CC BY
29
X
i=q
i=q <
\
Цифровое производство
в Республике Беларусь
ШШщ
'■t
Сергей Чижик,
первый заместитель
Председателя Президиума НАН Беларуси, академик
Масштабные макеты, легко разрушаемые прототипы, заготовки и детали машин из композиционных материалов с рабочими поверхностями сложного профиля, «выращенные» на 3D-принтерах без дорогостоящей формообразующей оснастки, сокращают стадии подготовки производства и значительно снижают материальные и трудовые затраты.
Для оценки перспектив рынка 3D-принтеров в Республике Беларусь прежде всего следует определить целевые сегменты их применения, объемы продаж и частоту использования. К тому же необходимо установить объемы расходных материалов с учетом специфики их физико-химических, механических и других свойств, доступность и цену на отечественном рынке. Затем требуется рассмотреть возможность воспроизводства и технического оснащения процесса послойного синтеза изделий, а также целесообразность проектирования новых технологий, основанных на отечественных разработках. При этом необходимо сознавать то, что уже сегодня программное обеспечение, находящееся в открытом доступе, не подходит для всех моделей оборудования, а ряд технологий, использующих источники концентриро-
ванной энергии, представляется учеными как технологии двойного назначения.
Перспективы применения АТ следует проанализировать по трем направлениям:
■ основные группы технологий и оборудования послойного синтеза для оперативного макетирования и производства;
■ расходные полимерные, металлические, керамические композиционные материалы, поставляемые в виде порошков, нитей (проволок), листов;
■ продукция, применяемая в дальнейшем в качестве макетов и прототипов, заготовок деталей и конечных изделий. Широко используемые в мировом производстве
технологии послойного синтеза позволяют анализировать состояние и перспективы развития методов прямого «выращивания» изделий.
Стереолитография (SLA) предложена Чарлзом Хеллом в 1984 г. Технологические установки начали производиться с 1988 г., в настоящее время они выпускаются компанией 3D Systems Inc, США. Процесс основан на поглощении фоточувствительным полимером лазерного излучения конкретной длины волны, в результате чего происходит радикальная полимеризация, то есть отверждение полимера. Его физико-механические свойства ограничивают область применения стереолитографии. Чаще всего этот процесс используют в макетном проектировании, в технологии литья по выплавляемым моделям в качестве мастер-форм, эталон-моделей, он также хорошо подходит для сборочного конструирования сложных изделий, при этом на них допустимо нанесение слоя резины или металла.
Послойное формование из листового материала (LOM) было предложено Майклом Фейгином в 1985 г. Промышленные технологические установки LOM 1015, LOM 2030 и др. выпускаются фирмами Helisys, Paradigm, Sparx AB (HotPlot). Изделия изготавливаются из листового материала, который раскраивается по заданному контуру лазерным или другим излучением, а затем скрепляется в стопке путем склеивания или пайки (сварки). Толщина листов зависит от материала (используются пластики, керамика, композиты) и изменяется в интервале от 50 до 500 мкм.
Аддитивные технологии
Метод может применяться для макетного проектирования, литья по выплавляемым моделям, литья в песчаные формы, для получения гипсовых отливок, создания кремнеор-ганических форм, в кокильном или одноразовом литье.
Селективное лазерное спекание (SLS) впервые предложено Карлом Декардом в 1986 г. Технологическое оборудование производится фирмой DTM Corp. (установки марки Sinterstation 2000 и 2500). Сущность SLS-процесса заключается в том, что порошковые материалы послойно спекаются лазерным излучением. Для этого нужны мелкодисперсные, термопластичные порошки с хорошей вязкостью и быстро затвердевающие, например полимеры, воск, нейлон, керамика, металлические порошки. На счету корпорации DTM - установки с различным числом используемых материалов: литейным воском, нейлоном, поликарбонатом. Развитие SLS-технологии идет по пути внедрения новых порошковых материалов, а для металлических композиционных порошков - повышения мощности лазерного излучения.
Создание литьевой формы (DSPC) было предложено Эмануилом Сайчем из Массачусетского технологического института в 1989 г. Оборудование производит фирма Soligen. Процесс заключается в распределении и уплотнении слоев порошка и послойном его связывании расплавом из нагреваемой принтерной головки, сканирующей поверхность. Несвязанный порошок вокруг модели поддерживает и предохраняет ее от разрушения. По окончании операции он удаляется. Созданные оболочки могут быть использованы в качестве литьевых форм. Последние могут сразу включать литниковую систему для заливки расплава металла.
Послойная экструдерная заливка расплава (FDM) была предложена Скоттом Крампом. Компания Stratasys выпускает установки с 1991 г. Основной ее частью является головка, через которую подается материал. Там он предварительно подогревается до температуры плавления, дозированно подается в рабочую зону и скрепляется с предыдущим слоем. В качестве материалов чаще всего используются пластики, которые поступают в катушках, диаметр нити - 0,127 см, стоимость - от 150 до 300 долл., а толщина формируемых слоев - 50-750 мкм.
По результатам рассмотрения наиболее распространенных методов прямого «выращивания» изделий проанализируем перспективы по областям потребления продуктов, изготовленных на 3D-принтерах, и оценим состояние разработок и возможность производства оборудования, средств контрольного и программного оснащения, расходных материалов для 3D-печати в нашей республике.
Настольные 3D-принтеры - «бюджетные», для бытового, учебного, игрового и другого применения, чаще всего основаны на наиболее широко распространенной технологии FDM. Институт химии новых материалов НАН Беларуси освоил выпуск расходных полимерных материалов с необходимым комплексом свойств, в частности
изготавливает нить нужного диаметра на катушке, устанавливаемой в принтер. ИХНМ использует нити у себя, а также поставляет по договорам для импортных принтеров, эксплуатируемых в республике. В Институте механики металлополимерных систем им. В.А. Белого имеется большой опыт по созданию композиционных порошковых материалов на полимерной основе и изделий широкой номенклатуры из них. Сами принтеры в наиболее простой комплектации по механике, а также по электронному и программному оснащению (собственной разработки) готовы освоить в Институте тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова. Производство малых серий принтеров в закрытых корпусах, обеспечивающих экологичность путем использования фильтров для выделяющихся газов,
^ш
С сентября 2015 г. НАН Беларуси совместно с Минобразования, Минпромом, ГКНТ и другими заинтересованными ведомствами приступили к формированию в республике Научно-образовательного кластера по робототехнике, мехатронике и аддитивному производству. К началу нынешнего года туда вошли Объединенный институт машиностроения НАН Беларуси, ОАО «НПО Центр», Институт подготовки научных кадров НАН Беларуси, Белорусский национальный технический университет, Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники, Полоцкий государственный университет, отдел образования, спорта и туризма Новополоцкого городского исполнительного комитета, гимназия №29 г. Минска и др.
Ведутся работы по вовлечению исследовательских институтов и вузов всех регионов республики в научно-образовательную деятельность по этому перспективному направлению. Подписаны договоры о сотрудничестве, в которых предусматривается создание школы по робототехнике в Национальной академии наук для учащихся, и планируется продолжение их обучения в вузах и последующее повышение квалификации в магистратуре и аспирантуре по специальностям, связанным с мехатроникой и аддитивными технологиями.
Результаты работы кластера нашли признание в республике и в прошлом году удостоены различных премий и наград.
Первое место за лучший молодежный проект в Республиканском конкурсе инновационных проектов за разработку универсального робота «Альтрон» занял ученик одиннадцатого класса гимназии №29 А.В. Дубовицкий.
Третье место в том же конкурсе за лучший инновационный проект «^-печать эластичного шлифовального инструмента с ориентированными зернами абразива» получил студент Полоцкого государственного университета А.С. Кириенко.
Диплома Белорусского инновационного фонда на Молодежной инновационной неделе «INMAX-2015» за создание гаммы оборудования «^-принтеры технического и пищевого назначения» и Диплома второй степени II Белорусско-Китайского молодежного форума «Новые горизонты 2015» за проект «^-принтер промышленного назначения» удостоен Белорусский национальный технический университет.
Премию НАН Беларуси в области технических наук по итогам 2015 года получило НПО «Центр» НАН Беларуси за цикл работ «Технологические комплексы электрофизической обработки изделий: теоретические и технологические основы, производство и применение».
Тема номера
Рис. 1.
30-принтер для учебных и бытовых целей
Я Рис. 2.
I Автоматизиро-
I ванный комплекс
| плазменного
1 раскроя
s с 5-координатным
I манипулятором
для оснащения учебного процесса вузов и школ планируют в БНТУ на факультете информационных технологий и робототехники и факультете маркетинга, менеджмента и предпринимательства (рис. 1).
Макетирование на производстве (заводы «Атлант», «Горизонт» и др.) в течение последних 10-15 лет представлено в основном стереолитографией, обеспечивающей достаточно высокую точность и прочность полимерных моделей. Широкого распространения в республике эта технология по сравнению с экструдерной заливкой расплава не получила ввиду высокой стоимости оборудования (в комплектации установки - мощный лазер и точная механика) и расходных материалов - фоточувствительных полимеров.
Порошковые изделия - детали и их заготовки из композиционных материалов в машиностроении (для потребностей авиации, космонавтики, медицины и др.) производят по технологиям, относящимся к селективному лазерному спеканию. Получено и разрабатывается множество порошковых материалов (металлических, керамических, композиционных), а также технологий (зачастую комплексных) для синтеза деталей и заготовок из них. В Институте порошковой металлургии НАН Беларуси 10 лет назад создана установка для получения изделий медицинского назначения из порошковых металлических материалов с регулируемой пористостью
совместно с Институтом физики им. Б.И. Степанова (лазеры) и Объединенным институтом проблем информатики (программное обеспечение). В настоящее время ИПМ участвует в крупном международном проекте по разработке порошков для селективного лазерного спекания. Созданием устройств дозирования и подачи композиции порошков в принтерах занимаются на машиностроительном факультете БНТУ.
Изделия из строительных материалов (быстротвер-деющих высокопрочных гипса, цемента, керамики и др., в том числе в композициях с песком) по технологии DSPC в республике пока не производятся ввиду отсутствия оборудования и расходных материалов (в которых используются уникальные по свойствам связующие). Однако работы по измельчению и активации песка и цемента, металлургических шлаков и других строительных материалов в ГНПО «Центр» ведутся при участии специалистов строительного факультета БНТУ. Механика оборудования может быть воспроизведена нашими предприятиями, но пока главный вопрос - в физико-химии связующих, обеспечивающих расходникам уникальные свойства.
Можно широко использовать в республике и за ее пределами послойный листовой раскрой и сборку изделий по технологии LOM уже в настоящее время. Для этого необходимо дооснастить выпускаемое ГНПО «Центр» раскройное оборудование сборочными модулями сверления и сборки на штифты, резьбы или приваривания. Особыми конкурентными преимуществами обладает установка плазменной резки КПР-10 с 5- координатным манипулятором, обеспечивающая фигурный раскрой под углом, в том числе и для разделки кромок под сварку (рис. 2). Большие перспективы для применения различных материалов и по качеству реза у гидроабразивных установок.
Биоматериалы и ткани, импланты и органы из них рассматриваются в нашей стране с позиций использования как металлополимерных композиционных систем, так и стволовых клеток. Наиболее перспективен комплексный подход, при котором форму органа создает каркас из конструкционного материала (зачастую биоразлагаемого, растворимого в определенной среде), а функциональная ткань наращивается клетками. Работы по стволовым клеткам ведет открытый недавно Центр клеточных технологий, а для наблюдения (манипулирования) за клетками in vitro в ИТМО разработано оборудование (биоконтейнер для атомно-силового микроскопа).
Таким образом, для скорейшего и наиболее эффективного освоения аддитивных технологий современного «цифрового производства» в Республике Беларусь необходимо наметить первоочередные мероприятия и согласовать план совместных действий всех заинтересованных участников процесса. Следует также уделить внимание разработке наукоемкого оборудования, расходных материалов и программных средств, подготовке научных и инженерных кадров для решения поставленных задач. СП
