Развитие направления художественного литья на базе аддитивных технологий 3-D печати в контексте модернизации и инновационной трансформации литейного производства

Рассматриваются вопросы, связанные с применением 3-D печати в инновационном реформировании литейной отрасли, организации центра аддитивной технологии в рамках разрабатываемого проекта Украинского института технологии художественного литья - современной научно-производственной платформы по созданию технологий и выпуску конкурентно- способной продукции с инновационными методами организации и управления.

      Необходимость перехода на инновационную модель развития экономики определяется, прежде всего, негативными последствиями общей деиндустриализации, наблюдаемой на протяжении последних десятилетий, примитивизации промышленного производства и, как следствие, ориентации на экспортно-сырьевую модель развития с низкой степенью передела исходного сырья.

      Инновационный путь развития в отличие от воспроизводственного предполагает структурную перестройку экономики в направлении повышения доли производства с высоким уровнем добавленной стоимости, формированию научно-производственных инновационных комплексов по выпуску конкурентно-способной продукции как на внешнем, так и на внутреннем рынке [1].

    Литейное производство, ориентированное на изготовление отливок машиностроения, подвержено    тем же тенденциям, определяемым общим сокращением доли машиностроения в промышленной структуре. Несмотря на наличие высокого научного потенциала и опыта создания высокотехнологической и сложной продукции на уровне 5-го технологического уклада, трансформация разработок обычно замедляетcя на этапе производственной применимости и коммерческой реализуемости, часто не достигая уровня научно- производственной инновации.

     Одним из естественных решений может служить организация небольших и средних инновационно ориентированных предприятий, действующих на основе предпринимательской деятельности и государственно-частного партнерства, используемые в своей работе индивидуальный подход к продуктовому ассортименту, новые формы управления, маркетинга, новые материалы и современные технологии, повышая, тем самым, качество и снижая себестоимость продукции [1].

     Применение аддитивных SLM-технологий (селективного лазерного плавления) в литейном производстве, позволяет изготавливать отливки любой конфигурации и сложности по заданной САД модели за счет послойного сплавления порошков металлов с минимальными допусками по размерам, высокой чистотой поверхности, а также равномерной структурой и плотностью. Однако, использование данной технологии может быть целесообразным при штучном производстве, изготовлении экспериментальных и малых партий изделий, там, где доля затрат на подготовку производства значительна, что обусловлено небольшой производительностью оборудования, низкой скоростью печати, высокой стоимостью исходного сырья. Применение SLM-технологий также оправдано в случае невозможности изготовления отливок обычными литейными методами из-за сложности внутренней и внешней конфигурации, наличие неформуемых плоскостей.

     Необходимость в большинстве случаев двигаться по классическому пути, связанному с применением литейной оснастки, делает возможность использования технологий 3-D печати наиболее привлекательными. Особенно это ощутимо в областях, где предварительная подготовка производства является основой успеха, а наличие качественной и разнообразной оснастки имеет первостепенное значение. Примером может служить направление художественного литья, где работа скульптора по изготовлению мастер-моделей, прессформ, воскового тиража занимает до 50% времени и стоимости. При этом, производство художественных изделий это, прежде всего, эксклюзивное, мелкосерийное и единичное производство, требующее разнообразных технологических подходов и использующее все возможные методы точного литья.

Рис.1 Изделия из бронзы, выполненные классическими и инновационными методами художественного литья.

      Ключевым моментом в процессе производства изделий художественного литья является создание прототипа, как правило, это скульптура, художественные архитектурные элементы и элементы декора. Частично они заложены в базах цифровых моделей и могут, с некоторыми доработками, использоваться при работе печатного 3-D оборудования. Наиболее известна и исторически проверена FDM (FFF) технология трехмерной печати, где построение объекта осуществляется за счет подачи расплавленных нитей пластика через экструдер на поверхность, с толщиной слоя от 0,1 до 1мм, в зависимости от скорости. В результате, неизбежна некоторая ребристость поверхности, что при формовке и литье в глинисто-песчаные формы не так уже и важно, при условии дальнейшей чистовой обработки, являющейся частью процесса изготовления декоративно-художественных изделий.

    Приемы сканирования и дальнейшего масштабирования изготавливаемого скульптором объекта делают возможным производить большого размера мастер-модели по небольшому исходному образцу с некоторой ручной доработкой, позволяющие значительно экономить средства и время. Сами художники готовы выступать в качестве заказчиков при изготовлении собственных скульптурных композиций, сокращая, при этом, трудозатраты без ущерба художественной и эстетической ценности произведения.

      Определенные сложности в создании 3-D цифровой модели, разрабатываемой методами полигонального проектирования обычно связаны с трудностью передачи «пластики» поверхности объектов изобразительного искусства. Поэтому иногда значительно проще использовать банк уже готовых CAD- моделей, с последующей доработкой отдельных элементов, деталей, фактуры изменения размеров объекта, согласно установленным  правилам и переходя непосредственно к печати воскового тиража, минуя этап изготовления сложной и дорогостоящей прессформы. При этом, экономия ресурсов может составить 50-60%, а временные затраты сокращаются в 2-5 раз.

      Технологии SLS (селективного лазерного спекания) и SLA (лазерной литографии) обеспечивают изготовление, прежде всего, габаритных моделей до 2500 мм по отдельным измерениям, при этом, SLS технологии более популярны, апробированные на многих материалах (пластики, песчано-глинистые смеси со связующими наполнителями, составы на основе воска, модельные составы для ЛГМ технологии литья). SLS – печатные машины могут быть более производительными, а процесс выращивания спекаемых лазером слоев порошка, формирующих объем изделия, не требуют печати поддерживающих элементов, роль которых выполняет сам материал, находящийся в камере [2,3].

      SLA- технологии от других отличает использование фотополимеров в жидком состоянии, затвердевающих послойно под воздействием лазерного луча или УФ-излучения. Соответственно возможность накладывать материал тонким слоем обеспечивает высокую точность детализации, чистоту поверхности, а значит, позволяет строить модели усложненной формы, с минимально допустимой толщиной стенки и минимальной последующей чистовой обработкой. Однако, стоимость изготовления изделий остается достаточно высокой за счет затрат сырья на формирование технологических поддержек, особых требований к эксплуатации оборудования, а также значительной длительности технологического цикла.

       Получение готовых литейных форм позволяет исключить из процесса изготовления отливок разработки прототипов-моделей. 3-D принтеры, работающие по технологии «Binder Jet», склеивают послойно наносимый литейный песок, формируя готовую к заливке песчаную форму, без дополнительной обработки, обеспечивая довольно сложную конфигурацию, неплохую чистоту поверхности, большие габаритные размеры детали. Более точные характеристики обеспечиваются использованием SLS-оборудования с применением плакированного полимером песка, спекаемого по классической SLS- методике с дальнейшим отжигом до 300-350⁰ С [2,3].

Рис.2 Декоративные изделия, выполненные с применением технологии 3-D печати.

       Особенностью процесса изготовления литых конструкций декоративного и художественного назначения является применение практически всех технологий обработки металлов в широком ассортименте изделий – от небольших предметов интерьера, декора, украшений до объектов монументальной и парковой скульптуры, архитектурных ансамблей. Процесс производства такого рода композиций включает в себя изготовление современной оснастки, элементов, выполненных различными способами литья из различных сплавов, применение отдельных деталей, изготовленных из проката механическим способом, соединяемых между собой сварными и разъемными соединениями, а также слесарную и декоративную конечную обработку. Следовательно, возможность выбора оптимального технологического «маршрута» является задачей скорее продуктового и технологического инжиниринга, необходимого для снижения себестоимости и повышения качества производимой продукции.

       Определение области художественного литья связано со спецификой формообразования литых художественных изделий, причем не только в сфере изобразительного искусства при разработке скульптурного прототипа, но и при технологической проработке и формирования будущей отливки. Главным условием, предъявляемым к изделиям художественного литья, является безупречная, сложная и детализированная внешняя форма, более сложная, чем у технических отливок, а также минимальный вес, что связано со спецификой финансовых затрат. При этом, характеристиками внутренней структуры, пористостью, механическими свойствами и составом можно, в определенной мере, пренебречь для достижения главных требований, безусловно, не в ущерб задачи выпуска высококачественной продукции, соответствующей нормативным требованиям [4.5].

         Концепция Украинского Института технологий художественного литья, проект которого разрабатывается специалистами литейщиками, предполагает, прежде всего, создание инновационной научно-исследовательской и производственной площадки по разработке технологий и изготовлению изделий декоративно-прикладного и художественного назначения методами художественного литья с использованием бронзовых, латунных, алюминиевых, сплавов, а также сплавов на основе железа, олова, титана, циркония и др. Планируется организация центра аддитивных технологий 3-D печати, а также обучения специалистов-технологов в области 3-D моделирования совместно с Киевским Академическим Университетом.

        Трансфер научно-технологических разработок будет строится вокруг организации готовых предприятий - стартапов на базе разработок, связанных с переработкой отходов цветных металлов, а также отходов титана 3-й группы, плохо поддающихся восстановлению и регенерации. Подобные работы уже ведутся, о чем свидетельствует ряд патентов, а также публикаций в специализированных изданиях. Создаваемые предприятия будут имплементироваться в экономическую среду в качестве готовых объектов для стратегического и институционального инвестирования.

      Характерной чертой продукции художественного литья является его кастомизированность (ориентация на вкусы определенного потребителя), эксклюзивность, а также ориентация на конечного потребителя, а не на рынок заготовок для машиностроения. Тем самым подтверждая возможность больших инициатив в формировании продуктовых инноваций и выступая одним из потенциальных драйверов отрасли. Продукция художественного литья также обладает абсолютной конкурентоспособностью на внешних рынках, с высокой степенью переработки исходного сырья и большой добавленной стоимостью, коротким временным циклом от разработки до производства готовых изделий [4,5].

       Ввиду огромного потенциального ассортимента продукции неизбежно сотрудничество и кооперация со многими предприятиями в области технологий обработки металлов, а также с НАИУ (Национальной Академией Искусств Украины) в сфере разработок и проектирования художественных и декоративно-прикладных объектов.

      Исторически сложившийся высокий уровень заработной платы при изготовлении предметов художественного литья, позволяет совместно с Физико - технологическим институтом металлов и сплавов НАН Украины осуществлять качественную полготовку специалистов-литейщиков в спектре применяемых технологий литья, получать квалифицированную методическую поддержку от ФТИМС в основной деятельности, а также при сертификации и стандартизации выпускаемой продукции.

       Привлечение качественных инвестиций связано с особенностями функционирования в Украине рынка венчурного капитала, находящегося на этапе формирования и требует строгой систематизации поступающих средств, отличия от кредитных ресурсов, приведения в соответствие с законодательными нормами. Особенно важна консолидация на первом этапе – этапе предварительных переговоров с точным определением состава рабочей группы, структуры и этапности финансирования, возможности вывода инвестиций, периодичности и формы отчетности, предоставляемой инвестору. Подобная отработка алгоритмов консалтингового сопровождения различных проектов осуществляется Инновационным центром Киевского Академического Университета, при поддержке известных финансовых инcтитуций.

ЛИТЕРАТУРА

1. “ИННОВАЦИОННАЯ УКРАИНА – 2020”: ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ НАЦИОНАЛЬНОГО ДОКЛАДА НАН Украины, И. Ю. Егоров // Экономика Украины, 2015, № 9, С. 4-18.

    2.Толочко, Н. К. Применение технологии экструзионной SD-печати в литейном производстве /Н. К. Толочко, А. А. Андрушевич, П. Н. Василевский, П. С. Чугаев //Литье и металлургия. 2018. № 4. С. 139-144.

3. М.А. Зленко, М.В. Нагайцев, В.М. Довбыш АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МАШИНОСТРОЕНИИ Москва, «НАМИ», 2015, 220с.

    4.И.И. Карпенко Обзор рынка декоративно-прикладных изделий из металла, перспективы развития художественного литья на 2020-2023гг. // ИТБ «Литье Украины, 2020. №3, С. 40-42.

    5.И.И. Карпенко Направление художественного литья в научно-технологической концепции и методологии литейного производства // ИТБ «Литье Украины, 2020. №5, С. 14-16.

Авторы:

Карпенко И.И. - ведущий эксперт в области декоративно-прикладных технологий металлов;

Клименко С.И. - к.т.н., директор государственного департамента - центр литейного производства

«Литьё Украины», 2020, № 8, с.30-35