Аддитивные технологии использования композитов при производстве горных машин

УДК 678

И.А. Волегжанин, В.Н. Макаров, Ю.В. Холодников

АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ

КОМПОЗИТОВ

ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ

ГОРНЫХ МАШИН

Рассмотрены известные аддитивные технологии для промышленного моделирования. Указана перспективность и востребованность данного вида моделирования для ускорения НИОКР в горном машиностроении с целью выпуска конкурентоспособной инновационной продукции. Предложены варианты патентоспособной аддитивной технологии с применением композиционных материалов, не имеющих аналогов и оформленных в заявки на изобретения в соответствии с требованиями действующего законодательства в области защиты интеллектуальной собственности. В качестве модельного материала предлагается использовать тонкую эластичную армирующую нить, пропитанную связующим, которое отверждается после послойной выкладки нити согласно компьютерной программе. Полученное изделие относится к композитам и характеризуется высокой прочностью, а применяемые материалы позволяют создавать продукты с запрограммированными свойствами (химстойкость, теплостойкость, износостойкость и т.п.) в широком диапазоне практического применения. Ключевые слова: аддитивные технологии, композиты, НИОКР, горное машиностроение, патентоспособное техническое решение.

Разработка нового вида изделия в горном машиностроении — длительный и трудоемкий процесс, требующий проведения большого объема научно-исследовательских, опытно-конструкторских и экспериментальных работ, до того момента, как будет организован серийный выпуск изделия. Современные системы компьютерного проектирования (CAD) позволяют значительно сократить затраты времени и средств на разработку и конструирование новых изделий. Однако проблема изготовления первого физического образца, а также отдельной детали для изделий сложной формы или целого рабочего узла машины или механизма, остается наиболее узким местом процесса создания нового вида изделий, поскольку разработка

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 6. С. 32-38. © 2017. И.А. Волегжанин, В.Н. Макаров, Ю.В. Холодников.

технологии изготовления детали и соответствующей оснастки зачастую требует физических и материальных затрат, превосходящих стоимость разработки самого изделия. При этом следует учитывать также время и трудозатраты на доводку первого опытного образца до уровня серийной продукции.

При работе над новым техническим проектом, особенно на стадии НИОКР и рабочего проектирования, зачастую бывает трудно выявить различные ошибки и недостатки, используя только компьютерную графику. Имея реальную физическую модель будущего изделия можнорассмотреть варианты исполнения, выявить и устранить дефекты конструкции, скорректировать пути продолжения процесса проектирования, проверить взаимодействие элементов конструкции и т.п. Прототип будущего изделия можно использовать в качестве концептуальной модели для визуализации и анализа принятых конструктивных решений. Он позволит проектировщикам выполнить доработку и провести некоторые функциональные тесты. Кроме того, размерная модель изделия служит мастер-моделью при проектировании и изготовлении технологической и инструментальной оснастки. И наконец, прототип целесообразно использовать в рекламных и маркетинговых целях, а также при разработке технологии изготовления и определении стоимости изготовления, а в глобальном плане — прототип сокращает время выхода нового продукта на рынок, что имеет определяющее значение в плане обеспечения его конкурентоспособности и востребованности.

Именно поэтому, в конце 1980-х годов начали интенсивно развиваться технологии формирования трехмерных объектов (моделирование) не путем удаления «лишнего» материала (точение, фрезерование, сверление и т.п.) или изменения формы заготовки (прессование, штамповка, литье и т.п.), а путем постепенного наращивания материала или изменения фазового состояния вещества в заданной области пространства. На данный момент времени существенных успехов достигли технологии послойного формования трехмерных объектов по их компьютерным образцам. Эти технологии получили название — технологии быстрого прототипирования ^Р — RapidPrototyping), в современной технической лексике — аддитивные технологии [1].

Организация ASTM занимающаяся разработкой отраслевых стандартов, разделяет 3D-аддитивные технологии на 7 типов [2]:

1. Выдавливание материала. В точку построения модели по подогретому экструдеру подается пастообразный рабочий мате-

Модели, построенные с применением аддитивных технологий

риал, представляющий собой смесь полимерного связующего и металлического порошка. Построенная сырая модель помещается в печь для того, чтобы удалить связующее и спечь порошок. Эта технология реализована под марками MJS — MultiphaseJet Solidification (многофазное отверждение струи); FDM — Fused DepositionModeling (моделирование методом послойного направления рисунок, б); FFF — FusedFilamentFabrication (способ наплавления нитей).

2. Разбрызгивание материала. Например, в технологии Polijet воск или фотополимер по многоструйной головке подается в точку построения, где отверждаясь создает заданную пространственную конструкцию. Эта аддитивная технология также называется MJM — Multi Jetting Material.

3. Разбрызгивание связующего. К ним относятся струйные Ink-Jet-технологии впрыскивания в зону построения не модельных материалов, а связующего реагента (технология аддитивного производства ExOne).

4. Соединение листовых материалов. Модельный материал представляет собой полимерную пленку или металлическую фольгу или листы бумаги и т.п. Тонкие листы из металла свариваются ультразвуком (технология Fabrisonik), после чего излишки металла удаляются фрезерованием. В данном случае, аддитивная технология применяется в сочетании с субстрактивной.

5. Фотополимеризация в ванне. Данная технология использует жидкие модельные материалы — фотополимерные смолы. Примером могут служить SLA — технология компании 3DSystems и DLP — технология компаний Envisiontec, DigitalLightProcession.

6. Плавка материала в заранее сформированном слое. Используется в SLS-технологиях, использующих в качестве источника энергии лазер (рисунок, а) или термоголовку (SHS — компании Blueprinter).

7. Прямое подведение энергии в место построения. Материал и энергия для его плавления поступают в точку построения модели — одновременно. Энергия поступает в виде сконцентрированного пучка электронов (Sciaky) или луча лазера (POM, Optomek).

К сожалению, 3D принтеры промышленного класса в России не выпускаются. Этому есть объективное объяснение, связанное с провалом промышленного производства и свертыванием научных работ в период т.н. «перестройки», как раз в период зарождения и расцвета аддитивных технологий. В настоящее время ведутся разработки в «Росатоме», лазерном центре МГТУ им. Баумана, университете «Станкин», Политехническом университете Петербурга, Уральском федеральном университете.

Подобная ситуация с расходными материалами. Лидером разработки порошков и порошковых композиций в России является ВИАМ. Ведутся разработки по материалам и в других научных организациях страны, но все они пока не способны удовлетворить даже небольшой спрос отечественных потребителей в 20 т порошка в год.

Следует отметить существенный, на наш взгляд, недостаток отечественных разработок в области оборудования, средств и материалов для аддитивных технологий, все они в той или иной степени копируют западные образцы и опираются на открытые источники информации, которые не раскрывают новых, перспективных наработок и достижений. Это и понятно, отсутствует материальная база производства и недостаточное финансирование НИР по рассматриваемой тематике.

При подобном развитии ситуации мы обречены на роль вечно догоняющих. Катастрофически не хватает собственных наработок, прорывных технических решений, квалифицированных кадров и современной исследовательской и экспериментальной базы.

Тем не менее, авторы статьи рискнут предложить ряд идей в области аддитивных технологий, не имеющих аналогов и оформленных в заявки на изобретения в соответствии с требованиями действующего законодательства в области защиты интеллектуальной собственности. Суть предлагаемых решений проста и на наш взгляд очевидна, а следовательно реализуема и перспективна!

Существующие аддитивные технологии основаны либо на спекании дисперсных материалов или отверждении термопластичных материалов (FDM), либо на селективном спекании

металлических порошков (SLS). В первом случае изделие получается хрупким, во втором — в изделии накапливаются внутренние напряжения, вызванные термическим градиентом процесса лазерного спекания, кроме того процесс спекания связан с деструкцией состава порошка.

Мы предлагаем в качестве модельного материала использовать тонкую эластичную нить (стекло, угле, органо- и т.п.) пропитанную связующим, которое отверждается после послойной выкладки нити согласно компьютерной программе. В результате модель имеет композитную основу, где связующее — это матрица композита, нить — армирующий материал и не исключается вариант применения различных функциональных наполнителей в виде металлических или не металлических (органических, неорганических) порошков, улучшающих эксплуатационные свойства изготавливаемого изделия. Всего мы рассматриваем более десяти вариантов изготовления предлагаемой аддитивной технологии. Экспериментальное моделирование предлагаемой технологии изготовления изделий показало ее работоспособность и возможность быстрой реализации. Полученное изделие относится к композитам и характеризуется высокой прочностью, а применяемые материалы позволяют создавать продукты с запрограммированными свойствами (химстойкость, теплостойкость, износостойкость и т.п.) в широком диапазоне практического применения.

Авторы надеются, что предпринимаемые правительством страны меры по поддержке инновационного направления развития научно-технического вектора промышленного производства, не оставят без внимания предложенный нами путь развития аддитивных технологий. Во всяком случае, здесь нам пока нет конкурентов, а, следовательно, есть шанс занять лидирующие позиции и освоить выпуск конкурентоспособной наукоемкой продукции в интересах страны.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Валетов В. А. Аддитивные технологии. Состояние и перспективы. - СПб.: Университет ИТМО, 2015. - 63 с.

2. ГОСТ 27380-87. Стеклопластики профильные изоляционные, 1989.

3. Зленко М. А., Нагайцев М.В, Довбыш В.М. Аддитивные технологии в машиностроении. — М.: Нами, 2015. — С. 209.

4. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. — М.: Техносфера, 2016. — 656 с.

5. Шишковский И. В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. — СПб.: Питер, 2015. —348 с.

6. Зленко М. А., Попович А. А., Мутылина И. Н. Аддитивные технологии в машиностроении. Учебное пособие. — СПб.: СПбГУ, 2013. — 221 с.

7. Пластик для 3D печати поддержки HIPS [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://250041.ua.all.biz/plastikdlya-3d-pechati-podderzhki-hips-g8707738 (дата обращения: 19.01.2017).

8. Моделирование методом наплавления [Электронный ресурс]. -Режим доступа: http://can-touch.ru/blog/fuseddeposition-modeling (дата обращения: 19.01.2017).

9. Выборочное лазерное спекание [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://3dtoday.ru/wiki/SLS_print/ (дата обращения: 20.01.2017).

10. Обзор производителей расходных материалов для FDM 3D-принтеров [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://geektimes.ru/ post/231299/ (дата обращения: 20.01.2017).

11. Литунов С. Н., Слободенюк В. С., Мельников Д. В. Обзор и анализ аддитивных технологий. Часть 1 // Омский научный вестник. — 2016. — № 1 (145). - С. 12-17.

12. Технологии лазерного аддитивного производства металлических изделий [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://geektimes.ru/ post/218271/ (дата обращения: 21.01.2017). ЕИЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРАХ

Волегжанин Иван Александрович1 — аспирант,

Макаров Владимир Николаевич1 — доктор технических наук,

профессор, e-mail: mnikolay84@mail.ru,

Холодников Юрий Владимирович1 — кандидат технических наук, генеральный директор, ООО «СКБ Мысль», 1 Уральский государственный горный университет.

UDC 678

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 6, pp. 32-38. I.A. Volegzhanin, V.N. Makarov, Yu.V. Kholodnikov

ADDITIVE TECHNOLOGY

USE OF COMPOSITES

MINING MACHINERY PRODUCTION

This article describes the known additive technology for industrial modeling. It contains the prospect and demand for this type of modeling to accelerate research and development in mining engineering in order to produce competitive innovation products.

Variants of the inventive additive technology with the use of composite materials which are unique and decorated in the application for the invention in accordance with the applicable legislation in the field of intellectual property protection.

As a material model is proposed to use thin flexible reinforcing yarn impregnated with a binder that is cured after layered yarn laying according to the computer program. The resulting product relates to composites characterized by high strength and allow the materials

to create products with programmed properties (chemical resistance, heat resistance, wear resistance, etc.) over a wide range of practical applications.

Key words: technology of additive manufacturing, composites, R &d, mining engineering, patentable technical solution

AUTHORS

Volegzhanin I.A.1, Graduate Student,

Makarov V.N.1, Doctor of Technical Sciences, Professor,

e-mail: mnikolay84@mail.ru,

Kholodnikov Yu.V.1, Candidate of Technical Sciences, General Director, LLC «SDO THOUGHT», Ekaterinburg, Russia, 1 Ural State Mining University, 620144, Ekaterinburg, Russia.

REFERENCES

1. Valetov V. A. Additivnye tekhnologii. Sostoyanie i perspektivy (Additive technologies. Status and prospects), Saint-Petersburg, Universitet ITMO, 2015, 63 p.

2. Stekloplastikiprofil'nye izolyatsionnye. GOST27380-87(Shaped insulation fiberglass. State Standart 27380-87), 1989.

3. Zlenko M. A., Nagaytsev M.V, Dovbysh V. M. Additivnye tekhnologii v mashinos-troenii (Additive technologies in machine engineering^, Moscow, Nami, 2015, pp. 209.

4. Gibson Ya., Rozen D., Staker B. Tekhnologii additivnogo proizvodstva. Trekhmer-naya pechat', bystroe prototipirovanie i pryamoe tsifrovoe proizvodstvo (Additive production technologies. 3D printing, rapid prototyping and direct digital production), Moscow, Tekhnosfera, 2016, 656 p.

5. Shishkovskiy I. V. Osnovy additivnykh tekhnologiy vysokogo razresheniya (Principles of high-resolution additive technologies), Saint-Petersburg, Piter, 2015, 348 p.

6. Zlenko M. A., Popovich A. A., Mutylina I. N. Additivnye tekhnologii v mashinostroe-nii. Uchebnoe posobie (Аддитивные технологии в машиностроении. Educational aid), Saint-Petersburg, SPbGU, 2013, 221 p.

7. Plastik dlya 3Dpechatipodderzhki HIPS, available at: http://250041.ua.all.biz/plas-tikdlya-3d-pechati-podderzhki-hips-g8707738 (accessed: 19.01.2017).

8. Modelirovanie metodom naplavleniya, available at: http://can-touch.ru/blog/fused-deposition-modeling (accessed: 19.01.2017).

9. Vyborochnoe lazernoespekanie, available at: http://3dtoday.ru/wiki/SLS_print/ (accessed: 20.01.2017).

10. Obzor proizvoditeley raskhodnykh materialov dlya FDM 3D-printerov, available at: http://geektimes.ru/post/231299/ (accessed: 20.01.2017).

11. Litunov S. N., Slobodenyuk V. S., Mel'nikov D. V. Omskiy nauchnyy vestnik. 2016, no 1 (145), pp. 12-17.

12. Tekhnologii lazernogo additivnogo proizvodstva metallicheskikh izdeliy, available at: http://geektimes.ru/post/218271/ (accessed: 21.01.2017).