CC BY
205
М1Гг ГГТТгГЕ ГС гл / 1 (82), 2016-
,«*гтл л ттггтп
УДК 621.744.072.2 Поступила 04.12.2015
ПРИМЕРЫ 3 D-ТЕХН О Л О ГИ И В ЛИТЕЙНЫХ ПРОЦЕССАХ. СНИЖЕНИЕ МЕТАЛЛОЕМКОСТИ ОТЛИВОК
EXAMPLES OF 3D-TECHNOLOGIES IN FOUNDRY PROCESSES. DECREASE IN METAL CONSUMPTION IN CASTINGS
В. С. ДОРОШЕНКО, Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, г. Киев, Украина, бульвар Вернадского, 34/1. E-mail: [email protected]
V. S. DOROSHENKO, Physical and Technological Institute of metals and alloys of National Academy of Sciences of Ukraine, Kiev, Ukraine, 34/1, Vernadskogo ave. E-mail [email protected]
В статье описаны конструкции металлических отливок, полученные с помощью 3В-технологий. Отмечен ряд новых способов 3В-обработки материалов, относящихся к аддитивным процессам и олицетворяющим следующий шаг к ресурсосберегающему экологическому производству. Показаны примеры моделей и отливок сложной конструкции с оптимальным сочетанием металлоемкости, прочности и привлекательного внешнего вида. Описанные высокотехнологичные ЗБ-процессы расширяют существующий спектр металлопродукции и возможности ее производства.
The review describes the design of metal castings produced by use of 3D-technologies. Some new ways of 3D-processing of materials connected with additive processes are described, which represents the next step in environmental resource-saving production. Examples of patterns and casting of complex design with an optimal combination of materials, durability and attractive appearance are shown. Described 3D high-tech processes are expanding the existing range of metal products and the ways of its production.
Ключевые слова. 3D-технология, снижение металлоемкости, аддитивное производство, 3D-принтер, конструирование
отливок, компьютерное моделирование, литье по газифицируемым моделям. Keywords. 3D-technology, reduction of specific consumption of metal, additive manufacturing, 3D-printer, design of castings, computer simulation, lost foam casting.
«В твердый горный камень воображение художника вкладывает живую фигуру, которую он извлекает оттуда, удаляя излишки камня», - говорил Микеланджело . Традиционное производство деталей, по сути, близко к такому ваянию скульптуры . Напротив, аддитивные технологии (АТ) наращивают - печатают изделие слой за слоем . За этим процессом следит компьютер, ориентируясь на SD-модель . У метода есть несколько сильных сторон Во-первых, сокращаются расходы материала (в зависимости от детали экономия может достигать 75%), во-вторых, появляется возможность создавать более сложные изделия (например, с различными полостями), в-третьих, можно выпускать детали, не нуждающиеся в дополнительной обработке
Как отметил акад . РАН Е . Н . Каблов на конференции «Аддитивные технологии в промышленности» (10 .02 .2015), на сегодняшний день во всех развитых странах происходит бум АТ Мировой рынок данных технологий в 2010-2014 гг. увеличен в среднем на 27,4%, в итоге его объем достиг 3 млрд . долларов [1] . По его словам, мировыми лидерами в области АТ являются США, Германия и Китай . Кроме того, в 22 странах уже созданы национальные ассоциации по АТ, объединенные в альянс GARPA . Например, корпорация «Боинг» благодаря 3D-печати изготавливает более 22 тыс . деталей 300 наименований для 10 марок коммерческих и военных самолетов
Сегодня можно однозначно сказать, что 3D-печать и 3D-сканирование активно входят в нашу жизнь и скоро станут действительно незаменимыми инструментами во многих сферах деятельности . И если в настоящий момент масштабы развития этого сегмента отрасли высоких технологий пока могут оценить только специалисты, то уже в ближайшем будущем ситуация будет меняться . Техника 3D-печати будет использоваться гораздо более широко и проникнет в нашу повседневную жизнь Самой большой
атг:пг: г^шттттгг / о Е
-1 (82). 2016/ U U
Рис . 1 . Примеры изготовления моделей для ЛГМ на 3D^pe3epax
а б
Рис . 2 . Художественное литье - архитектурное украшение жилого здания: а - модель ворот; б - секции алюминиевых отливок коллажа в сборе вдоль крупного здания Нью-Йорка [4]
проблемой для АТ становится потребность изменить мышление дизайнеров, проектирующих конструкции в любой сфере деятельности человека .
В отечественном литейном производстве 3Б-технологии, прежде всего, распространяются для литья по газифицируемым моделям (ЛГМ, Lost Foam Casting) при изготовлении пенопластовых моделей (технических и художественных отливок) на 3Б-фрезерах [2] (рис . 1) . Также для литья предложено моделирование строения простейших кристаллических решеток с использованием объемных сборных структур с повторяющимися унифицированными элементами, пенопластовые модели которых можно изготовить на пластавтоматах либо на 3Б-фрезерах [3].
Пример крупногабаритных моделей для художественного литья показан на рис . 2, а [4], на заднем плане видны детали 3Б-фрезера . По таким моделям отлит из алюминия коллаж «граффити» (рис . 2, б) как архитектурное украшение многоквартирного дома длиной десятки метров в элитном квартале Нью-Йорка (проект Herzog & de Meuron, 2006) . Сборный коллаж вдоль лицевой стороны дома состоит из десятков отливок (включая несколько ворот), спроектированных с помощью компьютерных 3Б-технологий, включая оптимизацию толщин стенок для процесса литья
Примеры модельно-макетных изделий, выполненных аддитивным методом и показанных на прошедших в 2015 г. литейных и машиностроительных выставках Formnext и Euromold по информации из открытых источников Интернета, приведены на рис . 3 .
Производство компании FIT West Corp . аддитивным методом детали cylinder head (для спортивной автомашины) массой 1,9 кг и полезной площадью 10223 см3 позволило заменить литую такую деталь массой 5,1 кг и полезной площадью 823 см3 (рис . 4) [5] .
Сайты по литейному производству подробно описывают и иллюстрируют аддитивные технологии В статье Роберта Брукса [6] описан устойчивый прогресс аддитивных методов, бросающих вызов тради-
ocкътжгг.р,
U U I 1 (82), 2816-
Рис . 4 . Перевод литой детали для автоспорта на аддитивное производство [5]
ционным способам конструирования и изготовления деталей литейным процессом . Одна из причин этого - широкая доступность метода АТ сделала возможным для десятков научно-технических центров в различных странах целенаправленно заниматься исследованиями, решая конкретные проблемы и постепенно улучшая общие перспективы . SD-печать является доступной для различных способов производства (лазерного спекания, стереолитографии и т. д . ), которые передают информацию от CAD в структурной форме, ограничения определяются только физической природой изготавливаемой конструкции или применимостью выбранной системы производства
Например, научно-исследовательский центр VTT Technical Research Centre of Finland Ltd . и Nurmi Cylinders Oy разработали для SD-печати гидравлический клапан, который, по их утверждению, является экономически эффективным для производства, надежен в исполнении и на 66% легче, чем оригинальная деталь . Для изготовления таких деталей обычно прибегают к сверлению . Клапан используется для контроля жидкости в гидравлических системах управления движением тяжелой техники, например, подъемных кранов (рис . 5, а) [6].
SD-печать позволила оптимизировать внутренние каналы для достижения наилучшего потока гидравлической жидкости без уменьшения ее требуемого объема и заменила выполнение такого объема
/;г:гг^г: [Г.ГТГ.Г.Г/,ТГГГГУ /07
-1 (82), 2016 / UI
а б в
Рис . 5 . Примеры АТ с применением металла: а - клапан гидравлической системы; б, в - шнек
каналов сверлением, повысив уровень герметичности с предотвращением утечки рабочей жидкости под высоким давлением . Блок гидравлического клапана является хоть и небольшой, но важной деталью . По результатам исследования, VTT инициировал двухлетнее государственно-частное финансирование в размере $3,5 млн . для создания в Финляндии новых предприятий, использующих АТ.
Компания Sciaky Inc . (Чикаго, США) быстро расширяет размерные возможности своего процесса «электронно-лучевой» АТ (EBAM), который она называет «наиболее широко масштабным» 3D-методом печати металлом с возможностью распространения на производство деталей с габаритами от 0,2 до 5,8 м (8 in . to 19 ft . ) . На рис . 5, б, в показаны сравнение такой детали «шнек» с ростом человека, а также ее демонстрация на выставке Также сообщено, что EBAM является самым быстрым процессом осаждения металла из доступных со скоростью осаждения от 3,18 до 9,07 кг/ч . Кроме того, установка для печати имеет систему двойной подачи проволоки для объединения двух металлических сплавов . Титан, тантал, ниобий, вольфрам, молибден, алюминий, нержавеющая сталь, никелевые сплавы и другие возможно поместить в одну ванну расплава или материалы могут по заданию раздельно вводиться в разные части единой структуры [6].
Разработчики-металлисты для 3D-печати не всегда привлекают лазеры . NanoSteel Co . Inc . , которая сосредоточена на АТ с производством своих присадок на «наноструктурированных» содержащих сталь материалах, представила два порошковых сплава для струйного связывания . Для такого процесса АТ материал осаждают в последовательных слоях, связанных друг с другом эпоксидным связующим, до операции печатания, когда эти слои нагревают и сплавляют в единую структуру Разработчик считает, что такой процесс АТ обладает более высокой скоростью, чем основанный на лазерных методах спекания . Новые материалы NanoSteel (BLDRmetal ™ J-10 и J-11) предложены как компоненты для печатания стойких к абразивному износу изделий, которые обладают преимуществом при создании требуемых сложных конструкций без оснастки (рис . 6, а) . Разработчиком рекомендовано, что компоненты с использованием J-10 имеют превышение по функции удлинения в 2 раза и по износу - в 3 раза, чем нержавеющая сталь марки 420 [6].
NanoSteel продемонстрировала материалы в проектах с 3DX Industries - поставщиком услуг АТ путем печатания безопасных инструментов для авиационной компании, которая удаляла панели самолетов Инструменты, изготовленные с J-10, служили в 5 раз дольше, чем в предыдущих версиях, значительно уменьшая риск задержек в обслуживании самолетов . По словам Роджера Янссена, президента 3DX, «Решение NanoSteel позволило нам создать долговечные и надежные инструменты, которые поставляются заказчику для выполнения работ по быстрому требованию» [6]
Оба материала основаны на сочетании сложных металлических фаз, которые обеспечивают износостойкость и при наличии стальной матрицы - пластичность и ударную вязкость . Материал марки J-11 предназначен для применения в условиях экстремального износа . Компоненты, образующиеся в J-11, повышают износостойкость в 10 раз по сравнению с изделиями из нержавеющей стали марки 420 соответственно разработчику Порошки BLDRmetal предлагают заманчивые альтернативы существующим материалам для струйной печати Они повышают возможности печати с помощью смешанных материалов со связующим, обеспечивая печать с присадками высокой сложности и более дешевыми компонентами высокой износостойкости [6]
qoкътжгг.р,
U U I 1 (82), 2816-
а б в г
Рис . 6 . Примеры 3D-технологии для производства металлоизделий (из Интернет-репортажей о выставках ЕиготоМ-2015 и Formnext-2015): а - деталь бурового насоса для нефти и газа, полученная из материала J-10 [6]; б - лопатки турбины; в - педали; г - процесс 3D-сканирования поверхности отливки турбины
а б в
Рис . 7. Некоторые примеры использования 3D-технологии концерном BMW: а - деталь насоса; б, в - эргономичный инструмент (белого цвета) на руке работника
Современные предприятия, используя АТ и считая их одним из ключевых видов производства будущего, часто указывают это в своих пресс-релизах для подтверждения инновационного уровня своего производства . Так, в ноябре 2015 г. концерн BMW отмечал 25-летие внедрения АТ на своем производстве [7]. Кроме изготовления эргономичных инструментов, деталей концептуальных, эксклюзивных или ретро-автомобилей, BMW с апреля 2015 г. оснастила свои гоночные автомобили DTM водяным насосом с рабочим колесом, изготовленным 3D-печатью (рис . 7, а) . Все без исключения насосы работают безупречно, подтверждая ведущую роль BMW в использовании АТ Высокоточная деталь состоит из алюминиевого сплава, подвергается большим напряжениям и показала высокую надежность в жестких условиях автоспорта
В середине 2014 г. BMW Group представила 3D-печатный эргономичный инструмент для конвейерной сборки, защищающий работников от избыточных напряжений на суставы большого пальца при проведении определенных операций по сборке Каждый из этих гибких монтажных устройств соответствуют форме и размерам рук конкретного работника (рис . 7, б, в) . Команда Центра Rapid Technologies в Центре BMW Group в области исследований и инноваций (FIZ) в Мюнхене обрабатывает около 25 000 запросов по вопросам АТ в год, производя около 100 000 деталей в год для собственных заказчиков . В зависимости от функции и размера детали могут быть доступны в течение всего нескольких дней
Таким образом, в продолжение цикла работ [2, 8-10] о развитии 3D-технологий литейного производства и снижения металлоемкости отливок выполнен краткий обзор некоторых последних инноваций по этой теме АТ олицетворяют со следующей промышленной революцией, ведущей к ресурсосберегающему экологическому производству Показаны примеры моделей и отливок сложной конструкции с оптимальным сочетанием материалоемкости, прочности и привлекательного внешнего вида . Описанные высокотехнологичные 3D-процессы расширяют существующий спектр металлопродукции и возможность ее изготовления, как правило, в условиях, значительно превышающих по экологической безопасности и длительности выполнения традиционные условия литейного цеха .
Литература
1. Новости ВИАМ . URL: http://viam . ru/news/2050 (дата обращения: 1.12 . 2015) .
2 . Ш и н с к и й И. О . , Д о р о ш е н к о В .С . 3D-технологии при литье по газифицируемым моделям // Металл и литье Украины. 2009. № 4-5 . С . 30-33 .
_¿ГОГ^-ГГ Г^ШТЛТЕ / 0Q
-1 (82), 2016/ llv
3 . Д о р о ш е н к о В .С . Способы получения каркасных и ячеистых литых материалов и деталей по газифицируемым моделям // Литейное производство . 2008 . № 9 .С . 28-32 .
4 .Г о р б у н о в А .В . Эволюция литья: прошлое и будущее // Оборудование, разработки, технологии. 2014 . № 10-12 . С . 46-49 .
5. Сайт компании FIT West Corp . - URL: http://www. netfabb . com/additivedesignandmanufacturing . php (дата обращения: 1. 12 .2015).
6 .B r o o k s R . Breaking Barriers in Shape, Space, Material to Achieve Finished Parts . // Foundry Management & Technology. 13 .10 .2015 . - URL: http://foundrymag . com/materials/
7 . 25 years of 3D printing at the BMW Group: Pioneers in Additive Manufacturing Methods. Press release BMW Group // Manufacturing Engineering, 2 . 12 . 2015 / http://www. sme . org/MEMagazine/Article . aspx?id= 8589937322 (дата обращения: 2 .12 . 2015) .
8 . Д о р о ш е н к о В .С . 3D-технологии для формовки и литья // Литье и металлургия . 2015 . № 3 . С . 30-39 .
9 . Д о р о ш е н к о В .С . , Ш и н с к и й В .О . Моделирование отливок как оболочковых конструкций с целью металлосбе-режения // Металл и литье Украины. 2015 . № 6 . С . 30-34 .
10 . Д о р о ш е н к о В .С . Анализ и идентификация литых легковесных металлоконструкций с использованием теории минимальных поверхностей // Металл и литье Украины . 2015 . № 11. С . 24-28.
References
1. Novosti VIAM. URL: http://viam.ru/news/2050 (дата обращения: 1. 12 . 2015).
2 . S h i n s k i j I . O . , D o r o s h e n k o V. S . 3D-tehnologii pri lit'e po gazificiruemym modeljam [3D technology in the lost foam casting] . Metall i lit'e Ukrainy = Metal and casting of Ukraine, 2009, no . 4-5, pp . 30-33 .
3 . D o r o s h e n k o V. S . Sposoby poluchenija karkasnyh i jacheistyh lityh materialov i detalej po gazificiruemym modeljam [Methods for the preparation of porous frame and cast materials and components for the gas models]. Litejnoe proizvodstvo = Foundry, 2008, no 9, pp 28-32
4 . G o r b u n o v A . V. Jevoljucija lit'ja: proshloe i budushhee [Evolution casting: past and future] . Oborudovanie, razrabotki, tehnologii = Equipment, development, technology, 2014, no . 10-12, pp . 46-49 .
5 FIT West Corp URL: http://www netfabb com/additivedesignandmanufacturing php
6 . B r o o k s R . Breaking Barriers in Shape, Space, Material to Achieve Finished Parts . // Foundry Management & Technology. 13 .10 .2015 . URL: http://foundrymag . com/materials/
7 25 years of 3D printing at the BMW Group: Pioneers in Additive Manufacturing Methods Press release BMW Group // Manufacturing Engineering, 2 .12 . 2015 / http://www. sme . org/MEMagazine/Article . aspx?id=8589937322 .
8 . D o r o s h e n k o V. S . 3D-tehnologii dlja formovki i lit'ja [3D-technologies for molding and casting] . Lit'e i metallurgija = Foundry Production and Metallurgy, 2015, no . 3, pp. 30-39 .
9 . D o r o s h e n k o V. S . , S h i n s k i j V. O . Modelirovanie otlivok kak obolochkovyh konstrukcij s cel'ju metallosberezhenija [Simulation of casting as a shell structures to saving of Metal] . Metall i lit'e Ukrainy = Metal and casting of Ukraine, 2015, no . 6, pp 30-34
10 D o r o s h e n k o V S Analiz i identifikacija lityh legkovesnyh metallokonstrukcij s ispol'zovaniem teorii minimal'nyh poverhnostej [Analysis and identification of the cast lightweight metal structures using the theory of minimal surfaces] . Metall i lit'e Ukrainy = Metal and casting of Ukraine, 2015, no . 11, pp . 24-28.
