Применение металлов в машиностроении: аддитивные технологии

Современное машиностроение активно применяет в производстве высокие технологи. Особенно перспективным направлением считают аддитивные, или 3D-технологии. Одной из первых, в 1989 году, их начала применять компания BMW в производстве деталей для своих автомобилей.

Что такое аддитивные технологии

Что такое аддитивные технологии? Если объяснять простыми словами, — это послойное изготовление объекта, например, детали, из особого материала — пластика или металла. Начинается производство с 3D-моделирования или создания эскиза в программе CAD. Затем из недорогого материала, например, дерева или дешевого пластика, создают уменьшенную копию будущей детали. После того как копия проходит проверку, начинается печать изделия. Принтер по эскизу выращивает деталь буквально слой за слоем. Эти слои накладываются друг на друга до тех пор, пока не будет создан трехмерный объект, полностью соответствующий параметрам модели. Аддитивное производство позволяет создавать детали с любой, даже самой сложной геометрией, чего не могут обеспечить традиционные методы производства.

На сегодня уже разработано несколько групп технологий 3D-печати, они постоянно совершенствуются и дорабатываются:

SLM – cелективное лазерное плавление металлического порошка по предварительно изготовленным на компьютере CAD-моделям;
FDM – метод послойного наплавления с применением пластиковой нити или гранул, это самая доступная аддитивная технология, чаще всего ее применяют для печати бытовых изделий или тестовых моделей;
SLA – лазерная стереолитография, основана на послойной обработке жидкого фотополимера лазером, в результате чего фотополимер отвердевает;
DLP/LCD – методы стереолитографической 3D‑печати: фотополимерную смолу засвечивают УФ‑проектором или светодиодной ультрафиолетовой матрицей;
SLS – селективное лазерное спекание полимерных порошков, с его помощью получают детали сверхсложной формы с уникальной гибкостью и термостойкостью;
MJP – многоструйное моделирование с помощью фотополимерного или воскового материала.

Кроме того, существуют гибридные технологии, при которых заготовка сначала формируется в 3D-принтере, а затем дополнительно обрабатывается механическим способом на одном станке, без перемещения детали на другое место. Таким способом удобно производить крупные объекты, размеры которых достигают нескольких метров или ремонтировать части деталей и конструкций. Совместить можно почти все операции. Например, фрезерование и послойное наращивание, когда машина поочередно фрезерует каждый нарощенный слой. Такая обработка сводит возможные ошибки от капельного осаждения материала к минимуму. Еще один вариант гибридных технологий — прокатка и полировка в сочетании с 3D-печатью. С помощью прокатки достигают большей точности размеров и снижают остаточные напряжения материала.

Материалы для работы

Современное машиностроение до сих пор работает в основном с металлом – большинство изделий в отрасли производится из металлов и их сплавов. Для использования в аддитивном производстве пригодны практически все классы металлических материалов, в том числе на основе никеля и кобальта, алюминия, стали, титана. Сталь, например, отличается высокими механическими свойствами, повышенной рабочей температурой, из нее обычно изготавливают функциональные детали и инструмент. Точно также используют кобальтовый и алюминиевый сплавы. А никелевые и титановые сплавы металлов в машиностроении применяют для аэрокосмической отрасли.

Огромным шагом вперед стала разработка металлических аэрогелей, легких и прочных материалов, которые состоят и металлических наночастиц, равномерно распределенных в массе из силикона или карбида кремния. Это пористые материалы, полости занимают до 99,8% их объема, а плотность составляет 1 — 150 кг/м³. По сути, их плотность сравнима с плотностью воздуха, и это делает аэрогели самыми легкими твердыми материалами. При этом они имеют высокую тепло- и электропроводимость и отличные механические свойства.

Еще один современный материал — это алюминиевые пены. Они тоже обладают низкой плотностью, поскольку состоят из частиц алюминия и большого количества газовых пузырьков. Из пены производят легкие и прочные конструкции в автомобильной и авиационной отраслях.

Для работы с металлическими материалами необходимы специальные 3D-принтеры. По программе импортозамещения в 2016 году российская компания АО «НПО «ЦНИИТМАШ» самостоятельно спроектировала и выпустила на рынок 3D-принтер MeltMaster3D–550 с самой большой для аналогичного российского оборудования рабочей зоной построения, ее размеры составили 540×440×440.

А в 2020 году АО «Лазерные системы» по заказу ПАО «Северсталь» был выпущен 3D-принтер М350 с рабочей площадью построения размером 350×350×350 и с двумя лазерами с возможностью перекрытия, способными работать одновременно.

Однако металлы — не единственные материалы, которые используют в аддитивных технологиях. Например, в автомобилестроении широко применяют пластики и фотополимеры.

Почему это выгодно?

Есть сразу несколько причин, по которым аддитивные технологии оказываются на порядок перспективнее и выгоднее, чем традиционные.

Во-первых, как уже было сказано, они позволяют изготавливать детали с геометрией практически любой сложности, включая сверхсложные.

Во-вторых, аддитивные технологии оптимизируют такие параметры как прочность и точность, а также дают возможность снижать массу изделия за счет супертонких стенок и внутренних каналов.

В-третьих, ускоряется производственный процесс и снижается его стоимость. В качестве примера можно привести расчеты стоимости бамперов на автомобиль Lada Granta с помощью аддитивных технологий и с помощью матричного производства.

Исходные условия: количество сотрудников — два человека, количество типов производимых деталей — один. Если опустить сложные расчеты, то можно свести полученные результаты в таблицу.

Таблица 1. Сравнение затрат на производство одной детали

№	Наименование статьи расходов	Количество затраченных средств, руб (аддитивные технологии)	Количество затраченных средств, руб (матричное производство)
1	Затраты на электричество	210	15
2	Затраты на аренду помещения	52	104
3	Амортизационные отчисления	49,5	400
4	Фонд технического обслуживания	62,5	125
5	Заработная плата сотрудникам	1000	1000
6	Закупка сырья	3000	3250
7	Брак	450	480
8	Затраты на окупаемость матрицы	0	100
9	Итого	4824	5474

После производства детали традиционным способом ее потребуется окрасить, что тоже добавит стоимости изделию.

В-четвертых, повышается рентабельность кастомизированной продукции, что особенно актуальной для автомобилестроения.

В-пятых, снижаются риски и ошибки проектирования. В конструкцию можно внести изменения буквально на всех его этапах.

Расчеты взяты из статьи Рукавишникова А.А. и Колесниковой А.Н. «Материалы для машиностроения. Аддитивные технологии в машиностроении» (В сборнике: Проблемы экономичности и эксплуатации автотракторной техники. Материалы XXXVI Международной научно-технической конференции имени В.В. Михайлова. Саратов, 2023. С. 269-280.).

Какие производства уже применяют аддитивные технологии в работе?

Машиностроительные компании в России активно интересуются внедрением у себя аддитивных технологий, понимая, что именно за ними — будущее. Российский рынок аддитивных технологий по объему, конечно, уступает мировому, по разным оценкам, он находится в диапазоне 4,5 — 4,7 млрд рублей.

Лидирует в применении аддитивных технологий корпорация «Росатом», ее предприятия оказывают услуги по печати для заказчиков по всей России.

Тихвинский вагоностроительный завод (НПК ОВК) первым в отрасли запустил 3D-печать элементов линейной модельной оснастки. Вес изделия, производимого принтером, достигает 150 кг, длина — до трех метров. Применение аддитивной технологии позволило сократить время производства до одной недели. Традиционный процесс путем механической обработки материала занимал до нескольких месяцев.

Пермский моторный завод «Авиадвигатель» применил технологию лазерного спекания еще в 2010 году для производства литых деталей по выжигаемым моделям, а в 2013 на предприятии запустели оборудование для полноценного выращивания металлических деталей. На производство одной детали, в зависимости от ее сложности, уходит от 6 до 40 часов. Завод использует титановые, кобальт-хромовые и стальные порошки.

КБ «Луч» использовало аддитивные технологии для создания беспилотника, узлы и детали машины были напечатаны на 3D-принтере за 30 часов. Весь процесс, от замысла до изготовления занял два месяца, хотя обычно такое производство требует нескольких лет.

В АО «АКБМ Африкантова» при Нижегородском машиностроительном заводе был собран и внедрен в производство собственный FDM-принтер, который закрывает текущие потребности компании.

Это далеко не все машиностроительные предприятия, которые внедряют у себя новые технологии, и со временем количество их будет только расти.

Что нужно, чтобы внедрять аддитивные технологии?

Внедрение аддитивных технологий на практике оказывает влияние на всю работу компании, от оптимизации расходных материалов до полной модернизации станочного парка и переобучения персонала. Это масштабная задача, и решить ее можно только при поддержке специалистов, деятельность которых напрямую связана с разработкой и поставкой на рынок промышленного аддитивного оборудования. Объединить свои усилия по внедрению или использованию аддитивных технологий, поделиться опытом и заключить контракты на производство или поставку оборудования производители и заказчики из сферы машиностроения могут на технологической бирже Tech Ex.

07.11.2024

Вернуться в новости