Себестоимость изделий, изготовленных методом селективного лазерного спекания

УДК 678.5

Щербаков А.В., Рыбкин М.А., Аристов В.М., Николаева Н.Ю.

СЕБЕСТОИМОСТЬ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЕКАНИЯ

Щербаков Александр Валентинович, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс; Рыбкин Владимир Александрович, магистрант 1 года кафедры технологии переработки пластмасс; Аристов Виталий Михайлович, д.физ.-мат.н., профессор, заведующий кафедрой технологии переработки пластмасс;

Николаевна Наталья Юрьевна, к.х.н., доцент кафедры экономики.

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия

125047, Москва А-47, Миусская пл., 9

Селективное лазерное спекание является важным направлением аддитивных технологий. В статье приведено описание технологии селективного лазерного спекания, а также область ее применения. В работе предложена методика расчета себестоимости изделий, изготовленных методом селективного лазерного спекания.

Ключевые слова: аддитивные технологии, селективное лазерное спекание, 3Б-принтер, себестоимость.

THE COST PRICE OF PRODUCTS MANUFACTURED BY SLS

Shcherbakov A.V., Rybkin V.A., Aristov V.M., Nikolaeva N.Yu. D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia

Selective laser sintering is an important direction of additive technologies. The article describes the technology of selective laser sintering, as well as the field of its application. In this paper, we propose a technique for calculating the cost of

Особенность описываемого метода состоит в том, что за один цикл можно изготовить несколько изделий различного объема и геометрии.

Используют 3D-принтер на базе технологии СЛС для получения прототипов, мастер-моделей, а также формообразующих вставок литьевых форм [2]. Прототипы изготавливают для оценки внешнего вида и эргономичности конструкции детали, проверки удобства монтажа и демонтажа сборного изделия, корректировки рабочих и технологических зазоров, проверки работоспособности изделия и для получения образцов изделий для презентаций. Если не целесообразно производить опытную серию изделий, то прототипы используют как мастер-модели для изготовления эластичных силиконовых форм, при помощи которых можно отлить изделия из полиуретановых композиций, имитирующих ТПМ (термопластичные материалы). Инженерные фирмы предлагают изготавливать технологией СЛС формообразующие литьевых форм [2] для литья пилотных серий деталей из штатного ТПМ, что дает преимущество перед силиконовыми формами.

Существующие методики расчета себестоимости в полимерном машиностроении применимы для расчета однотипных изделий, выпускаемых серийно, но для технологии СЛС не применимы.

Для оценки себестоимости изделий, изготавливаемых методом СЛС, предлагается методика расчета, составленная в соответствии с описанной методикой Дувидзона для расчета себестоимости литьевого изделия [3].

Прежде чем приступить к расчету, необходимо определить ключевые параметры, а именно объем изделий, их количество и время, затрачиваемое на процесс спекания изделий. Требуемые параметры

products manufactured using selective laser sintering.

Keywords: additive technology, SLS, 3D printer, cost price.

Селективное (выборочное) лазерное спекание (СЛС) является важным направлением аддитивных технологий, потому что позволяет быстро получить изделия сложной формы на основе цифровых данных.

Протекает процесс изготовления по следующей схеме: сначала наносится тонкий слой термопластичного порошка на поверхность рабочей платформы с помощью ракеля или специального ролика (в зависимости от конструкции SD-принтера). Затем лазерный луч выборочно очерчивает участок слоя порошка в соответствии с сечением SD-модели в текущем слое. В процессе воздействия лазера, происходит спекание частиц порошка и формирование слоя будущего изделия. После спекания участка слоя, рабочая платформа опускается вниз с шагом, соответствующем толщине слоя. Далее цикл повторяется до получения готового изделия [1]. Схема SD-принтера представлена на рисунке 1 [1].

Фсжусирующие линзы

Р О > р 3 Е> и vi ft-} 1 я г t. порошка

Подача порошка

Падемжное дно лпа~\ подачи

порошка

Поршень

Подвиааюе дно рабочей xeue-pu

Поршень

Рис. 1. Схема 3D-принтера по технологии СЛС

можно найти при помощи САПР. Далее приступаем к расчету.

Во-первых, необходимо рассчитать затраты на изготовление 1 см3 изделий за один цикл работы 3D-принтера Со.

= V

со =

CT

^ 1 )

где Сслс - стоимость машинного времени 3D-принтера, руб/ч;

Tc - время, затрачиваемое на процесс спекания, ч;

Vui - объем /-го изделия, см3;

Nui - количество штук i-ых изделий.

Стоит пояснить, что под i-ым изделием понимают такое изделие, которое относится к одной группе, имеющей общие характеристики, такие как объем, геометрическая форма и т.д.

Далее рассчитаем величину стоимости спекания Сс/.При расчете стоимости изделий, изготовленный методом СЛС, предпочитают оценивать себестоимость с привязкой к единице объема детали. Таким образом величину стоимости спекания Сс рассчитывают по формуле

cci = VuCo,

где Vui - объем i-го изделия, см3;

Со - затраты на изготовление 1 см3 изделий за один цикл работы 3D-принтера (руб/см3).

Затем рассчитаем стоимость затрат на материал См/. Стоимость затрат на материал, зависит от таких параметров, как масса изделия mi и стоимость g 1 кг материала. При подготовке 3D-принтера к повторному циклу изготовления имеют место потери материала. Причина кроется в конструкции принтера, а именно в его рабочей платформе. Материал попадает в уплотнения рабочей платформы и перед повторной эксплуатацией его необходимо оттуда удалить. Осуществляют удаление порошка при помощи промышленного пылесоса. Подобные потери материала тп необходимо учесть. Учитывая все выше перечисленное, выражение для оценки стоимости затрат на материал имеет вид

CMi (

m.,, + m.

i)

где тиI - доля потерь материала, приходящихся на одно изделие, кг.

Так как в исходных параметрах нет массы изделий, то подставим в выражение (3) известную формулу т=¥р. Получим:

CMi =

Долю потерь материала, приходящихся на одно изделие рассчитаем по формуле:

^ \

Для того чтобы SD-принтер изготовил изделия, необходимо написать задание для исполнительного механизма. Исходные SD-модели перед составлением управляющей программы необходимо конвертировать в формат STL (от Stereo Lithography). После чего поверхность трехмерных моделей представляет собой набор смежных треугольников (полигонов) (рис. 2). Результат конвертирования не всегда удовлетворительный, даже если исходная SD-модель не имела дефектов. Возникают такие ошибки как зазоры в STL-файле, обращенные нормали, перекрывающиеся ячейки и др. [4]. Оператору необходимо затрачивать время на исправление этих недостатков. Необходимость в исправлении заключается в том, что, например, при такой ошибке как зазор в STL-файле, в процессе наращивания изделия в слоях с ошибками может произойти выход лазера за границы сечений, что, в свою очередь, приводит к спеканию всего слоя порошка за пределами ограничивающего контура сечения трехмерной модели в области построения. Оператор приступает к написанию управляющей программы только после устранения всех ошибок в ЗБ-моделях.

Рис. 2. Представление поверхности посредством триангуляции

3D-принтеры на базе технологии СЛС имеют ограниченный ассортимент марок материалов, так же поверхность, получаемых изделий имеет выраженную шероховатость. В зависимости от ориентации в рабочей камере, толщины слоя, профиль поверхности изделия может иметь выраженную ступенчатость (рис. 3) [4].

Рис. 3. Ступенчатый вид кривой поверхности

Выше описанные недостатки не всегда удовлетворяют требованиям заказчика, поэтому приходиться производить дополнительную обработку.

Для устранения ступенчатости обычно используют грунтовку или шпаклевку, но подобная обработка влечет за собой изменение геометрических размеров, что должно предварительно согласовываться. Выбор цвета материала ограничен, для придания изделию требуемого окраса, его необходимо окрашивать. При использовании изделий для демонстрации, стоит учитывать, что изделия из полиамида, изготовленные методом СЛС, склонны к загрязнению поверхности. Покраска изделия проблему не устраняет, поэтому на поверхность перед покраской наносят грунтовку. Выше перечисленное требует определенных навыков и денежных затрат.

Дополнительные затраты рассчитывают по формуле

С + С

С — пд^ до

УЖ

,

где Спд - затраты на подготовку данных исполнительного механизма оператором, руб.;

Сдо - затраты на пост-обработку, руб.

Себестоимость г-ого изделия включает в себя три составляющих стоимости и рассчитывается по формуле:

С — С . + С + Сг,

иг мг сг дг7 V '

где Смг - стоимость материала, расходуемого на г-ое изделие;

Ссг - стоимость спекания, приходящееся на г-ое изделие;

Сдг - дополнительные затраты на подготовку данных исполнительного механизма и пост-обработку, приходящееся на изделие.

Подставим в выражение (7) формулы (1), (2), (4) -(6) и получим полную себестоимость изделия:

Сш — К + К, ) + КС о +

Таким образом, разработана методика расчета себестоимости полимерных изделий методами селективного лазерного спекания.

Список литературы

1. Султанова Ф.Р., Нам И.Э., Мирзахакимов С.Б. Технология селективного лазерного спекания (SLS) // Международный журнал Инновационная наука. — 2016. — № 10-2. — С. 119-121.

2. Бояринцев А.В., Дувидзон В.Г., Подсобляев Д.С. Быстрое изготовление пилотных серий деталей из термопластичных полимерных материалов // Полимерные материалы. — 2013. — № 6. — С. 4-9.

3. Дувидзон В.Г. Принципы модернизации литьевого производства изделий из полимерных материалов // Полимерные материалы. — 2016. — № 6. — С. 32-37.

4. Шишковский И.В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. — СПб.: Питер, 2016. — 400 с.