CC BY
318
УДК 621.9+330.341
ПРОРЫВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННО-СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НАУКОЕМКИХ ИЗДЕЛИЙ
Е.Ю. Степанова, Г.В. Барсуков, Ю.С. Степанов
Отмечается, что традиционные технологии получения деталей со снятием стружки подошли к своему технологическому пределу и аддитивные технологии открывают новые горизонты производства машин. Приводятся области их применения, достоинства, классификация, Показано состояние и перспективы отечественного и мирового рынков 3Б-печати.
Ключевые слова: инновации, аддитивные технологии, 3П-печать, классификация, рынок 3Б-печати.
Формообразование поверхностей обрабатываемой заготовки с заданными параметрами физико-механических свойств является основным содержанием любого процесса механической обработки. В общем случае это представляет достаточно трудную задачу, особенно при изготовлении деталей сложной формы, или деталей облегченной конструкции с пространственно-сложными поверхностями и с профильными внутренними полостями и каналами.
Такие поверхности иногда называют также свободной формы или скульптурными, т.е. имеющими иррегулярную форму и выполняющими весьма ответственное назначение в авиационной и ракетно-космической технике, кораблях и автомобилях, металлорежущих станках, сельскохозяйственной технике и других машинах и механизмах.
К ним относятся поверхности лопаток паровых и газовых турбин, компрессоров, лопастей гидротурбин и насосов, крыльчаток, кулачков, роторов, гребенных и воздушных винтов, элементов воздушных судов (фюзеляжа, лонжеронов, закрылок и др.), кузовов автомобилей, технологической оснастки типа пресс-форм, штампов, кокилей и т.п.
До недавнего времени многие эти поверхности получались или подвергались финишным операциям методами механической обработки со снятием припуска. Однако отходы металла в стружку при этом могут превышать 70 % и составляют порядка 10 % промышленных расходов. В США в стружку уходит 15 млн. тонн металла на сумму свыше $15 млрд. в год [1], а ведь это страна с самым высоким уровнем техники и технологий. Отечественные и зарубежные технологи-машиностроители достигли больших результатов по обеспечению точности, качеству и производительности механообработки. В этой связи нельзя не отметить огромный вклад научной школы И.А. Коганова, а также Тульской технологической научной школы, в целом, в развитие теории и практики технологии машиностроения.
Вместе с тем, как отмечают многие эксперты, традиционные технологии металлообработки постепенно подходят к пределу совершенствования своих возможностей по многим показателям. Обеспечение технологической безопасности и независимости страны обуславливает необходимость дальнейшего развития наукоемких отраслей и высоких технологий [2, 3]. Поэтому во всем мире ведется поиск новых инновационных технологий, новых методов и способов получения тех или иных деталей и готовых изделий [4].
Новым мировым трендом для изготовления деталей сложной формы являются аддитивные технологии (англ. - Additive Manufacturing — AM) или 3Б-печать. Они относятся к технологиям шестого технологического уклада.
Сущность AM-технологий заключается в послойном выращивании, или послойном синтезе изделий по цифровой трехмерной модели из порошка, жидкости или листового материала с концентрированным воздействием на эти слои термомеханического, электромагнитного, физико-химического, ионно-лучевого и другого источника для сплавления частиц в монолит заданной формы. Детали изготавливаются по компьютерному файлу, содержащему виртуально нарезанную на тонкие слои 3Б-модель, который передается в систему 3Б-печати для последовательного послойного нанесения материала и формирования конечного изделия [5-7].
Достоинства аддитивных технологий заключаются в возможности: проектировать изделия любой пространственно сложной геометрии без ограничения фантазии;
внедрения бионического проектирования, основанного на природных аналогах, например, ячеистых и решетчатых структурах;
изготовления за одну операцию конструктивно сложных узлов как единую деталь, что приводит к снижению веса изделия, упрощению ремонта и повышению надежности механизма;
полной автоматизации технологического процесса изготовления детали и исключения влияние оператора на точность и качество обработки;
сокращения количества технологических операций (вплоть до одной) и трудоемкости изготовления узла;
изготовления детали без этапа проектирования и изготовления дорогостоящей технологической оснастки;
значительного сокращение себестоимости и сроков изготовления первых опытных образцов конструкций на этапах НИОКР;
апробации нескольких вариантов конструкции и обеспечения рентабельности изготовления малых серий;
внесения изменений в цифровую трехмерную модель конструкции детали на любой стадии проектирования и испытаний;
изготовления изделия практически в местах их использования, даже в космосе на борту МКС;
обеспечения экологичности за счет уменьшения до 100% отходов и вредных выбросов в окружающую среду.
Классификации методов АМ-технологий представлена в таблице.
Классификация методов аддитивного производства
Метод наращивания слоя Технология аддитивного производства Используемые расходные материалы
Экструдирование Моделирование методом послойного наплавления (FDM — Fused Deposition Manufacturing, Stratasys, США - или FFF — Fused Filament Fabrication. Термопластики и композиты: прутки и катушки нитей
Напыление капель нагретого материала (DOD Jet — Drop On Demand Jet) Литейный воск: DentaCast, р1ш-САБТ, InduraCast
3D печать еды (SFF — Solid Freeform Fabrication) Шоколад, гидроколлоиды и др.
Гранулирование Производство произвольных форм электроннолучевой плавкой (EBF3 - Исследовательский центр NASA, США) Метал. сплавы в виде нитей
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS — Direct metal laser sintering; компания EOS, Германия) Метал. сплавы: порошок, крошка, гранулы
Выборочная лазерная плавка (SLM — Selective Laser Melting; компания SLM Solutions Group AG, Германия) Порошки Т^ Со-Сг сплавов, нерж и инструментальных сталей и А1
Выборочное (избирательное) тепловое спекание (SHS — Selective Heating Sintering; компания Blueprinter ApS, Дания) Порошковые термопластики
Выборочное (селективное) лазерное спекание (SLS — Selective Laser Sintering) Термопластики, металлические порошки, керамические порошки
Электронно-лучевая плавка (EBM — Electron Beam Melting) Порошки Т^ Со-Сг сплавов
Струйная трехмерная печать (3DP - MIT, Z Corporation, 3D Systems, США) Гипс, пластики, металлические порошки, песчаные смеси
Полноцветная 3D печать (Full Color Printing, компания Z Corporation, поглощена 3D Systems, США) Гипс
Лами-ниро-вание Изготовление объектов методом ламинирования (LOM — последовательное склеивание листового материала) Бумага, металлическая фольга, полиэтиленовая пленка
Окончание
Метод наращивания слоя Технология аддитивного производства Используемые расходные материалы
Фотополимеризация Стереолитография (SLA — Steriolithography Apparatus- послойное выращивание модели с помощью ультрафиолетового лазера). Фотополимерная смола
Технология FTI — Film transfer imaging - послойный перенос изображения за счет формирования пленочного слоя. Специальный фотополимер БТ1230
Цифровая светодиодная проекция (DLP — Digital Light Procession, Envision Tec, США; формирование «маски» каждого текущего сечения модели, проецируемой на рабочую платформу через специальную систему зеркал очень малого размера с помощью прожектора с высокой яркостью света. Фотополимерная смола
PolyJet. Принцип послойного нанесения фотополимерных материалов ультратонким слоем 16 мкм, облучаемый УФ излучением Фотополимерные смолы
Метод многоструйного моделирования (MJM — Multi Jet Modeling; многосопловый аналог технологии Material Jetting) Фотополимерная смола, акриловый пластик, литейный воск
На сегодняшний момент в мире насчитывается около 50 технологий ЭБ-печати, которые постоянно дополняются новыми, более совершенными и производительными.
Профессиональные ЭБ-принтеры на сегодняшний день производят порядка 30 компаний из США, Германии, Японии, Китая, Израиля, Швеции и Англии. Среди них лидерами являются [8, 9]: 3D Systems, США (SLA, SLS и др.); EOS, Германия (SLS и DMF, DMLS); SLM Solution, Германия (SLM); Objet Geometries, Израиль (PoliJet); Envisiontec, США - Германия (DLP); ExOne, США (InkJet); Stratasys (имеет более 500 патентов на изобретения), США, Израиль (FDM, PolyJet); Voxeljet, Германия (InkJet); Concept Laser, Германия (LaserCusing); Realizes, Германия (SLM); Phenix Systems, Франция (SPLS); Renishaw, Великобритания (SLM); Arcam, Швеция (EBM).
Современные промышленные 3D-комплексы позволяют печатать изделия из металлических, керамических, композиционных, металлокера-мических, пластиковых порошков, не требующие последующей обработки, нитей, жидких полимеров, а также применять наноматериалы для получения уникальных свойств изделий.
За последние 5 лет рост объема аддитивных технологий составлял 27%. Уже в 2013 году мировой рынок 3D-печати достиг $3,8 млрд., а к 2018 году он вырастет до $10, 8 млрд. По прогнозам McKinsey, к 2025 году
может быть получен глобальный экономический эффект от внедрения аддитивных технологий в размере $550 млрд. Лидером является США, доля мирового рынка оборудования для 3 печати которых составляет 38%, Японии - 9,7%, Германии - 9,4%, Китай - 8,7%, Великобритания - 4,2%. Доля России равна 1,4%, т.е. мы проходим начальную стадию развития [6].
Аддитивные технологии освоены в ряде крупнейших корпорациях мира [6, 8, 9].
Так NASA создал ракетный двигатель с инжектором, состоящим из двух частей, изготовленных на 3Б-принтере. При использовании традиционных технологий изготовления подобный узел должен бы состоять из 115 деталей.
В компании Boeing c помощью 3Б-печати изготавливается более 22000 деталей 300 наименований для 10 типов гражданских и военных самолетов, в том числе и для Boeing 787 Dreamliner. В американском истребителе нового поколения F-35 отпечатаны около 900 деталей. Крупнейшая корпорация General Electric планирует через 10 лет изготавливать порядка 50% деталей с помощью аддитивных технологий.
Автомобилестроение стало первым сектором экономики, применившим аддитивные технологии в производстве [11]. Концерн Ford начал осваивать 3D-печать еще в 1988 году.
Компания Local Motors (США) в сентябре 2014 года на 3D-промышленном принтере впервые в мире напечатала за 44 часа электроавтомобиль Strati. Если в автомобиле, изготовленном по традиционным технологиям, насчитывается порядка 20-25 тыс. деталей, то в Strati их всего 47.
Изящные автомобили «отпечатаны» в Японии — концепт-кар kod9, kod7 Clubman, в Германии - StreetScooter C16 (Аахен), EDAG Genesis, концепт-кар Light Cocoon, в Сингапуре - NTU Venture 8, в КНР - Tyrant Gold. Это далеко не полный перечень. На мировых автосалонах последних лет представлялись десятки перспективные модели, прототипы которых были созданы с использованием 3D-печати.
В России активно осваивают область аддитивных технологий ФГУП «ВИАМ» и «НАМИ», СПбГПУ, СТАНКИН, УрФУ, МАИ, МИФИ, МАМИ, ТВЭЛ, МИЭТ, СамГАУ, Сколково, многие предприятия ОПК, входящие в ГК «Ростех» и ряд других организаций и компаний.
Эти технологии обеспечивают невероятный уровень повышения производительности при одновременном снижении трудоемкости в десятки раз для наукоемких изделий техники. Они определят будущее экономики и промышленности и уже сегодня применяются в авиационной и космической, пищевой и кондитерской промышленностях, электроэнергетике, биотехнологиях, протезировании, стоматологии, в медицинской диагностике, палеонтологии, архитектуре и дизайне, моделировании интерьера и фасадов, геоинформационных системах, сельхозмашиностроении, нефтегазовой промышленности, морском транспорте, строительстве, оборонно-промышленном комплексе, изготовлении сувениров, игрушек, изготовлении
музыкальных инструментов, музейных экспонатов, скульптур, памятников, восстановлении разрушенных великих памятников истории и культуры. Их успешно используют модельеры, мебельщики и обувщики, ведутся работы по трехмерной печати внутренних органов и тканей человека.
Выводы. Для того, чтобы не упустить шанс создания инновационных производств с технологиями шестого технологического уклада, необходимы: государственная поддержка сектора аддитивных технологий; создание инфраструктуры АМ-технологий; организация подготовки и переподготовки кадров для работы на 3Б-комплексах; разработка учебных материалов для всех уровней обучения и их введение в программы обучения всех технических и экономических специальностей; создание национального технического комитета по стандартизации АМ-технологий и системы национальных стандартов в этой области; всемерная поддержка создания отечественных 3Б-принтеров и сканеров для промышленности; приобретение новейшего импортного оборудования на первоначальном этапе; создание исследовательских центров и производств отечественных расходных материалов; участие в международных научно-технических мероприятиях и обмен опытом.
Список литературы
1. Уик Ч. Обработка металлов без снятия стружки. М.: Изд-во «Мир», 1965. 549 с.
2. Степанова Е.Ю., Поландова Л.И. Высокие технологии в инновационной экономике // Известия Орловского государственного технического университета. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2007. 3/267(533). С. 156-167.
3. Степанова Е.Ю. Наукоемкие отрасли и высокие технологии - основа технологической безопасности и независимости страны // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2014. №2 (304). С. 122-132.
4. Степанова Е.Ю., Степанов Ю.С. Маркетинг инноваций: проблемы и решения //Экономические и гуманитарные науки.2011. №12 (239). С. 24-31.
5. Чижик С.А., Хейфец М.Л., Филатов С.А. Перспективы развития технологических комплексов аддитивного синтеза композиционных материалов и формообразования изделий // Механика машин, механизмов и материалов. 2014. №4 (29). С. 68-74.
6. Степанова Е.Ю. Аддитивные технологии как прорывные инновации ресурсосбережения 21 века // Энерго- и ресурсосбережение — XXI век: XIII Междунар. науч.-практ. Интернет-конференция, 15 марта - 30 июня 2015. Орел.: Госуниверситет - УНПК, 2015. С. 124-128.
7. Новые производственные технологии: публичный аналитический доклад [Электронный ресурс] / И.Г. Дежина [и др.]: Сколково: Сколковский ИНиТ, 2015. 203 с. Режим доступа: http: //i sicad.ru/ru/pdf/ReportSkolkovo 2014.pdf. (Дата обращения: 18.03.2016).
8. Степанова Е.Ю. Влияние аддитивных технологий на экономику наукоемких отраслей промышленности: роль многоуровневых интегрированных компаний // Экономические и гуманитарные науки, 2016. № 1 (288). С. 54-64.
9. Зленко М.А., Попович А.А., Мутылина И.Н. Аддитивные технологии в машиностроении. СПб.: Изд-во Политех. ун-та, 2013. 222 с.
10. Михайлов Ю.М. Перспективы использования аддитивных технологий в оборонно-промышленном комплексе // Федеральный справочник. Т. 11. Оборонный комплекс РФ: состояние и перспективы развития». М.: Центр стратегического партнерства. С. 124-130.
11. Степанова Е.Ю., Барсуков Г.В., Збинякова Е.А. 3Б-инновации в автомобильной промышленности // Вестник Брянского государственного технического университета. 2016. №1. DOI: 10.12737/18205.
Степанова Елена Юрьевна, канд. экон. наук, eco-nauka@ya. ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева,
Барсуков Геннадий Валерьевич, д-р техн. наук, проф., awj@ list.ru, Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И.С. Тургенева,
Степанов Юрий Сергеевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Орел, Орловский государственный университет имени И. С. Тургенева
BREAKTHROUGH TECHNOLOGIES OF NEW GENERATION OF THE SHAPING SPATIAL AND DIFFICULT SURFACES OF THE KNOWLEDGE-INTENSIVE PRODUCTS
Е.Уu. Stepanova, G.V. Barsukov, Yu.S. Stepanov
It is noted that traditional technologies of receiving details with removal of shaving approached the technological limit and additive technologies open the new horizons of cars production. Areas of their application, advantage, classification are given. The state and prospects of the domestic and world 3D printing.
Key words: innovations, additive technologies, 3D printing, classification, 3D printing market.
Stepanova Elena Yurievna, candidate of economic sciences, docent, [email protected], Russia, Orel, Orel State University named after I. S. Turgenev,
Barsukov Gennady Valerievich, doctor of technical science, professor, Head of Department, [email protected], Russia, Orel, Orel State University named after I. S. Turgenev,
Stepanov Yury Sergeevich, doctor of technical science, professor, yury05 7@yandex. ru, Russia, Orel, Orel State University named after I. S. Turgenev
