ЦРТ: услуги рентгеновской томографии 3D-печати для производства и промышленной

Создание деталей при помощи промышленной 3D-печати, а также контроль изделий с использованием компьютерной томографии — это новые процессы, внедренные пока лишь на некоторых отечественных предприятиях. Но они являются важным конкурентным преимуществом, поэтому приобретают всё большую популярность.

Скорость распространения этих технологий у нас в стране заметно ниже по сравнению со странами Европы и Азии. Причина этого и в консерватизме наших предприятий, и в нежелании искать «добра от добра», и определенные финансовые трудности. Также это связано с отсутствием достоверной и актуальной информации о применимости 3D-печати и компьютерной рентгеновской томографии в различных отраслях промышленности. Информация размещается в основном на обособленных порталах, не связанных с производством, и рассказывает о достижениях в области печати товаров широкого потребления. В специализированных изданиях данная тема в последнее время рассматривается все чаще, но до конкретных практических примеров дело доходит очень редко. В статье мы решили восполнить этот информационный пробел.

На базе ООО «Остек-СМТ» для осуществления прикладных работ и исследований, проведения мастер-классов и демонстрации высокотехнологичного оборудования был создан Центр развития технологий (ЦРТ), открытый для широкого круга заказчиков. ЦРТ включает в себя самую большую в Восточной Европе лабораторию компьютерной рентгеновской томографии, оборудованную передовыми установками компании General Electric, а также системами для рентгеноскопии, 3D-сканирования и аддитивного производства. На базе ЦРТ уже выполнено большое количество работ, связанных с решением широкого спектра задач в области метрологии и дефектоскопии и проведением исследований микроструктуры образцов (например, кернов), работ по обратному проектированию, а также работ, связанных с производством выжигаемых 3D-моделей для литья методом ЛВМ1 и литьём мелких серий изделий из металла. Постоянными заказчиками Центра стали как крупнейшие предприятия, в том числе производители техники специального назначения, так и небольшие организации, включая индивидуальных предпринимателей, открывших для себя возможности аддитивных технологий.

В наших статьях мы будем знакомить вас с отдельными выполненными заказами для производственных предприятий, чтобы на практических примерах рассказывать о возможностях аддитивного производства и компьютерной рентгеновской томографии применительно к промышленности.

Для начала давайте рассмотрим, что такое технология ЛВМ. Технология ЛВМ — это метод, который используется предприятиями для литья деталей, обладающих сложной геометрией, и к точности которых предъявляются высокие требования. Использование метода позволяет получать отливки без существенных припусков, что сводит необходимость финишной механической обработки к минимуму, сокращая время на изготовление изделия, а также производственные отходы.

ЛВМ подразумевает наличие модели, так называемой восковки, изготавливаемой из легкоплавких материалов (стеарин, парафин, воск и др.), которая повторяет геометрию необходимого изделия из металла. Обычно при литье средней и крупной серии методом ЛВМ изготавливается металлическая или пластиковая пресс-форма, с помощью которой заливкой в форму легкоплавких составов создаются восковки. Для литья малой или опытной серии изготовление подобной пресс-формы является экономически нецелесообразным, и встаёт вопрос поиска относительно дешевого решения этого вопроса.

Знаете ли вы, что переход с метода литья в песчаные формы на ЛВМ позволяет снизить себестоимость изготовления отливки в среднем на 30–60 %, а в отдельных случаях — более чем на 60 %? При этом способе изготовления деталей производственные отходы металла сокращаются в 6–7 раз, коэффициент его использования повышается с 0,2 до 0,85, а трудоемкость механической обработки снижается на 60–70 %.

Применение аддитивных технологий в решении подобных задач — отличная возможность снизить издержки благодаря низкой стоимости расходных материалов и высокой производительности оборудования.

Изготовление оснастки

Одна из компетенций ЦРТ — изготовление оснастки для литья мелких серий изделий из металла методом ЛВМ с помощью промышленного 3D-принтера Voxeljet VX500, работающего по технологии Binder Jetting (послойное склеивание порошка связующим веществом) и позволяющего печатать из выжигаемого пластика ПММА1. Порошок ПММА обладает низкой зольностью, которая составляет 0,02 %, этот материал специально разработан для точного литья методом ЛВМ. Помимо этого, Центр осуществляет изготовление мелкой серии отливок «под ключ», что включает: разработку математической трёхмерной модели отливки, 3D-печать оснастки из ПММА и дальнейшее литьё из металла. Отливки изготавливаются в соответствии с конструкторской документацией и требованиями заказчика. Детали проходят выходной контроль и дефектоскопию с помощью компьютерной томографии, обеспечивающей метрологическую точность измерений.

Задачи, для которых обычно используется печать моделей из ПММА:

• получение опытных образцов изделий из металла, имеющих сложную геометрию, для оценки эргономики и проведения испытаний;
• получение мелких серий конечных изделий из металла, имеющих сложную геометрию.

Процесс литья по 3D-моделям из ПММА незначительно отличается от традиционного способа, который предполагает использование восковок, благодаря чему доступен для использования на предприятиях, оснащённых участком ЛВМ. 

Для наглядного примера рассмотрим задачу изготовления мелкой серии отливок «Колесо рабочее» в количестве 6 шт. методом ЛВМ.

В T1 приведено сравнение традиционного способа изготовления оснастки для литья и способа, в котором оснастка для литья производится с помощью аддитивных технологий. Объём изделия составляет 137 куб. см, габариты — 108 × 58 мм.

Таблица № 1 Сравнение традиционного способа изготовления оснастки и изготовления с помощью аддитивных технологий

После очистки образцов, отлитых по ПММА-моделям, от литниково-питающей системы был проведён выходной контроль с помощью системы компьютерной томографии и профилометра. В результате исследований получены следующие данные: точность изготовления отливки соответствует VI классу (ГОСТ Р 53464-2009), шероховатость поверхности Ra = 28 мкм, что удовлетворяет требования конструкторской документации.

В рассмотренном примере наглядно продемонстрирована эффективность использования промышленной 3D-печати из ПММА при литье малых партий деталей из металла. Создание оснастки при помощи аддитивных технологий позволяет получать малые партии изделий из металла и опытные образцы в два-три раза быстрее, а также значительно снизить финансовые издержки.

Задачи в области метрологии и дефектоскопии

Центр развития технологий располагает не только оборудованием для аддитивного производства, но и современными системами компьютерной томографии v|tome|x m300 и c450, рентгеновской установкой с функцией томографии х | cube XL 225 и системой для промышленного 3D-сканирования.

Одно из важных преимуществ томографии по сравнению с другими неразрушающими методами контроля — совмещение возможностей дефектоскопии внутренних областей, контроля геометрии и метрологической точности.

MetraSCAN 210 и может решать широкий спектр задач в области метрологии и дефектоскопии.

Рассмотрим пример выполненной работы для одного из заказчиков центра, целью которой являлось получение параметрической трёхмерной модели изделия «Колесо рабочее». Исходная конструкторская документация была утеряна, и была предоставлена только сама деталь. Очень часто для решения подобных задач используется технология 3D-сканирования.

Но в данном случае, т.к. образец обладал внутренними полостями, произвести полное сканирование, не разрушая деталь, можно было только с помощью компьютерной томографии. После проведения сканирования и обработки полученных данных получили твердотельную математическую модель со всеми внутренними полостями с точностью 5,5 мкм.

Знаете ли вы, что современные технологии промышленной томографии позволяют не только осуществить измерения объекта с высокой точностью, в том числе его скрытых областей, но и обнаружить в нём трёхмерные микроскопические дефекты: трещины, поры и раковины.

Результаты сканирования образца «Колесо рабочее» с помощью системы компьютерной томографии v|tome|x m300 производства General Electric. Установка позволяет исследовать изделия размером 290 × 450 мм и весом до 20 кг. Максимальное напряжение рентгеновской трубки составляет 300 кВ, мощность — 500 Вт. Дополнительно в систему установлена нанофокусная трубка с ускоряющим напряжением 180 кВ для исследований изделий и материалов с высоким разрешением (менее 1 мкм).

Помимо обратного проектирования, наиболее часто решаемой специалистами центра задачей в настоящее время является неразрушающий контроль изделия.

В качестве примера рассмотрим задачу измерения и проверки лопатки турбины, изготовленной с помощью аддитивных технологий (метод селективного лазерного сплавления), на наличие внутренних дефектов.

Представлен срез лопатки турбины, полученный с помощью системы компьютерной томографии v|tome|x c450 производства компании General Electric. Установка позволяет сканировать образцы с максимальным объёмом 500 × 1000 мм и весом до 50 кг, максимальное напряжение рентгеновской трубки системы составляет 450 кВ, мощность — 1500 Вт.

Метрологические замеры в рамках одного среза лопатки для инспекционного контроля — анализ внутренних дефектов. Использование компьютерной томографии позволило провести неразрушающий контроль изделия и выполнить отбраковку. Работы были выполнены с точностью 20 мкм.

Использование современных технологий для аддитивного производства, а также цифровых систем неразрушающего контроля позволяет существенно сократить затраты на изготовление продукции и проведение исследований, а также решить те задачи, реализовать которые ранее не представлялось возможным.

Цель Центра развития технологий Остек-СМТ

Содействие развитию и продвижению технологий аддитивного производства, а также компьютерной рентгеновской томографии в России, обмен опытом между передовыми отечественными предприятиями. Высокая квалификация сотрудников центра и оснащённость современным высокотехнологичным оборудованием позволяют провести грамотный анализ задачи и подобрать необходимую технологию для её решения.

Клиенты Центра развития технологий Остек-СМТ:

• машиностроительные и приборостроительные компании;
• литейные и металлообрабатывающие предприятия;
• предприятия нефтегазовой и электронной отраслей;
• производители товаров народного потребления;
• научно-исследовательские институты и опытно-конструкторские бюро;
• университеты и образовательные центры;
• дизайнерские агентства.