно использоваться для модернизации литейных цехов. Как и во многих других областях, нам остается делать только то, что мы хорошо умеем – повернуть голову в сторону запада и смотреть, что могут предложить Европа и Америка. 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 основателями. Так получилось, что патенты, полученные каждой компанией после начала самостоятельной деятельности, защищали не столько технологию, сколько перечень материалов, с которыми можно было работать (табл.2). Так ExOne выпускает 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 разровненного слоя материала посредством связующей жидкости, которая выпрыскивается из многочисленных сопел, находящихся в основании печатной 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 использовать 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 внешнем рынке систем, работающих с песком. До этого времени фактически монополистом рынка был ExOne. С другой стороны, модели из полиметилметакрилата, после того как инфильтруются воском, могут быть использованы для литья в оболочковые формы, так как легко выжигаются. Получается, что каждый производитель закрывает 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 действительно потрясающая. С такой производительностью 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 которых можно видеть на рис.4. Они могут за один цикл или давайте по привычке назовем "установ", создавать изделия габаритами до 4 Ч 2 Ч 1 м или 8 м2. Возможности поистине грандиозные. Но фактически на этом заканчиваются плюсы технологии BJ. Сейчас речь пойдет даже не об этих комплексах – ведь они созданы фактически в единичных экземплярах и используются в основном самими производителями в виду баснословной стоимости. В табл.2 можно увидеть сравнительную характеристику самых популярных установок, выпускаемых данными производителями. Технические возможности выглядят действительно впечатляюще, даже несмотря на то, что скорость построения у серийных моделей в разы ниже. Вся картина портится, как только взгляд спускается до строки с ценами. После падения курса рубля летом 2014 года рассчитывать экономическое обоснование целесообразности приобретения установок стало практически невозможно ввиду несоизмеримо больших капитальных издержек. Проблема еще и в том, что установки работают только с расходными материалами зарубежного производства. Это сильно повышает операционные расходы. К примеру, к системам S-Print и S-Max требуется специальный песок и жидкости – активатор и клеящий состав (фурановые 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 забиваться. Эти манипуляции не только времязатратные, но еще требуют существенных финансовых вложений. И главное – эти технологии тоже относят к двойному назначению. Уже были проблемы не только с ввозом оборудования и проведением ПНР, но даже расходных материалов из-за наложенных 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 Россия, упустила прорыв в области промышленной 3D-печати и только судорожно пытается нагнать лидеров рынка. Намного более интересная ситуация наблюдается на рынке Китайской Народной Республики. Аддитивные технологии были поставлены одним из приоритетов развития промышленности Китая еще в начале 2000-х годов. Следуя своим любимым путем, китайские производители начали делать реплики с купленных на Западе установок. Но благодаря своевременно полученному финансированию смогли продолжить развитие самостоятельно. В некоторых случаях они даже обгоняли европейские и американские компании. Так, фирма Wuhan Binhu Mechanical & Electrical Co. Ltd первая в мире выпустила установку селективного лазерного спекания (SLS) с четырьмя одновременно работающими лазерами. Производитель специализируется именно на проектировании оборудования для решения литейных задач. Предлагаемые им системы работают по технологии SLS, которая подразумевает отверждение порошкового материала под воздействием энергии лазера. Схема работы идентична той, которая применяется при сплавлении частиц металла (SLM). В данном же случае используются менее мощные лазеры – до 100 Вт, которые не деформируют частицы материала, а именно спекают их края между собой. Технология имеет три несомненных преимущества.
Первая из них – мультизадачность, или универсальность. Лазерное спекание позволяет выпускать не только формы и стержни из песка с отвердителем, но также работать с порошковым полистиролом и полиамидом. Из полистирола 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 крепкая модельная оснастка, которая дополнительно может быть покрыта эпоксидной смолой для увеличения срока службы.
Второе преимущество – низкая эксплуатационная стоимость. Используемые источники – CO2-лазеры – имеют минимальный срок службы от 30 000 до 45 000 рабочих часов. Даже при эксплуатации по 24 часа в сутки без остановки каждый рабочий день в течение года лазер будет функционировать от 5 до 7,5 лет гарантированно без замены.
Третье преимущество новой технологии – упрощенная адаптация материалов. Универсальность заключается не только в возможности использовать различные материалы, но также и в отсутствии 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, поставляемых 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 вероятность 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 перебоев с поставкой материалов и капризностью установок, они простаивают большую часть времени. Кроме того, они не могут похвастаться такой универсальностью. Одна система HPRS может заменять целый комплекс оборудования, начиная от формовочной линии, заканчивая фрезерным станком по дереву. Такой мультизадачный 3D-принтер закрывает сразу множество потребностей в литейном цеху и решает насущные проблемы при литье в землю, кокиль и оболочковые формы. Не маловажную роль здесь играет цена, которая с учетом всего дополнительного к 3D-принтерам оборудования от 2 до 3,5 раз ниже, чем у западных производителей, в том числе еще и потому, что оно номинируется в долларах США, а не в евро. Ну и конечно, союзное Российской Федерации государство никак не ограничивает ввоз и использование таких технологий в нашей стране.
Сейчас знатокам аддитивных технологий самое время начать задаваться вопросом, почему не было ни слова сказано о возможности создания 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 преимущества 3D-печати для литейных производств, позволяющие повысить эффективность их работы. Был проведен сравнительный анализ существующих на рынке технологий и оборудования. Но главной мыслью, которая обязательно должна остаться по завершении прочтения статьи, является возможность изготовления реальных конечных изделий с помощью 3D-принтеров. Метод получения отливок не подлежит сертификации и, значит, после механической обработки они могут стать деталями для работы в ответственных отраслях, таких как авиация или нефтегазовый сектор. Именно для литейного производства 3D-принтеры будут приносить самый ощутимый эффект в России в ближайшем обозримом будущем.
Уже в который раз это не конец! Быстрое прототипирование ждет своего часа!
■
Продолжение. Начало см. ФОТОНИКА, т.12, №2 (70), 2018, с. 222–238. М.О.Макаров. Промышленные 3D-принтеры –
дорогие "игрушки" или реальный путь модернизации
машиностроения в России? –
DOI: 10.22184/1993–7296.2018.70.2.222.238.
[1] Продолжение. Начало см. ФОТОНИКА, т.12, №2 (70), 2018, с. 222–238. М.О.Макаров. Промышленные 3D-принтеры –
дорогие "игрушки" или реальный путь модернизации
машиностроения в России? –
DOI: 10.22184/1993–7296.2018.70.2.222.238.
До сих пор многие производственники смотрят на 3D-принтеры "по металлу" как на чудо западной инженерной мысли. Всех технических специалистов, которые первый раз увидели напечатанную деталь из стали или титана, можно условно разделить на два лагеря. Лица, принадлежащие к первому, сразу же уходит в отрицание. 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 безуспешными. 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 сложные проекты и разрешаются закоренелые проблемы предприятия.
На самом деле, второй лагерь, несмотря на свою открытую позицию к восприятию инновационных веяний, несет даже больше опасности для распространения аддитивных технологий в России. Не разобравшись в специфических чертах и ограничениях технологии, на нее возлагают большие надежды, которые потом разбиваются о суровые реалии. Но негативное впечатление у промышленности остается. Оно якорным эффектом закрепляется в сознании и влияет на все последующее восприятие промышленной 3D-печати. В дальнейшем же предприятия остаются в проигрыше, так как при правильном использовании 3D-печать металлических изделий создает реальную ценность. Именно с миссионерской целью "спасения" будущего аддитивного производства в России в первой части этой статьи были напрочь разбиты существующие мифы, которые окружают возможности АМ-машин (Additive Manufacturing). В результате был выявлен очень ограниченный круг применения данного оборудования. Но он существует и в будущем будет только расширяться. Даже длительный бюрократический процесс сертификации 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 рабочих 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 металлических изделий будущее авиа- и ракетостроения, сейчас уже никто не будет. Но наиболее печальным выглядит то, что в погоне за послойным созданием деталей из металлических порошков 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 механической обработки, сборки и далее по списку в зависимости от специфики отрасли. Период перестройки в начале 1990-х годов нанес жесточайший удар по промышленности. В бюджете недавно образованной России была огромная дыра. Предприятия, всегда жившие за счет бюджетных дотаций, не могли перестроиться на рыночные рельсы и навязать конкуренцию зарубежным производителям, которые завалили российский рынок дешевыми импортными товарами превосходящего качества. Промышленные активы массово разворовывались, а раздутая за время холодной войны "оборонка" держалась лишь на людском энтузиазме. 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 рамках которого не было места производству полного цикла. Специализация стала новым трендом. Первым делом все стали сворачивать собственные "литейки". И был целый ряд причин, объясняющих эти решения. Во-первых, оказалось, что многие отливки легче и главное дешевле получать из-за границы. Это при том, что уровень брака был гораздо ниже. Во-вторых, за время перестройки литейные производства лишились наиболее квалифицированных кадров. В-третьих, модернизация литейных цехов требовала больших инвестиций в то время, когда предприятиям хватало средств только на точечное обновление парка оборудования и ремонт производственных помещений.
Следующим ударом по литью стало ужесточение экологических норм. Практически во всех крупных городах были приняты законодательные акты, ограничивающие возможность организации литейных производств как сильно загрязняющих 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 тяжелыми станками, предназначенными для силовой 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 получать высокоточные заготовки, не требующие долговременной 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 вкладывались деньги, закупались самые высокотехнологичные обрабатывающие центры, повышалась 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 признать, что массово предприятия задумались над обновлением литейных производств только 7–8 лет назад. Из Европы стали заказываться современные формовочные линии, начали переходить на альфа-сет (alphaset) процесс и осваивать применение литья по газифицируемым моделям (ЛГМ). Перечислять новшества литейного производства можно довольно долго. Среди них, конечно же, не последнее место занимают и аддитивные технологии. Казалось бы, 3D-принтерам место уж точно не в литейном цеху. На самом же деле цифровое производство оказалось лекарством от многих болезней, преследовавших главных металлургов и литейщиков долгое время. Так что же может 3D-печать изменить в, казалось бы, самых консервативных цехах?!
Прежде чем ответить на этот вопрос, необходимо определить, для каких целей могут применяться аддитивные технологии в литейном производстве. Начнем с того, что 3D-печать может создавать металлические пресс-формы и элементы кокилей. В предыдущей части статьи уже рассказывалось о 3D-принтерах, которые позволяют производить изделия из металлических порошков. Были подробно описаны все преимущества послойной печати пресс-форм с конформно охлаждающими каналами. В рамках же данной статьи речь пойдет об установках, которые применяются для получения песчано-полимерных 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 преимуществ, которые получают литейные цеха при непосредственной печати песчано-полимерных 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 приведены фотографии напечатанной формы и стержня из песка. С первого взгляда бросается в глаза высокий уровень детализации частей и сложности объектов, которые невозможно получить методом традиционной формовки при литье в землю или с помощью пескострельных стержневых автоматов. 3D-принтеры же позволяют создавать формы с поднутрениями, без уклонов непосредственно по CAD-данным. В результате отливки получаются максимально близкие по геометрии к конечному изделию. Хотелось бы отметить успешное решение наболевшей проблемы технологов, связанной с обработкой внутренних поверхностей. Инструментом можно подлезть далеко не везде. Сварные же детали не всегда имеют необходимые характеристики, особенно для работы под большими температурами и нагрузками. С помощью аддитивных технологий получают внутренние стержни с уникальной геометрией, которые используются также и в качестве кокильной оснастки. Более того, для управления кристаллизацией структуры металла в форме могут быть спроектированы полости для установки металлических пластин или холодильников, максимально подробно повторяющие геометрию отливки. Таким образом, благодаря 3D-печати, перед литейщиками больше не стоит вопрос, о том "как" получить отливку. В разумных пределах все стало возможно!
Следующим весомым преимуществом применения 3D-принтеров является сокращение циклов конструкторской и технологической подготовки производства металлических отливок до 3–10 раз благодаря отсутствию этапов, связанных с разработкой, изготовлением и доработкой модельной оснастки. 3D-модель создается непосредственно с назначенными припусками на механическую обработку, заложенными литниково-питающими и газоотводными каналами, а также рассчитанным 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 незаменимым помощником, который решает эту задачу быстрее и экономически эффективнее.
В предыдущем абзаце, наконец, в первый раз было упомянуто, что 3D-принтер, способен справиться с задачей не только технологически лучше, но и экономически выгоднее. Это не пустые слова. 3D-печать позволяет получать более высокое качество 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 значительно лучше, но, дабы не вводить всех металлургов 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 изделие, становится более приятным!
ВЫПЛАВЛЯЕМЫЕ… А НЕТ, ТЕПЕРЬ УЖЕ ГОВОРЯТ "ВЫЖИГАЕМЫЕ" МОДЕЛИ!
Размерная точность отливок всегда была ключевым показателем, по которому можно было оценить работу литейного цеха. До сих пор одной из наиболее точных считается технология литья в оболочковые формы по выплавляемым моделям. Она в основном применяется, когда нужно получить сложные по форме отливки с высоким классом чистоты поверхности. Данная технология используется при производстве ответственных 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! Принципиально технология не стала новой, металл все также заливается в образовавшуюся после удаления модельного состава полость в керамической или гипсовой форме. Основная суть заключается в изменении подхода к получению той самой пресловутой восковки. В табл.1 приведено поэтапное сравнение получения отливок по двум – выжигаемому и выплавляемому – методам. 3D-печать имеет три основных преимущества. Во-первых, от 2 до 5 раз сокращается время, необходимое для отработки технологии литья конкретного изделия. На принтере изделие получается непосредственно по 3D-модели, которая за считанные часы создается в CAD-редакторе c назначенными припусками. На промышленном предприятии сейчас, конечно, никто не вырезает восковые модели вручную. В основном их отливают в металлические 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 технологическими этапами разработки, изготовления и доработки оснастки. Речь идет как о металлических разъемных формах, которые надо вырезать на фрезерах, так и о мастер-моделях для получения 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, приходится утолщать стенки модели, что выливается в увеличение последующей механической обработки, от которой как раз и старались уйти, ведь не зря технология относится к категории "точного" литья. Выжигаемые модели, полученные на 3D-принтере, намного прочнее. Температура их тепловой деформации выше, поэтому они не станут пластичными знойным летом в душном цехе. Технология поэтому и носит название литье по "выжигаемым" моделям, так как они выгорают при температурах, которые значительно выше, чем у горячей воды для вытапливания. Сам процесс выжигания занимает больше времени, поскольку требует последующего охлаждения формы, дабы не возникло трещин при удалении продуктов горения. Затрачиваемое время аналогично тому, которое тратится на прокаливание 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 выжигаемых моделей и полученных отливок. Изготовить изделие такой сложной геометрии из парафина будет крайне трудно. Частично проблему можно решить путем сборки модели из составных частей, но это всегда чревато погрешностями и повышением требований к точности. Да и сделать это могут только специалисты с золотыми руками, которых также тяжело найти на предприятии, 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, экономия на последующей механической обработке может оправдать даже повышенный риск при литье.
В настоящее время многие предприятия успешно осваивают технологию литья по газифицируемым моделям, специалистам известная просто как ЛГМ. Основой данной технологии служит пенополистирол. Для изготовления модели гранулы полистирола "задувают" в алюминиевые многоместные пресс-формы. Далее модель нагревают до 120°С для вспенивания и склеивания гранул. Здесь встает вопрос о скорости изготовления пресс-форм, как в случае с литьем по выплавляемым моделям. Модель можно получить и другим методом, вырезая ее нихромовой проволокой из цельного куска пенополистирола на станке с ЧПУ. Тут встает вопрос не только о скорости производства, но и об уровне сложности, который достигается за счет всего лишь трех осей. Получившуюся модель покрывают огнеупорным материалом и помещают в опоку для создания песчаной оболочки вкруг нее. Для этого подходят только вибростолы с двумя направлениями уплотнения – горизонтальным и вертикальным. Металл льют непосредственно на модель, металл вследствие высокой температуры, испаряет материал 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 оборудования. Как можно видеть из приведенного описания, сравнивать технологии литья по выжигаемым 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 подходит 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-глинистых (ПГС) или холодно-твердеющих смесей (ХТС). Сейчас все предприятия используют фрезеры по дереву или несколько пар рук модельщиков для решения этой задачи. Но почему переход на 3D-печать должен принеси какую-то пользу, ведь зоны построения маленькие, строительные материалы дорогие, а скорость построения не такая уж и большая? Это во многом было справедливо, когда речь шла о 3D-принтерах для спекания металлических порошков. Существуют принтеры, работающие с пластиком. Они позволяют создавать изделия длиной более двух метров со скоростью несколько тысяч кубических сантиметров в час по приемлемой себестоимости. Более подробно эти системы будут описаны позже. Не забываем и о том, что 3D-принтеры помогут сократить расход строительного материала и время построения, просто-напросто делая полую оснастку. Также установки могут работать без обязательного присутствия оператора 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 производстве на данный момент является наиболее целесообразным. Веская причина этому – отсутствие проблемы с сертификацией. Предприятиям в большинстве случаев не требуется сертифицировать 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 преимущества использования аддитивных технологий при различных способах литья рассмотрены. Самое время обратиться к анализу того оборудования, которое позволяет получать все представленные здесь плюсы.
ОБЗОР РЫНКА – СМОТРИМ МОЛЧА И ЗАВИДУЕМ…!
Название этого раздела, к большому сожалению, не шуточное. В России действительно нет отечественных 3D-принтеров, которые могли бы успешно использоваться для модернизации литейных цехов. Как и во многих других областях, нам остается делать только то, что мы хорошо умеем – повернуть голову в сторону запада и смотреть, что могут предложить Европа и Америка. 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 основателями. Так получилось, что патенты, полученные каждой компанией после начала самостоятельной деятельности, защищали не столько технологию, сколько перечень материалов, с которыми можно было работать (табл.2). Так ExOne выпускает 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 разровненного слоя материала посредством связующей жидкости, которая выпрыскивается из многочисленных сопел, находящихся в основании печатной 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 использовать 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 внешнем рынке систем, работающих с песком. До этого времени фактически монополистом рынка был ExOne. С другой стороны, модели из полиметилметакрилата, после того как инфильтруются воском, могут быть использованы для литья в оболочковые формы, так как легко выжигаются. Получается, что каждый производитель закрывает 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 действительно потрясающая. С такой производительностью 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 которых можно видеть на рис.4. Они могут за один цикл или давайте по привычке назовем "установ", создавать изделия габаритами до 4 Ч 2 Ч 1 м или 8 м2. Возможности поистине грандиозные. Но фактически на этом заканчиваются плюсы технологии BJ. Сейчас речь пойдет даже не об этих комплексах – ведь они созданы фактически в единичных экземплярах и используются в основном самими производителями в виду баснословной стоимости. В табл.2 можно увидеть сравнительную характеристику самых популярных установок, выпускаемых данными производителями. Технические возможности выглядят действительно впечатляюще, даже несмотря на то, что скорость построения у серийных моделей в разы ниже. Вся картина портится, как только взгляд спускается до строки с ценами. После падения курса рубля летом 2014 года рассчитывать экономическое обоснование целесообразности приобретения установок стало практически невозможно ввиду несоизмеримо больших капитальных издержек. Проблема еще и в том, что установки работают только с расходными материалами зарубежного производства. Это сильно повышает операционные расходы. К примеру, к системам S-Print и S-Max требуется специальный песок и жидкости – активатор и клеящий состав (фурановые 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 забиваться. Эти манипуляции не только времязатратные, но еще требуют существенных финансовых вложений. И главное – эти технологии тоже относят к двойному назначению. Уже были проблемы не только с ввозом оборудования и проведением ПНР, но даже расходных материалов из-за наложенных 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 Россия, упустила прорыв в области промышленной 3D-печати и только судорожно пытается нагнать лидеров рынка. Намного более интересная ситуация наблюдается на рынке Китайской Народной Республики. Аддитивные технологии были поставлены одним из приоритетов развития промышленности Китая еще в начале 2000-х годов. Следуя своим любимым путем, китайские производители начали делать реплики с купленных на Западе установок. Но благодаря своевременно полученному финансированию смогли продолжить развитие самостоятельно. В некоторых случаях они даже обгоняли европейские и американские компании. Так, фирма Wuhan Binhu Mechanical & Electrical Co. Ltd первая в мире выпустила установку селективного лазерного спекания (SLS) с четырьмя одновременно работающими лазерами. Производитель специализируется именно на проектировании оборудования для решения литейных задач. Предлагаемые им системы работают по технологии SLS, которая подразумевает отверждение порошкового материала под воздействием энергии лазера. Схема работы идентична той, которая применяется при сплавлении частиц металла (SLM). В данном же случае используются менее мощные лазеры – до 100 Вт, которые не деформируют частицы материала, а именно спекают их края между собой. Технология имеет три несомненных преимущества.
Первая из них – мультизадачность, или универсальность. Лазерное спекание позволяет выпускать не только формы и стержни из песка с отвердителем, но также работать с порошковым полистиролом и полиамидом. Из полистирола 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 крепкая модельная оснастка, которая дополнительно может быть покрыта эпоксидной смолой для увеличения срока службы.
Второе преимущество – низкая эксплуатационная стоимость. Используемые источники – CO2-лазеры – имеют минимальный срок службы от 30 000 до 45 000 рабочих часов. Даже при эксплуатации по 24 часа в сутки без остановки каждый рабочий день в течение года лазер будет функционировать от 5 до 7,5 лет гарантированно без замены.
Третье преимущество новой технологии – упрощенная адаптация материалов. Универсальность заключается не только в возможности использовать различные материалы, но также и в отсутствии 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, поставляемых 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 вероятность 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 перебоев с поставкой материалов и капризностью установок, они простаивают большую часть времени. Кроме того, они не могут похвастаться такой универсальностью. Одна система HPRS может заменять целый комплекс оборудования, начиная от формовочной линии, заканчивая фрезерным станком по дереву. Такой мультизадачный 3D-принтер закрывает сразу множество потребностей в литейном цеху и решает насущные проблемы при литье в землю, кокиль и оболочковые формы. Не маловажную роль здесь играет цена, которая с учетом всего дополнительного к 3D-принтерам оборудования от 2 до 3,5 раз ниже, чем у западных производителей, в том числе еще и потому, что оно номинируется в долларах США, а не в евро. Ну и конечно, союзное Российской Федерации государство никак не ограничивает ввоз и использование таких технологий в нашей стране.
Сейчас знатокам аддитивных технологий самое время начать задаваться вопросом, почему не было ни слова сказано о возможности создания 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 преимущества 3D-печати для литейных производств, позволяющие повысить эффективность их работы. Был проведен сравнительный анализ существующих на рынке технологий и оборудования. Но главной мыслью, которая обязательно должна остаться по завершении прочтения статьи, является возможность изготовления реальных конечных изделий с помощью 3D-принтеров. Метод получения отливок не подлежит сертификации и, значит, после механической обработки они могут стать деталями для работы в ответственных отраслях, таких как авиация или нефтегазовый сектор. Именно для литейного производства 3D-принтеры будут приносить самый ощутимый эффект в России в ближайшем обозримом будущем.
Уже в который раз это не конец! Быстрое прототипирование ждет своего часа!
■
Продолжение. Начало см. ФОТОНИКА, т.12, №2 (70), 2018, с. 222–238. М.О.Макаров. Промышленные 3D-принтеры –
дорогие "игрушки" или реальный путь модернизации
машиностроения в России? –
DOI: 10.22184/1993–7296.2018.70.2.222.238.
[1] Продолжение. Начало см. ФОТОНИКА, т.12, №2 (70), 2018, с. 222–238. М.О.Макаров. Промышленные 3D-принтеры –
дорогие "игрушки" или реальный путь модернизации
машиностроения в России? –
DOI: 10.22184/1993–7296.2018.70.2.222.238.
Отзывы читателей
