ВПРОВАДЖЕННЯ АДИТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ЛИВАРНЕ ВИРОБНИЦТВО

Дорошенко В.C., (ФТІМС НАН України, м. Київ),

ВПРОВАДЖЕННЯ АДИТИВНИХ ТЕХНОЛОГІЙ В ЛИВАРНЕ ВИРОБНИЦТВО

Адитивні технології вважаються основою промислової революції XXI століття, тому вітчизняним науково-технологічним та інноваційним підприємствам варто активно розвивати цей напрямок, щоб ліквідувати вже наявне відставання від наукоємних економік світу. Коли стереолітографію було винайдено більше 30 років тому, чи хтось міг би здогадатися, що технологія 3D-друку «вибухне», пошириться і змінить спосіб виготовлення виробничих деталей? Ймовірно, ні.

Представники наукової школи ливарних процесів проф. Шинського О.Й. останні 10 років мають ряд оглядових публікацій і патентів стосовно промислового використання 3D-друку в ливарному виробництві та проводять за цією темою експериментальні дослідження (рис. 1). І хоча деякі проблеми навколо адитивного виробництва (AВ) за цей час залишилися незмінними, технології, матеріали та застосування зросли в геометричній прогресії. Прогнози свідчать [1], що це зростання триватиме, хоча, можливо, в інших напрямках, ніж досі.

Рис. 1. Процес 3D-друку моделей ГТД у ФТІМС НАНУ та друковані моделі; показано внутрішню комірчасту структуру частково друкованої моделі.

Про те, як зміниться АВ в наступне десятиліття [1], сайт additive manufacturing.media подає 6 ідей, описаних нижче. Також доповнимо ці прогнози відносно адаптації АВ до ливарного виробництва.

1. Спрощення виробництва запасних частин призведе до реорганізації всього життєвого циклу продукту. 3D-друк має великий потенціал як джерело вторинного ринку та запасних частин, але лише якщо для цих деталей існують файли для 3D-друку. У майбутньому ми будемо менше покладатися на 3D-сканування та зворотну інженерію, оскільки такі цифрові файли існуватимуть із самого початку та створюватимуться як частина початкової розробки продукту.
2. Все частіше виникатимуть «нестандартні» та органічні (біонічні) конструкції. Існує певна міра, до якої сьогоднішні дизайнери та інженери утримуються від використання АВ в повній мірі геометричних можливостей просто тому, що споживачі та користувачі 3D-друкованих виробів повинні відчувати почуття довіри та визнання цих об’єктів. У міру того, як люди звикнуть до генеративно розроблених і оптимізованих за топологією конструкційних форм, відкриються двері для все більш складних, асиметричних і оптимізованих об’єктів, будь то аерокосмічні кронштейни, компоненти автомобільних двигунів чи споживчі товари.
3. Поява нової категорії промислового цеху (ферми), що спеціалізується на АВ металевих деталей. АВ все глибше впроваджується в ливарне виробництво (особливо на стадії підготовки виробництва нової номенклатури виливків), взаємодоповнюючи та часом витісняючи сьогоднішні ливарні процеси і модифікуючи їх під ефективні цифрові технології. Деталі АВ відрізняються від заготовок чи металевих виливків, з якими більшість машинних цехів звикли працювати. На горизонті з’являється новий клас обробних і складальних цехів, укомплектованих та обладнаних для кріплення, сканування, оброблення та контролю часто «неправильних» деталей, реалізація яких можлива за допомогою 3D-друку.
4. Більше використання матеріалів, притаманних AВ. 3D-друк дозволяє зберігати матеріал, стимулюючи використання матеріалу лише там, де це необхідно, також все більше підтримує використання градієнтних матеріалів, поєднання (комбінування) різних матеріалів та композитів. Ці можливості ставлять під сумнів уявлення про те, що одна деталь повинна бути виготовлена ​​з одного матеріалу, і забезпечать більш інноваційний дизайн і краще заощадження цінних матеріалів. Розширення можливостей для екологічно чистих матеріалів із біологічних чи придатних до утилізації вторинних джерел також стимулює поширення таких матеріалів, наприклад, заявка на патент [2].
5. Винахідники як нова категорія виробників. Сьогодні існує жорстка грань між розробкою продукту та виробництвом, яка часто перепиняє рух від проектування та ідеї до можливого виробництва за допомогою будь-якого методу лиття, механічної обробки чи іншого традиційного методу. Не так з АВ; без інструментів дизайн продукту може продовжувати змінюватися, навіть коли виріб надходить у виробництво - і винахідник може продовжувати брати участь, навіть бути виробником за допомогою 3D-друку.
6. Нові види 3D-друку, які ми ще не уявляли. Лише минулий рік виявив кілька несподіваних засобів продукування деталей шар за шаром, зокрема АВ способом нарощування знизу завдяки випромінювання від екрану, що на дні ванни з чутливим до тверднення від світла рідким полімером. Не можна сказати, що наступні десять не можуть додати наступних варіантів. Методи 3D-друку, які сьогодні тільки розвиваються, є лише зародком ідеї або, можливо, взагалі ще не існують, можуть стати наступним важливим кроком прогресу AВ у наступному десятилітті.

Інноваційні 3D-технології все активніше сприяють формування нового вигляду ливарного виробництва, тому поточні дослідження ФТІМС НАН України нерідко включають до своїх розділів цю високотехнологічну тематику. 3D-друк або AВ - це виготовлення деталі безпосередньо з її комп’ютерного файлу автоматизованого проектування (computer-aided design, CAD).

Сьогодні найдешевшим способом застосування 3D-друку, насамперед у вітчизняному ливарному виробництві, без збільшення собівартості виливків в діючих цехах є друкування полімерних моделей для їх газифікації у піщаній формі за методом ЛГМ, бо при ЛГМ витрати на формовку в сухому вакуумованому піску чи не найнижчі з усіх відомих ливарних способів. 3D-принтери для полімерних виробів наразі наявні на вітчизняному ринку практично в десятках моделей і цінових значень, також полімерний філамент – нитка для друкування постачається по імпорту декількох видів.

Розглянемо деякі проблеми застосування АВ для ЛГМ, та планування досліджень для їх вирішення, зокрема мова йде про виготовлення філамента для 3D-друку ливарних моделей з відходів пінополістиролу. Увагу до цієї теми визвало те, що маса сучасних друкованих моделей на одиницю об’єму вища від традиційних моделей з пінополістиролу (ППС), відповідно, і газотвірність з ростом пікових тисків утворюваного газу від спроб їх газифікації у ливарній формі. Також друковані моделі мають більші (ніж моделі з ППС) твердий залишок і зольність, які при їх газифікації у формі нальотом покривають поверхню форми та погіршують якість виливків. Тому друковані моделі дуже мало застосовують для ЛГМ за традиційною технологією через вказану перешкоду.

Зарубіжні компанії зараз роблять лише перші дослідження для створення легкоплавких матеріалів для 3D-друку разових моделей, газифікація яких могла б наближатись до моделей з ППС. А тим часом застосовують спосіб лиття за друкованими моделями, що випалюються (прожарюванням у печах) з керамічної оболонки з кількох вогнетривких шарів подібно до технології  лиття за моделями, що витоплюються, з досить високою собівартістю литва, властивою цим обом зазначеним технологіям.

З метою створення способу АВ ливарних моделей (та будь-яких тривимірних об'єктів) для переведення з процесу лиття за 3D-друкованими моделями, що випалюються, на більш економну технологію ЛГМ у вакуумованих формах з сипкого піску нами розроблено спосіб виробництва моделей для ЛГМ з відходів ППС за місцем їх утворення як метод їх утилізації [2]. Це науково-технологічне рішення обґрунтовано результатами наших досліджень і полягає в тому, що в способі АВ ливарних моделей, який включає процес витікання формотвірного матеріалу із сопла, переміщуваного в просторі за заданою програмою траєкторією, в якості формотвірного матеріалу патентується застосування розплаву подрібнених відходів ППС. Також в якості подрібнених відходів придатне застосування відходів чи стружки при виготовленні фрезеруванням виробів з ППС на верстатах з ЧПУ (3D-фрезерах), а також термокомпактовані відходи ППС [3].

Матеріал ППС за своїми техніко- і фізико-хімічними показниками давно відпрацьований для ЛГМ, має мінімальний вуглецевий залишок.  Його відходи мають низькі показники міцності і твердості, тому їх легко дробити чи молоти. Після придбання відділом проф. Шинського О.Й. 3D-принтера (рис. 1), що друкує філаментом, перспективними стають відпрацювання в лабораторії режимів отримання з сипких подрібнених відходів ППС філамента і експериментальні роботи по друкуванню з нього легковагих моделей для ЛГМ оптимальної конструкції.

Для експериментального виготовлення філамента з ППС в невеликій кількості для лабораторних випробувань розробляється спосіб отримання нитки філамента охолодженням в воді тонкого струменя розплаву, який, наприклад, виходить з сопла клейового пістолету, як найпростіший варіант такого виготовлення філамента за умов, що отвір сопла додаткової насадки звужено відповідно до заданої товщини філамента. Такі пістолети (з живленням від електромережі 220 V) серійно випускаються для з'єднання деталей розплавом полімеру з температурою 120–150 °C. В цей пістолет заправляють клейові стрижні діаметром 11,2 мм і нагрівають їх подачею електроживлення на ТЕН в нагрівальній камері, дотичної до сопла. Серійно випускаються також пістолети для клейових стрижнів ø12,0 мм та з нагріванням до 200 °C.

При цьому передбачено спроектувати та виготовити лабораторний пристрій для виготовлення стрижнів ø11,2 – 12,0 мм, в якому з подрібнених відходів ППС, що подаються на вході, на виході під тиском крізь нагріте сопло виходив би струмінь розплаву полістиролу відповідного діаметра. Для спрощення конструкції в якості робочого органу імпровізованого екструдера можливо застосувати шнек, зокрема від м’ясорубки.

Також при виконанні цих експериментальних робіт корисно використати численні розробки А. О. Стрюченка по утилізації відходів ППС для регулювання експлуатаційних властивостей стрижнів і філамента. Якщо ці виплавлені вироби будуть надто ламкими, то для здатності змотування їх на котушку для 3D-принтера їх пластичність можна збільшувати дозованим додаванням у ці відходи скипидар (як ефективний пластифікатор) чи розчин ППС у ньому [4]. Також це може бути одним із способів регулювання властивостей отриманих моделей.

Таким чином, описані прогнозовані основні напрямки розвитку та впровадження в промисловість і наше повсякдення адитивного виробництва, які також сприятимуть модернізації ливарних технологій. Як найбільш просте і вигідне впровадження АВ в ливарному виробництві рекомендовано його застосування в технології ЛГМ, зокрема шляхом розробки способів друку  легковагих моделей з ППС.

Література:

1. S. Hendrixson. 6 Ways Additive Manufacturing Will Change in the Next Decade. 11.02.2022. URL: https://www.additivemanufacturing.media/articles/6-ways-additive-manufacturing-will-change-in-the-next-decade
2. Патент 151359 Україна. МПК: B22C9/02, B22C15/02.. Спосіб адитивного виробництва полістирольної ливарної моделі чи іншого тривимірного об'єкту складної конфігурації. Опубл. 13.07.2022. Бюл. № 28.
3. Исследование процессов термокомпактирования отходов пенополистирола / О.И. Шинский, О.А. Тихонова, А.А. Стрюченко, В.С. Дорошенко // Твердые бытовые отходы. – 2011. - № 4. - С. 48-50.
4. Патент 9003 Україна, МПК С08J 3/02, C08F 12/00, B22C 1/16. Застосування живичного скипидару як розчинника для відходів пінополістиролу / О.Й. Шинський, Є.В. Терліковський, А.О. Стрюченко, І.О. Шинський та ін. - Опубл. 15.09.2005, Бюл. 9.