Файл: Перспективы применения аддитивных технологий в автомобильной промышленности.pdf

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ АДДИТИВНЫХ
ТЕХНОЛОГИЙ В АВТОМОБИЛЬНОЙ
ПРОМЫШЛЕННОСТИ
Михайлова В.А.
Псковский государственный университет, 4 курс бакалавриата,
направление подготовки «Сервис транспортных средств» (научный
руководитель – старший преподаватель кафедры автомобильного
транспорта,
заведующий
научно-исследовательской
лабораторией
плазменных и лазерных технологий Былеев А.С.)
Введение
В последние годы происходит активное развитие новых методов изготовления механизмов, деталей, узлов. Наблюдается явный спад использования традиционных технологий, так как их пределы возможного использования иссякают. Поэтому, большинство развитых стран обращают свое внимание на создание и внедрение более современных и перспективных методов.
Одним из таких методов является применение аддитивных технологий.
Данная технология является одной из самых востребованных в мире промышленности. В данных момент аддитивные технологии уже применяются во многих областях: авиационной, космической, пищевой, электроэнергетике, биотехнологической и во многих других. Так же, в этот список нужно добавить, конечно, автомобильную промышленность.
Технология 3D-печати состоит в послойном выращивании изделий из порошка, жидкости или листового материала с концентрированным воздействием на них термомеханического, электромагнитного, физико- химического, ионно-лучевого и др. источника энергии для сплавления частиц в монолит заданной формы по трехмерной цифровой (электронной) модели.
[1]
Возможности аддитивных технологий
Технология аддитивного производства позволяет получать изделия разных форм и размеров, изделия с уникальной структурой. 3D печать так же позволяет не ограничивать себя в уникальности создаваемого изделия, то есть, полет фантазии будет обеспечен.
Благодаря принципам подобного проектирования можно использовать так называемы бионические принципы, которые имеют параллель с природными формами: полые, ячеистые, изделия с очень маленькими деталями и самыми разнообразными формами; если спроектировать единый механизм автомобиля, то 3D-печать позволяет создать монолитную деталь с минимальным процентом последующей обработки; плюсом является

практически полное исключение антропогенных факторов: как в процессе проектирования, так и в процессе непосредственного изготовления и обработки – программы, используемые для создания эскиза детали, могут самостоятельно указать на ошибки при проектировании и показать методы и пути их исправления; появляется возможность вносить корректировки на любом этапе проектирования; при изготовлении при помощи аддитивных технологий появляется рентабельность изготовления изделии в единичном и мелкосерийном производстве; аддитивные технологии позволяют сократить выброс вредных веществ в атмосферу вплоть до 100%, что однозначно очень хорошо скажется на экологии нашей планеты. Так же, использование лазерного спекания и вообще применение 3D-печати – значительно сокращает время изготовления узла: к примеру, для изготовления корпуса камеры сгорания для небольшого газотурбинного двигателя с применением этих технологий уйдет 2-3 часа, как в то же время традиционным методом уйдет
2 - 3 недели. Точность изготовления деталей на 3D-принтере составляет ± 0,05 мм. [2]
Основные преимущества: cтрогие требования безопасности и сложная конструкция; снижение массы до 2-х раз по сравнению с исходной конструкцией; функциональная интеграция обеспечила сокращение количества компонентов на треть по сравнению с исходным узлом; целостный подход к разработке деталей, который учитывает всю технологическую цепочку аддитивного производства; минимизация числа поддержек, ведущая к сокращению расхода материалов и количества необходимых процессов постобработки и др.
Методы и материалы для изготовления на 3D-принтере
Современная
3D-печать не ограничивается изготовлением исключительно деталей из пластика. Материалы для производства могут быть различные: металл; керамика; металлокерамика; пластиковые порошки; жидкие полимеры;
Существуют следующие методы изготовления: селективное лазерное наплавление (SLM); селективное электро-лучевое наплавление (EBM); прямое лазерное нанесение металла (DLMD).
В современных 3D-принтерах используются следующие технологии: ламинирование; экструзионный тип печати; стереолитография; порошковая печать.
В частности, порошковая печать включает в себя следующие методы изготовления: 3DP – струйная трехмерная печать.
Принцип технологии: из порошка на рабочем столе под действием связующего материала, наносимого печатающей головкой, слой за слоем вырисовывается контур нужного объекта. Исходным материалом первоначально служил гипс, но его механические свойства не являются достаточными, чтобы давать нужную прочность. Сейчас же расходным материалом может служить любой порошок: пластиковый или металлический.

Преимуществами такой технологии являются: отсутствие в необходимости опорной конструкции, так как каждый слой порошка и есть опора для последующего слоя; экономичность расходуемого материала – остатки порошка можно ссыпать и использовать повторно.
•
SLM – метод выборочной лазерной плавки.
Данный метод используют лазеры высокой мощности для создания физических объектов из металла. Процессу печати предшествует разделение цифровой трехмерной модели объекта на слои, имеющие толщину от 20 до 100 микрон. Созданный в формате STL файл используется как чертеж для печати физической модели. В процессе изготовления тонкий слой порошка наносится на рабочий стол, который движется в вертикальном направлении, при этом, рабочая камера заполняется инертным газом (чаще всего это аргон) и таким образом, отсутствие кислорода дает возможность работать с металлами, которые склонны к оксидации. Для плавки каждого слоя физической модели используется лазерный луч, направляемый по осям с помощью двух зеркал с высокой скоростью отклонения. Лазерный излучатель обладает мощностью, позволяющей плавить частицы порошка в состояние гомогенного материала.
Главное преимущество: безотходное производство.
•
SLS и DMLS – лазерное спекание.
Технологии лазерного спекания позволяют создавать качественные цельнометаллические физические модели. Существует два вида спекания – прямое (технология DMLS) и выборочное (технология SLS). Метод прямого спекания в качестве чертежа используется цифровая трехмерная модель, а металлический порошок спекается при помощи высокомощного оптоволоконного лазера с высокой скорость прохождения луча. Работа таких устройств начинается с подачи в рабочую камеру порошка, который необходим для нанесения только одного слоя. После этого, лишний материал удаляется при помощи встроенного лезвия, а новый материал, при помощи лазера, спекается на предыдущий слой и так по кругу [3].
Основными преимуществами являются: высокое разрешение печати – 20 микрон; возможность воссоздавать объекты любого уровня геометрической сложности без необходимости их дальнейшей механической обработки; отсутствие необходимости опор для нависающих частей печатаемой модели; возможность повторного использования не спеченного порошка.
Если касаться конкретно самого процесса 3D-печати, то он разбивается на несколько этапов, для которых используются специальные программы – для каждого этапа своя.
1. Моделирование детали
Tinkercad — браузерное приложение от Autodesk. В данной программе
3D-модели строятся на основе базовых блоков — простых геометрических фигур, соединяемых вместе, затем происходит «сглаживание углов» и модель готова. Также можно преобразовывать в 3D-модели двухмерные векторные изображения.
Второй по распространенности является такая программа, как Blender.
Программа является достаточно сложной в освоении, но очень качественной в

исполнении положенных ей задач. Для того, что бы освоить Blender, желательно сначала поработать с более простыми программами, дабы набить руку. Но можно воспользоваться и огромным количеством видеоуроков на просторах интернета.
Компас 3D – программа отечественного производства, в которой можно самостоятельно разобраться, благодаря тем же самым видеоурокам, и чертить как простые эскизы в 2D, так и создавать из этих эскизов полноценную 3D модель, готовую к печати.
2. Редактирование и ремонт STL-файлов
Велика вероятность найти готовый файл с уже готовым эскизом, но он будет отличаться от нужной детали. Для этого нужны программы, которые могут отредактировать эскиз.
3. Слайсеры
Прежде, чем сразу отправлять деталь на печать – её нужно преобразовать в машинный код, который будет понятен принтеру. Для этого можно использовать следующие программы;
Cura - Помимо преобразования 3D-моделей в G-код Сura также может взять на себя роль управляющей программы, но для этого потребуется постоянное соединение 3D-принтера с компьютером на всем протяжении 3D- печати. Профессионалы ценят еще одну особенность Cura — бесшовную интеграцию с такими профессиональными системами автоматизированного проектирования, как SolidWorks и Siemens NX.
PrusaSlicer - умеет обрабатывать модели не только для FDM 3D- принтеров, но и стереолитографических систем, печатающих фотополимерами. Как и в случае с Cura, пользователь может выбрать уровень сложности с соответствующим доступом к тонким настройкам.
Lychee Slicer - одна из особенной этой это программы — высокий уровень автоматизации. При желании можно просто нажать на «волшебную» кнопку (она так и называется — Magic), и слайсер сделает все сам: сориентирует модель на платформе, сгенерирует поддержки и так далее. Хотя, тут как повезет: результаты не всегда оптимальны, но обычно адекватны для относительно простых моделей. В противном случае все можно настроить вручную.
4. Управляющие программы.
Управляющие программы предназначены именно для этого — управления рабочими процессами во время 3D-печати. Хотя практически любой 3D-принтер можно вставить накопитель с G-кодом и нажать на кнопку запуска, это не всегда удобно, особенно когда приходится работать с несколькими 3D-принтерами одновременно, а тем более делать это удаленно.
Здесь на помощь и приходят управляющие программы. К тому же, некоторые из них предлагают дополнительный функционал, включая слайсинг и даже редактирование 3D-моделей. Примеры: OctoPrint, MatterControl
PowerMill является отдельной системой АСУП, которая предназначена для быстрого создания аддитивных траекторий, контрольных траекторий и ровных траекторий УП на основе матмоделей с помощью обработки 2.5D,

трехосевой обработки или одновременной многоосевой обработки. Эти траектории можно проверить на столкновения с другими моделями (например, прижимы) и патроном до вывода в CL-файлы или файлы УП. В PowerMill доступен ряд прямых интерфейсов. PowerMill поддерживает форматы данных
IGES, VDA и STL, позволяя импортировать данные из любых систем САПР, поддерживающих эти нейтральные форматы. Моделирование в PowerMill позволяет загрузить все станки для проверки траекторий и визуализации операций станка и инструмента с различной перспективой.
Внимание: Точность обработанной детали, созданной в PowerMill, ограничена точностью используемой в программе модели. Таким образом, важно, чтобы исходная модель создавалась с соответствующим припуском.
5. Программы для визуализации G-кода
Необходимы для распознавания уже имеющегося кода и вывода о пригодности для дальнейшей работы.
Перспективы аддитивных технологий в автомобильной
промышленности.
Автомобильная промышленность стала одним из первых секторов экономики, применивших аддитивные технологии для изготовления деталей.
Это произошло в 1988 году на концерне Ford. В 2010 году уже был разработан и полностью изготовлен автомобиль Urbee Hibrid. Он был предназначен для автогонок, которые в свою очередь продвигали новейшие технологические решения в области автомобилестроения. После этого в 2013 году данная модель была поставлена на серийное производство.
По мнению большого количества исследовательских центров применение аддитивных технологий в автомобильной промышленности позитивно влияет на конкуренцию среди изготовителей. Компании, которые уже так или иначе используют AM-технологии уже ощутили уменьшение расходных материалов, снижение веса деталей (без потери механических свойств), снижение уровня выброса вредных веществ в атмосферу, улучшение функциональных свойств путем интегрирования электропроводки через полые структуры, снижение веса за счет использования решетчатых структур, изготовление сложных по геометрии, но обладающих требуемой жесткостью и прочностью деталей, которые невозможно изготовить традиционными методами: резанием, штамповкой, литьем. Так же аддитивные технологии исключают использование дорогостоящего оборудования, которые необходимо при изготовлении деталей традиционным способом. С логистической точки зрения так же есть удобства: можно транспортировать часть производства ближе к целевой аудитории. К примеру:
BMW уже на протяжении нескольких лет использует технологию аддитивной печати для изготовления ручного эргономического дизайна для сборки и тестирования. Это позволило на 72% процента облегчить вес такого оборудования и снизить общие расходы на 58%. [4]

АМ технологии обеспечивают повышение производительности при одновременном снижении трудоемкости в десятки раз для наукоемких изделий техники. В Национальной технологической инициативе они признаны ключевым направлением реформирования промышленности России. 3D- печать – отличный вариант для многократного снижения издержек в мелкосерийном производстве и идеальное решение с точки зрения ресурсосбережения, так как потери материала практически равны нулю.
Так же прогнозируется понижение стоимости оборудования для SLS печати, так как к 2025 году закончатся сроки патента на данные технологии.
Аддитивные технологии в ПскоыГУ
Научный центр ИЛИСТ (Институт лазерных и сварочных технологий), входящий в «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет», разрабатывает технологии прямого лазерного выращивания деталей. Оборудование, созданное петербургскими специалистами для 3D- печати, уже начало поступать на российские предприятия. В рамках программы развития Передовые инженерные школы Cоюзного государства, в
Псковском государственном университете, в научно-исследовательской лаборатории плазменных и лазерных технологий в 2023 году запланировано появление оборудования прямого лазерного выращивания металлических изделий ИЛИСТ-М, которое показанной на рисунке 1. Данное оборудование позволяет выращивать изделия со следующими характеристиками: диаметр до
600 мм, высота до 400 мм, масса до 100 кг. [1, 5]
Рисунок 1 – Установка прямого лазерного выращивания Илист-М

Для контроля геометрии деталей выращиваемых изделий планируется использовать 3D сканер «Creaform Metrascan Black Elite» (рисунок 2). 3D сканер позволяет санировать объекты размером до 6 000 мм, разрешение сканирования 0,025 мм. [6]
Рисунок 2 – 3D сканеры Creaform Metrascan
Выводы
На мой взгляд, основной проблемой повсеместного внедрения 3D- печати является отсутствие веры в факты о выгоде данного производства.
Производители чаще смотрят на временной ресурс, которого на данный момент затрачивается больше, чем на традиционные методы изготовления. Но тем не менее, отставанию в этом поле развития способствует и отсутствие квалифицированных кадров.
Что бы решить эту проблему нужно перестать консервативно смотреть на вещи и попробовать идти в ногу с прогрессом, а также обращать внимание на успехи коллег из других стран. К сожалению, без должного государственного финансирования, проекты
3D-печати являются действительно дорогостоящими. Поэтому, нужно начать именно с этого аспекта, иначе недооценивание цифровых технологий может привести нас к еще большему технологическому отставанию от других стран.
Внедрение в научно-образовательное пространство Псковского государственного университета инновационного лазерного оборудования позволит не только повысить квалификацию профессорско- преподавательского состава, подготавливать инженеров с новыми