АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ТОЧНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 621.77.04

Д.Ю. Финогеев, О.П. Решетникова

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОМ ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕТАЛЕЙ ТОЧНОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Аннотация. В статье рассмотрены наиболее востребованные технологии аддитивного производства деталей предприятиями точного машиностроения. Описаны экономико-статистические данные рынка аддитивных технологий в мире.

Ключевые слова: аддитивные технологии, аддитивное производство, трехмерная печать

D.Yu. Finogeev, O.P. Reshetnikova

ADDITIVE TECHNOLOGIES IN MODERN PRODUCTION OF PRECISION MACHINE BUILDING PARTS

Abstract. The article considers the most popular technologies for additive production of parts by precision engineering enterprises. Economic and statistical data of the market of additive technologies in the world are described.

Keywords: additive technologies, additive manufacturing, 3D printing

ВВЕДЕНИЕ

Появление «трехмерной печати» и широкое распространение цифровых технологий способствовали становлению аддитивных технологий в различных областях промышленности. На сегодняшний день данные технологии выходят на пик своего развития. Ученые проводят множество исследований по совершенствованию технологий аддитивного производства (АП). Разрабатываются международные стандарты.

Растущее применение аддитивных технологий по сравнению с устоявшимися методами объясняется рядом преимуществ:

- изготовление объектов (деталей) сложной геометрии с высокой точностью;

- высокая экономия материала;

- большой выбор материалов;

- высокая повторяемость деталей;

- получение более легких конструкций без потери прочностных характеристик;

- экономия производственных мощностей.

Применение аддитивных технологий получило наиболее широкое распространение в промышленных и исследовательских отраслях. Возможности технологии АП востребованы на всех этапах производства детали, начиная с создания прототипов готовых деталей или изделий и заканчивая ремонтом конкретных узлов оборудования.

КЛАССИФИКАЦИЯ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

В настоящее время выпущен ряд международных стандартов, устанавливающих терминологию и определения, общие принципы применительно к деталям, получаемым методом АП, требования к материалам, контроль качества и т. д.

Данные стандарты разработаны техническим комитетом F42, состоящим более чем из 600 экспертов из 25 стран мира, созданным совместно двумя организациями: «ASTM International» (American Society of Testing Materials) и «ISO» (International Organization for Standardization).

Так, комитет сформировал классификацию аддитивных технологий, состоящую из 7 групп (таблица) [1]:

1. Material extrusion - выдавливание материала;

2. Material Jetting - разбрызгивание материала, струйные технологии;

3. Binder jetting - разбрызгивание связующего;

4. Sheet lamination - соединение листовых материалов;

5. Vat photopolymerization - фотополимеризация в ванне;

6. Powder bed fusion - расплавление материала в заранее сформированном слое;

7. Directed energy deposition - прямой подвод энергии непосредственно в место построения.

Классификация аддитивных технологий ISO / ASTM52900-15[1]

Группа Технология Исходный материал Источник энергии Особенности

Material Extrusion Fused Deposition Modeling (FDM) Contour Crafting Термопластики, керамические суспензии, металлические пасты Термическая энергия Невысокая стоимость установок; использование нескольких материалов

Material Jetting Polyjet/Inkjet Printing Фотополимеры, воск Термическая энергия/фотоотверждение Печать из различных материалов; высокое качество поверхности

Binder Jetting Indirect Inkjet Printing (Binder 3DP) Полимерные порошки, керамические порошки, металлические порошки Термическая энергия Необходимость пропитки изделий после их построения; широкий выбор материалов; высокая пористость изделий

Sheet Lamination Laminated Object Manufacturing Металлические листы, полимерные пленки, Лазерный луч Высокое качество поверхности; необходи-

Группа Технология Исходный материал Источник энергии Особенности

(LOM) керамические ленты мость удаления остатков материала

Vat Photopoly-merization Stereolithography (SLA) Фотополимеры, керамики (оксиды А1, 2г, пьезокерамики) Ультрафиолетовый лазер Высокая скорость построения; высокая точность изготовления; высокая стоимость исходных материалов

Powder Bed Fusion Selective Laser Sintering (SLS) Полиамиды, полимеры Лазерный луч Высокая точность изготовления; высокая плотность изделий; использование поддержек

Direct Metal Laser Sintering (DMLS) Металлические и керамические порошки

Selective Laser Melting

Electron Beam Melting (EBM) Электронный луч

Directed Energy Deposition Laser Engineered Net Shaping (LENS) Electron Beam Welding (EBW) Металлические порошки и проволоки Лазерный луч, электронный луч Возможность ремонта изделий; создание функционально-градиентных изделий; низкое качество поверхности

ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ РЫНКА АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Журнал Wohlers Report приводит данные о рынке технологий АП по всему миру, так за 2019 год рынок индустрии составил $11,867 млрд, что по сравнению с прошлым годом больше на 21,2% [2]. Суммарные затраты производителей оборудования на новые разработки и расходы на НИОКР составили 38,6 % от доходов за 2019 года, что по сравнению с 2018 годом больше 10 % [2]. Представленные экономические показатели демонстрируют востребованность аддитивных технологий на рынке.

По опросу французской компании Sculpteo [3] респондентов машиностроительного сектора, в 2020 году 68 % стремятся использовать АП для решения большего круга задач в рамках своего производства, 44 % стремятся внедрять технологии за счет использования аутсорсинга. Это позволяет компаниям сократить расходы на обслуживание оборудования, а сэкономленные средства направить на финансирование исследований новых технологий. В опросе приняли участие 1600 респондентов из 71 страны.

Статистика, приведенная после опроса, показала наиболее используемые технологии АП среди машиностроительных предприятий. Рейтинг используемого оборудования популярных методов получения изделий представлен на рис. 1.

FDM SLA SLS / SLM DMLS Binder 3DP EBM

Рис. 1. Диаграмма использования оборудования технологий АП

МЕТОДЫ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

ТОЧНЫХ ДЕТАЛЕЙ В МАШИНОСТРОЕНИИ

Исходя из статистики, приведенной выше, рассмотрим наиболее востребованные методы АП среди предприятий точного машиностроения.

«FDM» Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling) -технология, основанная на методе построения деталей (объектов) путем послойного наплавления термопластичных материалов. Деталь формируется на специальной адгезивной подложке, которая является областью построения. Материал (filament) для печати подается через экструдер, состоящий из привода подачи (feeder) и калибрующего элемента - сопла разных диаметров (рис. 2).

Рис. 2. Схема моделирования детали методом «FDM»

В качестве материалов используются всевозможные термопластичные пластики (PLA, ABS, PETG, NYLON, TPU и т. д.) и композиционные полимеры, которые бывают в виде калиброванных нитей, пасты и суспензии. Детали, получаемые с помощью печати, могут быть разными по своим характеристикам: твердыми, эластичными, износостойкими, термостойкими и т. д. Точность получаемой модели и технические характеристики напрямую зависят от материала, из которого производится построение детали. Толщина получаемого слоя от 0,3 до 0,6 мм и отклонения формы от 0,08 до 0,5 мм [4]. Некоторые принтеры позволяют печатать комбинированно. Например, печать двумя цветами или двумя разными пластиками (мягкий - твердый). Моделирование двумя материалами позволяет построить деталь с растворимыми поддержками. В этом случае в качестве второго пластика (вспомогательного) используют растворимый материал типа PVA, HIPS. Он удаляется в воде или специальной жидкости, что позволяет получить высокое качество поверхности детали и исключить постобработку.

Оборудование, работающее по технологии наплавления, приобрело большую популярность у производственных и научных организаций. Это обусловлено доступностью оборудования для печати и большим выбором материала. Также предприятия автомобильной, авиационной, аэрокосмической и других отраслей очень часто используют оборудование «FDM» в качестве «помощника» в проектировании. 3D принтер позволяет выполнить быстрое прототипирование деталей (узлов), что позволяет оптимизировать выполнение конструкторских и технологических задач.

«SLA» Лазерная стереолитография (Stereolithography) - технология фотополимеризации, является самой первой из всех видов аддитивных технологий. Принтер, работающий на основе метода стереолитографии, выращивает трехмерную модель посредством нанесения фотополимеризующегося материала на подвижную платформу (рис. 3).

Bai

Процесс лазерной полимеризации

Рис. 3. Схема выращивания детали методом стереолитографии

Изобрел и запатентовал эту технологию в 1983 г. американец Чарльз Хал (Charles Hull) [5]. Технология фотополимеризации позволяет получать высокоточные детали сложной формы без постобработки. Это достигается малой толщиной наносимого слоя (от 10 микрон), и свойств отверждаемого материала. Соответственно и шероховатость получаемых поверхностей очень низкая (Ra 0.02 - 0.08).

Оборудования данного класса внедряется на предприятиях, производящих высокоточные детали [6]. Фотополимерные материалы позволяют получать как готовые, так и промежуточные изделия производства. Например, технологией SLA можно получить: высокоточную мастер-модель детали для литья, тонкостенные корпусные детали микроприборов, мембраны (клапана) высокой точности.

Технология, до сих пор является очень перспективной. Постоянные разработки новых фотополимерных материалов позволяет получать больше деталей с разными техническими характеристиками.

«SLS/SLM» Селективное лазерное спекание/сплавление (Selective Laser Sintering/Melting) - технология метода заключается в спекании мелкодисперсного порошкового (керамического, полиамидного, BIO-совместимого, металлического) материала с помощью лазера (рис. 4).

Рис. 4. Схема построения детали методом селективного спекания

Процесс селективного лазерного спекания (сплавления), начинается с разогрева материала до температуры, близкой к плавлению, порошок подается в камеру построения и разравнивается валиком на толщину минимального слоя материала. Затем лазерный луч спекает слои порошка в необходимых участках по сечению слоя создаваемой детали, после чего происходит подача новой порции материала валиком, параллельно камера построения опускается на величину слоя. Цикл повторяется до полного построения детали. 68

Технология селективного лазерного спекания (плавления) позволяет получить высокоточные детали сложной геометрии, которые невозможно произвести традиционными методами. Точность объекта после печати в зависимости от используемого материала и пятна лазера составляет ±0,05 - 0,1 мм, шероховатость от Rz 30 - 50 мкм [7].

Изделия, созданные методом «SLS/SLM», имеют превосходные механические свойства: прочность, гибкость, высокую детализацию. Из минусов все произведенные детали требуют термической и механической постобработки [11].

«DMLS» Прямое лазерное спекание металлов (Direct Metal Laser Sintering) - технология функционально одинакова с «SLM». Главным отличие «DMLS» от «SLM» сводится к процессу связывания металлических частиц.

1. «DMLS » использует металлические сплавы порошков с низкой температурой плавления, частицы материала спекаются между собой, не переходя в жидкую фазу.

2. Процесс термонагрева камеры построения не столь агрессивен, как при печати методом плавления.

3. При построении методом прямого спекания не возникнуть внутренним напряжениям, так как при печати не происходит резкого перепада температур, как в технологии «SLM».

Из минусов: лазерное спекание уступает по запасу прочности и монолитности технологии селективного плавления металла.

«Binder 3DP» Струйное нанесение связующего (Indirect Inkjet Printing) - технология послойного нанесения связующего на порошковый материал. Кинематика движения частей станка схожа с методами «SLS/SLM».

Камера построения опускается при каждом слое, а валик наносит слой, затем печатающая головка наносит связующе. Толщина слоя от 50 до 100 микрон, материалом выступают песок, керамика и некоторые виды пластика.

Усадка после производства изделия составляет от 0,8 до 2% [8, 9]. Технология позволяет печатать изделия сложной формы из песчаных материалов, без последующей трудоемкой обработки.

Применение данной технологии распространено в автомобильной и авиационной промышленности. С помощью неё изготавливают формы для литья точных заготовок под давлением. Метод позволяет ускорить технологический процесс производства литьевых форм. Стандартный метод - от проектирования до производства - может занимать от 2 недель до месяца, а аддитивное производство позволяет получить готовую форму за 23 дня. Это большая экономия для производства не только по времени, но и по экономическим затратам на производство.

«EBM» Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting) - метод аддитивного производства изделий из металла. «EBM» схожа с селективным лазерным плавлением, но главное отличие заключается в использовании электронных излучателей (электронных пушек) вместо лазеров в качестве источников энергии (рис. 5). Технология позволяет производить детали высокой плотности и прочности.

Плавка материала производится в вакуумных камерах построения с использованием мощного излучателя, который позволяет работать с материалами, чувствительными к оксидации, например с чистым титаном или алюминием.

Технология получила применение в аэрокосмической отрасли. Она позволяет производить высокоточные детали реактивных и ракетных двигателей, несущих элементов конструкций летательных аппаратов [10].

Рис. 5. Схема построения детали методом селективного спекания

Электронно-лучевая плавка не требует последующей термообработки. Также не требует и механической обработки, так как высокая плотность электронного луча позволяет печатать деталь с хорошей точностью ±0,05 - 0,2 мм.

Низкий коэффициент спроса на оборудование электронно-лучевой плавки обусловлен высокой стоимостью относительно других схожих методов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Применение АП позволяет с высокой эффективностью получать детали нормальной и высокой точности в очень короткие сроки. Представленные технологии позволяют улучшать качество производственных технологических процессов путем снижения трудоемкости, повышения качества продукции, снижения расходов и повышения экологичности, что впоследствии позволяет снизить затраты и повысить эффективность работы производства на предприятии.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ISO / ASTM52900-15, Standard Terminology for Additive Manufacturing - General Principles - Terminology, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2015, [Электронный ресурс] URL: www.astm.org (дата обращения 29.10.2020).

2. 3D printing and additive manufacturing industry status, Wohlers Report, Inc., 2020 [Электронный ресурс] URL: https://wohlersassociates.com/2020report.htm. Имеется печатный аналог.

3. The State of 3D printing, 6th edition of the largest study of the Additive Manufacturing industry, Sculpteo, 2020 [Электронный ресурс] URL: https://www.sculpteo.com/en/ebooks/state-of-3d-printing-report-2020 / (дата обращения 29.10.2020).

4. Зеленко М.А., Нагайцев М.В., Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении // пособие для инженеров. М.: ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 2015. 220 с.

5. Lipson H., Kurman M. Fabricated: The new world of 3D printing. John Wiley & Sons Limited, 2013. 320 с.

6. Лазерная стереолитография: состояние и перспективы / С.В. Камаев, М.А. Марков, А.Н. Никитин, М.М. Новиков // Аддитивные технологии. 2018. № 4. С. 44-48.

7. Раевский Е.В., Цыганкова А.Л. Технология лазерного спекания металла вышла на новый уровень промышленного применения // Аддитивные технологии. 2016. № 1. С. 13-15.

8. Рихарев М. Цифровая аддитивная линейка // Аддитивные технологии. 2020. № 3.

9. Бычковский Д.Н., Неткачев А.Г. Производство литейных форм методом послойной печати // Аддитивные технологии. 2018. № 4. С. 12-15.

10. Boissonneault T. Metal AM Focus 2020 // Additive manufacturing industry: metal. 3D Printing Media Network, 2020. 27 c.

11. Злобина И.В., Бекренев Н.В. Исследование влияния ультразвуковой пропитки на физико-механические характеристики армированных углеродными волокнами полимерных композиционных материалов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2020. № 2 (85). С. 72-78.

С. 18-26.

СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРАХ

Финогеев Даниил Юрьевич -

студент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

Daniil Yu. Finogeev -

student, Department of Control Systems Technology in Mechanical

Решетникова Ольга Павловна -

кандидат технических наук, доцент

Olga P. Reshetnikova -

PhD (Technical Sciences), Associate Professor, Department of Control Systems Technology in Mechanical

кафедры «Технология и системы управления

в машиностроении» Саратовского государственного технического

Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov

университета имени Гагарина Ю.А.