Про розвиток 3D-виробництва металовиробів і полімерних ливарних моделей

Останніми роками досягнення 3D-друку (адитивного виробництва, АВ) все більше стали розповсюджуватись на деталі кінцевого використання [1]. Прогноз SmarTech Analysis показує, що до 2029 р., зокрема, 3D-друк в автомобільній промисловості (як одного з найбільших секторів використання АВ) принесе $9 млрд доходу лише від виробництва кінцевих деталей проти $1,39 млрд у 2019 р. Порівняно з традиційним виробництвом АВ скорочує фазу проектування нового продукту, що є ключовим у будь-якій галузі. На цьому етапі 3D-друк заміняє навіть дороге і тривале виробництво ЧПУ, дозволяючи дизайнерам швидше пройти ряд ітерацій, перш ніж прийняти рішення про кінцевий продукт. Це виглядає так: як тільки дизайнери визначили потреби користувача та генерували ідеї для їх задоволення, вони розробляють прототип. Наступний етап - випробування цього прототипу для поліпшення його конструкції. Метод 3D-друку дозволяє додатково оптимізувати процес проектування-випробування особливо тих виробів, для виготовлення яких потрібна дорога і складна оснастка. Приклади від компанії Volkswagen AG (рис.1).

      Рис. 1. Металеві 3D-друковані патрубки-роз'єми для двигуна Audi W12 [1].

Прагнення до інноваційної продукції в конкурентному секторі, яким є автомобілебудування, стимулює збільшення продуктивності деталі, зокрема, шляхом зменшення її ваги (рис. 2, а) [1], як один із методів досягнення такої інноваційності при АВ. Можливість кастомізації (персоналізації за вимогами замовника) також викликає значний інтерес, особливо для виробників автомобілів класу люкс, а також для реконструкції ретро-автомобілів (рис. 2, б) [1].

Програмне забезпечення для промислового дизайну (CAD та CAM) нині значно вдосконалилося, включає генеративне проектування, оптимізацію топології та інструменти формування решіток в тілі конструкції, які зменшують загальну вагу деталей, зберігаючи або покращуючи їх функціональність. Оскільки АВ майже не обмежене з точки зору свободи дизайну, на відміну від традиційних методів, складність деталі практично не є проблемою, що дозволяє об'єднання кількох деталей в єдину металоконструкцію завдяки AВ та спрощенню процесу складання тим більше, чим більша кількість деталей випускається АВ (рис. 3).

Рис. 2. Друковані легкі (зі «спицями») колеса мікроавтобуса Volkswagen 1962 р. (а) і колектор автомобіля Ford 1977 р. (б).

Рис. 3. Дизайнери General Motor об’єднали вісім різних компонентів кронштейна сидіння в єдину 3D-друковану деталь [1].

На сьогодні компанія Ford надрукувала понад 500 000 деталей і заощадила мільярди доларів і мільйони годин роботи [1], в т. ч. інвестувавши у FDM, SLS та 3D-принтери друку піском для свого Центру передового виробництва в Детройті.

Інший приклад – у BMW Group за рік виготовили 300 000 деталей 3D-друком, один з керівників компанії це прокоментував так: «Адитивне виробництво вже є невід'ємною частиною нашої всесвітньої виробничої системи і є невід'ємною частиною нашої стратегії цифровизації. У майбутньому нові технології такого типу пришвидшать виробництво і дозволять нам ще більше виграти від потенціалу виробництва без інструментів» [1]. Також компанії можуть скористатися перевагами AM для спрощення логістики - скорочення ланцюгів поставок шляхом виробництва на місці та зменшення запасів деталей.

Матеріали для АВ можуть дозволити «вмістити» більшу кількість властивостей у кінцеві продукти. А при відході автопромисловості від двигунів внутрішнього згоряння, 3D-друк стає все більш ефективним рішенням для прискорення розробки більш легких деталей для електромобілів. Адже полегшення має вирішальне значення для конкурентоздатності електромобілів, оскільки воно безпосередньо впливає на збільшення часу роботи акумулятора [1].

Розвиток АВ полімерних виробів, до яких також відносяться моделі для ливарного виробництва, синхронно сприяв здешевленню принтерів і виникненню нових виробничих структур в цій галузі. АВ полімерних деталей зараз найбільш розповсюджене і рентабельне, оскільки широке застосування друку металів ще нерідко потребує вирішення проблем по забезпеченню і контролю якості, зменшення собівартості, сертифікації продукції, виготовленої на новому обладнанні тощо [2], та для металовиробів близько 60% часу іде на пост-обробку (термообробку, обробку тиском тощо). Ливарно-металургійні процеси звісно присутні при АВ металовиробів, яке не може обходитись без наплавлення чи сплавлення шарів чи часток металу, а АВ все більше присутнє в темах інформацій і описах досліджень галузевих ливарних журналів та сайтів світу.

Розглядаючи можливості 3D-друку для дрібносерійного виробництва, зокрема, полімерних моделей, в роботі [3] відзначається, що для цього передусім застосовують настільні принтери з технологією друку FDM / FFF, з наявністю сотень тисяч принтерів такого друку у світі [2]. Настільний 3D-друк зародився близько 10 років тому, цю ідею розвинув чеський інженер Йозеф Пруша, який створив найбільшу ферму 3D-друку пластикових деталей з сумарним числом принтерів на його фабриці - до 1000 штук [3]. Самим бюджетним і відповідним для друку простих виробів типу моделей з таких пластиків, як PLA або PETG, є рішення на базі нескладних принтерів типу CrealityEnder-3, які встановлюють на стелажі (рис. 4, а).

                          а                                                                  б

      Рис. 4. Ферми 3D-друку в Creality3D (а), а також в компанії 2050.AT (б) [3].

Переваги такого рішення: можливість швидко його розгорнути практично в будь-якому зручному місці, швидко збільшити кількість принтерів для зростання продуктивності ферми. З мінусів: неможливість друку інженерними пластиками, необхідність вручну знімати моделі, а також неможливість віддаленого моніторингу та контролю за друком [3].

Наступним рівнем організації дрібносерійного виробництва є ферма принтерів, здатних справлятися з максимально різноманітними завданнями, ферма на базі 3D-принтерів типу Raise3DPro2, які оснащені двома екструдерами, закритою камерою і вбудованою веб-камерою для віддаленого моніторингу (рис. 4, б). На таких принтерах можна легко міняти номенклатуру моделей, що випускаються. До мінусів відносять високу вартість обладнання і необхідність знімати готові моделі вручну.

В нашому огляді приклади зображень діючих ферм наведено, як прообрази для організації майбутніх централізованих виробництв полімерних моделей, або дільниць АВ як підрозділів ливарних цехів. Якщо такі ферми, як виробничі структури, вже функціонують, то ливарникам можна брати їх за аналоги організації АВ у себе в цеху, або починати звикати до замовлень моделей на таких фермах. Зауважимо, що, згідно повідомлень з журналів чи сайтів ливарної тематики, швидкими темпами іде розробка, опробування і удосконалення відповідних модельних матеріалів для разових чи постійних ливарних моделей з оптимізацією їх характеристик відповідно до того чи іншого способу ливарного виробництва. З досліджень і розробок за такою тематикою нами запропоновано два способи виготовлення модельної чи формувальної оснастки, що буде описано в наступних публікаціях.   

Ще одним варіантом створення ферми є приклад такої на базі принтерів з двома незалежними екструдерами типу IDEX [3]. На рис. 5, а показано подібну ферму на базі принтерів Raise3DE2. Таке рішення має додаткову перевагу, що підвищує продуктивність: кожен принтер може одночасно друкувати дві однакові моделі замість однієї. Недоліки ті самі: необхідність знімати моделі вручну і висока вартість самих принтерів.

Усуваючи останні недоліки, творці фабрик 3D-друку для автоматизації зняття моделей використовують «коботи» (колаборативні роботи) [3, 4], які програмуються на зняття платформи (рухомої переносної полички-підставки) разом з надрукованою моделлю і установку нової платформи для друку наступної моделі, після чого друк автоматично поновлюється. Це недешеве рішення, яке виправдано в країнах з високим рівнем оплати праці.

                    а                                                                     б

Рис. 5. Ферма 3D-друку в компанії 3D.RU (а) і з застосуванням коботів (б) [3].

Останнім часом зростає популярність фотополімерних 3D-принтерів, які друкують з високою продуктивністю за технологією формування моделі з рідкого фотополімеру. Технологія дозволяє засвічувати весь шар відразу - таким чином, принтер витрачає один і той же час на друк однієї чи будь-якої іншої кількості моделей, які входять в область побудови. Цього року було представлено принтери з великою областю друку і високою деталізацією, наприклад, принтер PhrozenSonicMega 8K (рис. 6) [3]

Рис. 6. Приклад друкованиї виробів на принтері PhrozenSonicMega 8K протягом 3,5 години (у двох видах).

В даному випадку навіть один принтер є міні-фабрикою і здатний вирішувати серйозні виробничі завдання. Важливо відзначити, що, на відміну від FDM / FFF-принтерів, всі фотополімерні 3D-принтери від початку універсальні - дозволяють друкувати на них будь-якими наявними на ринку смолами або навіть тими, які з’являться в майбутньому.

3D-друк ідеально справляється з дрібносерійним виробництвом і все більше буде застосовуватися в ливарних процесах для виготовлення моделей, особливо, разових для точного лиття (рис. 7). Для такого лиття виготовлення ливарних керамічних форм проводиться як за воскоподібними моделями, що виплавляються з кераміки, так і за моделями з більш твердого пластику, що видаляються з форм випалюванням. Застосування PLA пластику, як найдешевшого, екологічного та відновлюваного матеріалу (сировиною при його виробництві часто слугують відходи кукурудзи та сахарної тростини), представляється найперспективнішим для разових ливарних моделей. При цьому описані діючі ферми підприємств АВ послужать прикладами для організації майбутніх централізованих виробництв, на яких ливарникам можна замовити полімерні моделі чи навіть піщані форми, або прикладами дільниць АВ як підрозділів ливарних цехів.

Разом з АВ металевих виробів 3D-друк модельно-формувальної оснастки все більше буде спрощувати логістику поставок, наближаючи металеві чи полімерні деталі до місця збирання кінцевих виробів, їх ремонту, модернізації  чи виробництва металовиробів за формоутворюючою оснасткою, включаючи ливарне. Швидке АВ відкриває перспективи розширення можливостей як по геометрії виробів, так і скороченню в рази (порівняно з традиційним виробництвом, що застаріває) тривалості технологічної підготовки і витрат на неї [1, 2]. Адитивні технології роблять процес топологічної оптимізації конструкцій найбільш ефективним, дозволяючи виробляти легковагі конструкції, що в ряді випадків нагадують форми природнього походження.

Рис. 7. Моделі для лиття металу за разовими моделями по методу SLA                                                                  QuickCast від компанії 3D Systems, Inc (www.3dsystems.com).                                                                          Окремі моделі - поруч з виливками.

В цій статті ми навели приклади 3D-друку металовиробів і ферм, що мають можливості друку ливарних моделей, але така тенденція також поширюється і для АВ ливарних піщаних форм при литті в них деталей складної геометрії  [5, 6], одержання яких було раніше неможливим через обмежені технічні можливості ливарних технологій. Загалом, розвиток АВ призводить до того, що все більше речей та процесів матеріального світу будуть з'являтися шляхом «виробництва-як-послуги».

                                         ЛІТЕРАТУРА

1. Carlota V. The role of AM in the automotive industry. 08.09.2021. URL: https://www.3dnatives.com/en/the-role-of-am-in-the-automotive-industry/.
2. Дорошенко В.С. Розвиток ринку 3d-технологій в заготівельному виробництві. Процеси лиття. 2021. № 2. С. 61-69.
3. Корнвейц А. 3D-печать и будущее мелкосерийного производства. 02.09. 2021. URL: https://www.if24.ru/3d-pechat-i-budushhee-melkoserijnogo-proizvodstva/
4. Дорошенко В.С. Комплектация роботами конвейерных и роторно-конвейерных линий литейного производства. Литье Украины. 2019. № 6. С. 11-14.
5. Kang J., Ma Q. The role and impact of 3D printing technologies in casting. China Foundry. 2017. Vol. 14. No. 3. P. 157-168.
6. 6. Aghaei Meibodi M., Giesecke R., Dillenburger B. 3D Printing Sand Molds for Casting Bespoke Metal Connections-Digital Metal: Additive Manufacturing for Cast Metal Joints in Architecture. Proceedings of the 24th CAADRIA Conference. 1. Wellington, New Zealand, 15-18 April 2019, P. 133-142.

Анотація

В статті наведено приклади 3D-друку (адитивного виробництва, АВ) металовиробів і виробничих ферм, що мають можливості друку ливарних моделей. 3D-друк ідеально справляється з дрібносерійним виробництвом і все більше буде застосовуватися в ливарних процесах для виготовлення моделей, особливо, разових для точного лиття металу. Діючі ферми підприємств АВ послужать прикладами для організації майбутніх централізованих виробництв, на яких ливарникам можна замовити полімерні моделі чи навіть піщані форми, або прикладами дільниць АВ як підрозділів ливарних цехів. Останнім часом зростає популярність фотополімерних 3D-принтерів, які друкують з високою продуктивністю за технологією формування моделі з рідкого фотополімеру. Ливарно-металургійні процеси звісно наявні в АВ металовиробів, яке не може обходитись без наплавлення чи сплавлення шарів чи часток металу, а АВ все більше присутнє в темах інформацій і описах досліджень галузевих ливарних журналів та сайтів світу. Разом з АВ металевих виробів 3D-друк модельно-формувальної оснастки все більше буде спрощувати логістику поставок, наближаючи металеві чи полімерні деталі до місця збирання кінцевих виробів, їх ремонту, модернізації  чи виробництва металовиробів за формоутворюючою оснасткою, включаючи ливарне. Швидке АВ відкриває перспективи розширення можливостей як по геометрії виробів, так і скороченню в рази (порівняно з традиційним виробництвом, що застаріває) тривалості технологічної підготовки і витрат на неї. Адитивні технології роблять процес топологічної оптимізації конструкцій найбільш ефективним, дозволяючи виробляти легковагі конструкції, що в ряді випадків нагадують форми природнього походження. Загалом, розвиток АВ призводить до того, що все більше речей та процесів матеріального світу будуть з'являтися шляхом «виробництва-як-послуги».

Ключові слова: 3D-друк, адитивне виробництво, АВ, ливарне виробництво, ливарні моделі, дизайн, виробничі ферми АВ, легковагі конструкції

Литье Украины, 2021, №12,с.12-17