CC BY
33
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621.74.045; 336
ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛИТЬЯ ПО АДДИТИВНЫМ МОДЕЛЯМ В УСЛОВИЯХ ОКР
П.А. Андрианов, А.Е. Колмаков
Рассмотрен вопрос об экономической эффективности использования различных аддитивных технологий при получении отливок в условиях опытно-конструкторских работ (ОКР), выбран оптимальный вариант.
Ключевые слова: экономическая эффективность, аддитивные технологии, литье металла, опытно-конструкторские работы.
В отрасли литье по выплавляемым моделям является основным видом технологии и применяется при изготовлении практически всех типов изделий (рис. 1): боевых машин зенитных и противотанковых комплексов, прицелов-приборов наведения, управляемых зенитных и противотанковых ракет, стрелково-пушечного вооружения.
Для изготовления отливок используются конструкционные углеродистые и легированные стали: 30ХГСЛ, 09Х16Н4БЛ, 23ХГС2МФЛ, 12Х18Н10ТЛ, 40ХЛ, 20Л, 25Л.
Из соображений экономической целесообразности и специфики продукции в АО «КБП» литейное производство ограничено отливками небольшого размера, массой от 10 до 3,5 кг (рис. 2). Отливки большего типоразмера встречаются в изделиях сравнительно редко и изготавливаются на специализированных предприятиях. Общий объем производства стального литья на предприятии составляет до 14 т в год. При этом количество ежегодно осваиваемых новых наименований отливок сравнительно невелико.
Литье стали по выплавляемым моделям в изделиях АО «КБП» является доминирующим, практически единственным способом получения стальных отливок. Литье в землю мало востребовано из-за невысокой точности и качества отливок, другие технологии - из-за экономической нецелесообразности.
Литье по выплавляемым моделям хорошо освоено и не представляет принципиальной сложности в серийном производстве. Однако в условиях ОКР возникают проблемы, связанные с длительностью и стоимостью подготовки производства. Для получения выплавляемой модели необходимо изготовление пресс-формы. Сначала ее проектирование вносят в план работ конструкторского подразделения отделения главного технолога. Проектирование с выпуском конструкторской документации занимает около месяца. Далее пресс-форму нужно изготовить. Она попадает в план работ инструментального производства.
Рис. 1. Примеры изделий, при производстве которых, используется литье по выплавляемым моделям: а - боевая машина зенитного комплекса; б - зенитная управляемая ракета; в - противотанковый ракетный комплекс; г - боевая машина десанта; д - гранатомет, е - снайперская винтовка; ж - пистолет-пулемет
427
Рис. 2. Примеры отливок, получаемых с использованием выплавляемых моделей
Для подготовки производства пресс-формы, как правило, требуется разработать управляющую программу для станка с числовым программным управлением (ЧПУ), заказать необходимый режущий инструмент при его отсутствии на предприятии. В результате цикл изготовления с учетом подготовки производства также составляет полтора-два месяца.
Общий срок с момента заказа от проектирования до изготовления растягивается до 3...4 месяцев. В условиях перегрузки мощностей инструментального производства он может увеличиваться. При заказе пресс-
428
формы по кооперации цикл получается еще большим из-за необходимости проведения конкурсных процедур закупки товаров и услуг, обязательных для государственных предприятий и составляет, как правило, от 4 до 6 месяцев.
Трудоемкость изготовления пресс-форм для выплавляемых моделей может достигать 300...400 нормочасов, что в совокупности с трудоемкостью проектирования обусловливает высокую их стоимость.
На этапе ОКР нередко приходится изменять конструкцию детали. В этом случае пресс-форму подвергают доработке с соответствующими дополнительными затратами времени. При невозможности доработки изготавливают новую пресс-форму.
Таким образом, на этапе ОКР является актуальным сокращение затрат времени и труда для получения первых отливок, а также обеспечение гибкого реагирования на изменение конструкции отливок, связанное с отработкой изделия. Решение этой задачи возможно на основе применения современных аддитивных технологий. Их сущность состоит в том, что детали любой, даже очень сложной, формы, формируются путем послойного наращивания материала без какой-либо оснастки. Соответствующее оборудование - так называемые 3Б-принтеры - представляют собой в общем случае станок с ЧПУ с тремя линейными управляемыми координатами, в котором рабочим органом служит головка, укладывающая материал. Подобное оборудование в настоящее время распространилось на рынке и достигло доступного уровня цен. Его использование не требует программирования, так как управляющая программа разрабатывается автоматически на основе трехмерной графической модели изделия.
Для решения описанной выше задачи получения отливок на этапе ОКР в конкретных условиях отрасли был выполнен анализ различных аддитивных технологий.
В первую очередь естественным образом возникла мысль на этапе ОКР заменить саму технологию литья на выращивание детали непосредственно из металла на 3Б-принтере. Для этого можно использовать несколько технологий, отличающихся способом передачи энергии металлу при формировании детали и количеством этой энергии. Наиболее часто для этого используется лазер.
В 8Ь8- или 8ЬМ-технологиях тонкий слой металлического порошка спекается лазерным лучом, неиспользованный порошок слоя служит поддержкой для следующих слоев. Различие этих двух технологий состоит только в степени нагрева металла, в первом случае - до спекания частиц, во втором - до полного их сплавления. Вторая технология позволяет получать детали с достаточно высокими механическими свойствами и плотностью металла. Качество поверхности при этом по машиностроительным меркам невысоко (рис. 3) и в большинстве случаев требует последующей обработки резанием.
Рис. 3. Качество поверхности металлических деталей, изготовленных по аддитивной технологии
Ряд производителей, включая немецкий концерн попытались
решить эту проблему, развив технологию, при которой порошок металла доставляется в зону обработки струей газа и «с лету» спекается лазерным лучом. Качество поверхности при этом не улучшается. Но уход от принципа неподвижности спекаемого порошка позволил интегрировать в одном станке 3Б-принтер и пятиосевой обрабатывающий центр, выполняющий обработку резанием на одной установке с выращиванием детали. Однако такое решение рационально далеко не во всех случаях.
В целом применение аддитивных металлических прототипов в рассматриваемых целях нецелесообразно по следующим причинам:
- высокая стоимость деталей;
- отличие характеристик деталей от отливок;
- характеристики получаемых деталей сильно зависят от комплекса «материал - оборудование - режим обработки», изменение одного из этих элементов требует полного комплекса исследований, при применении в некоторых отраслях - сертификации;
- большинство материалов имеют зарубежное происхождение, что обусловливает зависимость от их производителей;
- невысокое качество поверхности деталей, требующее во многих случаях обработки всех поверхностей.
В настоящее время выращивание деталей из металла, по сути, целесообразно только в двух случаях:
- при изготовлении деталей сложной формы из очень дорогих материалов за счет обеспечения рекордно высокого коэффициента использования материала (например, турбины или их лопатки из жаропрочных сплавов);
- при необходимости снизить массу деталей «любой ценой» за счет придания им нетипичной для машиностроения ажурной или сотовой конструкции, мало пригодной для получения другими технологиями (например, сложные кронштейны в авиатехнике).
430
Первый случай для условий отрасли неприменим, так как изделия по определению не должны содержать дорогостоящих дефицитных материалов. Второй случай может иметь место, но не имеет отношения к деталям, которые в серийном производстве будут изготавливаться литьем.
Практически сразу после появления аддитивных технологий возникла мысль использовать ЭБ-принтеры для печати литейных моделей из воскоподобного полимера. Такой подход имел большое преимущество -вся остальная технология литья могла не подвергаться изменениям.
В настоящее время на рынке имеются специализированные принтеры. Одной из наиболее распространенных является MJP-технология (MultiJet Printing), подобная принципу работы струйных принтеров. Печатающая головка оснащается несколькими сотнями сопел. В установке используются две головки - одну для основного воскового материала, вторая - для более легкоплавкого и менее прочного материала поддержки.
Полученные модели имеют высокое качество поверхности и точность. Погрешности построения составляют несколько сотых долей миллиметра, толщина слоя - порядка 16 мкм. Для удешевления изделия скорость его выращивания можно повысить, несколько пожертвовав качеством поверхности и точностью.
MJP-технология с большим успехом используется для литья ювелирных изделий. В машиностроении она тоже применяется, но в меньших масштабах из-за достаточно высокой стоимости получаемых моделей.
Изготовление опытных деталей показало, что возможно беспроблемное получение отливок сложной формы, без изменения действующей технологии (рис. 4).
Рис. 4. Аддитивная модель из воскоподобного полимера и отливка
Литейные модели так же возможно изготавливать из «выжигаемых фотополимеров». Существуют несколько технологий выращивания деталей из фотополимеров, в том числе можно использовать описанную выше М!Р-печать. Оборудование в этом случае аналогично используемому при работе с воском. Основное отличие состоит в том, что после соплового блока над уложенным слоем материала проходит ультрафиолетовая лампа, обеспечивающая его отверждение.
Изготовленные из фотополимера детали имеют высокие качество поверхности и точность. Их достоинство по сравнению с восковыми моделями - большая механическая и температурная прочность, что упрощает хранение и транспортирование. Однако вытопить фотополимер как воск невозможно, литейную модель приходится выжигать из литейной оболочки. Специально разработанные для изготовления литейных моделей материалы относительно легко выгорают, почему и получили название «выжигаемых». Стоимость моделей, выращенных из фотополимера, также велика относительно традиционных восковых моделей, полученных в пресс-форме.
Литейные модели деталей можно изготовить по FDM-технологии (Fused Deposition Modeling). Ее сущность состоит в том, что изделие формируется путем послойной укладки разогретой полимерной нити.
Наиболее часто используемый материал - акрилонитрилбутадиен-стирол, сокращенно называемый «АБС».
Эта технология получила широкое распространение именно в машиностроении из-за удачного сочетания свойств:
- высокой прочности используемых материалов;
- меньшей стоимости изделий в сравнении с другими аддитивными технологиями;
- достаточно высокой производительности.
В рассматриваемом аспекте у FDM-моделей много общего с моделями из фотополимеров - удаление из литейной оболочки выжиганием, удобство хранения и транспортирования по сравнению с восковыми моделями. Существенное преимущество заключается в меньшей стоимости материала и достаточно большой распространенности оборудования. Недостатками можно считать наличие микрорельефа поверхности, обусловленного особенностями технологии, и «неохотное» выгорание конструкционного АБС-пластика.
Для корректного сравнения описанных выше технологий применительно к использованию в литейном производстве необходимо четко сформулировать единые критерии. В рамках настоящей работы они приняты по условиям действующего производства и состоят в следующем:
- возможность получения отливок надлежащего качества;
- применение в опытном производстве с количеством осваиваемых новых наименований отливок до 10 шт./год при выпуске в среднем 20 экземпляров каждого наименования;
- максимальный размер отливок - до 300 мм;
- для обеспечения достоверности расчета затрат необходимо точно учитывать амортизацию оборудования с учетом его загрузки и т.п. (укрупненный расчет на основе усредненных по предприятию показателей недопустим).
Последнее обстоятельство имеет решающее значение и потому заслуживает пояснения. Допустим, на предприятии имеется ЭБ-принтер, загруженный изготовлением прототипов деталей различной оснастки. В этом случае амортизация стоимости принтера переносится на всю эту продукцию. Соответственно, при изготовлении на нем же нескольких литейных моделей на них перенесется лишь небольшая часть стоимости, пропорциональная времени их выращивания. В случае же когда ЭБ-принтер приобретается специально для литейных моделей, как, например, работающий с воскоподобным полимером, вся его стоимость амортизируется за их счет. Если таких моделей мало, сумма амортизации, приходящаяся на одну модель, возрастает, так как стоимость оборудования в любом случае должна быть амортизирована за срок его полезной эксплуатации.
Сравнение экономической эффективности технологий проводилось следующим образом:
- была выбрана типовая деталь «кронштейн»;
- в САБ-системе создана ее трехмерная графическая модель, преобразованная затем в файл формата «бИ», используемый в работе с ЭБ-принтерами;
- в программном обеспечении, специальном для каждого вида ЭБ-принтеров, выполнен расчет машинного времени выращивания детали, расхода основного материала и материала поддержки;
- для каждой технологии рассчитана себестоимость выращенных деталей;
- выявлены составляющие себестоимости получения стальной отливки, одинаковые для использования всех рассматриваемых технологий (стоимость металла, материалов и работ по получению литейной оболочки и т.п.);
- выполнен расчет переменной составляющей себестоимости (указанные в предыдущем пункте составлявшие из расчета исключены).
Полученные результаты показаны на рис. 5.
При оценке результатов следует принимать во внимание, что характеризующийся относительно небольшими затратами вариант выращивания модели из воскоподобного состава на принтере малого типоразмера приведен в данном случае справочно, так как он обладает рабочей зоной меньше необходимого размера, не покрывая необходимый диапазон размеров отливок.
Как видно из диаграммы, для принятых условий решения задачи, выращивание литейных моделей по ББМ-технологии обеспечивает минимальный уровень затрат. Учитывая распространенность ЭБ-принтеров этого типа, такой вывод, вероятно, можно распространить на многие предприятия отрасли.
Анализ источников показал, что литье по выжигаемым моделям, выращенным по FDM-технологии, применяется на зарубежных предприятиях, выпускающих комплексы управляемого вооружения. Упоминания об этом, хотя и в ограниченных количествах, встречаются в публикациях и научно-технических отчетах.
Относительно целостные сведения имеются, например, о случае использования этой технологии для деталей зенитно-ракетного комплекса «Patriot». История этого применения весьма показательна. Головной производитель комплекса обнаружил, что в результате технических и организационных проблем его литейное производство не может вовремя изготовить отливки, поставив под угрозу срыва поставку конечной продукции заказчику. Естественным решением было обращение к специализированной фирме RLM Industries - крупному поставщику точного литья для оборонной промышленности США. Специалисты RLM Industries предложили использовать технологию литья по выжигаемым моделям. В течение первых суток по FDM-технологии был выращен пластиковый прототип. Заказчик, установив его в изделие, обнаружил дефект в сборочном узле. Прототип был доработан, одобрен заказчиком, после чего сразу же начали изготавливать литейные модели и выполнять литье. Полученные отливки соответствовали всем требованиям (рис. 6).
Переменная часть затрат на одну отливку «кронштейн» 10866 11669 РУб-
По восковой По По По По По
модели с фотополимерной воскоподобной воскоподобной РОМ-модели РОМ-модели использованием модели аддитивной аддитивной (принтер крупного (принтер среднего
п/ф модели модели типоразмера) типоразмера)
(принтер среднего (принтер малого типоразмера) типоразмера)
Рис. 5. Сравнение технологий по затратам на примере тестовой детали «кронштейн»
С момента получения заказа до изготовления годных деталей прошло всего 7 дней. В результате сроки поставки были соблюдены, а производство получило время на изготовление пресс-форм по уже отработанной конструкторской документации.
Выполненная зарубежными специалистами оценка экономического эффекта для рассмотренного случая приведена в таблице.
а б в
Рис. 6. Применение литья по выжигаемым FDM-моделям: а, б - модель и отливки; в - пусковая установка комплекса «Patriot»
Оценка экономического эффекта
Метод Цена Время
С использованием пресс-формы от 5000 до 20000 $ 2 месяца
FDM-модели 1250 $ 1 неделя
Экономия От 3750 до 18750 $ (от 75 до 94 %) 7 недель (88 %)
Описанный случай, помимо очевидной эффективности рассматриваемой технологии, позволяет сделать два вывода. Во-первых, за рубежом эта технология с успехом используется, но далеко не все предприятия делают это самостоятельно. Во-вторых, в условиях когда литейное производство является частью фирмы-производителя конечного изделия, эффект сокращения времени будет выше указанного, так как исчезнут административно-организационные барьеры.
Информация о применении рассматриваемой технологии на отечественных предприятиях встречается в печати. Однако обращения на такие предприятия показали, что в большинстве случаев речь идет о стадии внедрения и перенять какой-либо опыт не представляется возможным.
Таким образом, из вышеизложенного можно сделать следующие выводы:
1. В принятых условиях для сокращения сроков получения первых отливок на этапе ОКР и решения ряда других проблем, наиболее целесообразно использовать литейные модели, изготовленные по ББМ-технологии.
2. Несмотря на то, что подобный анализ необходимо проводить для каждого конкретного случая индивидуально, полученные выводы будут справедливы для многих предприятий в силу сходства условий.
3. Опыт передовых зарубежных фирм отрасли подтверждает правильность выводов и возможность реализации технологии.
4Э5
В заключение необходимо отметить, что аддитивные технологии непрерывно и бурно развиваются. Например, в настоящее время предпринимаются попытки отработать и продвинуть на рынок технологию печати литейных моделей из воскоподобных полимеров, ориентированную на машиностроительные нужды. За счет некоторого уменьшения точности по сравнению с ювелирной технологией и применения более дешевого материала предполагается существенно снизить затраты, что может создать новые благоприятные возможности.
Андрианов Павел Алексеевич, канд. техн. наук, начальник отдела, khkedr a tnla.net, Россия, Тула, АО «КБП»,
Колмаков Андрей Егорович, зам. директора департамента, khkedr@,tula.net, Россия, Воронеж, ОАО «ИКФ «Солвер»
ECONOMIC EFFICIENCY OF MOULDING ON ADDITIVE MODELS IN THE CONDITIONS OF DEVELOPMENT ACTIVITY
P.A. Andrianov, A.E. Kolmakov
The question on economic efficiency of use of various additive technologies is considered at reception in the conditions of development activity, the optimum variant is chosen.
Key words: cost efficiency, additive technologies, metal casting, development effort.
Andrianov Pavel Alexeevich, candidate of technical sciences, the chief of department, khkedr@tula.net, Russia, Tula, JSC «KBP»
Kolmakov Andrey Egorovich, the deputy director of department, khkedra tula. net, Russia, Voronezh, Open Society «ICF» Solvee»
УДК 621.74.045
ЛИТЬЕ СТАЛИ ПО ВЫЖИГАЕМЫМ АДДИТИВНЫМ
МОДЕЛЯМ
П.А. Андрианов, А.Е. Колмаков, М.М. Уткин
Описывается технология получения стальных отливок по выжигаемым аддитивным FDM-моделям, эффективная в условиях ОКР, показаны основные этапы и технологические особенности.
Ключевые слова: литье металла, выжигаемые модели, FDM-технология.
Применение литья по выжигаемым аддитивным моделям в условиях ОКР дает существенный эффект. Основное преимущество по сравнению с традиционной технологией, подразумевающей изготовление выплавляемых моделей в пресс-форме, - сокращение времени получения первой
436
