CC BY
10
УДК 621.791.722; 621; 621.762.04 DOI 10.25960/то.2020.4.38
Технологии цифрового производства
Ю. А. Соколов
ПАО «Электромеханика», г. Ржев, Россия
В статье рассматриваются технологии цифрового производства, которые позволяют расширить номенклатуру получения новых материалов и изделий сложной геометрической формы. Субтрактивные, аддитивные, мультиаддитивные, гибридные и интеллектуальные технологии ЦП образуют фазы эволюции технологий, параллельные эволюции систем управления, от классических регуляторов к цифровым производственным системам. Причем фазы наивысших уровней этой дуальной технолого-киберфи-зической эволюции дополняют, а не заменяют начальные базовые уровни.
Ключевые слова: математическое моделирование, синтез изделий, оптимизация, аддитивная технология.
Введение
Приоритетным направлением современной промышленности является развитие цифрового производства (ЦП), в основу которого положены следующие принципы:
• непрерывное цифровое проектирование (цифровые модели прогнозирования и планирования производства);
• безбумажный документооборот;
• технологии управления жизненным циклом продукта (объекта, системы);
• системы моделирования и оптимизации с высокой степенью адекватности реальным физическим объектам, конструкциям, физико-механическим и производственным процессам;
• решение задач ситуационного управления и принятие решений.
Традиционные субтрактивные (англ. subtraction — вычитание) технологии, к которым относится механическая обработка изделий на станках с числовым программным управлением (ЧПУ), являются основными в современном производстве. В последнее время интенсивное развитие получили аддитивные (англ. additive — прибавление) технологии, предполагающие изготовление изделия по данным цифровой модели способом послойного добавления материала в отличие от суб-трактивных методов.
Аддитивные технологии (АТ) представляют технологический и экономический интерес в качестве замены субтрактивных технологий для изготовления изделий единичного и мелкосерийного производства во многих отраслях промышленности, так как позволяют сократить технологическую цепочку, уменьшить временные, материальные и финансовые затраты на их изготовление. Переход от токарной, фрезерной и других видов механической обработки к аддитивным процессам синтеза изделий позволяет снизить массу изготавливаемых деталей, получить изделие оптимальной геометрии на стадии CAD-CAE-проектирования, увеличить коэффициент использования материала, отказаться от использования технологической оснастки.
Мультиаддитивные, гибридные и интеллектуальные технологии представляют собой инновационный подход к изготовлению изделий сложной геометрической формы и многокомпонентных материалов, обладающих комплексом служебных характеристик и выполняющих различные физические функции. Гибридные технологии сочетают при изготовлении изделий субтрактивные и аддитивные методы, интеллектуальные технологии — используют различные принципы формирования изделий, включая биологические.
На рис. 1 представлена классификация, включающая субтрактивные, аддитивные,
Рис. 1. Производственные технологии Fig. 1. Manufacturing technology
мультиаддитивные, гибридные и интеллектуальные технологии ЦП.
В настоящее время нет единой терминологии производственных технологий. Лучше всего проработаны стандарты РФ по аддитивным технологиям [6]. Новые стандарты в области производственных технологий позволят создать единое терминологическое пространство, разработать общие требования к материалам, оборудованию, файлам обмена информацией, методам испытаний исходного материала и продуктов производства.
Субтрактивные технологии
Механическая обработка материалов обеспечивает высокую точность и оптимальную шероховатость обработанных поверхностей. Механическую обработку металлов можно подразделить на лезвийную и абразивную. К лезвийной обработке относятся процессы точения, сверления, зенкерования, развертывания, фрезерования, строгания, протягивания, к абразивной обработке — шлифование, хонингова-ние, доводка. Каждый вид обработки решает определенные технологические задачи.
Процесс механообработки материалов постоянно совершенствуется в зависимости от требований, которые возникают при изменяющихся условиях производства (например, создание новых материалов и инструментов). Совершенствование процессов обработки ме-
таллов невозможно без научной основы, без теории, которая объясняет основные принципы металлообработки и позволяет оптимизировать процессы и создавать новые конструкции инструментов.
Результаты исследований процесса механической обработки оформляются в виде ММ, позволяющих с различной степенью точности описать основные явления процесса. Методология математического моделирования предполагает реализацию трех последовательных стадий: содержательное описание процесса, построение формализованной схемы, разработка модели.
Оптимизация механической обработки материалов требует учета тепловых, прочностных и гидродинамических явлений и предъявляет высокие требования к возможностям используемых средств моделирования. В настоящее время численные методы расчета наиболее универсальные и совершенные, поскольку в них учитывается специфика механической обработки деталей:
• разнородность материалов элементов производственной системы;
• наличие нескольких контактных переходов между резцом, заготовкой и стружкой;
• большие значения скорости относительной деформации;
• локализация деформации в малом объеме пластической зоны;
• большое количество неизвестных факторов при резании металлов (анизотропия,
упрочнение, изменение коэффициента трения и тепловых явлений);
• наличие нескольких источников тепла.
Аддитивные технологии
Под аддитивными технологиями (АТ) понимается процесс изготовления деталей, основанный на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства и традиционного формообразующего производства [6]. Ключевым преимуществом АТ является обеспечение максимальной свободы конструирования и изготовления изделия непосредственно по цифровой ЭБ-модели. Аддитивные технологии предоставляют уникальную возможность изготавливать и воспроизводить сложнейшие пространственные формы, объекты, инженерные конструкции и механизмы широкого спектра технического назначения. При этом отсутствует необходимость в технологической оснастке, адаптации к технологической цепочке производства.
АТ классифицируют по источнику энергии (лазерный пучок, электронный луч, плазменная дуга/струя, электрическая дуга, аэрозольная струя и др.), методу формирования слоя (селективное, прямое), исходному материалу (порошок, проволока, листы), виду энергии (тепловое, облучение) и другим критериям.
Способ формирования слоя является одним из основных критериев при классификации различных аддитивных технологий. В настоящее время наибольшее распространение для синтеза изделий из металлических порошков получили технологии селективного спекания/сплавления (энергия от внешнего источника используется для избирательного спекания/сплавления предварительно нанесенного слоя порошкового материала), прямого подвода энергии и материала (энергия от внешнего источника используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения) [6].
Селективный синтез изделий или синтез изделия на подложке — это аддитивный процесс, в котором поверхность предварительно нанесенного слоя порошкового материала вы-
борочно, полностью или частично расплавляется тепловой энергией. Под подложкой (powder bed, part bed) понимается область построения, в которой сырье (исходный материал) наносится и выборочно спекается/сплавляется посредством энергии от внешнего источника или связывается посредством адгезии для изготовления деталей [6].
В основе технологии селективного синтеза изделия лежат процессы нагрева твердого тела сфокусированным пучком элементарных частиц, локального расплавления, образования ванны расплава, движения жидкого металла, кристаллизации. Текущий слой изделия формируется в результате фазовых переходов «твердое тело — жидкость — твердое тело» в вакууме или в газовой среде.
Процесс направленного энерговклада (directed energy deposition, DED) или прямого подвода энергии и материала (directed energy deposition) — технологический процесс, в котором энергия используется для соединения материалов путем сплавления по мере их нанесения.
В отличие от селективных технологий синтез изделия осуществляется расплавлением материала по мере его нанесения [4], тем самым не требуется формирования сплошного слоя порошка на поверхности платформы: энергия и исходный материал подаются непосредственно в область синтеза. В качестве источника энергии обычно применяются лазерный пучок, электронный луч, плазменная дуга. Такой подход в основном используется для синтеза металлических изделий из порошка и проволоки.
Для реализации процесса DED необходимы следующие узлы: источник энергии, механизм подачи исходного сырья, подложка, строительный стол. В общем случае формирование сложной геометрической формы изделия осуществляется совместным перемещением специализированной головки и строительного стола.
В результате каждого прохода специализированной головки формируется дорожка отвердевшего материала. Перемещение головки, как правило, осуществляется от станочного или роботизированного комплекса. Луч, проходящий по осевой линии головки, сканирует рабочую площадь сечения.
Особый интерес вызывает возможность
синтеза лопаток газотурбинных двигателей (ГТД) с направленной и монокристаллической структурами. Аддитивная технология методом прямого синтеза, в процессе которой можно оперативно менять химический состав исходных материалов и скорость наплавки, предоставляет уникальные возможности управления структурой.
К наиболее приоритетным направлениям развития АТ относятся:
• разработка металлургических и тепло-физических основ моделирования и обратного проектирования, обеспечивающих решение задачи «технология — процесс — структура — свойства — технология»;
• разработка алгоритмов управления;
• разработка ТП на основе физико-математических моделей кинетики взаимодействия материалов;
• разработка специализированного оборудования с открытой архитектурой и переналаживаемыми модулями.
В настоящее время идет процесс разработки и использования АТ разного уровня — от промышленного синтеза многослойных материалов разного уровня до изготовления индивидуальных изделий. Изделия, полученные аддитивными технологиями, имеют преимущества благодаря менее выраженной химической сегрегации и мелкозернистости, которые достигаются высокой скоростью кристаллизации материала. Однако для аддитивных материалов характерна анизотропия микроструктуры, что влечет за собой соответствующую анизотропию механических свойств: направление, перпендикулярное к слоям, оказывается наиболее слабым. Свойства аддитивных изделий
обычно определяются наличием таких дефектов, как микропоры, которые часто связывают с захватом газов и качеством поверхности.
АТ обладают большим потенциалом создания деталей и конструкций практически любых геометрических форм со сложным внутренним устройством, например с сетчатой структурой, внутренними каналами охлаждения, потребителями которых являются авиационная и космическая промышленность, энергомашиностроение, автомобилестроение, а также здравоохранение и медицина.
Мультиаддитивные технологии
В стандартах РФ по аддитивным технологиям [6] нет ограничений на одновременное использование различных по физической природе источников энергетического воздействия и методов формирования слоя. С одной стороны, сочетание перечисленных компонентов не противоречит требованиям стандартов аддитивного производства (АП), с другой, по сложившимся традиционным решениям в аддитивных системах, как правило, используются один или несколько однотипных источников и только один метод формирования слоя. Поэтому при рассмотрении производственных технологий целесообразно выделить в отдельный класс мультиаддитивные технологии (МТ), под которыми будем понимать технологии, использующие в процессе синтеза изделий разнородные источники энергетического воздействия и различные методы формирования слоя. Фазово-параметрическое пространство процесса синтеза изделий на базе МТ приведено на рис. 2.
Рис. 2. Фазово-параметрическое пространство процесса синтеза изделий на базе мультиаддитивных технологий
Fig. 2. Phase-parametric space of product synthesis process based on multi-additive technologies
В качестве источников энергетического воздействия для локального нагрева и модификации поверхности материала могут быть использованы лазерный луч, электронный пучок, ионный пучок и др. Для формировании слоя могут применяться методы пайки, спекания, сплавления, электронно-лучевое, магнетронное, плазменное сверхзвуковое, газотермическое напыление и др. Каждый из перечисленных методов имеет как преимущества, так и недостатки: плазменное напыление обладает высокой производительностью, но слабой адгезией, вакуумные методы — прочным сцеплением с подложкой и хорошими защитными свойствами. Толщина слоя в зависимости от метода и времени напыления может составлять от единиц нанометров до десятков микрон. Для тонких слоев толщиной менее 100 нм лимитирующими факторами являются низкая скорость и перекристаллизация пленок под действием напряжений.
Метод электронно-лучевого напыления, основанный на явлении испарения и конденсации паров различных материалов в вакуумной среде, позволяет получать слои из следующих комбинаций металлических и керамических систем: МеСгА1У (где Ме — N1, Со, Ее), MeCrA1YHfSiZr, керамики ZrO2—Y2OЭ [7]. В работе [12] рассмотрены процессы формирования композиционных покрытий с демпфирующими, дисперсно-упрочняющими и керамическими слоями. К числу достоинств этого метода можно отнести относительно высокую производительность, чистоту и химическую однородность образующегося слоя, возможность формирования слоя практически из любого материала, высокую степень автоматизации и контроля технологического процесса, возможность получения слоя толщиной 1-3 мк, что снижает вероятность возникновения остаточных напряжений.
Метод магнетронного напыления, основанный на эффекте ионной бомбардировки мишени, характеризуется возможностью получения равномерных по толщине пленок [13], низким уровнем загрязнения слоя. Принципиально новые возможности этому методу придает использование высокочастотного тока, который препятствует изменению химического состава напыляемого материала. Магнетронный способ распыления обе-
спечивает получение высококачественных тонких слоев и покрытий, например, молибденовый слой отличается высокой твердостью (400-900 HV), износостойкостью, стойкостью к абразивному воздействию и эрозии.
Для метода плазменного нанесения порошков со сверхзвуковой скоростью (High Velocity Oxygen Fuel, HVOF; High Velocity Air Fuel, HVAF) характерны высокая адгезия слоя и низкая пористость [1]. Распыляемые материалы (полимеры, карбиды, металлы) образуют термобарьерные, износо- и коррозионно-стойкие покрытия высокого качества, которые выдерживают воздействие высоких тепловых, ударно-абразивных и химически активных нагрузок [5]. Для получения композиционных материалов эти методы наиболее эффективны. Высокие скорости потока уменьшают время пребывания находящихся в нем частиц карбидов и боридов и, соответственно, их окисление. Приобретенная частицами высокая кинетическая энергия при ударе о подложку превращается в тепловую, и в процессе формирования покрытия частицы остаются более пластичными, что обеспечивает его высокие адгезионную и когезионную связь и плотность [14]. Количество и химический состав слоев влияют на служебные характеристики изделия: жаростойкость, термостойкость, термостабильность, износостойкость, коррозионную стойкость, эрозионную стойкость и др.
Газотермические методы нанесения покрытий широко применяются ведущими мировыми производителями в двигателестрое-нии. Перспективным методом является высокоскоростное воздушно-топливное напыление с использованием смеси воздуха и жидкого топлива или газа.
Перспективным направлением является интеллектуализация изделий с использованием материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). Широкое использование сплавов с ЭПФ связано с их высокими прочностными и демпфирующими свойствами, термомеханической надежностью и долговечностью, износо- и коррозионной стойкостью [2]. В настоящее время уже разработан ряд технологий формирования поверхностных слоев из двухкомпо-нентных (TiNi, NiAl), трех- и четырехкомпо-нентных (TiNiHf, TiNiHfCu, TiNiZr, TiNiMo, TiNiNb) материалов с ЭПФ с использованием
лазерной и аргонодуговой наплавки, плазменного напыления, наплавки взрывом; предложена многослойная композиция «сталь — № — TiNiZr — ТЩЮо», состоящая из соединительного слоя никеля и двух слоев из материалов с ЭПФ [2].
Создание производственных комплексов для реализации МТ позволяет значительно увеличить ресурс эксплуатации деталей и узлов ракетных комплексов, авиационных двигателей, наземных газотурбинных установок, обеспечивает достижение характеристик, которые невозможно получить изменением состава материала или термохимической обработкой.
Использование различных режимов обработки поверхности концентрированными пучками элементарных частиц, воздействие на жидкий металл ультразвуком или высокочастотным электромагнитным полем позволяют формировать структуру слоя: недендритную, дендритную, аморфную с ближним порядком, аморфную без ближнего порядка. Ультразвуковая обработка увеличивает количество центров кристаллизации перед фронтом затвердевания, что способствует получению недентритной структуры. В итоге формируется изделие с малым зерном, размер которого зависит от скорости кристаллизации.
Следует отметить эффективность сочетания различных источников энергетического воздействия и методов формирования слоя при создании изделий из материалов, значительно различающихся по температуре плавления, реологическим и теплофизическим свойствам. Это позволяет получать новые классы композиционных изделий.
Гибридные технологии
Гибридные технологии (ГТ), сочетающие в себе аддитивные и субтрактивные методы, представляют собой инновационный подход к проектированию и изготовлению изделий по сравнению с традиционными методами литья и обработки на металлорежущих станках (рис. 3).
ГТ изготовления изделий объединяют в себе преимущества аддитивного синтеза металлических изделий и последующего механи-
ческого удаления материала. Примером ГТ может служить применение фрезерования в конце нанесения каждого слоя в установках компаний Sanders и Objet [4].
Гибридные процессы могут быть реализованы на одной платформе с послойным нанесением исходного материала и механической обработкой, что оптимально при изготовлении крупногабаритных деталей низкой и средней сложности по форме. Формируя крупногабаритные металлические изделия оплавлением проволочного материала, можно преодолеть трудности, связанные с низкой производительностью существующих методов, высокой стоимостью применяемого оборудования, ограниченностью типов применяемых материалов, обусловленной применением традиционных способов.
Помимо механической обработки, возможно применение других методов. Например, одна часть лопатки газотурбинного двигателя может быть получена с использованием одной из литейных технологий, а другая — послойным синтезом. В работе [10] приведены результаты исследования по получению изделия из никелевого сплава ЖС6У комбинацией методов литья и прямого лазерного синтеза. Первоначально методом литья получили
Рис. 3. Визуализация получения изделия на базе гибридных технологий
Fig. 3. Visualizing hybrid product acquisition
METfltnnOO БРАЬРТКА
Рис. 4. Методы формирования поверхностного слоя металлических изделий
Fig. 4. Technique of metal products surface layer
образец из жаропрочного никелевого сплава ЖС6У, на который впоследствии методом лазерной наплавки наносили слои из порошка сплава 1псопе1 625. Синтез изделия был затруднен в связи с возникающими напряжениями в процессе циклического термического воздействия вследствие выделения у'-фазы в области нагрева.
Технология изготовления многослойных изделий на базе различных методов известна давно. Традиционный подход получения лопаток газотурбинных двигателей с теплозащитным покрытием включает последовательность операций: литье, ионно-плазменное напыление, электронно-пучковое напыление [8].
На первом этапе методом вакуумной индукционной плавки изготавливается лопатка с поликристаллической, направленной или монокристаллической структурой; на втором этапе для получения повышенных служебных характеристик (жаростойкости, термостойкости, термостабильности, износостойкости, коррозионной стойкости, эрозионной стойкости и др.) на изделие методами ионно-плазменного, магнетронного, электронного-пучкового осаждения послойно наносятся защитные покрытия. В результате формируются сложные многокомпонентные металлические системы: Zr02—Y20з—Gd20з, Zr—Y—Gd—O,
Zr02-Y20з.
Показательны технологии получения многослойных деталей компрессора для защиты от коррозии, пылевой эрозии, контактного износа. В авиационном производстве внедре-
но множество высокотемпературных, коррозионно-стойких ^гК и СГ3С2), износостойких покрытий для деталей и лопаток двигателей.
Важным направлением развития гибридных и мультиаддитивных технологий является совместное использование в процессе электронного и ионного пучков. Разработка и внедрение высокоинтенсивных методов послойной обработки изделий с использованием источника ионов (рис. 4) обеспечивает новые технологические возможности: обработка поверхности импульсными потоками энергии формирует материалы с комплексом уникальных свойств (высокая прочность, твердость, ударная вязкость, жаропрочность и жаростойкость).
С развитием вакуумной техники и появлением сильноточных ионных источников стало возможным проводить модификацию поверхности в целях получения аморфной структуры без ближнего порядка. Используя метод ионной имплантации, можно увеличить предел выносливости, жаростойкость, эрозионную и коррозионную стойкость в условиях термо-циклирования.
На рис. 5 показана схема процесса имплантации ионов бора в поверхность изделия. При высоких скоростях сканирования ионным пучком расплавления поверхности слоя не происходит. Ионы, чисто механически, глубоко внедряются в поверхность формируемого слоя изделия [9].
Этот эффект обусловлен тем, что энергия ионов существенно превышает энергию связи атомов в веществе. Ионы, имея массу того же порядка, что и атомы вещества, не просто смещают их, а вбивают в потенциальные ямы. Физическое состояние этих атомов описыва-
0,1 мкм
J+
Ф >■
р т г, - -
0 © Ф.® ® ® а _
• о • О • 0 •
® ф ф ф ф © ^^^^
, оVo • о •
Рис. 5. Модификация поверхности ионами бора Fig. 5. Surface modification with boron ions
B
ется уравнением Шредингера. Высота стенок ямы такова, что ни одно из известных веществ не обладает достаточным химическим потенциалом, чтобы извлечь атом из этой ямы и вступить с ним в реакцию. Поэтому модифицированный слой абсолютно химически стойкий. Разрушить это состояние термическим воздействием невозможно, потому что теплового импульса атома недостаточно для преодоления потенциального барьера. Таким образом, формируется слой с уникальными механическими свойствами: высокой прочностью и пластичностью [9].
Модификация поверхности ионным пучком позволяет получить функционально-градиентные, локально управляемые программируемые структуры с контурами нагрузки, износа и др. Перечень ионов, которые можно получить, практически не ограничен. Многие металлы могут переходить в газообразное состояние при соединении с другими элементами таблицы Менделеева. Ионы можно получать не только из однокомпонентных газов (кислород О2, водород Н2, азот N2, аргон Аг, гелий Не и пр.), но и из многокомпонентных газов, таких как углекислый газ СО2 (ионы углерода и кислорода), фтористый бор БЕз (ионы бора и фтора), тетрафторид кремния 81Е4 (ионы кремния 81- и ионы фтора Е+), фторид фосфора РЕ5 (ионы фосфора Р- и ионы фтора Е+) и др.
При повышенных требованиях к шероховатости поверхности ионная обработка является альтернативой механической обработке на станках с ЧПУ. На рис. 6 показано применение ионного пучка в качестве инструмента для полировки поверхности изделия. Ионная обработка позволяет получить высокий класс чистоты, так как размеры кроссовера ионного пучка при высоком ускоряющем напряжении значительно меньше, чем у электронного пучка. Поэтому для обеспечения требуемого качества поверхности ионный пучок можно использовать при окончательной обработке изделия.
К преимуществам вакуумных ионно-им-плантационных технологий относятся возможность внедрения в матрицу практически любого химического элемента, неизменность геометрических размеров обрабатываемой детали, отсутствие коробления. В поверхност-
0,25
Рис. 6. Прикладные приложения ионного пучка: полировка поверхности
Fig. 6. Ion beam applications: surface polishing
ном слое изделий образуются уникальные по структурно-фазовому составу химические соединения, которые традиционными способами получить в настоящее время невозможно.
Интеллектуальные технологии
Особенностями современного этапа развития производства являются растущая гармонизация и интеграция большого количества научных дисциплин и открытий. Например, сегодня технологии ЦП могут взаимодействовать с биологическим миром. Некоторые специалисты уже совмещают автоматизированное проектирование, аддитивные технологии, инжиниринг материалов и синтетическую биологию для новаторских разработок систем взаимодействия между микроорганизмами [3, 11]. Помимо этого, благодаря стремительному росту вычислительных мощностей устройств управления, наличию баз данных и знаний существенных успехов достигли технологические системы с функциями искусственного интеллекта (ИИ), основным отличием которых является способность самостоятельно принимать решения по формированию последовательности технологических операций и переходов, химическому составу исходного материала, алгоритмам управления, расчету технологического режима в зависимости от параметров и свойств исходных материалов. Реальным становится воспроизводство цифровых технологических систем с оптимизированной самомодификацией, обусловливающей их эволюцию.
+
J
Рис. 7. Схема синтеза изделий на базе интеллектуальной технологии
Fig. 7. Intelligent technology product synthesis diagram
К интеллектуальным отнесем такие технологии, которые используют при формировании новых материалов и изготовлении изделий различные технологические методы, включая биологические, разнородные источники энергетического воздействия, математический аппарат с функциями искусственного интеллекта (рис. 7).
Создание и развитие интеллектуальных технологий (ИТ) позволяет говорить о формировании нового направления в области материаловедения, а именно о получении биологических материалов и умных изделий. Синтез изделий на базе ИТ имеет большие перспективы при создании ряда сложных функционально-градиентных конструкций, каждая локальная область которых должна обеспечивать необходимые служебные свойства: износостойкость, биологическую совместимость, жаропрочность, жаростойкость, твердость и др. В зависимости от заданных механических и теплофизических свойств изделия производственная система с функциями ИИ обеспечивает расчет количества, очередности и химического состава слоев, определение методов построения слоя, режимов обработки и др.
Развитие и реализация ИТ требует создания нового специализированного оборудования:
• оснащенного различными источниками энергии, сложными многокоординатными электромеханическими и роботизированными комплексами, вакуумными станциями, узлами подготовки контролируемой среды и др.;
• реализующего процессы различной физической природы в рамках единого технологического цикла;
• обеспечивающего разработку технологий, управление процессом изготовления изделий в реальном масштабе времени на базе ММ, прогнозирование геометрических, механических и теплофизических параметров продукции.
Исследование многокомпонентных систем различного химического, фазового и фракционного составов на базе ИТ представляет собой важную прикладную задачу, для решения которой необходимо разработать научно-технические основы инновационного подхода к получению порошковых и композиционных изделий, выполнить математическое моделирование процессов синтеза, разработать технические решения специализированного оборудования.
В этой связи можно отметить создание и развитие прорывной технологии NanoParticle Jetting, являющейся одной из альтернатив аддитивному производству продукции из металла. Технология NanoParticle Jetting, основанная на напылении коллоидного раствора с наночастицами на подложку и последующем тепловом спекании, позволяет создавать высококачественные металлические объекты со сложной геометрической формой с высокой детализацией, которые практически не требуют дополнительной обработки [15].
Израильская компания XJet разработала ЭБ-принтер, работающий по технологии распыления наночастиц (NanoParticle Jetting), суть которой заключается в использовании металлических наночастиц. К преимуществам новой технологии NanoParticle Jetting относятся: высокие прочностные и функциональные характеристики изделий, превосходящие аналоги, полученные традиционным методом литья; возможность создавать металлические и керамические детали сложнейшей геометрической формы с более тонкими стенками и мелкими фрагментами; уменьшение количества отходов и др. Разработчики заявляют, что модернизация технологии ЭБ-печати путем напыления наночастиц откроет доступ в новые отрасли производства [15].
Развитие и реализация ИТ требует как создания нового специализированного оборудования, реализующего процессы различ-
ной физической природы в рамках единого технологического цикла, так и реализацию мультипроцессорных компьютерных систем с искусственным интеллектом, обеспечивающих разработку технологии, управление ТП в реальном масштабе времени на базе математических моделей и адаптивных обратных связей, прогнозирование геометрических, механических и теплофизических параметров продукции.
Выводы
В статье предложена новая классификация производственных технологий получения изделий, в рамках которой рассмотрены суб-трактивные, аддитивные, мультиаддитивные, гибридные и интеллектуальные технологии. Введены термины и определения мультиадди-тивной и интеллектуальной технологий, которые базируются на использовании различных технологических методов (сплавление, наплавка, пайка, диффузионное осаждение, модифицирование поверхности слоя и др.), сочетании нескольких источников энергетического воздействия разной физической природы (лазерный луч, электронный, ионный пучок), математическом обеспечении с функциями искусственного интеллекта.
Несмотря на обширную теоретическую и экспериментальную базу, производственные технологии, в силу сложности и многодисципли-нарности, требуют проработки теоретических положений, создания базы данных характеристик используемых материалов, оптимизации поиска проектных решений, а проектирование технологических режимов обработки — более глубокого понимания взаимодействия сложных физических явлений, комплексных теоретических и экспериментальных исследований, тщательного подбора технологических параметров, детального изучения структурно-фазового состояния получаемых изделий, сравнительного анализа их механических и эксплуатационных характеристик.
В настоящее время можно говорить об интеграции производственных технологий и законов управления в единое информационное киберфизическое пространство. Производственные технологии образуют фазы эволю-
ции технологий, параллельные эволюции систем управления от классических регуляторов к цифровым. При этом фазы наивысших уровней такой дуальной технолого-киберфи-зической эволюции дополняют, а не заменяют начальные базовые уровни.
Литература
1. Балдаев Л. Х., Шестеркин Н. Г., Лупанов В. А. и
др. Особенности процессов высокоскоростного газопламенного напыления // Сварочное производство. 2003. № 5. С. 43-46.
2. Бледнова Ж. М., Русинов П. О., Балаев Э. Ю. Композиционное конструирование многофункциональных поверхностных слоев из материалов с эффектом памяти формы, формируемых на принципах аддитивных технологий в условиях комплексных высокоэнергетических воздействий // Аддитивные технологии, материалы и конструкции: материалы научно-технической конференции (Гродно, 5-6 окт. 2016 г.)/Нац. акад. наук Беларуси [и др.]; редкол.: А. И. Свириденок (гл. ред.) [и др.]. Гродно: ГрГУ, 2016. С. 157-163.
3. Внедрение и развитие Индустрии 4.0. Основы, моделирование и примеры из практики / Под ред. Армина Рота. М.: Техносфера, 2017. 294 с.
4. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технология аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. М.: Техносфера, 2016. 656 с.
5. Горынин И. В., Орыщенко А. С., Фармаков-ский Б. В., Кузнецов П. А. Перспективные исследования и разработки научного нанотехнологического центра ФГУП ЦНИИ КМ «Прометей» в области наноматери-алов // Вопросы материаловедения. 2014. № 2 (78). С. 118-127.
6. ГОСТ Р 2.0.182-1.001.16. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Ч. 1. Термины и определения. М.: Стандартинформ, 2017. 22 с.
7. Гречанюк Н. И., Осокин В. А., Гречанюк И. Н. Новые композиционные материалы для электрических контактов и способ их получения // Рынок металлов. 1999. № 4. С. 58-60.
8. Каблов Е. Н. Литые лопатки для газотурбинных двигателей (сплавы, технология, покрытия). М.: МИСИС, 2001. 632 с.
9. Соколов Ю. А., Павлушин Н. В. Ионный пучок: новые возможности по созданию многокомпонентных порошковых изделий // Металлообработка. 2015. № 2 (86). С. 28-32.
10. Травянов А. Я., Петровский П. В., Хван А. В., Чеверикин В., Алексеева Е. В., Туричин Г. А., Земляков Е. В., Логачев И. А., Аликин П. В. Исследование возможности получения изделий из «несвариваемого» никелевого сплава ЖС6У комбинацией методов литья и прямого лазерного выращивания / / Аддитивные технологии, материалы и конструкции: материалы научно-технической конференции (Гродно, 5-6 окт. 2016 г.) / Нац. акад. наук Беларуси [и др.]; редкол.: А. И. Свириденок (гл. ред.) [и др.]. Гродно: ГрГУ, 2016. С. 64-66.
11. Шваб К. Четвертая промышленная революция. М.: Э, 2018. 208 с.
12. Grechanyk N. I., Osokin V. A., Grechanyk I. N. Vinakova R. V. Composite materials on base of copper and molybdenum, condensed from vapor phnse, for electrik contacts. Structure, properties, technology. Part 1. State — of — the art and prospects of application of technology of elekctron beat high-rateevaporation-condensation for producing materials of elektrik contacts // Advances in Electrometallurgy. 2005. № 2. P. 24-29.
13. Kelly P. J., Arnell R. D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications // Vacuum. 2000. № 56. Р. 159-172.
14. Verstak A., Baranovski V. Activated combustion HVAF coatings for protection against wear and high temperature corrosion // Thermal Spray 200Э: Advancing the Science and Applying the Technology. ASM Publication. 200Э. Vol. 1. 25 р.
15. https://cnc3d-printer.com/index.php?TM_TC=1& TM_TX=Novaya_tehnologiya_3D-pechati_ot_XJET
References
1. Baldaev L. Kh., Shesterkin N. G., Lupanov V. A.
et al. Features of high-speed flame spraying processes. Svarochnoeproizvodstvo. 2003, no 5, pp. 43-46. (In Russ.)
2. Blednova J. M., Rusinov P. O., Balaev E. Yu. Composite design of multifunctional surface layers from materials with a memory effect of form, formed on the principles of additive technologies in conditions of complex high-energy impacts. In Book: Additive Technologies, Materials and Designs: Materials of the Scientific and Technical Conference (Grodno, Oct 5-6, 2016). Natz. Academy of Sciences of Belarus [etc.]; ed. A. I. Sviridenok [et al.]. Grodno: GrSU, 2016, pp. 157-163. (In Russ.)
3. Introduction and development of Industry 4.0. Fundamentals, modelling and examples from practice. Ed. Armin Rota. Moscow: Technosphera, 2017, 294 p. (In Russ.)
4. Gibson Y., Rosen D., Stacker B. Additive manufacturing technology. 3D printing, rapid prototyping and direct digital production. Moscow: Technosphera, 2016, 656 p. (In Russ.)
5. Gorynin I. V., Oryshchenko A. S., Farmakovsky B. V., Kuznetsov P. A. Promising research and development
of the scientific nanotechnological center of the FSUE Central Research Institute Prometheus KM in the field of nanomaterials. Voprosy materialovedeniya. 2014, no 2 (78), pp. 118-127. (In Russ.)
6. GOST R 2.0.182-1.001.16. Additive processes. Basic principles. Part 1. Terms and definitions. Moscow: Stan-dartinform, 2017, 22 p. (In Russ.)
7. Grecanyuk N. I., Osokin V. A., Grecanyuk I. N. New composite materials for electrical contacts and the method of their production. Rynok metallov. 1999, no 4, pp. 5860. (In Russ.)
8. Kablov E. N. Cast blades for gas turbine engines (alloys, technology, coatings). Moscow: MISIS, 2001, 632 p. (In Russ.)
9. Sokolov Yu. A., Pavlushin N. V. Ion beam: new opportunities for creating multi-component powder products. Metalloobrabotka. 2015, no 2 (86), pp. 28-32. (In Russ.)
10. Travyanov A. Ya., Petrovsky P. V., Hwan A. V., Cheverikin V., Alekseeva E. V., Turichin G. A., Zemlyan-kov E. V., Logachev I. A., Alikin P. V. et al. Study of the possibility of obtaining products from an «unboiled» nickel alloy ^C6y a combination of casting methods and In Book: Additive Technologies, Materials and Designs: Materials of the Scientific and Technical Conference (Grodno, Oct 5-6, 2016 ). Natz. Academy of Sciences of Belarus [etc.]; ed. A. I. Sviridenok et al. Grodno: GrSU, 2016, pp. 64-66. (In Russ.)
11. Schwab K. The Fourth Industrial Revolution. Moscow: E, 2018, 208 p. (In Russ.)
12. Grechanyk N. I., Osokin V. A., Grechanyk I. N. Vi-nakova R. V. Composite materials on base of copper and molybdenum, condensed from vapor phnse, for electrik contacts. Structure, properties, technology. Part 1. State — of — the art and prospects of application of technology of elekctron beat high-rateevaporation-condensation for producing materials of elektrik contacts. Advances in Electrometallurgy. 2005, no 2, pp. 24-29.
13. Kelly P. J., Arnell R. D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications. Vacuum. 2000, N 56, pp.159-172.
14. Verstak A., Baranovski V. Activated combustion HVAF coatings for protection against wear and high temperature corrosion. Thermal Spray 2003: Advancing the Science and Applying the Technology. ASM Publication. 2003, vol. 1, 25 p.
15. https://cnc3d-printer.com/index.php?TM_TC=1& TM_TX=Novaya_tehnologiya_3D-pechati_ot_XJET
Сведения об авторах
Соколов Юрий Алексеевич — доктор технических наук; заместитель технического директора ПАО «Электромеханика», e-mail: s5577@inbox.ru
Для цитирования: Соколов Ю. А. Технологии цифрового производства. Металлообработка, 2020, № 4, с. 38-49. БО! 10.25960/то.2020.4.38
new materials and technology
MEIAIL/OOBRABOTKA
Ut/uviy
UDC 621.791.722; 621; 621.762.04 DOI 10.25960/mo.2020.4.38
Digital manufacturing technologies Yu. A. Sokolov
Electromehanika, Rzhev, Russia
The article discusses digital production technologies that allow expanding the range of obtaining new materials and products of complex geometric shape. Subtractive, additive, multi-additive, hybrid and intelligent DM technologies form the phases of technology evolution parallel to the evolution of control systems from classical regulators to digital production systems. Moreover, the phases of the highest levels of this dual technoiogicai-cyber-physicai evolution complement, and not replace, the initial base levels.
Keywords: mathematical modeling, products synthesis, optimization, additive technology. Information about the authors
Yuri A. Sokolov — Doctor of Engineering Sciences, Electromehanika, e-mail: s5577@inbox.ru
For citation: Sokolov Yu. A. Digital manufacturing technologies. Metalloobrabotka, 2020, no 4, pp. 38-49. DOI 10.25960/mo.2020.4.38
DOI УВАЖАЕМЫЕ АВТОРЫ!
Мы рады сообщить вам, что, начиная с выпуска 6 (108) 2018, по желанию авторов, статьям, которые публикуются в нашем журнале, может быть присвоен номер DOI (регистрация в международной организации DataCite). Digital Object Identifier — уникальный идентификатор, присваиваемый различным информационным объектам — книгам, главам книг, журналам, статьям и даже отдельным рисункам, таблицам, графикам и т. п. Использование DOI — признанная мировая практика. Номер DOI — постоянно действующая ссылка на вашу научную публикацию. Теперь, для того чтобы ознакомиться с вашими трудами, достаточно знать лишь номер DOI, и читатель сразу попадет на первоисточник. Кроме того, DOI облегчает цитирование, обеспечивает интеграцию с международными базами данных (Scopus, WoS, EBSCO и др.). DOI поможет включить вашу статью в мировое научное пространство!
Мы присваиваем DOI монографиям, учебным пособиям, справочникам и другим изданиям, подготовленным в АО «Издательство „Политехника"».
