Эффективность применения аддитивных технологий для изготовления литьевых форм и при подготовке производства изделий из термопластичных полимерных материалов

УДК 678.02:66.095.2: 681.7.022.2

Эффективность применения аддитивных технологий для изготовления литьевых форм и при подготовке производства изделий из термопластичных полимерных материалов

Е. И. Яблочников, А. А. Грибовский, А. В. Пирогов

Описан опыт применения аддитивных технологий при разработке сложной формообразующей литьевой оснастки. Приведен перечень базовых аддитивных технологий. Отмечены значение и эффективность совместного применения систем компьютерного моделирования и аддитивных технологий. Рассмотрена возможность применения аддитивных технологий для визуализации расчетов, получаемых в CAE-системах, а также изготовления элементов литьевых форм из полимерных материалов или из металлических порошков.

Ключевые слова: аддитивные технологии, CAD/CAM/CAE-системы, литье под давлением термопластичных полимерных материалов, литьевые формы, силиконовые заливочные формы, формообразующие детали, конформные системы охлаждения литьевых форм.

Введение

Проведенные исследования предприятий [1], занятых производством сложной литьевой оснастки, показывают явную их заинтересованность в применении новых видов технологического оборудования и систем автоматизированного проектирования. Более 60 % респондентов считают, что это позволит им успешно конкурировать с иностранными производителями и повысить прибыльность своих предприятий. Для абсолютного большинства отечественных инструментальных производств аддитивные технологии — это технологии нового класса. Несмотря на то что они уже получили широкое распространение в разных отраслях промышленности понимание всего инженерно-технического и экономического многообразия, пока не сложилось. Опрос [1] показывает, что необходимо длительное время для изменения уже сложившихся бизнес-процессов на предприятиях.

Изготовление литьевых форм является трудоемким и дорогостоящим процессом. Получение качественного изделия из термопластич-

ного полимерного материала (ТПМ) в литьевой форме зависит от большого количества факторов: геометрии изделия, технологических свойств полимерного материала, режимов переработки материала. Повышение требований к внешнему виду и эксплуатационным характеристикам изделий с одновременной их миниатюризацией обусловливает применение новых видов материалов, усложнение формы, использование большого спектра контрольно-измерительных приборов. Необходимость внесения множества изменений как в конструкцию изделия, так и в конструкцию литьевой формы требует итерационного подхода при разработке технологии производства изделий из ТПМ. Использование традиционных технологических методов при изготовлении опытных образцов и малых серий изделий уже не позволяет предприятиям оставаться конкурентоспособными — главным образом из-за длительных сроков подготовки производства. Применение аддитивных технологий на разных этапах проектирования и производства изделий из ТПМ может существенно изменить данную ситуацию.

новые материалы и технологии производства

Общие сведения

Аддитивные технологии основаны на использовании способов изготовления изделий, при которых выполняется «добавление» формообразующего материала в отличие от «удаления» материала из заготовки, что характерно для механообработки. Особенность данной технологии основана на том, что не требуется выполнения предварительного трудоемкого процесса технологической подготовки производства (ТПП). Изделия сложной геометрической формы создаются непосредственно по компьютерной трехмерной модели (3D-модель) в течение нескольких часов на установках быстрого прототипирования [2, 3]. Такое современное оборудование позволяет формировать изделия из различных материалов (пластмассы, керамика, металл и др.) путем их послойного выращивания. Использование специальных материалов-имитаторов позволяет создавать единичные действующие (рабочие) модели изделий для отработки их функциональных возможностей, конструкции, эргономики, собираемости. Аддитивные технологии часто используют для получения изделий с возможностью их дальнейшей обработки, покраски или полировки рабочих поверхностей.

К базовым аддитивным технологиям, получившим в настоящее время широкое распространение, относят:

• SLS (Selective Laser Sintering — селективное лазерное спекание) — получение изделий из порошкообразных материалов;

• SLA (Stereolithography Apparatus — сте-реолитография) — послойное выращивание изделия путем отверждения фотополимера лучом лазера;

• Inkjet (трехмерная струйная печать) — послойное склеивание порошкообразных материалов специальным клеевым составом; технология позволяет получать как цветные трехмерные изделия из крахмальных порошков, так и формы для литья металлов на основе керамических порошков;

• LOM (Laminated Object Modeling — послойное построение из пленочных материалов) — склеивание слоев (фольги, бумаги в рулонах) под действием локального нагрева или с использованием клея;

• FDM (Fused Deposition Modeling) — по-

слойное нанесение нагретой до высокоэластичного состояния нити из специальных марок ТПМ (например, из ABS-пластика);

• Polyjet (послойное отверждение фотополимерных материалов ультрафиолетовой лампой) — нанесение слоев с использованием печатающей головки, содержащей множество сопел; формируемые изделия обладают высокой точностью;

• EBM (Electron Beam Melting — создание изделий путем расплавления порошкового материала) — технология применяется для производства изделий из металлических порошков и характеризуется более высокой скоростью построения по сравнению с технологией LENS;

• LENS (Laser Engineered Net Shaping — создание изделий путем спекания порошкового материала лазерным лучом) — применяется для производства изделий из металлических порошков и характеризуется более высокой точностью построения по сравнению с технологией EBM.

При изготовлении формообразующих деталей (ФОД) литьевых форм в качестве основных технологий целесообразно использовать LENS, EBM и PolyJet. Эти технологии, основанные на различных физических методах и применении различных материалов, позволяют формировать изделия с разной сложностью при высокой точности. Поэтому актуальной задачей является разработка алгоритмов выбора аддитивных технологий в зависимости от геометрических параметров изделия, материала и размера партии. В связи с новизной и большой стоимостью необходимого технологического оборудования промышленные предприятия, как правило, обращаются за выполнением инжиниринговых услуг с использованием таких технологий в специализированные центры [5].

Современное оборудование, реализующее аддитивные технологии, обеспечивает точность до нескольких десятков микрометров, что позволяет в дальнейшем использовать полученный образец, например, в качестве мастер-модели при литье под вакуумом в силиконовые формы [5, 6]. Литье в силиконовые формы удачно дополняет аддитивные технологии, что позволяет рекомендовать их к использованию при производстве малых серий

МЕШПООБМБОТК|»

Экспериментальный комплект ФОД

Г \

Аддитивные технологии в процессе литья под давлением термопластичных материалов

ФОД и система охлаждения из металлов

Мастер-модели для литья в силиконовые формы

Рис. 1. Классификация аддитивных технологий при подготовке производства изделий из ТПМ

изделий из ТПМ. Применение этой технологии хотя и не обеспечивает высокую точность, но позволяет быстро получать их небольшие партии, что экономически выгоднее, чем изготовление таких партий на установках быстрого прототипирования [2, 3]. Например, используя прозрачные полиуретаны при литье в силиконовые формы, можно производить изделия оптического назначения [6, 7]. Используя одну силиконовую форму, можно получить от 10 до 40 отливок (в зависимости от сложности и типа материала-имитатора), при этом благодаря литью под вакуумом обеспечивается хорошая заполняемость даже форм со сложной геометрией. Таким образом, технология литья в силиконовые формы на основе мастер-моделей, полученных из прототипов (например, с применением аддитивных технологий SLA или PolyJet), является конкурентоспособной в сравнении с механообработкой и часто используется при изготовлении небольших партий изделий. Области применения аддитивных технологий при подготовке производства изделий из ТПМ показана ны рис. 1.

Применение аддитивных технологий

при проектировании и производстве

литьевых форм

При увеличении размера партии изделий из полимерных материалов литье в силиконовые формы становится неэффективным из-за нарастания затрат на создание и тиражирование

форм. Наиболее производительная технология получения деталей из ТПМ — литье под давлением, требующая решения большого комплекса задач по проектированию и изготовлению литьевых форм. Производство ФОД для литьевых форм — трудоемкий процесс. Для его реализации необходимы технологическая подготовка производства и изготовление не только самих ФОД и литьевой технологической оснастки в целом, но зачастую и оснастки второго порядка, например электродов для прошивной электроэрозионной обработки [6].

Перечислим основные этапы ТПП.

Проектирование технологического процесса (ТП) изготовления изделий из ТПМ литьем под давлением. На этом этапе производится обработка конструкции детали на технологичность, что может включать внесение достаточно существенных изменений в ее геометрию, изменение марки материала и большое количество итераций по их согласованию с разработчиком. По результатам этого этапа также определются требования к оснастке, литьевой машине и оборудованию, использующемуся для контроля качества.

Проектирование литьевой оснастки. Трудоемкость этого этапа обусловлена необходимостью формирования большого объема чертежно-графической документации, требует использования библиотек стандартных деталей и узлов оснастки, а также формирования заказа на покупные комплектующие. Этап выполняется с применением современных САБ/САЕ-систем.

Проектирование ТП сборки и изготовле-нтил изделий литьевой формы. На этом этапе разрабатываются управляющие программы для станков с ЧПУ для изготовления ФОД, а также программы контроля их качества с использованием координатно-измеритель-ных машин (КИМ). Программирование процессов обработки заготовок выполняется с использованием CAM-систем.

Изготовление ФОД и сборка литьевой формы. Здесь высокую трудоемкость имеют процессы обработки на станках с ЧПУ и контроль точности геометрических размеров на КИМ.

Проведение испытаний литьевой формы, получение и анализ пробных отливок. Испытания литьевой формы проводятся в цеховых условиях, что требует привлечения специалистов по литьевым машинам. Анализ результатов испытаний проводится группой экспертов (конструкторы, технологи) и требует использования большого спектра измерительных приборов для контроля заданных характеристик.

Существенное сокращение сроков получения требуемого результата возможно благодаря совместному использованию систем инженерного анализа (CAE-систем) и аддитивных технологий. Выполнение компьютерного моделирования позволяет более точно определить диапазон режимов литья, задаваемых при испытаниях и уточнить конструкцию формы на ранних стадиях проекта, что в результате уменьшит объем натурных испытаний и количество итераций.

Визуализация CAE-расчетов. Применение CAE-систем, с помощью которых моделируются процессы литья на этапе проектирования изделия и ФОД, позволяет выявить множество проблем и аспектов процесса изготовления, скорректировать технологический процесс и тем самым повысить производительность как процесса разработки, так и непосредственно процесса изготовления с одновременным снижением количества брака [7]. Результаты расчетов в CAE-системах обладают большой информативностью, которая выражается в виде графиков, таблиц и диаграмм. Но для начальных этапов производства (маркетинговые исследования, подготовка к производству и определение его целесообразности) необходим такой вид представления, который будет максимально нагляден для руководителей

проекта, маркетологов и других заинтересованных специалистов. Применение технологии InkJet (3DP) позволяет изготавливать наглядный трехмерный образец изделия (или ФОД) с полноцветным (16bit) представлением различных отклонений, напряжений или давлений, полученных из CAE-системы.

Изготовление конформных систем охлаждения. Возможности получения ФОД из полимерных материалов в настоящее время широко исследуются разработчиками и производителями изделий из ТПМ. В большей степени, освоенными при изготовлении ФОД (рис. 2) являются аддитивные технологии, основанные на спекании или сплавлении металлических порошков. В частности, они являются наиболее экономически выгодными при изготовлении литьевых форм с конформными системами охлаждения.

Применение конформных систем охлаждения ФОД литьевых форм позволяет максимально повысить эффективность системы охлаждения, т. е. сократить время цикла литья и улучшить качество изделий с большим разбросом толщин и со сложной геометрией. Эти системы охлаждения проектируются таким образом, что их контур эквидистантно повторяет геометрию отливаемого изделия и тем самым обеспечивает более равномерное ее охлаждение. Геометрия конформного канала охлаждения является намного более сложным геометрическим объектом,

Рис. 2. Гибридное изображение ФОД с внутренней конформной системой охлаждения: а — ФОД, выполненная в металле; б — 3D-модель

чем канал обычного охлаждения, соответственно его проектирование и изготовление являются задачами повышенной сложности. Использование подобного канала охлаждения позволяет создать равномерное тепловое поле (распределение температур в объеме или на поверхности нагреваемого или охлаждаемого тела) ФОД литьевой формы, в результате чего такие дефекты изделия, как коробление и остаточные напряжения могут быть устранены или существенно сокращены [8].

Проектирование подобных систем охлаждения ФОД литьевых форм невозможно без применения специализированных CAE-систем для анализа литьевых процессов. Например, используемая в описываемых исследованиях система Moldex3D [9] позволяет проанализировать эффективность работы системы охлаждения литьевой формы как по значению перепада температуры в разных частях отливки, так и по длительности цикла и оценить качество отливки. Использование результатов CAE-анализа и построение конформной системы охлаждения позволяют значительно уменьшить время цикла (по результатам Moldex3D на 30-40 %). Цикл охлаждения уменьшается за счет более сбалансированной системы охлаждения, позволяющей создать равномерное и быстрое охлаждение всего изделия [10]. Для создания стойкой к температуре и высокому давлению оснастки рекомендуется использовать аддитивные технологии EBM (электролучевая плавка) и LENS (спекание лазерным лучом). Применение данных

технологий позволяет создать ФОД из металла, что является ощутимым преимуществом по сравнению с ФОД, сделанными из фотополимера по технологии PolyJet. При этом время изготовления подобной оснастки по сравнению с обычными методами уменьшается до 60 % [11].

Изготовление ФОД. Характерной особенностью современного процесса проектирования и изготовления ФОД является итеративность, связанная с проведением многоуровневых испытаний, помогающих выявить проблемы и добиться производства изделия с требуемым качеством. При этом применение аддитивных технологий позволяет значительно снизить время подготовки к испытаниям. Использование аддитивных технологий на стадии технологической подготовки производства изделий позволяет не только визуально оценить ФОД литьевой формы, но и создать ФОД для производства реальных изделий из стандартного ТПМ в литьевой форме [12]. При этом испытания могут также быть выполнены за счет изготовления ФОД с использованием литья в силиконовые формы на базе технологии SLA (максимальная точность) или PolyJet (сочетание высокой точности с высокой скоростью изготовления). При применении созданных подобным образом ФОД необходимо учитывать не только возникающие внутренние напряжения в форме, связанные с давлением, но и температуру расплава, так как это может повлиять на деформацию формы и срок ее эксплуатации.

а)

б)

Рис. 3. Диаграммы распределения давлений в форме: а — при заполнении полости формы; б — при выдержке под давлением

Таким образом, на этом этапе могут быть получены опытные ФОД. В настоящее время используется небольшая номенклатура материалов, в качестве примера можно привести материал Digital ABS (Stratasys).

Наряду с оценкой температурных режимов на этапе проектирования литьевой формы целесообразно обратить внимание на возникающие напряжения внутри полости и проанализировать их. По теоретическим диаграммам распределения давлений при заполнении и выдержке, рассчитанным в CAE-системе, можно оценить поведение формы в результате оказываемого на нее давления (рис. 3, по оси X — процентная доля давления от максимально возможного, а по оси Y — давление расплава на форму, МПа). Данные диаграмм показывают возникающее давление в форме во время впрыска или выдержки. При этом можно сделать вывод, какое значение давления будет действовать на форму максимальное количество времени. На основе таких данных можно определить, справится ли форма с нагрузкой и какова предельная продолжительность цикла литья, при которой не произойдет необратимого нарушения геометрии формы или ее разрушение. Аналогично результаты анализа позволяют определить максимальную температуру расплава и оценить стабильность геометрии формы при таком нагреве.

Использование аддитивных технологий

в научно-исследовательских работах

Аддитивные технологии использовались при получении прототипов формообразующих деталей литьевой формы изделия «линза для инфракрасного спектра» в целях согласования и утверждения конструкции в рамках проводимого пилотного проекта на кафедре ТПС НИУ ИТМО. На рис. 4, а представлена трехмерная модель ФОД, выполненная в CAD-системе CATIA V5, на рис. 4, б — прототип ФОД, «выращенный» по технологии PolyJet на установке Eden350V, на рис. 4, в — ФОД из алюминиевого сплава, изготовленный на фрезерном станке с ЧПУ Primacon с использованием CAM-системы Cimatron, на рис. 4, г — отливка, полученная из поликарбоната в данной литьевой форме.

а) б)

_ —з* w

Рис. 4. Пример ФОД литьевой формы: а—в этапы проектирования и изготовления; г — опытный образец изделия

Указанное программное обеспечение и оборудование используется в НИУ ИТМО при проведении научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ.

Литература

1. Аюпова Р. И., Пелипенко А. Б. Современное состояние и тенденции развития отечественной инструментальной промышленности// САПР и графика. 2013. № 12. С. 30-32.

2. Грибовский А. А., Тамбовцева Н. А. Алгоритмы выбора технологий быстрого прототипирования для единичного и мелкосерийного производства изделий: Сб. тез. докл. конф. молодых ученых // Тр. молодых ученых. 2011. Вып. 2. / Под ред. В. О. Никифорова. С. 207-209.

3. 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.

4. Vikram Singh. Rapid Prototyping, Materials for RP and Applications of RP.// International Journal of Scientific & Engineering Research. 2013. Vol. 4, iss. 7. Р.473-480.

5. Консорциум системы и технологии [Электронный ресурс] / Аддитивные технологии в опытном литейном производстве. Технологии литья металлов и пластмасс с использованием синтез-моделей и синтез-форм. 2013. Режим доступа: http://www.ksystec.ru/download/ additiv_tech.pdf, свободный. Загл. с экрана. Яз. рус.

6. Gebhardt Andreas. Understanding Additive Manufacturing — Rapid Prototyping, Rapid Tooling, Rapid Manufacturing. Hanser Publishers. 2011.

7. Яблочников Е. И., Пирогов А. В., Васильков С. Д. Принципы проектирования литьевых форм для произ-

водства пилотных серий деталей оптических приборов из термопластичных полимерных материалов / / Соврем. машиностроение. Наука и образование: материалы 3-й Междунар. науч.-практ. конф. СПб.: СПбГПУ, 2013. С.409-417.

8. ETMM [Электронный ресурс] // A closer look at the advantages of conformal cooling. 2013. Режим доступа: http://www.etmm-online.com/machining_equipment/ articles/404359/?cmp=nl-229, свободный. Загл. с экрана. Яз. англ.

9. Яблочников Е. И., Брагинский В. А., Восоркин А. С.

Применение систем виртуального моделирования при выборе и проектировании полимерных композиционных материалов// Изв. вузов. Приборостроение. 2012. Т. 55, № 7. С. 75-80.

10. Moldex3D [Электронный ресурс] / Direct Metal Laser Sintering Technology Applications on Conformal

Cooling System Development. 2013. Режим доступа: http:// www.moldex3d.com/en/assets/2012/01/Direct-Metal-Laser-Sintering-Technology-Applications-on-Conformal-Cooling-System-Development.pdf , свободный. Загл. с экрана. Яз. англ.

11. Оборудование и инструмент [Электронный ресурс] // Технология селективного лазерного спекания. 2009. Режим доступа: http://www.informdom.com/ equipment/metall/article/1746/, свободный. Загл с экрана. Яз. рус.

12. American Society for Engineering Education [Электронный ресурс] / Sean Derrick. Feasibility of Rapid Injection Mold Tools, 2012. — Режим доступа: http://peo-ple.cst.cmich.edu/yelam1k/asee/ASEE_North_Central_ Section/Events_files/Extended% 20Abstracts/Derrick. pdf, свободный. Загл. с экрана. — Яз. англ. Дата обращения: 03.09.2013.

EXPO-RUSSIA Календарь мероприятий

6-Я МЕЖДУНАРОДНАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ ВЫСТАВКА «EXPO-RUSSIA ARMENIA 2014»

22-24 ОКТЯБРЯ 2014 Г.

ЕРЕВАН, АРМЕНИЯ

ДОМ ПРАВИТЕЛЬСТВА АРМЕНИИ

Тематика выставки: инвестиционные проекты, новейшие разработки в энергетике, машиностроении и автомобильной промышленности, геологии и горнодобывающей промышленности, химической промышленности, металлургии, медицине и фармацевтике, атомной энергетике, телекоммуникациях и связи, образовании, строительстве, агропромышленном комплексе и других отраслях промышленности.

5-Я ЮБИЛЕЙНАЯ РОССИЙСКО-КАЗАХСТАНСКАЯ ПРОМЫШЛЕННАЯ ВЫСТАВКА «EXPO-RUSSIA KAZAKHSTAN 2014»

ТРЕТИЙ АЛМАТИНСКИЙ БИЗНЕС-ФОРУМ

7-9 ИЮНЯ 2014 Г. АЛМАТЫ, КАЗАХСТАН

Тематика выставки: инвестиционные проекты, новейшие разработки в энергетике, машиностроении и автомобильной промышленности, геологии и горнодобывающей промышленности, химической промышленности, металлургии, медицине и фармацевтике, атомной энергетике, телекоммуникациях и связи, образовании, строительстве, агропромышленном комплексе и других отраслях промышленности.

Оргкомитет: ОАО «Зарубеж-Экспо», Москва, Пречистенка, 10 +7 (495) 721-32-36; 637-36-66, 637-36-33, 637-50-79 info@zarubezhexpo.ru www.zarubezhexpo.ru