Грабченко А.И. и др. Интегрированные генеративные технологии

Подождите немного. Документ загружается.

190

отработать дизайн изделия;

провести испытания до изготовления серийной оснастки;

изготовить партию опытных образцов в течение нескольких часов

после изготовления силиконовой формы;

получить модели из воска для мелкосерийного литья

металлических деталей.

Основные преимущества данной технологии:

сложные поверхности, мельчайшая конфигурация детали и любые

текстуры полностью воспроизводятся эластичной или силиконовой формой;

готовые опытные образцы деталей могут быть получены уже через

несколько дней, для получения копий можно использовать самые

различные материалы;

высокая точность изготовления образцов позволяет реально

оценить собираемость и работоспособность сложных изделий и при

необходимости быстро осуществить соответствующие доработки.

3.20.4 Центробежное литье

Центробежным литьем в технологии Rapid Tooling является процесс

получения отливок путем заливки металла или пластмасс во

вращающуюся силиконовую форму (изложницу).

При центробежном литье жидкий материал, заливаемый во

вращающуюся форму, распределяется по внутренней поверхности формы

под действием центробежных сил и застывает, образуя заготовку. Этим

способом можно получать отливки из цинка, свинца, алюминия и

термореактивных пластмасс.

Мастер-модель обычно получают методом стереолитографии. Для

изготовления литейной формы применяют силиконовые формовочные

материалы, вулканизирующиеся под действием тепла. Они обеспечивают

большой срок службы форм при литье высокопрочных алюминиевых и

цинковых сплавов. При литье термореактивных пластмасс эти материалы

обеспечивают высокую устойчивость форм к нагреву и химическим

реакциям, возникающим при полимеризации термореактивных пластмасс.

Материал для формы выбирают в зависимости от условий ее

применения: температуры литья, точности получаемого изделия,

сложности формы и срока ее службы.

Центробежное литье в технологии Rapid Tooling – относительно

дорогой, но высокопроизводительный процесс получения заготовки.

191

3.20.5 Гальванопластика

В настоящее время отработана экспериментальная технология

получения формообразующих вставок пресс-форм с использованием

методов гальванопластики и нанесением износостойкого покрытия на

основе электролитического железа высокой поверхностной твердости.

Процесс включает несколько этапов:

создание стереолитографической модели оснастки на установке

SLA 5000 (например, матрицы и пуансона пресс-формы);

используя метод гальванопластики, последовательно наносятся

электропроводные слои азотнокислого серебра, меди или декоративный

слой никель-кобальта, имеющие достаточные прочностные

характеристики и одновременно обладающие хорошими декоративными

свойствами;

нанесение износостойкого покрытия на основе электролитического

железа высокой поверхностной твердости при комнатной температуре, что

позволяет сохранить форму и размеры стереолитографической модели,

повысить ресурс работоспособности; наносимая толщина слоя металла до

2 мм, твердость HRC 58-70, скорость осаждения 0,25 мм/час,

шероховатость поверхности соответствует исходной поверхности модели;

полученную таким образом прочную оболочковую форму заливают

композитом на основе эпоксидной смолы и металлического порошка,

мелких стальных шариков с полимерным связующим; получается

достаточно жесткая работоспособная формообразующая оснастка.

Далее выполняется отделение стереолитографической модели от

полученной оснастки путем нагревания и при необходимости

осуществляется механическая дообработка.

Преимущество данной технологии – получение отливок сложной

формы при сохранении точности и шероховатости рабочих

поверхностей.

Использование представленной интегрированной технологии

позволяет в 5 6 раз сократить сроки изготовления оснастки и

192

инструментов по сравнению с традиционными технологическими

способами (механическая обработка, электроэрозионная обработка и др.).

3.20.6 Процесс 3D Keltool

3D Keltool базируется на снятии слепков с прототипов, полученных

при помощи стереолитографии, посредством длительной

низкотемпературной агломерации специальной, обычно порошкообразной

металлополимерной смеси.

Процесс объединяет в себе преимущества стереолитографии –

высокую точность и хорошее качество поверхности с хорошими

формовочными характеристиками мягкого силикона. По первичному

прототипу создается промежуточная форма высокотемпературного литья

силикона. Она заливается специальной keltool-массой из связанного

полимером карбида вольфрама и инструментальной стали, не

реагирующими с жесткой формой. После применения прототипа для

создания первичной или вторичной формы необходим простой или

двойной процесс воспроизведения.

Процесс идентичен в этом отношении процессу, при котором

получаемая форма состоит из легкоплавкого металлического сплава.

Сырая порошковая смесь сохраняет прочность в процессе

отвердения. В технологиях сокращенной длительности с применением

водорода (температура около 120

С) под давлением удаляется закрепитель

и пористая форма спекается. После этого поры заполняются медью.

Подробности технологии представляют «ноу-хау».

Относительная погрешность изготовления ± 0,2% для мелких

габаритных размеров позволяет достигнуть приемлемой точности.

Достигаемая твердость HRC 44 является приемлемой, но остается на

уровне, несколько меньшем HRC 50. Полученная оснастка может

использоваться в соответствии с классическими методами. Получение

оснастки определяется технологическим процессом от подготовки до

запуска серии в зависимости от объема партии деталей.

Длительность производства прототипа при помощи

стереолитографии с применением 3D Keltool-технологии составляет около

10 дней, что соответствует продолжительности изготовления оснастки с

использованием различных технологий агломерации металлов. Это

позволяет получать более гладкую поверхность и более точные детали. В

зависимости от сложности формы можно отметить существенную

193

экономию времени, в частности по отношению к электроэрозионным

технологиям, которая в некоторых случаях может составить 30%.

Производителем указывается экономия времени 25 40%.

Один из вариантов рассматриваемого технологического процесса

позволяет при использовании карбидвольфрамовых сплавов получать

электроды для эрозионной обработки с шероховатостью поверхности

= 0,4 мкм.

3.21 Экономичность интегрированных генеративных технологий

При всем разнообразии способов материализации 3D CAD моделей в

идеологии генеративных технологий ряд критериев для экономической

оценки целесообразности их применения одинаково важны для всех:

изделие должно иметь сложную конструктивную форму;

время для разработки такого изделия традиционными

(конвенциональными) способами должно быть достаточно продолжительным;

предпочтительным является большое разнообразие вариантов

изделия одного функционального назначения;

необходима максимальная загрузка по времени 3D CAD системы;

необходима специализированная подготовка персонала и наличие

соответствующей мотивации его деятельности;

необходимо располагать соответствующими исчерпывающими

знаниями о сущности, преимуществах и недостатках существующих

(доступных) генеративных технологий, а также возможность мобильной

передачи такой информации потенциальному потребителю или заказчику.

Исходный вопрос, требующий ответа: какой должна быть экономия

времени на создание продукта, чтобы применение генеративной

технологии было выгодным и каким образом можно сократить время на

создание продукта, используя принцип выращивания изделия «от малого к

большому» через моделирование без использования чертежей.

Экономический эффект от использования генеративных технологий

вместо традиционных можно оценить, только рассматривая весь процесс в

контексте конкурентной стратегии производителя.

194

Практика свидетельствует о том, что конкурентные стратегии,

базирующиеся на факторе времени и финансов, существенно (в 1,75-2,5)

эффективнее, чем, например, технология фрезерования.

Отправной точкой является перечень требований, которым должно

отвечать изделие: точность, качество поверхности, материал, свойства

материала, постпроцессы, изготовление инструмента.

Точность, обеспечиваемая установкой, определяется главными

факторами:

 особенностями установки;

 принципом генерирования слоев;

 материалом;

 позиционированием в рабочей камере.

Немаловажную роль играет качество 3D CAD модели, потери

качества при передаче данных, структура поддержек, а также

человеческий фактор. Последний важен на всех этапах процесса, не взирая

на высокую степень автоматизации.

Каждый пользователь установок послойного выращивания изделий

должен разрабатывать подробную структуру затрат, имея в виду,

например, также расходы постоянные и переменные.

К переменным относят:

– расходы на материал;

– эксплуатационные расходы (энергия, ремонт);

– затраты на переработку.

К постоянным относят:

– инвестиционные затраты основные;

– инвестиционные затраты побочные;

– затраты на техническое обслуживание;

– расходы на аренду;

– расходы на персонал.

Расходы на материал включают расходы на закупку сырья,

материалов, на подготовку материалов к технологическому процессу, на

погрузочно-разгрузочные работы, кондиционирование воздуха,

пескоструйные аппараты, технологические газы, устройства для

переработки отходов.

195

Следует иметь в виду, что все материалы для генеративных

технологий дорогие. Расходы на электроэнергию не столь значительны,

т.к. потребляемая мощность большинства установок составляет 0,5-6 кВт,

за исключением некоторых – LENS, TPUMPF, DMD.

Затраты на потребительские товары и изделия могут быть

существенными: связующие вещества, картриджи, печатающие головки,

сопла, платформы. Сюда можно присовокупить и лазеры, служба которых

составляет 2500-8000 часов в год. Это означает, что один раз в год лазер и

лампы необходимо заменить.

Расходы на ремонт относят на такие части установок, как сканеры,

датчики, нагревательные элементы, клапаны.

Фиксированные расходы связаны с инвестициями, техническим

обслуживанием и ремонтом, занимаемой площадью и оплатой персонала.

Инвестиции идут на приобретение установок и обслуживающих

структур – компьютерного оборудования, программного обеспечения,

интерфейсов, кондиционирования воздуха. Цены на установки в

настоящее время достигают 10000 -1 млн. евро.

Годовые расходы на обслуживание могут составлять до 20% от покупной

цены установки.

Помещения (занимаемая площадь) зависят от типа установки – от

«настольной» до отдельной комнаты с кондиционированием, а также помещения

для специальных систем – фильтров, вытяжек, химических шкафов и др.

Персонал, непосредственно занятый генеративным производством,

должен иметь специальную подготовку и навыки – CAD/CAM

специалисты, операторы, конструкторы. Производитель установок обязан

проводить соответствующее обучение и периодическую переподготовку.

Использование рабочего пространства камеры (SLS, SLA) во многом

зависит от заполнения площади платформы (X-Y) и высоты изделия (Z).

Правильная ориентация и разделение изделия на примерно равновысокие

части позволяет существенно сократить время выращивания, а, значит, и

расходы.

Расходы материалов, например, для одних и тех же изделий не

одинаков. Способ LLM (LOM) сопровождается значительными потерями

материала в сравнении с SLS или SLA. В тоже время по этому показателю

способы LLM Polymer printing имеют преимущества при изготовлении

196

массивных деталей. Потери материала свойственны всем способам,

реализующим генеративный принцип с наличием технологических опор,

их удаление вручную с последующей очисткой.

Скорость создания изделия (выращивания) определяется прежде всего

скоростью роста по оси Z. Она составляет от 10 до 20 мм/час для различных

установок и материалов. При этом различия технологий для разных материалов

(нейлон-поликарбонат) могут быть более значительными, чем для

неодинаковых систем, например, SLS и SLA (см. табл. 3.13).

Таблица 3.13 – Сравнение рабочих этапов технологий SLAи SLS

п/п

Стереолитография

Селективное лазерное спекание

Предварительный нагрев лазера

Пополнение запаса порошка

Пополнение запаса смолы

Заложение весовой основы

Генерирование детали

Выравнивание порошка

Освобождение от смолы

Атмосфера инертного газа

Извлечение детали

Обеспечение рабочей температуры

Очищение детали

Генерирование детали

Удаление опор

Снижение температуры до комнатной

Окончательная обработка детали

Извлечение детали из станка

Окончательная очистка

Удаление излишков порошка

Соединение частей детали

Окончательная обработка детали

К проблеме экономичности имеет отношение и сфера услуг.

Например, не предусмотренный простой установок, отсутствие запасных

частей. Вызов техников-специалистов занимает много времени и дорого

обходится потребителю.

Эффективность использования установок можно оценить, сравнивая

собственное производство и закупку готовых изделий у поставщиков.

Достоинства собственного производства:

 готовые детали тотчас реализуются;

 в случае высокой прибыли можно полностью реализовать доход;

 при разработке деталей возможны ноу-хау, важные для

конкуренции на рынке.

Преимущества заказа изделия изготовителям:

197

 заказчик свободен в выборе конкретной генеративной

технологии;

 возможен выбор оптимального варианта;

 заказчика интересует лишь конечное время изготовления

изделия;

 не требуется специальная подготовка персонала и сам персонал;

 исключается необходимость инвестиций;

 нет необходимости обеспечивать постоянное обслуживание

установок;

 нет необходимости специальных помещений для хранения

материалов и др.

Таким образом, разовое или не регулярное изготовление сложных

изделий экономически целесообразно обеспечивать путем размещения

заказов в центрах генеративных технологий.

Решение о приобретении и эксплуатации установок должно

приниматься с учетом анализа и оценки всех факторов, влияющих на

конечную стоимость, срок изготовления, качество и стоимость.

3.22 Потенциал и перспективы развития

Быстрое освоение генеративных технологий послойного

выращивания изделий и расширения областей их использования

определяется мощным потенциалом собственно принципа «от малого к

большому» и физических основ способов материализации 3D CAD

моделей. Объемы работ, выполняемых на установках Rapid Prototyping,

быстрыми темпами возрастают в промышленном производстве, в поле

визуализации 3D CAD моделей (переход от виртуальных объектов к

твердотельным), в медицине (имплантаты и др.), в области дизайна,

искусства, архитектуры, археологии.

Изготовление моделей не требует вовсе или очень малого количества

данных технической подготовки и в любом случае не требует вовсе или в

очень малых объемах ручной обработки. Возможности имеющихся на

рынке установок вполне удовлетворяют требованиям моделирования и

изготовления. Поэтому будущее развития во многом связано с разработкой

материалов для генеративных технологий. Это позволяет оптимизировать

не только параметры модели и способы материализации CAD моделей, но

и оптимизировать используемые материалы.

198

Одним из определяющих направлений развития генеративных

технологий является изготовление миниатюрных изделий.

Миниатюризация заявила о себе уже в конце прошлого века как важная

тенденция в создании машин, приборов, операторов, таящая в себе

огромный потенциал ресурсосбережения, быстродействия, расширения

эффективного использования различных физических эффектов и т. д.

Интеграция двух потенциалов – генеративных технологий и

миниатюризации – сулит трудно предсказуемые масштабы нового

производства и услуг. Уже сегодня существуют производства

микродеталей с диапазоном размеров от 10 до 100 микрометров. При

известных преимуществах лазерной стереолитографии микропроизводство

коснулось, прежде всего, синтетических материалов, но все больше и

больше появляется сообщений об изготовлении микродеталей из металлов

и керамики на базе использования лазерного плавления (SLM),

избирательного лазерного спекания и др.

Лазерное плавление SLM-SLS реализует газонепроницаемые

порошки металла и керамики размерами ниже 100 мкм.

Развитие генерирующих установок будет идти по пути сокращения

ручного труда и уменьшения доводочных работ (постпроцессов). С

помощью SLM технологии деталь генеративно строится послойно из

порошка (сферических частиц) с диаметром менее 50 мкм.

Условием получения плотной микроструктуры являются однородно

наплавленные валики (след лазерного луча), т. е. локальное пятно

лазерного луча перемещается в соответствие с параметрами процесса

(мощность лазера, диаметр луча, скорость перемещения по заданной

траектории), при этом часть энергии поглощается исходным порошком, а

часть – расплавляемыми валиками (предшественниками). Под лазерным

пятном возникает расплавленная ванна, в которой из-за градиента

температур возникает конвективное перемешивание расплава. Эффект

напоминает происходящее при лазерной сварке.

Вполне реалистичным сегодня является применение SLM техники

для производства микродеталей из керамического порошка, например,

порошка оксида алюминия Al

. Например, размер гранул порошка –

менее 30 мкм, толщина слоя – 30 мкм, применяемые скорости движения

луча от 10 до 100 мм/с при мощности лазерного луча от 0,6 до 1,4 мВт/см.

Стратегия экспонирования определяется таким образом, что

первоначально наплавляется небольшой объем и луч перемещается вдоль

199

порошкового слоя с пониженным поглощением энергии, иначе расплав

перегревается, начинается испарение, процесс становится не стабильным.

Обобщая, можно выявить потенциал генеративных технологий,

проведя сравнение их с конвенциональными по критериям: материалы,

инструменты, изделия, CAD совместимость, точность, роль ручного труда.

Исходя из учета физико-механических свойств, выбирают материал

для конвенциональных технологий, т. е. с ориентацией на продукцию;

генеративные технологии используют меньший спектр материалов,

ориентированных на процесс.

Для конвенциональных технологий выбирается инструмент,

ориентированный на продукт. Генеративные технологии не требуют

«инструмента». Условный «инструмент» (луч лазера и др.) в генеративных

технологиях ориентирован на процесс.

Изделие (деталь) в конвенциональном процессе часто является одной

из составных частей, совокупность которых ориентирована на какой-либо

процесс. Отсутствие ограничений по сложности конструкции ориентируют

генеративные технологии на обеспечение функции детали.

CAD совместимость определяется в традиционных технологиях

возможностью замены CAD информации NC - модулями, т.е речь идет о

программировании, ориентированном на станок. Программирование в

генеративных технологиях ориентировано на изделие с учетом

возможностей RP установки. По точности генеративные технологии

существенно уступают конвенциональным.

Генеративные технологии выгодно применять там, где детали

конструктивно очень сложны, а изготовление – срочное.

3.23 Вопросы для самостоятельного контроля

1. Раскройте современный смысл понятия «технология»

2. Раскройте смысл понятия «высокие технологии».

3. Приведите примеры высоких технологий.

4. Приведите классификацию интегрированных технологий в

машиностроении.

5. Охарактеризуйте направления создания интегрированных

технологий.

6. Какова идея генеративных технологий и их место в создании

продукта?

7. Опишите концепцию трех уровней генеративных технологий.