Аддитивные технологии и 3D-сканирование в машиностроении: 7 историй успеха

3D-технологии все чаще оказываются в центре внимания крупных российских промышленных выставок, что отражает готовность предприятий к внедрению инновационных 3D-решений в свои производственные цепочки. Так, на выставке «Металлообработка-2018» аддитивные технологии впервые были представлены на отдельной площадке; цифровое производство стало главной темой Международной промышленной выставки «Иннопром», которая прошла в июле 2018 в Екатеринбурге.

Для машиностроения, как одной из ключевых отраслей российской экономики, исключительно важны разработки нового оборудования и применение передовых решений. 3D-технологии всецело отвечают этим потребностям. Совершенствуясь, они обеспечивают все большую эффективность, позволяя предприятиям сократить и упростить технологический процесс и оптимизировать расходы на производство.

К примеру, создание прототипа на 3D-принтере займет не месяцы, как на традиционном производстве, а всего несколько часов. Значительно экономятся временные затраты на доработку конструкции и запуск продукта в серийное производство, и, соответственно, снижается стоимость всего проекта. Благодаря применению 3D-сканеров ^[1] и программного обеспечения для реверс-инжиниринга и контроля геометрии затраты времени и средств сокращаются в среднем в 1,5 раза.

Преимущества 3D-печати

• Изготовление деталей с геометрией любой сложности ^[2], что оставляет далеко позади возможности традиционных методов.
• Оптимизация таких параметров изделий, как точность и прочность, а также снижение массы за счет создания супертонких стенок, внутренних каналов и бионических структур.
• Ускорение и снижение стоимости производственного процесса: нет необходимости использовать дорогостоящую оснастку, а в отдельных случаях – мехобработку.
• Повышение рентабельности изготовления мелкосерийной и кастомизированной продукции.
• Снижение рисков и ошибок проектирования, в том числе за счет возможности изменения конструкции ^[3] на поздних этапах проектирования.
• Управление физико-механическими свойствами продукта благодаря использованию высокотехнологичных материалов.

Задачи, решаемые в машиностроении с помощью 3D-печати

1. Функциональное тестирование и прототипирование.
2. Изготовление технических прототипов для отработки конструкции изделий.
3. Проведение технологических экспериментов.
4. Проверка изделий на эргономичность.
5. Создание мастер-моделей для литья, в том числе по выплавляемым и выжигаемым моделям.
6. Быстрое изготовление оснастки.
7. Производство формообразующих элементов пресс-форм для литья термопластов и легких материалов.
8. Изготовление функциональных деталей для разнообразных агрегатов и узлов.
9. Создание сложных конструкций, в том числе цельных, которые ранее собирались из многих элементов.

Технологии 3D-печати для машиностроительных предприятий

• Послойное наплавление (FDM).
• Полноцветная струйная печать (CJP).
• Многоструйная печать (MJP).
• Лазерная стереолитография (SLA).
• Селективное лазерное плавление (SLM).
• Селективное лазерное спекание (SLS).

Преимущества 3D-сканирования

• Высокая скорость сканирующих устройств.
• Точные измерения в реальных условиях эксплуатации.
• Возможность интеграции в автоматизированные производственные системы ^[4].
• Измерение любых объектов, независимо от размеров, сложности, материала или цвета.
• Простота и удобство в работе.

Задачи, решаемые при помощи 3D-сканеров и специализированного ПО

1. Обратное проектирование ^[5] (реверс-инжиниринг), получение готовых чертежей.
2. Метрологический контроль изделий в процессе изготовления, анализ износа.
3. Контроль геометрии, деформации и повреждений изделий.
4. Контроль качества ^[6].
5. Цифровая архивация.

7 историй успеха

Блок гидравлических клапанов

Финальный CAD-файл блока клапанов, готовый к 3D-печати

Конструкция нового блока гидравлических клапанов, разработанного компаниями VTT и Nurmi Cylinders, была оптимизирована c использованием технологии селективного лазерного плавления (SLM), позволившей значительно сэкономить вес, объем и материал. В результате было создано изделие, вес которого на 66% меньше исходной модели. Благодаря инновационному дизайну удалось оптимизировать поток жидкости по внутренним каналам и решить проблему утечки.

Проект в деталях ^[7]

Смеситель жидкости с газом

Схема цельнометаллического смесителя, созданного по SLM-технологии. Справа внизу: изначальная модель, состоящая из 12 элементов

Центр быстрого прототипирования Jurec, использующий оборудование SLM Solutions, выполнил проект по усовершенствованию смесителя жидкости с газом. Изначально устройство собиралось из 12 частей, включая 3 крупных элемента – первое и второе фланцевые корпусные соединения и вставка смесителя. Селективное лазерное плавление дало возможность создать единый корпус, сократив количество деталей с 12 до одной. Отпадает необходимость использовать несколько металлов ^[8] и фланцевых соединений: внутри цельнометаллического корпуса просто нарезается резьба, благодаря чему вес смесителя уменьшился с 1,3 кг до 50 г. В два раза сократилось время производства. И наконец, финансовые затраты на производство уменьшились на 73%.

Больше практических примеров применения 3D-печати металлами ^[9]

Разветвитель гидроакустической антенны

Слева: мастер-форма из двух частей, напечатанная на 3D-принтере. Справа: извлечение готовой детали из силиконовой формы

ОАО «Концерн «Океанприбор» (Санкт-Петербург) производит системы связи для Военно-Морского Флота РФ, в том числе оборудование с большим количеством мелких элементов, например, разветвитель – один из основных компонентов новой гидроакустической антенны. Для быстрого прототипирования при изготовлении литьевых деталей концерн использует профессиональный 3D-принтер 3D Systems ^[10] ProJet 660Pro, работающий по технологии CJP. На 3D-принтере выращивается литейная форма, которая затем заливается силиконом. В силиконовую форму можно заливать любой другой материал, в данном случае это полиуретан. В результате предприятие получает своего рода форму для форм – не просто прототип, а опытный образец, готовый к использованию. Реализация проекта с применением стандартных методов потребовала бы нескольких месяцев, но благодаря 3D-принтеру срок создания антенны удалось сократить до трех недель.

Проект в деталях ^[11]

Компоненты газотурбинных двигателей

Восковая модель, выращенная методом 3D-печати, и готовое изделие

Американская компания Turbine Technologies, Ltd. разработала модификацию двигателей внутреннего сгорания, на которые устанавливаются турбины высокого давления. Компания приобрела принтер 3D Systems ProJet MJP 3600W для 3D-печати восковых моделей и получает готовую отливку в течение 3-4 дней. Восковые модели теперь изготавливаются непосредственно из 3D-моделей CAD, а литейный цех Turbine Technologies производит компоненты прототипов газотурбинных двигателей с большей точностью и меньшими расходами.

Больше практических примеров использования 3D-печати в литье по выплавляемым моделям ^[12]

Компоненты и узлы для авиастроения

3D-печать фотополимерами по технологии QuickCast позволяет сэкономить время и деньги, поскольку позволяет обойтись без дорогостоящей оснастки

Компания Vaupell разрабатывает производственные решения для литейных предприятий, которые выполняют заказы аэрокосмической и оборонной отрасли. Благодаря стереолитографическому 3D-принтеру 3D Systems ProX 800 компания смогла радикально повысить эффективность производства. В принтере предусмотрен специальный режим печати фотополимером – QuickCast ^[13], при котором воспроизводится тонкостенная внешняя оболочка детали, а пустоты внутри детали заполняются ячеистой структурой. QuickCast-модели заменяют традиционные литейные модели и не требуют дорогостоящей оснастки. Таким образом, компания снизила затраты на литейные модели на 95%.

Смотрите видео ^[14]

Контроль геометрии корпуса насоса

Карта отклонений геометрии футеровки

Компания iQB Technologies выполнила проект, включавший 3D-сканирование корпуса насоса после мехобработки и отдельное 3D-сканирование корпуса с футеровкой для контроля толщины покрытия. На первом этапе изделие было оцифровано ручным 3D-сканером Creaform HandySCAN 700, а затем была получена высокополигональная 3D-модель корпуса насоса. Затем специалисты произвели контроль отклонений геометрии в ПО Geomagic Control X ^[15]. Выявленные отклонения в поверхности покрытия создают дополнительное давление на корпус, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации. Проект осуществлен всего за 4 часа.

Больше практических примеров контроля качества с помощью 3D-сканера ^[6]

Реверс-инжиниринг рабочего колеса гидротурбины

3D-сканирование колеса гидротурбины для последующего обратного проектирования

Компания Dependable Industries (производитель литейных моделей и инструментов из Ванкувера) обратилась к предпринимателю Мэтью Персивалю из 3D Rev Eng для помощи в обратном проектировании отливки рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины. Программа для реверс-инжиниринга Geomagic Design X ^[16] позволяет в течение нескольких часов создавать такие модели со сложными формами, для изготовления которых при помощи традиционных технологий потребовалось бы несколько недель. Благодаря Geomagic Design X время на реверс-инжиниринг было сокращено на 50%, и на 48% уменьшены производственные затраты.

Проект в деталях ^[17]

Заключение

У 3D-технологий есть и сдерживающие факторы. Это и высокая стоимость оборудования и материалов, и недостаточная изученность, и нехватка специалистов, и сложности с интеграцией в традиционные технологические цепочки. Аддитивные методы на сегодня не могут вытеснить или заменить классические технологии, но они доказывают экономическую выгоду при прототипировании и мелкосерийном производстве и становятся единственно возможным решением при изготовлении сложных деталей небольшого размера. В конечном итоге, применение технологий трехмерной печати, сканирования и моделирования позволяет быстрее выводить новые продукты на рынок, а значит, повышает конкурентоспособность машиностроительных предприятий.

Автор: iQBTechnologies

Источник ^[18]