Пластиковые формы для металла. Аддитивное производство формовочной оснастки.
Минимизировать человеческий фактор на производстве — главный лозунг четвёртой промышленной революции. Замкнутый цикл, автоматизация, просчитанные алгоритмы — вот оно, современное предприятие. Многие процессы производства, в том числе и отлив формовочной оснастки, потеряли прежний традиционный облик. Литьё изделий для промышленных металлургических предприятий становится проще параллельно с разрастающимся трендом «Индустрии 4.0». Привычное производство сплелось с аддитивным. Как происходит пополнение оснастки путём 3D-печати, и эффективная ли это замена старым технологиям?
Да, текущее течение автоматизации неразрывно связано с технологией 3D-печати, в контексте промышленности — это не только печать композитами, но и металлами. Многие отрасли строят производство на базе аддитивной технологии и не смогут уже без неё функционировать.
3D-печать соблазнила промышленников тем, что с её применением можно создавать объекты абсолютно любой формы, всего лишь подгрузив цифровую модель. К тому же она лишает смысла и тем самым убирает такие процессы, как фрезеровка и резка, — экономит ведь затраты на оборудование и время?
Суть технологии
Абсолютно противоположная традиционным методам литья технология имеет к тому же и широкий ряд способов производства.
«Некоторые методы основываются на плавке или размягчении материалов для создания слоёв: сюда входит выборочное лазерное спекание (SLS), выборочная лазерная плавка (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), печать методом послойного наплавления (FDM или FFF). Другим направлением стало производство твёрдых моделей за счёт полимеризации жидких материалов, известное как стереолитография (SLA)», — сообщил заместитель генерального директора ООО «НПО «ГКМП» Дмитрий Алфимов.
Технический специалист ИП Козенко Михаил Юрьевич, представляющий торговую марку VolgoBot, Егор Гладков говорит, что технологии отличаются типом «скрепления материала между собой» и расходным материалом, который используется при печати. Также эксперт добавил, что хоть аддитивное производство подходит для печати множества видов оснастки — применимость метода лучше рассматривать на конкретных примерах, а не считать её универсальной.
Каждое предприятие и правда выбирает наиболее подходящий путь 3D-печати оснастки. Например, в ООО «НПО «ГКМП» остановили выбор на технологии нового поколения VTPM. Эксперты считают это прорывом в стремительно растущей индустрии. Технология подходит для разных типов работ: силовой оснастки для гибки и формования металлических изделий, формообразующей печати со сложной геометрией, ускоренной 3D-печати.
Кроме того, возможна корректировка неровностей во время печати и кастомизация принтера под задачи каждого отдельного клиента.
Промышленный принтер с такой технологией способен производить крупные матрицы.
Станки и материалы
Отметим, что не каждое аддитивное оборудование может подойти для печати формовочной оснастки. Руководитель проектов по аддитивным технологиям АО «Айкьюб Технологии» Виктор Наумов отметил, что для этих целей хороши станки с технологией FDM (наслоения полимерной нити) и FGF (печать расплавленным гранулятом). Особенно для печати формовки подходят именно FDM, эксперты говорят, что оборудование это недорогое и способно печатать крупногабаритные детали.
Однако при ряде положительных качеств FDM практики говорят о её недостатке — шероховатости поверхности готового изделия. Грубый слой может проявляться на 20% от высоты наплавленного слоя, но специалисты нашли выход: они полируют, зачищают и выполняют другую постобработку.
«Для устранения данного недостатка детали, напечатанные методом FGF, подвергаются постобработке фрезеровочным или токарным станком. Эта гибридная технология (печать + постобработка) позволяет изготавливать дешёвую оснастку без выраженной слоистости (что является проблемой для методов FGF и FFF/FDM производства)», – сообщил генеральный директор ООО «Ф2 Инновации» Евгений Матвеев.
Есть, конечно, и альтернатива — технология PJ (PolyJet), то есть струйная 3D-печать. Формы, напечатанные по этой технологии, конечно, гладкие, но стоят принтеры PJ в десятки раз больше, нежели FDM, равно как и материалы.
Что касается приспособленности 3D-печати к формовке, то часто используют материал ABS, а также специфические — высокотемпературные, масло-бензостойкие, химически стойкие PEEK и ULTEM. Например, материал ULTEM 9085 подходит для быстрого изготовления гидроформовочной оснастки для производства листовых и трубчатых деталей. И может вполне заменить дорогие металлические штампы, которые не по карману малому предприятию. Г-н Наумов отметил, что материал выдерживает давление до 70 МПа, поэтому применяется и для формовки изделий из алюминиевых сплавов, стали и титана. Технология уже была внедрена в корпорации «Иркут», где изготовили штамп, выдерживающий 700 циклов производства металлической оснастки.
Возникает вопрос: а нет ли ограничений по металлу, из которого будет изготовлено будущее изделие? Но круг совместимых материалов оказался не мал, подтвердил Дмитрий Алфимов. Для аддитивных технологий используют титановые сплавы (TiA16V4, TiA16Nb7), инструментальную и нержавеющую стали (316L), алюминий и его сплавы (AlSilOMg), кобальт-хром (СоСг), никелевые сплавы (Inconel 625). Если с материалами и технологиями всё более-менее однозначно, то о том, формовка для какой именно оснастки наиболее распространена, судить сложно. Напечатать можно, как кондуктор, так и крепёжные приспособления наподобие тисков. Но если не учесть нюансы аддитивного производства, можно здорово ошибиться — печать этих изделий может просто не подойти для заявленных задач.
А вот и кейс
Одно из популярных на предприятиях применений аддитивной технологии — это печать оснастки в качестве ножей для формовки. Разные варианты изделий создают из бюджетных и доступных на рынке материалов PETG и PLA. При этом в зависимости от геометрии они выдерживают нагрузки до 20 МПа. Такие формы предназначены для производства изделий из алюминия и нержавейки с шагом в 0,5 мм и толщиной листа от 1 мм до 3,5 мм. Кстати, элементы эксперты рекомендуют печатать с заполнением лишь на 15–20%, это ускоряет процесс изготовления и экономит материалы, поправка только на то, что формы могут не выдержать нагрузку. Хотя г-н Наумов утверждает, в таком случае увеличивается количество периметров детали. Вместо заполнения наружный периметр производится в несколько проходов, образуется так называемая оболочка.
Для печати форм со сложной геометрией уже иная технология — тут пресс-форма и сама матрица могут быть подвижными. Это возможно с применением FDM и недорогих материалов.
Для глобальных задач, например, производства самолетов или станков, из разного металла — предлагается испанское аддитивное оборудование Discovery, которое состоит из японских и испанских технологий, включая сталь. Они доступны для нескольких типов печатей: FDM (полимерной нитью), FGF (гранулами), это примерно 8 кг произведённых объектов в час.
Требует внимания
Минимизация человеческого фактора и погрешности издержек с вытекающим отсюда замкнутым циклом — привлекательная перспектива, но получить этот результат не так легко.
«Аддитивное производство — не просто технология, которую достаточно взять с полки и внедрить. Чтобы добиться эффективности, необходимо обладать обширными знаниями. Для ответственных деталей критически важно, не произошёл ли сбой в одном из слоёв при выращивании, нет ли внутренних дефектов в виде пустот, рыхлот, трещин и т. п.», — утверждает г-н Алфимов.
Более того, нужно учесть реальные показатели и не исключать того, что технология может иметь и недостатки. Да, 3D-печать формовки композитами отличается скоростью и лёгкостью. Оснастка, производимая с её помощью, недорогая и не требует для изготовления большого количества оборудования. Однако Егор Гладков отметил, что изделия, изготовленные по технологии FDM, меньше прослужат по своему назначению, кроме того, сама технология не универсальна и может быть неприменима при определённых условиях, например для работы при температурах более 350 градусов по Цельсию.
По России
По словам г-на Гладкова, довольно сложно оценить хотя бы примерное количество предприятий, которые используют детали, произведённые путём аддитивного производства. Причина в том, что серийное изготовление партиями даже в тысячу единиц — невыгодно на аддитивном оборудовании, так как производство даже небольшой детали может занять около 20 минут.
Кроме того, несмотря на низкую стоимость гранул для печати, нити не такие уж дешёвые. Егор Гладков утверждает: при отливке 1000 деталей — себестоимость единицы может быть около 10 рублей, а при печати таких же деталей в 10 раз выше. Поэтому изготовление аддитивными технологиями более выгодно для мелкой серии или уникальных изделий.
Тем не менее, как говорит Дмитрий Алфимов, предприятия авиакосмической
и машиностроительной отраслей активно используют технологию, особенно их внимание устремлено на печать деталей металлическими порошками. А вот в сферу электроники «аддитивка» проникает медленнее, несмотря на то, что сегментация рынка аддитивных технологий в России происходит в соответствии с мировыми трендами.
Постепенно проникая в промышленные отрасли, сфера активно развивается.
«Появляются новые производители аддитивного оборудования и специалисты в этой сфере. Всё это благодаря открытию учебных направлений по аддитивному производству, а также обучению на самих подобных предприятиях», — сообщил Егор Гладков.
Однозначно заявить о том, как будет развиваться технология в России дальше, трудно, но если исключить нынешнее положение — для 3D-печати уже разрабатываются новые материалы, а следовательно, возможности аддитивного производства будут только расширяться.
«Поскольку 3D-печать также позволяет увеличить количество изготавливаемых деталей, она открывает на самом деле невероятные возможности. Любые организации — от стартапов до международных компаний — могут извлечь из аддитивных технологий значительную выгоду. Партнёрство в отрасли уже приводит к ощутимым результатам и открывает для 3D-печати всё новые сферы применения», — заявил г-н Алфимов.
Солидарны с мнением и другие эксперты.
«Сегодня мир движется быстрее, чем любое, даже самое отлаженное и инновационное производство, причём речь идёт не только о рынке оснастки. Производителей интересуют точность, скорость и цена.
Аддитивные технологии способны стать ответом на эти вызовы. При правильном введении 3D-печати в производственный цикл предприятия экономическая выгода налицо, и всё больше и больше компаний это понимают, так что ответ простой: перспективы хорошие», — считает Евгений Матвеев.
К слову
«При печати из гранул оснастки под ХТС литьё пользователь имеет возможность печатать деталь пустотелой (с сетчатым заполнением внутри, чтобы сохранить форму и жёсткость). При этом стоимость 1 кг пластика готовой детали будет такой же, как у пластика под фрезеровку, но с экономией в весе до 50–90% в зависимости от геометрии детали», — считает генеральный директор ООО «Ф2 Инновации» Евгений Матвеев.
Текст: Анастасия Семёнова. Фото: freepik.com
