5 - 2015

Аддитивное и гибридное производство с применением 3D-печати


Ян Ларссон (Jan Larsson),
старший директор по маркетингу систем проектирования изделий в Европе, на Ближнем Востоке и в Африке компании Siemens PLM Software

Введение

Быстрое развитие технологии 3D­печати в последние годы не только сделало ее доступной, но и позволило создать новые типы аддитивного и гибридного производства.

По данным аналитической фирмы IDC, 3D­печать находится на пороге массового внедрения: бизнес начал осознавать технические и финансовые преимущества данной технологии. По прогнозу IDC, поставки 3D­принтеров во всем мире за период с 2012 по 2017 год возрастут на порядок. Основной спрос создают частные потребители и малый бизнес, однако новые технологии оказывают заметное влияние и на промышленность.

В частности, внедрение 3D­пе­чати преобразует способы проектирования, изготовления и поставок изделий. Развитие технологий открыло путь к созданию более экологичных, легких и безопасных изделий, а также к снижению себестоимости и сокращению сроков подготовки производства.

Основные задачи

Потенциально 3D­печать способна значительно ускорить и оптимизировать отдельные технологические процессы, однако с ней связан и ряд трудностей.

Во­первых, это нынешнее состояние данной развивающейся технологии, имеющийся опыт ее применения и вопросы экономической обоснованности. Например, в современных постоянно меняющихся условиях достаточно сложно рассчитать, как выгоднее изготовить деталь сетчатой формы: внедрить процесс 3D­печати или создать специальную технологическую оснастку? Производители, которые хотят применять эту технологию не только в опытном и серийном производстве, — классические первопроходцы. Им непросто обосновать возникающие расходы и принимать решения о внедрении. По этим причинам успешный перевод даже одной технологической операции на 3D­печать может занять месяцы, а то и годы.

Применение порошкового напыления на многокоординатном станке позволяет более быстро изготавливать детали, добавляя к ним материал по практически любой координате

Применение порошкового напыления на многокоординатном станке позволяет более быстро изготавливать детали, добавляя к ним материал по практически любой координате

Более того, для аддитивного производства требуется преобразование созданной в СAD­системе геометрии в файлы формата STL. Неизбежно возникающие при этом неточности на несколько порядков превышают допуски при традиционной обработке резанием.

Существует и множество других задач, решение которых требует проведения дополнительных исследований, направленных на выпуск продукции стабильно высокого качества. В настоящее время невозможен текущий контроль процесса аддитивного производства, являющийся стандартной функцией при обычной механической обработке.

Понадобятся не только новые станки, но и переход от традиционных субтрактивных процессов (резание, пластическое деформирование и применение технологической оснастки) к аддитивным, а в конечном счете — к гибридным. Это требует нового мышления, новых инструментов и процессов. В то же время возникают новые возможности в плане проведения расчетов и использования различных материалов.

Изготовление изделий на заказ

Два основных преимущества 3D­печати — возможность изготовления уникальных изделий, а также нестандартных деталей сложной формы без применения операций сборки.

Это позволяет сэкономить вре­мя, ресурсы и снизить себестоимость продукции. Рассмотрим простой пример — изготовление стойки шасси. Вместо того чтобы производить тяжелую сплошную деталь, требующую обработки на прессе, процесс 3D­печати позволяет получить пустотелую стойку со сложной структурой внутренних усиливающих элементов. При печати деталь сразу получает нужную форму. Этот процесс оказывается быстрее, а готовая деталь — более прочной, легкой и менее материалоемкой.

Кроме того, вместо изготовления множества деталей и их последующей сборки можно сразу напечатать весь узел целиком. При использовании традиционных технологических процессов для получения даже относительно простой сборки необходимо изготовить большое число отдельных деталей, что увеличивает себестоимость и ограничивает допустимые конструктивные решения. Аддитивное производство создает объект целиком за одну операцию. Детали получаются более легкими и долговечными.

Аддитивные технологии позволяют свободно менять форму изготавливаемых деталей. Это дает возможность не только быстро получать опытные образцы, но и вносить изменения в базовую конструкцию в соответствии с пожеланиями конкретного заказчика. Например, в медицине искусственные коленные и тазобедренные суставы можно изготавливать под конкретного пациента.

3D­принтеры — это не только новые конструкции, но и новые материалы. Речь идет не просто о переходе от пластиков к металлам и сплавам, но и об абсолютно новых категориях материалов, которые даже не рассматриваются в традиционном машиностроении. К ним относятся легко деформируемые и биологические материалы, применяемые в медицинской и пищевой промышленности. При работе с традиционными металлами появилась возможность создания градиентов плотности или получения деталей, состоящих из различных материалов. Этого невозможно добиться обычными процессами ковки и литья.

Новая экосистема проектирования

Перед машиностроителями открываются широкие перспективы, однако внедрение технологических инноваций потребует создания абсолютно новой экосистемы конструкторско­технологического проектирования.

С точки зрения конструирования понадобятся новые CAD­системы, пригодные для разработки облегченных деталей и построения поверхностей сложной формы, а также учитывающие требования аддитивных технологий и поддерживающие проектирование мультикомпозитных деталей.

На одном и том же станке с ЧПУ выполняется и добавление,

На одном и том же станке с ЧПУ выполняется и добавление,
и снятие материала. Благодаря этому детали сложной формы изготавливаются с максимально возможной точностью

Компания Siemens является лидером CAD/CAM-отрасли. Она предлагает важнейшие программные решения для управления подобными принципиально новыми гибридными станками

Компания Siemens является лидером CAD/CAM-отрасли. Она предлагает важнейшие программные решения для управления подобными принципиально новыми гибридными станками

Аддитивное производство позволяет создавать более сложные конструкции. В первую очередь это относится к невидимой внутренней структуре детали. Возникает задача разработки методик прочностных расчетов таких структур с целью определения запаса прочности и оценки поведения конструкции под различными нагрузками. Рост сложности детали вызывает новые проблемы контроля качества. Традиционный контроль на координатно­измерительных машинах не способен предоставить полную картину уровня качества.

Потребуется и развитие CAE­систем численного моделирования, в которых должны появиться средства топологической оптимизации, расчета деформированного состояния и выбора режимов лазерного напыления. На производстве новые CAM­системы будут поддерживать программирование многокоординатных аддитивных, а также гибридных станков.

В таких условиях вся экосистема технологической подготовки производства требует переосмысления. Возможность изготовления деталей на заказ позволяет свести складские запасы к нулю, что, в свою очередь, приведет к реструктуризации цепочек поставок.

Наконец, от сотрудников потребуется приобретение новых навыков и способность их совместной работы на всех этапах конструкторско­технологической подготовки производства.

Гибридный подход

Несмотря на многочисленные преимущества аддитивного производства, у него имеются и недостатки. Прежде всего, это малая точность и высокая шероховатость поверхностей.

Решение этих недостатков обеспечит применение гибридного подхода, когда на одном и том же станке выполняется и 3D­печать, и обработка резанием. Объект создается по аддитивной технологии, а затем мелкие элементы получаются резанием. Подобный подход также решает проблему допусков и точности, позволяя выполнять шлифование и последующие контрольные измерения готовой детали.

Функции как добавления, так и удаления материала с малым шагом обеспечивают возможность внесения изменений в конструкцию «на лету», без ее пересоздания с нуля. За счет этого этапы расчетов и испытаний проводятся гораздо быстрее и с гораздо более высокой точностью.

Такой подход упрощает задачи технического обслуживания и ремонта. К сломанной детали достаточно добавить материал — и она снова будет как новенькая.

Развитие аддитивного производства

3D­печать применяется в промышленности уже несколько десятилетий, но крайне ограниченно. Изначально она разрабатывалась для изготовления опытных образцов методом стереолитографии. Такие образцы, конечно, помогали в разработке изделий, но получались они слишком хрупкими и неточными, поэтому были пригодны лишь в качестве средства визуализации замысла конструктора.

Подавляющее большинство изделий по­прежнему массово изготавливалось традиционными методами. Несмотря на высокую стоимость технологической оснастки, себестоимость отдельной детали в массовом производстве оказывается весьма низкой. Важно и то, что традиционные технологии обеспечивают более высокое качество поверхности.

Развитие аддитивного производства начиналось со стереолитографии — процесса изготовления деталей из жидкого полимера. Кроме того, разработаны процессы с использованием пластикового либо металлического порошка: лазерное спекание, плавка электронным лучом, 3D­печать расплавленным пластиком и наплавка материала. Каждый из этих вариантов имеет свои преимущества и недостатки в плане прочности, точности, количества отходов и удобства применения.

Уже очевидно, что аддитивное производство позволяет создавать детали, которые просто невозможно изготовить традиционными методами.

Заключение

В обозримом будущем для массового выпуска сравнительно простых изделий по­прежнему будут применяться традиционные производственные технологии. Аддитивное и гибридное производство открывает совершенно новые возможности в плане конструирования и изготовления определенных изделий.

В ряде случаев применение аддитивных технологий совершенно оправданно, однако для наработки производственного опыта потребуются колоссальные затраты времени и ресурсов.

Вывод данной технологии из состояния нишевого решения для единичного производства потребует поддержки со стороны всей промышленности в целом, а также разработки систем технологического проектирования для аддитивных и гибридных станков.

В частности, компания Siemens PLM работает над тем, чтобы управлять подобными станками непосредственно из системы NX. Это позволит избежать потерь данных или снижения точности, вызванных переводом в промежуточные форматы.

Аддитивные и гибридные производственные технологии постоянно развиваются. Это инновационная дорога в будущее. Потенциал таких технологий столь огромен, что способен породить новые отрасли промышленности, а также преобразовать способы решения огромного количества технологических задач, возникающих при производстве практически любого изделия. 

САПР и графика 5`2015