Аддитивные технологии в машиностроении

В конце XX — начале XXI века зародилось аддитивное (иногда называют быстрое или цифровое) производство — совокупность технологических процессов, основанных на изготовлении деталей путём послойного «выращивания» из различных материалов: порошковых пластиков, порошковых металлов, жидкостей, композитов и др. Быстрое производство позволяет выпускать единичные сложные изделия гораздо дешевле, чем при традиционном производстве, при этом экономически оправданным становится производство малых и даже средних серий.

Демонстрация главе Правительства РФ Д. А. Медведеву 3D-принтера «Альфа-2», разработанного специалистами холдинга «Станкопром» и Центра технологической компетенции аддитивных технологий (г. Воронеж)

Технология быстрого производства подразумевает изготовление физических образцов на основе данных CAD-файлов или других параметров (например, данных 3D-сканирования) с использованием оборудования 3D-послойного синтеза без применения технологической оснастки и практически не нуждающихся в последующей доработке. В мире аддитивное производство уже перестало быть «зарождающейся технологией», а стало ведущей промышленной инновацией.

Перечислим основные тенденции развития современного производства:

• расширение номенклатуры изготавливаемых изделий;

• существенное сокращение сроков поставки;

• возможность к экономически обоснованному переходу от массового к мелкосерийному и индивидуальному производству;

• снятие технологических ограничений на сложность деталей и узлов (изготовление деталей недоступных для существующих технологий);

• возможность удовлетворения индивидуальных потребностей единичного заказчика (кастомизация);

• экономия площадей;

• экономия труда;

• сокращение производственного цикла;

• снижение требований к квалификации рабочих;

• снижение себестоимости при малых партиях;

• экономия электроэнергии.

Ракетное сопло с пористой структурой, имитирующее трабекулярную костную ткань, выполнено по технологии послойного сплавления металлических порошков с помощью электронно-лучевой системы EBM фирмы Arcam

Все эти задачи в будущем поможет решить развитие технологий аддитивного производства, преимущество которого выражается в следующем:

• переход от массового производства к массовой кастомизации (возможность удовлетворения как можно большего числа индивидуальных заказчиков);

• сокращение производственных издержек, отсутствие длинных технологических переделов, не требуется содержание большого парка технологического оборудования;

• возможность создания изделий со сложной или даже невозможной в обычном производстве конфигурацией;

• отсутствует необходимость использования технологической оснастки;

• резкое повышение гибкости производства, нет необходимости переналадки оборудования под новое изделие, достаточно просто загрузить новую 3D-модель;

• полная автоматизация процесса, весь производственный процесс проходит в автоматическом режиме без дополнительных технологических операций со стороны оператора;

• возможность децентрализации производства и организации дистанционного управления — для запуска производства нет необходимости личного присутствия оператора, можно удалённо отправить 3D-модель по сети интернет, а затем лишь забирать готовые партии изделий;

• значительное уменьшение объёма отходов;

• влияние на качество получаемых изделий за счет улучшения качества используемых материалов (дисперсность и. т.д.).

За рубежом данной отрасли уделяется большое внимание: создаются центры развития аддитивных технологий, проводится постоянная работа по совершенствованию физико-химических параметров и повышению эксплуатационных характеристик производимой продукции. Уже сегодня изделия, изготовленные методами послойного синтеза, активно используются в различных отраслях. Таким образом, очевидно появление нового вида производства, обладающего неоспоримыми преимуществами по сравнению с традиционным, и от степени его освоения зависит не только технологическая независимость государства, но и его безопасность.
Россия продолжает отставать в технологическом плане, и это отставание носит длительный системный характер. Однако, изучив опыт конкурентов, в том числе негативный, не повторяя их ошибок, при наличии инвестиций РФ вполне может выйти в лидеры в аддитивных технологиях.

Кронштейн для реактивного двигателя выполнен с помощью 3D печати в рамках соревнования компаний GE и GrabCAD. Оригинальный кронштейн весил 2033 г. Победителю удалось уменьшить его массу почти на 84 %, т. е. до 327 г.

В России развитие аддитивных технологий сегодня осуществляется по следующим основным направлениям:

—  организация собственных инженерно-производственных центров и отделов в структуре крупных промышленных предприятий строго для своих нужд;

—  создание инженерных центров, кафедр и лабораторий на базе научно-исследовательских институтов и технических университетов;

—  организация частных коммерческих фирм, оказывающих услуги по изготовлению изделий на заказ.

Однако организации, работающие в данной отрасли, действуют сами по себе, не придерживаясь единой стратегии и решают при этом узкоспециализированные задачи, не охватывая всего спектра проблем, среди которых можно выделить:

—  отсутствие позитивного опыта внедрения в промышленности,

—  отечественные разработки технологий и оборудования находятся на начальном уровне, требуется проведение ряда дополнительных НИОКР,

—  отсутствие опыта проектирования изделий, изготавливаемых аддитивными методами, с обеспечением их функциональных свойств,

—  нехватка квалифицированного персонала,

—  отсутствие разработанных и готовых к промышленному применению мелкодисперсных порошков (20–50 мкм), являющихся исходным материалом для установок послойного синтеза;

—  отсутствие стандартов на используемые материалы, технологии изготовления и методов контроля производимой продукции;

—  отсутствие системы сертификации аддитивных технологических процессов и получаемой в результате продукции.

Для успешного развития аддитивных технологий в машиностроении, необходимо использование в полной мере их потенциала и преимуществ за счет объединения компетенций промышленных, научно-исследовательских и коммерческих структур вокруг головной организации (например, холдинговой компании АО «Станкопром»). При этом необходимо проведение единой научно-технической и производственной политики, переход на принципы системного подхода, и организация стратегического управления процессами создания, развития, внедрения и применения данных технологий.

Еще в начале 2015 года «Станкопром» подготовил и направил на утверждении в Минпромторг РФ план мероприятий, дорожную карту по развитию отрасли аддитивных технологий как приоритетного направления науки, технологий и техники Российской Федерации, продолжает вести работу с одной из самых крупных организаций «Центром технологической компетенции аддитивных технологий» (ОАО «ЦТКАТ») г. Воронеж, в части привлечения заказов на конечные изделия от предприятий ГК «Ростех».

Второе направление работы АО «Станкопром» в сфере развития АТ — формирование проектных консорциумов, ориентированных на внешние и внутренние рынки и состоящих в том числе из крупных компаний с государственным участием — потребителей аддитивных технологий, ведущих высших учебных заведений и исследовательских центров, инжиниринговых компаний, малых и средних предприятий, производящих продукты и технологические решения в сфере аддитивных технологий (Протокол № 5 заседания президиума Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России от 16 сентября 2014 г). Мы считаем, что будущее за консорциумами, т. к. они объединяют в себе индустриального партнера (заказчика на конечные изделия), производителя материалов (порошков) и предприятия, где будут изготавливаться конечные изделия, одним словом АТ под ключ. Это соответствует п. 2 поручений Президента РФ от 14.07.2015 г. № Пр‑1363 о включении в подпрограмму мероприятий, направленных на развитие перспективных и принципиально новых видов станкоинструментального оборудования.

В качестве системной инициативы АО «Станкопром» провел работу в части создания проектных консорциумов по аддитивным технологиям. Было рассмотрено более 14 проектов, в том числе: 4 проектных консорциума представляются готовыми к созданию и выполнению работ, имеются документальные подтверждения на спрос и готовность к промышленному освоению результатов со стороны промышленных партнеров; 4 проектных консорциума имеют большой потенциал реализации при нахождении промышленных партнеров.

Третье направление работы — это разработка отечественных 3D принтеров для промышленных целей. Проектная организация АО НИПТИ «Микрон», входящая в периметр АО «Станкопром» обладает такими компетенциями и имеет соответствующий опыт.

Четвертым направлением является производство отечественных материалов (порошков). АО «Станкопром» периодически принимает участие в совещаниях Минпромторга РФ, где обсуждается серийное изготовление изделий из отечественных материалов (порошков) и отработка технологии спекания отечественных материалов, пока еще на импортном оборудовании. Среди отечественных производителей материалов, с кем сотрудничает АО «Станкопром» можно отметить ВИЛС, ОАО «Электромеханика», ИПЛИТ РАН, ФГУП «ВИАМ», ОАО «ПОЛЕМА» и др.

Основная цель — это импортозамещение и отработка технологий спекания изделий из отечественных металлических порошков вышеперечисленных производителей материалов. Вся работа направлена на снижение стоимости поставки за 1 кг (в пределах 2500–5000 рублей за 1 кг в зависимости от марки материала).

Пятым, немаловажным направлением, является обеспечение возможности подбора и отработки технологических процессов спекания (изготовления) изделий из отечественных порошков на промышленных 3D-принтерах. Это значительное преимущество, но и кропотливая работа, требующая времени по отработке процессов спекания и изготовления изделий. Например, только для предварительной отработки технологий спекания и изготовления тестовых образцов (испытания прочностных, структурных и эксплуатационных характеристик) требуется не менее 50–60 кг отечественного порошка, при этом высота заполнения камеры составляет порядка 100 мм.

Подводя итог проделанной за этот короткий период времени работы, АО «Станкопром» считает, что для успешного внедрения аддитивных технологий в машиностроении и максимального использования их потенциала требуется переход на принципы системного подхода и организация стратегического управления, включающего в себя:

1.  Объединение компетенций научно-исследовательских, промышленных и коммерческих (пользователей технологий) организаций с целью проведения единой научно-технической политики.

2.  Формирование базы данных потребностей предприятий различной отраслевой принадлежности в изделиях, обладающих расширенными функциональными характеристиками, в части возможности использования аддитивных технологий.

3.  Формирование базы данных используемых материалов и потребности в разработке новых видов материалов.

4.  Разработка принципов, методик и стандартов проектирования изделий с учетом внедрения аддитивных производственных процессов.

5.  Создание специализированного программного обеспечения для разработки изделий сложной геометрии, изготавливаемых аддитивными методами.

6.  Разработка технологических решений, объединяющих различные методы изготовления изделий, в т. ч. аддитивные. Объединение традиционных методов обработки с нетрадиционными.

7.  Организация системы сертификации и стандартизации изделий, технологий и материалов для аддитивного производства.

8.  Разработка методик метрологического контроля и испытаний образцов изделий, изготовленных послойным синтезом.

9.  Разработка и серийное производство оборудования для изготовления материалов.

10.  Разработка и серийное производство перспективных полимерных, композитных, керамических, металлических и интерметаллидных материалов.

11.  Разработка гаммы отечественного оборудования послойного синтеза и организация его серийного производства.

12.  Организация сети центров коллективного пользования аддитивных технологий.

13.  Организация профильного обучения на базе вузов.

В будущем развитие аддитивных технологий будет происходить в части технологических решений, объединяющих различные методы изготовления изделий, в т. ч. аддитивные. Уже сегодня многие компании на выставках по станкостроению представляют оборудование, сочетающее в себе получение заготовок аддитивным способом с последующей механической обработкой. Над этой задачей также работает научно-исследовательский институт ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», входящий в контур АО «Станкопром». Перед ним стоит задача разработать такое оборудование.

Все вышеперечисленное будет иметь место в случае, если в рамках Государственной программы Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» на период до 2020 года будет сформирована и профинансирована подпрограмма «Аддитивное производство» и заложены необходимые инвестиции.
 

Кукушкин Валерий Алексеевич, главный специалист Функции науки, инжиниринга, инновационного развития и разработки стандартов эксплуатации станочного парка и инструмента АО «Станкопром»

Источник: Журнал АТ №1'2017, стр. 20-23
 

Теги: 

аддитивное производство, послойное выращивание, порошковый пластик, порошковый металл, 3D принтер, Альфа-2, Станкопром, Центра технологической компетенции аддитивных технологий, 3D сканирование, послойный синтез, послойное сплавление, Arcam, 3Dмодель, АМ

Другие материалы:

 

Внимание!
Принимаем к размещению новости, статьи или пресс-релизы
со ссылками и изображениями. info@additiv-tech.ru