Адитивне виробництво інструменту: мода чи вже реальність?
Нове тисячоліття привносить революційні рішення для різання металу. ISCAR, основний новатор технологій обробки металу, досліджує інтеграцію процесів адитивної обробки. Використовуючи новаторські технології, передові інженери ISCAR розробляють інноваційні рішення для скорочення виробничих витрат і підвищення продуктивності для своїх клієнтів.
Одним з головних досягнень цифрової революції (часто званої як «Третя промислова революція»), що почалася в кінці минулого століття, став новий технологічний метод пошарового створення виробів на основі їх тривимірних комп'ютерних моделей в системах автоматизованого проектування (САПР).
Сьогодні цей метод відомий як об'ємний (3D) цифровий друк або адитивне виробництво (АВ). Причому останнє визначення добре відображає найважливіші принципові риси нової технології.
a) Виробництво - даний метод знайшов себе в різних промислових додатках. І якщо його застосування спочатку пов'язувалося лише з виготовленням одиничних дослідних зразків, прототипуванням, то зараз 3D-друк розглядається вже як повноправний спосіб серійного випуску різноманітних деталей і компонентів виробів і навіть самих виробів цілком.
b) Адитивне, створене методом додавання - на противагу традиційній механічній обробці, заснованій на видаленні матеріалу, новий метод пропонує додавати матеріал при виробництві виробів. Звичайна технологія теж використовує принцип додавання матеріалів, проте реалізує його за допомогою розбірних або нерозбірних з'єднань.
Існує цілий ряд технік адитивного виробництва, які ґрунтуються на різних фізичних принципах: стереолітографія, багатоструменеві моделювання, лазерне спікання та інші. 3D-друк з'явився ще у вісімдесятих роках минулого століття як інструмент швидкого прототипування - прискореного одиничного виготовлення дослідних зразків або моделей виробів для їх подальшого вивчення або пропозиції замовнику
Однак треба було певний час, перш ніж на початку 21 століття розвиток технологій дозволив знайти для 3D-друку по-справжньому промислове застосування для серійного випуску продукції. Значне зниження вартості 3D-принтерів різко збільшило їх продаж і, відповідно, використання у виробництві. Строго кажучи, 3D-принтер - це зовсім не той знайомий нам принтер, а повноцінний металообробний верстат з числовим програмним управлінням (ЧПУ). Можливо, він досить екзотичний сьогодні, але виразно стане повсякденною технічною реальністю вже завтра.
Об'ємний цифровий друк відкриває перед виробництвом нові горизонти та пропонує зовсім інший підхід до випуску виробів в різних галузях: медицина, авіа-, автомобіле- та суднобудування, оборонна промисловість та ін. Просто дивно, як інформаційні технології (ІТ) буквально стирають існуючі обмеження і обходять природні бар'єри! Досить переслати відповідну комп'ютерну модель компонента на 3D-принтер, який може знаходитися дуже далеко, на іншому континенті, і ви вже готові виробляти там необхідний виріб!
Значення такої можливості важко переоцінити, а перспективи вражають уяву. Якщо буде потрібно, наприклад, виготовити зношену деталь прямо на борту космічного корабля або станції, терміново зробити індивідуальний кістковий імплантат на основі дослідження пацієнта в іншій частині світу, 3D-друк і мережеві комунікаційні засоби є ідеальним рішенням.
В принципі і сам 3D-принтер може перетворитися в у систему, що сама відтворюється, яка, якщо треба, в стані виготовити зламану деталь або її тимчасовий замінник для самої себе. Ймовірно, не такі вражаючі, але не менш важливі результати обіцяє впровадження адитивного виробництва в металообробку.
АВ відрізняється як своїми перевагами, так і недоліками, і їх розуміння визначає місце 3D-друку в машинобудівних галузях. Серед незаперечних переваг - наступна теза: «Чим складніше, тим краще!» Парадоксально, але повністю протилежний класичному інженерному принципу «Роби просто!», він якомога краще відображає сильні сторони адитивного виробництва. Саме у випуску складних деталей АВ в стані істотно знизити собівартість. Більш того, тут найбільш повно проявляється здатність 3D-друку долати різні обмеження, пов'язані з традиційною технологією, і реалізувати багато непростих конструкторських рішень щодо поліпшення функціональної характеристики виготовлених деталей.
Виняткова гнучкість - інша незаперечна позитивна якість адитивних технологій. Той же самий 3D-принтер робить зовсім різні деталі без особливих витрат на налаштування. Зрозуміло, простота прототипування - дослідний зразок можна швидко виготовити вже відразу після завершення проектування і значно прискорити його випробування. А якщо останнє покаже необхідність внесення змін в конструкцію, їх можна зробити дуже швидко, відредагувавши комп'ютерну модель і запустивши 3D-принтер ще раз. Таким чином, АВ в стані корінним чином зменшити терміни розробки нової продукції.
Цифровий друк забезпечує структуру деталі, близьку до ідеальної з інженерної точки зору: змінна товщина стінки для забезпечення рівноміцності, оптимальний профіль поперечного перерізу отворів і порожнин для руху рідин і газів та ін.
Адитивні технології дозволяють економно використовувати вихідний матеріал, знижуючи виробничі відходи. Проте, АВ не є вільним від недоліків. Перш за все, гарантовані показники точності - вони далекі від вимог, що пред'являються до посадкових поверхонь, і для отримання потрібних допусків розмірів необхідна додаткова чистова механічна обробка традиційними методами.
Говорячи про сировину для виробництва деталей адитивним способом, слід зазначити, що зовсім не кожен вид конструкційного матеріалу придатний для цифрового друку. Нарешті, габарити: сучасні 3D-принтери мають зрозумілі межі робочого простору, які обмежують випуск деталей великих розмірів.
Знання сильних та слабких сторін цифрового друку є основою впровадження адитивних методів в промисловості. Судячи з експрес-інформації та різних технічних звітів, АВ вже освоєно такими галузями промисловості, як авіа- і автомобілебудування, виробництво виробів військового та медичного напрямків, причому мова йде не про експериментальну, а серійну продукцію. Незважаючи на те, що адитивна складова займає поки скромне місце серед застосовуваних технологій, існує чимало прикладів успішного використання 3D-друку в процесі випуску деталей та завершених виробів.
Авіаційна промисловість відрізняється жорсткими вимогами до компонентів, безпосередньо пов'язаними з безпекою польоту. Абсолютно ясно, що деталі, виготовлені адитивними методами, повинні пройти численні випробування, перш ніж стати повноправною альтернативою своїм аналогам, що випускається за традиційною технологією. Сьогодні ми ще не спостерігаємо такої масової заміни. Однак різноманітні види технологічного оснащення (верстатні і вимірювальні пристрої, калібри та ін.) для різних стадій діючих процесів виготовлення вже створені за допомогою об'ємної цифрового друку. Виробництво літальних апаратів (ЛА) - складний технологічний ланцюг, кожна з ланок якого вимагає чимало пристосувань. Залучення адитивних методів для випуску оснащення не тільки значно прискорює підготовку виробництва, але і помітно зменшує собівартість. Що ж стосується допоміжних малогабаритних деталей і пристроїв, вони ніби і створені для АВ!
Менші розміри і більш відкриті вимоги безпеки гарантують 3D-друку хороші перспективи в області безпілотних ЛА. За допомогою адитивних методів можна знизити масу апарата і надати йому ефективну аеродинамічну форму, зменшуючи виробничі витрати. Аерокосмічна промисловість є одним з головних споживачів титану. Виготовлення титанових деталей - металоємний процес (значна частка дорогого та важкооброблюваного матеріалу йде в стружку). Проведені дослідження спрямовані на створення титанового порошку, придатного для виробництва деталей відносно невеликих розмірів з використанням 3D-друку. Схожий стан спостерігається і в автомобільній промисловості. Закономірним є питання: чи можна застосувати адитивні технології для виробництва ріжучого інструменту? Попередня відповідь буде позитивною, але для остаточного рішення, як і в авіа- і автомобілебудуванні, потрібні численні дослідження і практичні випробування.
Адитивне виробництво інструменту виглядає особливо привабливим з кількох причин. Почнемо з уже зазначених можливостей цифрового друку по формуванню внутрішніх каналів і порожнин для підведення мастильно-охолоджуючих технічних засобів (МОТЗ) безпосередньо через корпус інструменту. Якщо інструмент призначений для роботи з подачею МОТЗ під високим тиском, профіль каналів виступає в ролі одного з ключових факторів успіху, і АВ служить ідеальним засобом для його досягнення. 3D-друк, здатен створювати складні форми, дозволяє «виростити» корпус інструменту вже відразу зі стружковими кишенями, западинами, заглибленнями і зворотними схилами, тобто тими поверхнями, які традиційна технологія отримує механічною обробкою. Отже, використання АВ скорочує операції різання і значно знижує терміни виготовлення. Необхідно підкреслити, що 3D-друк в змозі забезпечити і оптимальний баланс між міцністю корпусу та об'ємом стружкової кишені.
Якщо адитивна технологія зможе знайти економічний спосіб виробляти деталі з твердого сплаву, це стане безсумнівним проривом вперед. Адже тоді конструктори отримають в своє розпорядження потужний інструмент для швидкого створення змінних пластин без необхідності очікувати виготовлення дорогих та трудомістких прес-форм. Набагато зменшиться час, необхідний на пошук оптимальної геометрії пластин за допомогою вивчення і випробування різних проектних варіантів. Сьогодні такі думки можуть викликати лише посмішку, але ще зовсім недавно і 3D-друк зустрічався тільки в науково-фантастичній літературі.
Спостерігаючи райдужні перспективи адитивного виробництва інструменту, не можна не бачити і певні перепони. Обмежена точність цифрового друку поки не може повністю усунути механічну обробку: наприклад, шліфування посадкового отвору або зовнішньої поверхні хвостової частини, фрезерування гнізда пластини або нарізування різьблення в отворах. До речі, приймаючи таке положення до уваги, верстатобудівні компанії пропонують споживачеві верстати-гібриди, які здійснюють і традиційне різання, і 3D-друк. Втомна міцність, опірність циклічному навантаженню, вібростійкість і надійність при високошвидкісному обертанні продуктів АВ є предметом досліджень, результати яких багато в чому визначать місце адитивних технологій в інструментальному виробництві.
Провідні виробники ріжучого інструменту, зокрема ISCAR, вже активно застосовують цифровий друк в своїх дослідно-конструкторських розробках і навіть безпосередньо у виробництві. Найближче майбутнє покаже, наскільки глибоко АВ зможе вкоренитися в галузі. Можна не сумніватися, що 3D-друк в змозі привести до дійсно знакових змін в інструментальній промисловості. Але чи стане ефект впровадження нової технології тільки адитивним, додатковим, або можливо, синергетичним, який принесе щось більше - треба запастися терпінням і трохи почекати, відповідь вже не за горами. Абсолютно ясно, що Третя промислова революція переходить на наступний етап «оцифровування» металообробки, і виробництво ріжучого інструменту не може бути осторонь від цього процесу.
