Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции». Часть 5. Аддитивные технологии: изготовление изделий, постобработка, контроль качества, временные сложности

После многоэтапной фазы разработки изделия и его подготовки к производству наступает момент истины. Данные проходят окончательную обработку, и начинается процесс печати. Это этап, в котором человек практически не участвует. Оборудование работает по принципу чёрного ящика. Во время печати, которая может длиться несколько часов, оператор практически не задействован в процессе. В итоге через несколько часов мы должны получить требуемое изделие.

Но не всё так просто. Дело в том, что до того, как мы отправим данные на оборудование, нам необходимо это оборудование выбрать. От того, насколько корректно выбрана технология и модель, зависят будущие технологические возможности предприятия и себестоимость производства. Промышленное оборудование для аддитивного производства – крайне дорогостоящая инвестиция, так что далеко не каждый может себе позволить купить всю палитру предлагаемых решений.

Количество технологий с каждым годом увеличивается. Каждый уважающий себя производитель стремится добавить что-то новое к уже имеющимся решениям, чтобы выделиться на фоне конкурентного окружения. В итоге в огромном многообразии существующих предложений разобраться становится достаточно сложно, что непременно приводит к ошибкам при выборе оборудования. Более того, многие производители, использующие существующие на рынки технологии, для того, чтобы выделиться, придумывают новые названия технологиям. Очень часто это всего лишь новое название, защищённое путём регистрации товарного знака. Это вносит дополнительную путаницу.

Поэтому настойчиво рекомендую к процессу выбора технологии, модели оборудования (основного и вспомогательного) и подбору материалов отнестись с максимальной ответственностью, а не просто следовать рекомендациям рекламы и известности брендов.

Для того чтобы определиться с выбором системы, для начала рекомендуется определиться с требованиями по следующим пунктам:

• назначение оборудования, варианты: протипирование, производство изделий, изготовление оснастки и литьевых форм и т.д.,

• тип материала, варианты: полимер, металл, керамика, кварцевый песок и т. д.,

• максимальный размер детали,

• серийность производства,

• точность и качество печати,

• минимальный размер элементов изделия,

• требуемые характеристики поверхности,

• допустимый цикл производства,

• себестоимость изделия.

Мне бы не хотелось уходить в подробности отдельных технологий, так как это вопрос, которому можно посвятить не одну книгу. При этом к моменту выхода книги в печать информация уже устареет, так как скорость возникновения новых материалов и технологий настолько высока, что не имеет аналогов в других областях промышленных технологий.

К тому же мне не хотелось бы уходить в сравнение технологий, так как таким образом я могу случайно принизить технические достижения отдельных производителей, а мне бы этого не хотелось. С учётом того, что моя профессиональная деятельность связана в том числе с аддитивными технологиями, я по соображениям этики выбираю нейтральную позицию в данном вопросе и доверю провести сравнение самим читателям на основе собственного опыта.

Ракетный двигатель SpaceX

Всемирно известная в сфере разработок и производства космического транспорта компания SpaceX активно применяет аддитивные технологии при изготовлении ключевых элементов своих систем.

В январе 2014 года SpaceX запустила ракетоноситель Falcon 9 с напечатанным корпусом главного клапана окислителя в одном из девяти двигателей Merlin 1D. Это был первый случай, когда компания использовала деталь, полученную с помощью 3D-печати, которая предназначена для работы под воздействием жидкого кислорода высокого давления, криогенных температур и высокой вибрации.

Благодаря использованию трехмерной печати прочные и высоконадёжные детали ракеты могут быть изготовлены с явными преимуществами по отношению к традиционным технологиям.

Изделие было изготовлено менее чем за 2 дня при том, что с помощью литьевых технологий изготовление занимало несколько месяцев. Перед полётом изделие успешно преодолело расширенную программу испытаний.

Другим более значимым успехом в освоении аддитивных технологий была камера жидкостного ракетного двигателя SuperDraco. Сегодня SpaceX проводит испытания этого двигателя в рамках подготовки программы управляемых космических полетов и второго поколения ракетоносителя Dragon.

Камера сгорания двигателя изготовлена методом 3Dпечати из никель-хромового жаропрочного сплава на собственном оборудовании компании SpaceX. Этот метод позволяет радикально уменьшить длительность производственного цикла при создании двигателя и снизить его стоимость и вес по сравнению с более традиционными методами отливки деталей. В двигателе применяется регенеративное охлаждение камеры сгорания и сопла за счёт циркуляции топлива в сложной системе каналов, отпечатанных непосредственно в стенках камеры.

Ракетный двигатель SuperDraco

Постобработка

Под постобработкой понимают все последующие действия, которые производятся с полученным изделием после того, как его извлекли из оборудования для аддитивного производства. Несмотря на это, вопрос контроля качества изделий я решил вынести в отдельную главу, так как он требует более подробного обсуждения.

Вся постобработка изделий аддитивного производства делится на первичную и вторичную. Первичная постобработка включает в себя обязательные шаги, которые применяются ко всем изделиям. Такие действия отличаются в зависимости от используемой аддитивной технологии, но обычно включают очистку, отделение образцов от основания и удаление поддерживающих элементов.

Вторичная постобработка включает более глубокую обработку образцов для улучшения эстетического вида и функциональных характеристик изделия. Она необходима, так как часто полученные после печати образцы не соответствуют в полной мере требованиям к готовому изделию. Среди типовых операций постобработки можно выделить следующие:

• горячее изостатическое прессование, необходимое для уменьшения пористости и улучшения усталостной прочности,

• термическая обработка для снятия остаточных напряжений,

• механическая обработка для подготовки функциональных поверхностей и приведения образца в соответствие требованиям к размерам и допускам,

• обработка поверхности для придания требуемого качества поверхности и/или твёрдости, может включать в себя в том числе покраску,

• контроль качества, включающий контроль геометрических размеров, характеристик поверхности и свойств материалов, а также выявление скрытых дефектов.

Окончательный набор необходимых операций постобработки можно определить только исходя из особенностей конкретного изделия и технологического процесса.

О постобработке не стоит забывать, так как она может существенно увеличить (иногда в разы) себестоимость производства изделия. Часть операции постобработки можно исключить на этапе выбора технологии и разработки изделия.

Контроль качества изделий аддитивного производства

Как было сказано ранее, изделия аддитивного производства отличаются от изделий, полученных путём механической обработки, более сложной внутренней структурой. При этом в процессе производства изделия возникают дополнительные риски возникновения дефектов, вызванных деформацией. Главная сложность в контроле качества заключается в том, что необходимо оценить то, что скрыто внутри самого изделия. Механическим или оптическим путём необходимую информацию получить невозможно без повреждения изделия.

Для решения задач контроля качества и, что не менее важно, отладки технологии активно применяются решения, основанные на получении изображения внутренней структуры объекта с помощью рентгеновского излучения. К числу такого оборудования относятся:

• рентгенографическое оборудование, позволяющее получить изображение на специальной плёнке или перезаписываемой пластине,

• цифровые рентгенотелевизионные установки, позволяющие исследовать объект в режиме реального времени, получая двухмерное изображение нужной проекции на мониторе компьютера,

• цифровые промышленные рентгеновские томографы, позволяющие получить результаты исследования образца в виде трёхмерной модели.

Двухмерный рентгеновский снимок изделия

Томографы являются более дорогостоящим, но вместе с тем более функциональным оборудованием по сравнению с рентгенотелевизионным оборудованием. Вместе с тем в случае с исследованием объекта в режиме реального времени можно получить первые данные в течение нескольких минут после возникновения необходимости. Томограф, в свою очередь, требует в несколько раз больше времени на построение трёхмерной модели.

Трёхмерная модель, полученная с помощью томографа, с анализом пустот и их размеров

На основе полученной трёхмерной модели можно проводить расширенный анализ изделия, в том числе на предмет сравнения фактических геометрических размеров с требуемыми. При этом производится измерение как внешних размеров, так и скрытых внутри объекта.

Кстати, эта возможность томографов делает их незаменимым инструментом обратного проектирования. В этом случае имеющийся образец изделия, для которого нет CAD-данных, помещается в томограф для построения трёхмерной модели. После того как модель получена, с помощью специального программного обеспечения получается необходимый чертёж изделия, на основе которого можно разработать новое изделие или изготовить копии исходного образца.

Так как в области относительно «молодого» аддитивного производства зрелых опытных специалистов крайне мало и базы знаний по работе с новыми технологиями и материалами ещё не сформировано, то говорить об отлаженности технологии пока не приходится. В этих условиях применительно к ответственным изделиям стоит обеспечить выполнение необходимых операций по контролю качества, в первую очередь, внутренней структуры изделия. С внешней разобраться намного проще.

Симуляция при контроле качества продукции аддитивного производства

Для того чтобы осуществлять контроль качества изделий аддитивного производства независимо от того, из какого материала они сделаны, из пластика или металла, часто применяется технология рентгеновской компьютерной томографии. Эта технология позволяет получить полную информацию о внутренней структуре объекта исследования в цифровом виде без его разрушения.

Уже является привычным, что результаты контроля качества, полученные с помощью компьютерной томографии и представленные в виде цифровой модели, можно изучать и анализировать на предмет соответствия чертежу, критериям пористости и другим параметрам.

Новостью является то, что теперь появился инструмент, который позволяет с помощью симуляции осуществлять оценку механических свойств изделия на основе результатов томографического исследования изделия. Очень важно, что не на основе CAD-данных, а именно на основе данных томографии конкретного изделия.

Для того чтобы это стало возможным, компания Volume Graphics разработала новый программный модуль для симуляции механики конструкций. Данный модуль входит в пакет программного обеспечения для рентгеновских компьютерных томографов VGStudio MAX.

Данный программный модуль позволяет предсказывать, какую нагрузку может выдержать изделие, основываясь лишь на данных, полученных томографом. Более того, можно выявить критические участки конструкции.

Результат симуляции механики конструкции изделия, изготовленного с помощью аддитивных технологий, по результатам томографического исследования. Программа формирует изображение отсканированного образца, на котором цветом обозначены предельные нагрузки на различные участки. Красным выделены наиболее уязвимые места конструкции. Фото: Volume Graphics

Кроме контроля качества изделий на различных этапах производства, использование томографии вместе с данным программным модулем позволяет осуществлять оценку изделий в процессе эксплуатации. Это может быть одним из решений, позволяющим оценить ресурс изделия и выявить необходимость его замены.

С учётом того, что аддитивное производство в ряде случаев ориентировано на изготовление единичных изделий, довольно-таки сложно отладить технологию, не имея серийности. Возможность механической симуляции позволяет в случае незначительных отклонений от чертежа оценить изделие на предмет механической прочности и принять решение годности на основе комплексного анализа.

Временные сложности

Но не всё так просто. Говоря про аддитивные технологии, стоит упомянуть об их слабых местах по сравнению с традиционными. Выделим основные.

Низкая экономическая эффективность в крупносерийном и массовом производстве

Несмотря на стремительное развитие, аддитивное производство экономически обосновано главным образом в мелко- и среднесерийных производствах, в отличие от традиционных технологий, которые уже подтвердили экономическую состоятельность в крупносерийном и массовом производстве.

Ограниченный выбор материалов

Традиционные технологии позволяют работать с огромным диапазоном различных материалов, в то время как аддитивные технологии в промышленном секторе позволяют работать с ограниченным диапазоном полимеров, металлического порошка, керамики и некоторых новых материалов.

Ограничения в размере изделий

Размеры деталей, получаемых с применением трехмерной печати, в большинстве случаев ограничены габаритами оборудования. Несмотря на ряд перспективных разработок, которые направлены на снятие данных ограничений, на сегодняшний день традиционные технологии лучше подходят для изготовления крупногабаритных изделий.

Отсутствие стандартов и разрешения на использование

В ряде отраслей отсутствие стандартов и разрешений от компетентных инстанций является ключевым ограничением для использования новых технологий при производстве ответственных изделий. Для того чтобы можно было изготавливать изделия с применением новых материалов или по новой технологии, необходимо изготовить образцы, а затем провести огромное количество испытаний.

Данные слабости не являются приговором, они лишь отражают те ограничения, над которыми ведётся серьёзная работа учёных и инженеров по всему миру, и в России в частности.

Развитие аддитивных технологий является одним из наиболее значимых изменений в промышленности за последние несколько десятков лет. Это то, что в корне изменит будущее производства уже в ближайшие годы.

Книга «ИНДУСТРИЯ 4.0: Умные технологии – ключевой элемент в промышленной конкуренции»:

Часть 1. Предпосылки системных изменений

Часть 2. Технологическая основа новой промышленной революции

Часть 3. Дополненная и виртуальная реальность

Часть 4. Симуляция и основы применения аддитивных технологий

Часть 5. Аддитивные технологии: изготовление изделий, постобработка, контроль качества, временные сложности

Часть 6. Горизонтальная и вертикальная интеграция, промышленный Интернет вещей

Часть 7. Облачные технологии и информационная безопасность

Часть 8. Тотальная цифровизация

Часть 9. Развитие аналитических систем

Часть 10. Умные продуктово-сервисные системы

Часть 11. Логистика 4.0

Часть 12. Умное производственное оборудование

Часть 13. Умное производственное оборудование. Продолжение

Часть 14. Эффект от внедрения новых технологий

Часть 15. Преграды на пути прогресса

Часть 16. Умные технологии и люди