Аддитивные технологии в инструментальном производстве
Аддитивные технологии изменили многие процессы на всех этапах производства – начиная с создания прототипов, заканчивая получением готовых изделий. Благодаря своей вариативности, разнообразию материалов и сравнительно низкой стоимости 3D-печать получила широкое распространение в самых разных сферах производства, от выпуска потребительских товаров до тяжёлой промышленности.
На этом промышленники не намерены останавливаться, они ищут всё новые области применения 3D-печати, разрабатывают новые материалы, что особенно актуально в текущем курсе на импортозамещение. В том числе аддитивные технологии получили развитие в производстве промышленного инструмента. Вместе с экспертами рынка выясняем, при каких условиях это эффективно и каковы перспективы данного направления.
Быстрее, проще, дешевле
Участники нашей заочной дискуссии сошлись во мнении относительно того, что необходимость в использовании 3D-печати возникает в тех случаях, когда традиционные способы проигрывают по ключевым параметрам: финансовым, временным, производственным или другим видам вложений.
«В первую очередь речь идёт об изделиях из труднообрабатываемых или дорогостоящих материалов, мелко- и среднесерийном производстве, когда затраты на изготовление оснастки или перестройку производственных процессов не оправдывают конечную стоимость партии изделий. При этом важно учитывать, что изготовление ответственных деталей с применением 3D-оборудования, как правило, требует дополнительной механической обработки. Эти затраты также влияют на эффективность и возможности внедрения аддитивных технологий (АТ) в те или иные технологические процессы.
Помимо экономической составляющей, не менее важен и технологический момент. Есть такие образцы продукции, которые невозможно исполнить традиционными средствами. Если присутствует хотя бы одно из перечисленных условий — экономические или технологические преимущества, можно говорить о целесообразности АТ», — считает руководитель направления «Аддитивные технологии» Группы компаний «Диполь» Дмитрий Синьгаев.
Сооснователь компании по производству 3D-принтеров ООО «КБ «СОТКОМП» (SOTCOMP) Максим Сотник также убеждён, что аддитивные технологии целесообразно использовать для изготовления инструмента, когда требуются высокая степень кастомизации, производство изделий со сложной геометрией или короткие сроки изготовления.
«Эти технологии идеально подходят для создания прототипов, мелкосерийного производства или инструментов с уникальными свойствами. В то же время для массового выпуска простых инструментов традиционные методы (например, фрезерование, токарная обработка) могут быть более эффективными из-за их масштабируемости и низкой стоимости на единицу продукции», — поясняет эксперт.
«3D-принтер не требует переналадки оборудования или написания новой управляющей программы на станок, которое занимает время. Всё, что нужно, — создать 3D-модель и подобрать материал, исходя из требуемых характеристик конечного инструмента. Поэтому аддитивные технологии подходят для производства мелкосерийной продукции.
Когда необходимо изготовить среднюю или крупную серию изделий, традиционные способы производства будут эффективнее. И то с оговоркой: если у вас есть ферма 3D-принтеров, куда входит принтер для печати металлом, то и субтрактивные технологии можно заменить.
Также 3D-печать используют, когда необходимо изготовить сложный инструмент. Представьте, что вам нужна деталь, которая имеет пять составляющих, если её изготавливать традиционным способом. При 3D-печати у вас есть полная свобода в проектировании форм, а значит, можно сократить количество деталей в сборке или даже сразу получить цельное изделие. Хотя, конечно, это возможно не всегда и зависит от самой детали, — рассказывает предприниматель Екатерина Ефимова, сооснователь и директор по развитию компании SHILÉYKO.
Опыт специалистов фирмы подтверждает, что заказчик может придумать нестандартную оснастку на станок и уже завтра проверить её в деле. Так, одному из клиентов SHILÉYKO (металлообрабатывающему предприятию) поступил заказ на гибку органайзера под ключи из шлифованной нержавеющей стали AISI 304 (аналог 08Х18Н10) толщиной 1 мм на листогибочном прессе Durma AD-R 30135 c системой крепления Amada-Promecam.
Необходимого инструмента для выполнения заказа у компании не было, поэтому она обратилась к специалистам по аддитивным технологиям. В SHILÉYKO сделали 3D-модель, напечатали пуансон и матрицу. Печать заняла 58 часов, то есть всего через 2,5 дня компания смогла взять заказ и заработать на нём более 700 тыс. рублей.
Сложная геометрия
Тему уникального конструктива изделий, выполненных с применением 3D-печати, раскрыл генеральный директор ООО «ИННФОКУС» Михаил Артюшков. Например, с помощью АТ можно изготовить инструмент с внутренними каналами для СОЖ спиралевидной формы, которые делают его более прочным и стабильным на высоких оборотах, чем инструмент с традиционным Y-видным каналом. При этом охлаждение режущих кромок происходит намного эффективней, что продлевает срок службы изделия.
«С помощью аддитивных технологий можно произвести инструмент, полностью повторяющий геометрию конструктивных элементов детали для обработки за один проход, что существенно сократит время производства. Такая геометрия будет подходить только к одной детали, но для серийного производства это может быть экономически более выгодно.
Ещё одним преимуществом является возможность сделать инструмент с сетчатым заполнением для снижения веса, улучшения балансировки и, соответственно, увеличения возможной скорости обработки. При этом его прочность останется достаточной для стабильной работы без деформаций или поломки», — отмечает Михаил Артюшков.
Также аддитивные технологии оптимально использовать для изготовления производственной оснастки. Например, матрицы для выкладки композиционных материалов, формовочные пуансоны, оснастка для закрепления сложной формы деталей при механической обработке – всё это можно напечатать из металлической проволоки или полимерных гранул с последующей обработкой требуемых поверхностей.
Преимущества аддитивных технологий в таких случаях очевидны: высокая скорость и снижение стоимости изготовления, а также удобство эксплуатации. При гранульной печати неиспользуемую оснастку можно переработать во вторсырьё для новой формы.
«При огромной потребности отечественного производства в импортозамещении аддитивные технологии помогают быстро отремонтировать или изготовить прототип инструмента для зарубежного оборудования, чтобы внедрить в технологический процесс без длительных простоев. Этим обусловлена целесообразность и эффективность использования 3D-печати для изготовления инструмента.
Традиционные технологии будут эффективнее и дешевле для производства стандартного, простого инструмента массового сегмента. Изготовление методами аддитивного производства не исключает механическую обработку посадочных поверхностей и точных размеров. Более того, некоторые материалы пока ещё невозможно использовать в 3D-печати, поэтому полностью отойти от традиционного производства не представляется возможным», — убеждён представитель компании «ИННФОКУС».
Правильный выбор материала
Современные аддитивные технологии позволяют работать с широким спектром материалов, включая металлы, полимеры, композиты и даже керамику (подробнее об этом мы писали в статье «Пластик и не только: современные материалы для 3D-печати», опубликованной в выпуске № 5/2023).
«Это расширяет возможности изготовления инструментов, позволяя использовать материалы с улучшенными свойствами, такими как повышенная твёрдость, износостойкость или лёгкость. Например, можно изготовить инструмент из композитного материала, который будет легче и прочнее традиционных сталей. Аддитивные технологии открывают новые горизонты в выборе материалов для инструментального производства», — подчёркивает Максим Сотник.
С 2017 года международная компания по предоставлению производственных услуг Jabil раз в два года проводит опрос руководителей, ответственных за принятие решений в области аддитивного производства, чтобы определить ритм развития отрасли и масштаб её влияния на производственный сектор.
В отчёте, спонсируемом Jabil, представлены результаты опроса 200 лиц, принимающих решения, — руководителей среднего и высшего звена, курирующих аддитивное производство в своих организациях. По данным этого исследования, термопласты являются наиболее распространёнными материалами в 3D-печати. Их используют 66% организаций, участвовавших в опросе. При этом 20% руководителей указывают на их равнозначное применение с металлами.
«Это говорит о том, что пластики не просто заменяют более традиционные материалы, но и существуют параллельно с ними, удовлетворяя уникальные требования отдельных проектов. Металлы, в свою очередь, всё ещё преобладают над полимерами, особенно в условиях, когда требуются высокая прочность и термостойкость.
Интересно, что 96% респондентов высказались в пользу металлических материалов, однако стоимость и доступность пластиков могут делать их более привлекательными в определённых сценариях, особенно при стремлении снизить вес или улучшить внешний вид изделий», — комментирует результаты опроса сооснователь компании SOTCOMP.
Кастомизированные материалы тоже занимают свою нишу в аддитивных технологиях. Примерно две трети компаний используют индивидуально разработанные материалы, что позволяет создавать детали с уникальными эксплуатационными характеристиками, такими как долговечность, тепло- и электропроводность. Эти материалы могут быть специально адаптированы для конкретных промышленных приложений, например для создания инструментов, способных работать при экстремальных температурах или в условиях высокой влажности.
«Спектр материалов для АТ постоянно расширяется. Современные инженерные полимеры уже заменяют алюминий в ряде случаев. Прекрасно зарекомендовала себя оснастка из полимерных высокотемпературных гранул для выкладки препрегов. Если рассматривать обрабатывающий инструмент, мы пока ограничены возможностью печати из твердосплавных металлов.
Для каждой детали подбирается свой конкретный инструмент в соответствии с материалом детали. Например, на практике нет необходимости использовать твердосплавное сверло с охлаждающими каналами для отверстий в обычном дюралюминии. Другими словами, к каждой задаче должен быть индивидуальный подход», — напоминает Михаил Артюшков.
Дмитрий Синьгаев подтверждает, что аддитивные технологии позволяют успешно реализовать потенциал нестандартных материалов с лучшими свойствами и характеристиками, помогая печатать более качественный и долговечный инструмент.
«Вместе с тем не стоит забывать о перечисленных критериях оценки целесообразности, соответствии инструмента текущим нормам и стандартам. Так, если мы говорим о широком промышленном использовании подобных изделий, отсутствие сертификации АТ как способа производства может стать фактором, ограничивающим повсеместное применение аддитивного оборудования», — подчёркивает представитель ГК «Диполь».
Екатерина Ефимова напоминает, что с появлением большого количества новых материалов появляется возможность более точно выбирать продукт, подходящий для конкретной задачи, основываясь на его физико-механических свойствах и исходя из соотношения цены и качества.
«В качестве примера можно привести пластик ULTEM 9085. Сейчас есть материалы, которые не уступают ему по термостойкости, но при этом стоят дешевле. Таким образом, мы получаем то, что нам нужно, за меньшую стоимость и с теми же свойствами. Если рассматривать эксплуатационные характеристики, то можно привести в пример обработку металлов давлением. Если вы изготовите вальцы на трубогибочный станок по технологии FDM и начнёте гнуть алюминиевую трубу, то увидите, что на ней не останется ни отпечатков, ни царапин, которые проявляются со временем на стандартных стальных вальцах.
Ещё один пример — изготовление оснастки на листогибочных прессах: при гибке алюминия и нержавеющей стали с зеркальной или шлифованной поверхностью используют специальные плёнки, чтобы на готовой детали в местах гиба не оставалось следов. При использовании оснастки из полимера плёнка не требуется, поскольку следов не остаётся», — делится опытом сооснователь и директор по развитию компании SHILÉYKO.
Также она отмечает, что использование 3D-печати позволяет изготавливать прототипы инструмента из полимеров быстрее и дешевле. После нескольких итераций с проверкой геометрии и тестированием на оборудовании можно изготовить окончательную версию инструмента с помощью или аддитивных, или традиционных технологий (из металла). Если делать такую подгонку и тестирование токарной или фрезерной обработкой, то это займёт больше времени
и обойдётся дороже.
Актуальность под вопросом
Как уже отмечали участники дискуссии, существуют производственные процессы, где использование 3D-печати нецелесообразно по экономическим или иным причинам. Одним из таких спорных моментов является изготовление изделий из очень твёрдых материалов, например, твердосплавного инструмента.
«На основе многолетнего опыта работы в области аддитивных технологий могу утверждать, что на любом производственном промышленном предприятии есть технологические процессы, где внедрение АТ приведёт к серьёзному положительному эффекту. Именно на модернизацию этих процессов мы ориентируем заказчиков в рамках своей работы. Опыта работы с твердосплавными режущими инструментами у нас ещё не было. Если заказчик обратится с подобной задачей, нам было бы интересно за неё взяться и поделиться результатами», — сообщил Дмитрий Синьгаев.
«Существуют определённые области промышленности, где применение 3D-печати для изготовления инструментов ограничено или невозможно. Это связано с требованиями к механическим свойствам, точности и износостойкости инструментов, которые могут быть недостижимы с использованием текущих аддитивных технологий.
Инструменты, используемые в условиях высоких температур (например, в космической промышленности), требуют материалов с особыми свойствами, такими как высокая прочность и термостойкость. Некоторые из этих материалов сложно или дорого обрабатывать с помощью АТ», — дополняет коллегу Максим Сотник.
Сооснователь компании SOTCOMP убеждён, что 3D-печать твердосплавных режущих инструментов имеет потенциал для нишевых приложений, где требуются уникальные геометрические формы или особые свойства материала. Однако для массового развития этого направления существуют определённые ограничения, включая высокую стоимость и технические сложности при работе с твёрдыми сплавами. Тем не менее с развитием технологий и снижением стоимости материалов массовое применение может стать более реалистичным, считает эксперт.
«Инструменты, требующие использования сверхтвёрдых материалов, таких как алмазы или специальные керамики, могут быть не подходящими для аддитивного оборудования, поскольку технология печати может не обеспечивать необходимую прочность или износостойкость. Инструменты очень большого размера могут превышать размерные возможности существующих 3D-принтеров, особенно если требуются сложные формы или высокая точность.
Тем не менее аддитивные технологии продолжают развиваться, и с течением времени ограничения могут уменьшаться по мере появления новых материалов и методов печати», — делится оптимистичным прогнозом Максим Сотник.
«Аддитивные технологии совершенно точно ускоряют процесс производства, особенно если это штучный уникальный продукт или мелкая серия. В случае серийного производства инструмента предпочтение отдаётся «старой школе». Однако АТ можно внедрить и на массовом производстве для проведения предварительных испытаний совместно с математическим моделированием для верификации теоретических концепций.
Одна из распространённых инструментальных задач, с которой к нам обращаются сейчас, — изготовление оснастки в кратчайшие сроки. Аддитивные технологии являются оптимальным решением в данном случае. Более того, к оснастке не предъявляются требования по сертификации материалов и технологий для определённой отрасли, в отличие от ответственных деталей. Однако АТ способны производить детали для высоких нагрузок, что подтверждает внедрение 3500 напечатанных деталей в двигатель-демонстратор ПД-35», — убеждён Михаил Артюшков.
Слово экспертам
Михаил Артюшков, генеральный директор ООО «ИННФОКУС»
«В инструментальном производстве основное развитие аддитивные технологии уже находят в изготовлении оснастки. Это объясняется большей доступностью материалов и потребностью в уникальной геометрической форме оснастки. Изготовление обрабатывающего инструмента методом АТ будет использоваться реже — только в особенных случаях, когда требуется нестандартное решение. В нишевом использовании 3D-печать определённо укоренится и заслужено займёт своё место, но от традиционных технологий изготовления инструмента уйти не получится».
Дмитрий Синьгаев, руководитель направления «Аддитивные технологии» Группы компаний «Диполь»
«Традиционно аддитивные технологии могут ускорить производственные процессы в тех случаях, когда изготовление одного изделия складывается из большого количества разнородных операций или если требуется выпуск новой оснастки.
Как уже упоминалось, при оценке скорости изготовления деталей следует помнить про последующие этапы дополнительной обработки, зачастую более длительные, чем сам процесс печати».
Максим Сотник, сооснователь компании по производству 3D-принтеров ООО «КБ «СОТКОМП» (SOTCOMP)
«Аддитивные технологии могут значительно ускорить процесс производства инструментов, особенно при разработке прототипов и мелкосерийном производстве. Они устраняют необходимость в создании сложных приспособлений и оснастки, которая требуется при использовании традиционных методов.
Однако для массового производства простых инструментов скорость аддитивных технологий может быть ниже из-за ограничений в скорости печати и необходимости последующей обработки».
Екатерина Ефимова, сооснователь и директор по развитию компании SHILÉYKO
«Какую бы область мы ни рассмотрели, везде есть инструменты, которые можно изготовить методом 3D-печати: где-то это пуансоны и матрицы на станки (листогибочные прессы), где-то — комплектующие в виде шестерён или расходники в виде мастер-моделей.
В других областях это шаблоны для укладки электронных плат или зажимы на роботизированных руках, ложементы для сборки сложных узлов деталей или даже прижимы стёкол на сварочных масках. На данный момент область применения 3D-печати в промышленности ограничена только компетенциями людей, которые не до конца понимают её преимущества».
Текст: Мария Кармакова
