Понедельник, 25 Сентябрь 2017 13:44

Современное производство инструмента

Автор 
Оцените материал
(1 Голосовать)

Одним из главных достижений цифровой революции (часто именуемой Третьей промышленной), начавшейся в конце прошлого века, стал новый технологический метод послойного создания изделий на основе их трёхмерных компьютерных моделей в системах автоматизированного проектирования (САПР).

 

Сегодня этот метод известен как объёмная (3D) цифровая печать или аддитивное производство (АП), причём последнее определение как нельзя лучше отражает важнейшие принципиальные черты новой технологии.

Во-первых, производство – данный метод нашёл себя в различных промышленных приложениях. И если его применение вначале связывалось лишь с изготовлением единичных опытных образцов, прототипированием, то сейчас 3D-печать рассматривается уже как полноправный способ серийного выпуска разнообразных де- талей и компонентов изделий и даже самих изделий целиком. Во-вторых, аддитивное, прибавляемое – в противоположность традиционной механической обработке, основанной на снятии, удалении, материала, новый метод предлагает добавлять материал при производстве изделия. Обычная технология тоже использует принцип добавления материалов, однако реализует его с помощью разборных или неразборных соединений. Существует целый ряд техник аддитивного производства, которые основываются на разных физических принципах: стереолитография, многоструйное моделирование, лазерное спекание и другие. 3D-печать появилась ещё в восьмидесятых годах прошлого века как инструмент быстрого прототипирования – ускоренного единичного изготовления опытных образцов или моделей изделий для их последующего изучения или предложения заказчику.

Однако потребовалось определённое время, прежде чем в начале 21 столетия развитие технологии позволило найти для 3D-печати по-настоящему промышленное применение для серийного выпуска продукции. Значительное снижение стоимости 3D-принтеров резко увеличило их продажи и, соответственно, использование в производстве. Строго говоря, 3D-принтер – это совсем не то знакомое нам печатающее устройство, а полноценный металлообрабатывающий станок с числовым программным управлением (ЧПУ). Возможно, он достаточно экзотичен сегодня, но определённо станет повседневной технической реальностью уже завтра. Объёмная цифровая печать открывает перед производством новые горизонты и предлагает совершенно иной подход к выпуску изделий в различных отраслях: медицине, авиа-, автомобиле- и судостроении, оборонной промышленности.

Просто удивительно, как информационные технологии (ИТ) буквально стирают существующие ограничения и обходит естественные барьеры! Достаточно переслать соответствующую компьютерную модель компонента на 3D-принтер, который может находиться очень далеко, на ином континенте, и вы уже готовы производить там требуемое изделие! Значение такой возможности трудно переоценить, а появляющиеся перспективы поражают воображение. Если потребуется, например, изготовить изношенную деталь прямо на борту космического корабля или станции, срочно сделать индивидуальный костный имплантат на основе исследования пациента в другой части света, 3D-печать и сетевые коммуникационные средства являются идеальным решением.

В принципе 3D-принтер может даже превратиться в самовоспроизводящуюся систему, которая, если надо, в состоянии изготовить сломанную деталь или её временный заменитель для самой себя. Вероятно, не такие впечатляющие, но не менее важные результаты обещает внедрение аддитивного производства в металлообработку.

АП отличается как своими достоинствами, так и недостатками, и их понимание определяет место 3D-печати в машиностроительных отраслях.

Среди достоинств следующий тезис: «Чем сложнее, тем лучше!». Парадоксально, но полностью противоположный классическому инженерному принципу «Делай просто!», он как нельзя лучше отражает сильные стороны аддитивного производства. Именно в выпуске сложных деталей АП в состоянии существенно снизить себестоимость. Здесь наиболее полно проявляется способность 3D-печати преодолевать различные ограничения, связанные с традиционной технологией, и реализовать многие непростые конструкторские решения по улучшению функциональной характеристики изготавливаемых деталей.

Исключительная гибкость – другое неоспоримое положительное качество аддитивных технологий. Тот же самый 3D-принтер производит совершенно разные детали без особых затрат на настройку. Разумеется, простота прототипирования – опытный образец можно быстро изготовить уже сразу после завершения проектирования и значительно ускорить его испытание. А если последнее покажет необходимость внесения изменений в конструкцию, их можно сделать очень быстро, отредактировав компьютерную модель и запустив 3D-принтер ещё раз. Таким образом, АП в состоянии коренным образом уменьшить сроки разработки новой продукции. Цифровая печать обеспечивает структуру детали, близкую к идеальной с инженерной точки зрения: переменная толщина стенки для обеспечения равнопрочности, оптимальный профиль поперечного сечения отверстий и полостей для движения жидкостей и газов и т.д.

Аддитивные технологии позволяют экономно использовать исходный материал, снижая производственные отходы. Тем не менее, АП не свободно от недостатков. Прежде всего, гарантированные показатели точности – они далеки от требований, предъявляемых к посадочным поверхностям, и для получения нужных допусков размеров необходима дополнительная чистовая механическая обработка традиционными методами. Говоря о сырье для производства деталей аддитивным способом, следует отметить, что совсем не каждый вид конструкционного материала пригоден для цифровой печати. Наконец, габариты: современные 3D-принтеры имеют понятные пределы рабочего пространства, которые ограничивают выпуск деталей больших размеров.

Знание сильных и слабых сторон цифровой печати служит основой внедрения аддитивных методов в промышленности. Судя по экспресснформации и различным техническим отчётам, АП уже освоено такими отраслями индустрии, как авиа- и автомобилестроение, производство изделий военного и медицинского направления, причём речь идёт не об экспериментальной, а серийной продукции. Несмотря на то, что аддитивная составляющая занимает пока скромное место среди применяемых технологий, существует немало примеров успешного использования 3D-печати в процессе выпуска деталей и законченных изделий.

 Авиационная промышленность отличается жёсткими требованиями к компонентам, непосредственно связанным с безопасностью полёта. Совершенно ясно, что детали, изготовленные аддитивными методами, должны пройти многочисленные испытания, прежде чем стать полноправной альтернативой своим аналогам, выпускаемым по традиционной технологии. Сегодня мы ещё не наблюдаем такой массовой замены. Однако разнообразные виды технологической оснастки (станочные и измерительные приспособления, калибры и пр.) для различных стадий действующих процессов изготовления уже созданы с помощью объёмной цифровой печати. Производство летательных аппаратов (ЛА) – сложная технологическая цепь, каждая из звеньев которой требует немало приспособлений.

 Привлечение аддитивных методов для выпуска оснастки не только значительно ускоряет подготовку производства, но и заметно уменьшает себестоимость. Что же касается вспомогательных малогабаритных деталей и устройств, они будто и созданы для АП! Меньшие размеры и более открытые требования безопасности гарантируют 3D-печати хорошие перспективы в области беспилотных ЛА. С помощью аддитивных методов можно снизить массу аппарата и придать ему эффективную аэродинамическую форму, уменьшая производственные затраты.

Аэрокосмическая промышленность является одним из главных потребителей титана. Изготовление титановых деталей – металлоёмкий процесс, значительная доля дорогого и труднообрабатываемого материала уходит в стружку. Проводимые исследования направлены на создание титанового порошка, подходящего для производства деталей относительно небольших размеров с использованием 3D-печати. Похожее положение наблюдается и в автомобильной промышленности. Закономерен вопрос: можно ли применить аддитивные технологии для производства режущего инструмента? Предварительный ответ будет положительным, но для окончательного решения, как и в авиа- и автомобилестроении, требуются многочисленные исследования и практические испытания.

Аддитивное производство инструмента выглядит особо привлекательным по нескольким причинам.

Начнём с уже отмеченных возможностей цифровой печати по формированию внутренних каналов и полостей для подвода смазочно-охлаждающих технических средств (СОТС) непосредственно через корпус инструмента. Если инструмент предназначен для работы с подачей СОЖ под высоким давлением, профиль каналов выступает в роли одного из ключевых факторов успеха, и АП служит идеальным средством для его достижения.

3D-печать, способная создавать сложные формы, позволяет «вырастить» корпус инструмента уже сразу со стружечными карманами, впадинами, углублениями и обратными уклонами, то есть теми поверхностями, которые традиционная технология получает механической обработкой. Следовательно, использование АП сокращает операции резания, и значительно снижает сроки изготовления. Необходимо подчеркнуть, что 3D-печать в состоянии обеспечить и оптимальный баланс между прочностью корпуса и объёмом стружечного кармана.

Если аддитивная технология сумеет найти экономичный способ производить детали из твёрдого сплава, это станет несомненным прорывом вперёд. Ведь тогда конструкторы получат в своё распоряжение мощный инструмент по быстрому созданию сменных пластин без необходимости ожидать изготовления дорогостоящих и трудоёмких пресс-форм. Намного уменьшится время, необходимое на поиск оптимальной геометрии пластин с помощью изучения и испытания различных проектных вариантов.

Сегодня такие мысли могут вызвать лишь улыбку, но ещё совсем недавно и 3D-печать встречалась только в научно- фантастической литературе. Наблюдая радужные перспективы аддитивного производства инструмента, нельзя не видеть и определённые преграды. Ограниченная точность цифровой печати пока не может полностью устранить механическую обработку: например, шлифование посадочного отверстия или наружной поверхности хвостовика, фрезерование гнезда пластины или нарезание резьбы в отверстиях. Кстати, принимая такое положение во внимание, станкостроительные компания предлагают потребителю станки-гибриды, осуществляющие и традиционное резание, и 3D-печать. Усталостная прочность, сопротивляемость циклической нагрузке, виброустойчивость и надёжность при высокоскоростном вращении продуктов АП является предметом исследований, результаты которых во многом определят место аддитивных технологий в инструментальном производстве.

Ведущие изготовители режущего инструмента, в частности ИСКАР, уже активно применяют цифровую печать в своих опытно-конструкторских разработках и даже непосредственно в производстве. Ближайшее будущее покажет, насколько глубоко АП сможет укорениться в отрасли. Не вызывает сомнения, что 3D-печать в состоянии привести к действительно знаковым изменениям в инструментальной промышленности. Но станет ли эффект внедрения новой технологии только аддитивным, добавочным, или возможно, синергетическим, который принесёт нечто большее – надо запастись терпением и немного подождать, ответ уже не за горами. Совершенно ясно, что Третья промышленная революция переходит на следующий этап «оцифровывания» металлообработки, и производство режущего инструмента не может быть в стороне от этого процесса.

По материалам журнала: «МЕТАЛЛООБРАБОТКА И СТАНКОСТРОЕНИЕ»  Автор: А. ПЕТРИЛИН

 

 

Авторизуйтесь, чтобы получить возможность оставлять комментарии

Поделиться в соц. сетях: