Цифровые технологии производства: печать металлопорошковыми композициями

Мы генерируем, воспринимаем, обрабатываем, храним информацию в цифровом виде, на цифровых носителях. А что с технологиями производства? Становятся ли они цифровыми, и какие преимущества цифровизация сулит им?

Для ответа на эти вопросы необходимо определить, что именно мы понимаем под цифровыми технологиями производства. Цифровые технологии производства — это комплекс аддитивных технологий производства (3D-печати), компьютерной томографии, 3D-сканирования, современных методов постобработки, контроля и испытаний продукции, в разработке которой широко применяются системы автоматизированного проектирования и моделирования физических процессов для оптимизации конструкции изделий и процессов их изготовления и полноценного раскрытия преимуществ и возможностей технологий. В данной концепции под продукцией подразумеваются изделия из металлов (точнее стали и сплавов), в основе производства которых применима и целесообразна аддитивная технология селективного лазерного сплавления металлопорошковых композиций.

Разработка изделий во многом уже стала цифровой: внедрены и активно используются системы автоматизированного проектирования, проводятся расчеты механических нагрузок, тепловые, газо- и гидродинамические расчеты. На основе этих расчетов за несколько итераций оптимизируется конструкция, что значительно снижает количество изготавливаемых прототипов и опытных образцов.

Если разработка уже оцифрована, то производство только активно начинает этот процесс. Понимая актуальность и важность такого начинания, предлагаем вашему вниманию концепцию комплексного внедрения цифровых технологий производства. Концепция включает в себя аддитивные технологии, в частности, 3D-печать металлами и полный цикл постобработки, компьютерной томографии и 3D-сканирование, другие современные технологии контроля и испытаний, компьютерное моделирование и оптимизацию технологических процессов, которая открывает новые возможности в проектировании и производстве и обеспечивает значительные преимущества. Какие именно и для каких областей применений, рассмотрим далее.

Селективное лазерное сплавление — аддитивная технология изготовления (3D-печать) изделий из стали, алюминиевых, титановых, никелевых, кобальтовых и других сплавов, в которой мощный сфокусированный лазер расплавляет частицы порошка, послойно формируя деталь. Суть процесса: ракель наносит на платформу тонкий слой порошка, лазер расплавляет порошок на тех участках, где должна быть деталь (фактически поточечно экспонируется сечение детали каждым конкретным слоем построения), затем платформа опускается на 25–60 мкм, наносится следующий слой порошка и так далее. Процесс происходит в инертной среде для препятствия окислению, диаметр частиц порошка десятки микрон.

Преимущества цифровых технологий производства

Выделяют следующие основные преимущества внедрения цифровых технологий производства:

• Гибкость проектирования: возможность получения деталей сложной, развитой формы с внутренними каналами, с бионическими элементами и сетчатыми структурами. Объединение нескольких деталей в одну.
• Гибкость производства: не требуется оснастка (литьевые формы, выжигаемые модели), возможна быстрая переналадка на другие типы материалов.
• Уменьшение сроков разработки и выхода на рынок: полная поддержка гибких методик разработки (Agile, Scrum) за счет быстрой верификации результатов проектирования на прототипах и опытных образцах.
• Быстрое прототипирование благодаря коротким производственным циклам.
• Снижение массы, материалоемкости t1: перепроектирование изделий под аддитивные технологии позволяет уменьшить количество материала в механически малонагруженных участках деталей, а сетчатые и бионические конструкции обладают высокой удельной прочностью.
• Высокий коэффициент использования материалов: не сплавленный порошок просеивается после печати и может десятки раз повторно использоваться без потери как собственных свойств, так и свойств продукции.
• Уменьшение отрицательного воздействия на окружающую среду: снижены отходы и выбросы вредных веществ.

Таблица 1 Иллюстрация снижения массы. Источник: Renishaw

Области применения

Еще несколько лет назад технологии печати из металлов и сплавов воспринимались как применимые преимущественно для прототипирования. Во многом такое восприятие было обусловлено малым опытом проектирования, испытаний и эксплуатации изделий, сравнительно небольшим парком установленного оборудования для аддитивного производства, отсутствием стандартов. Но сейчас с уверенностью можно сказать, что колоссальная работа большого количества компаний, исследовательских центров, университетов, направленная на внедрение цифровых технологий в производство конечных изделий, увенчалась успехом, о чем ярко свидетельствуют следующие примеры.

АВИАКОСМИЧЕСКАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

В 2015 году Федеральное управление гражданской авиации (FAA) США сертифицировало напечатанный из кобальт-хромового сплава корпус датчика температуры для применения в коммерческих двигателях GE. Это первая изготовленная по аддитивным технологиямметаллическая деталь, допущенная для эксплуатации на коммерческих авиалиниях. Следующий пример — топливные форсунки турбореактивных двигателей GE LEAP, напечатанные из жаропрочного никелевого сплава. Полноценное использование возможностей аддитивных технологий при перепроектировании форсунки позволило объединить 20 деталей в одну, снизить массу на 25 %, увеличить срок службы в 5 раз. В начале 2016 года двигатель GE LEAP был сертифицирован FAA, а с лета 2016 эксплуатируется на коммерческих рейсах (Airbus A320neo). Данный пример иллюстрирует свершившийся факт внедрения аддитивных технологий изготовления изделий из сплавов в серийное производство с большими объемами: таких форсунок только в одном двигателе 19 штук, а портфель заказов на двигатели LEAP по состоянию на середину 2017 года составил 12 200 штук на сумму 170 млрд долларов США.

Также в настоящее время активно проектируются и испытываются лопатки турбин с внутренними каналами охлаждения, в частности из алюминий-титанового сплава для самого большого разрабатываемого авиационного двигателя в мире GE9X.

Добрались аддитивные технологии и до космоса: 6 января 2014 года компания SpaceX запустила ракету Falcon 9, в которой в одном из девяти двигателей Merlin 1D корпус главного клапана окислителя был напечатан. Запуск прошел успешно, напечатанная деталь выдержала воздействие жидкого кислорода при криогенных температурах в условиях сильных вибраций.

ЭЛЕКТРОНИКА И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ

В области электроники и приборостроения 3D-печать металлами применима для изготовления волноводов, антенн, компараторов, радиаторов. Например, при изготовлении волноводов по аддитивным технологиям существует потенциальная возможность обеспечения следующих преимуществ: уменьшение количества соединений, уплотнений и крепежа, упрощение сборки, уменьшение массы, повышение надежности.

МАШИНОСТРОЕНИЕ

Печать металлами уже серийно применяется для изготовления формообразующих вставок в пресс-формы с каналами охлаждения для литья пластмасс, так как в процессе отверждения необходимо отводить большое количество тепла. Использование каналов охлаждения позволяет добиться сокращения времени охлаждения до трех раз, высокой однородности деталей, снизить уровень брака, уменьшить время цикла до двух раз.

В энергетическом машиностроении 3D-печать металлами может также применяться для изготовления лопаток газовых турбин и головок газовых горелок. 

Печать металлами также применима в транспортном машиностроении: компанией Renault Trucks был перепроектирован перспективный двигатель DTI5 Euro 6, что позволило уменьшить количество деталей с 841 до 641 штуки и уменьшить массу с 525 до 405 кг. Коромысла и крышки корпусов клапанов уже были напечатаны и испытаны, а кронштейн генератора, кронштейн жгутов проводки, блок цилиндров, головка цилиндров — пока только перепроектированы.

МЕДИЦИНА

В медицине преимущества и возможности цифровых технологий наиболее полно раскрываются в области протезирования. При помощи лазерного внутриротового сканера врач получает цифровой «снимок» (т.е. 3D-модель) ротовой полости или ее отдельных фрагментов. На основе полученного цифрового слепка проектируются 3D-модели мостовидных протезов или одиночных коронок, которые затем печатаются из сплава кобальта и хрома, после чего покрываются слоем керамики. Печать зубных протезов и коронок была внедрена в медицинскую практику более 10 лет назад и получила широкое распространение: в настоящее время по такой технологии производится более 10 млн изделий в год. Конечно, аддитивные технологии применяются и для изготовления других видов имплантатов, а также хирургических шаблонов для проведения операций.

ЗАПАСНЫЕ ЧАСТИ, СНЯТЫЕ С ПРОИЗВОДСТВА, УНИКАЛЬНЫЕ ДЕТАЛИ

С каждым годом техники в мире становится все больше, а при ее ремонте специалисты часто сталкиваются с невозможностью выполнения ремонта из-за отсутствия запасных частей для морально устаревших, но физически вполне работоспособных устройств. С другой стороны, производителей техники тоже можно понять — поддерживать склад запасных частей не всегда экономически целесообразно. В этой ситуации печать запасных частей — разумное решение, снижающее затраты как производителя, так и потребителя оборудования.

Одна из движущих сил развития человечества — безумное стремление сделать что-то впервые в мире, «установить рекорд»: проехать быстрее, взлететь выше, нырнуть глубже. На современном этапе развития науки и техники установление этих достижений требует всё более совершенных, творческих, специализированных решений на пределе возможности технологий и материалов. При этом тиражировать эти решения не предполагается: речь, как правило, идет об изготовлении уникальных изделий или ограниченной партии. Аддитивные технологии привносят в эту область новые возможности, заметно расширяя границы проектирования и вдохновляя на реализацию задуманного и постоянное развитие.

Схема процесса

Схема процесса предлагаемого комплексного решения, укрупненно состоящая из следующих блоков: разработка, входной контроль материалов, печать и постобработка, контроль и испытания изделий и образцов.

Разработка. Исходя из ТЗ на проектируемую систему, формулируются требования к разрабатываемому изделию. Задается компоновочный объем, разрабатывается 3D-модель, проводится ее оптимизация на основе прочностных (а также при необходимости тепловых, гидро- и газодинамических) расчетов и технологических возможностей, моделирование процесса печати.

Входной контроль материалов. Изготовление ответственных изделий требует полной уверенности в постоянстве качества металлопорошковых композиций, что обеспечивается полноценным входным контролем материалов, включая контроль химического, фазового, фракционного составов, морфологии, насыпной плотности и сыпучести.

Печать и постобработка. После печати неиспользуемый порошок просеивается и используется повторно. Детали очищаются от порошка и при необходимости снятия напряжений до отделения от платформы подвергаются отжигу. Для снятия деталей с платформы используется установка электроэрозионной проволочной резки или ленточная пила. При повышенных требованиях к прочностным характеристикам изделий они могут обрабатываться высокой температурой и давлением (газостатированию), устраняющими внутренние дефекты, такие как поры и трещины. Затем детали подвергаются механической (сверление/рассверливание отверстий, нарезание резьбы) и финишной термообработке (например, старению, азотированию) для придания необходимых свойств.

Контроль и испытания изделий и тестовых образцов. В общем случае на этом этапе может выполняться контроль внешнего вида и геометрических размеров изделий, плотности и пористости, твердости, шероховатости, химического и фазового состава, а также механические и климатические испытания в объеме, определяемом требованиями по стойкости изделий к внешним воздействующим факторам.

Интегрированная программно-аппаратная среда

Полноценное внедрение цифрового производства, помимо непосредственно цифровых технологий, потребует создания интегрированной программно-аппаратной среды. С одной стороны, это обеспечит прослеживаемость и хранение файлов моделей со всех итераций проектирования, результатов механических, тепловых, газо- и гидродинамических расчетов конструкций, программ и лог-файлов оборудования, программ, методик и протоколов испытаний. С другой стороны, экспертная подсистема при возникновении дефектов поможет выявить их вероятные причины и выдаст рекомендуемые корректирующие действия по их устранению.