В рамках совместного проекта ПостНауки и Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого мы публикуем лекцию инженера Павла Вопиловского, посвященную использованию технологий послойного синтеза в литейной промышленности.
Я бы хотел рассказать о соединении двух на сегодняшний день, может быть, разных вещей — аддитивных технологий, которые у всех на слуху (их еще называют технологиями послойного синтеза), и производства точного литья, литейного производства, которому уже много сотен лет и которое известно давно. Можно найти упоминание о работах литейщиков. То есть, скажем, современная вещь и вещь очень древняя. Мы использовали в своей работе это новое направление, чтобы показать, что оно позволяет внести новизну даже в такие старые вещи, как литейное производство. Каким образом? При производстве какого-то изделия обычно идут таким путем: или создается вручную макет, или потом на фрезерном станке делается модель, мастер-модель. Ее, как правило, делают из металлической формы, на которую уходит значительное время. Получают восковые изделия, они собираются в так называемую елку, как литейщики говорят, она в несколько слоев покрывается песком, и получается такая керамическая форма, затем воск вытапливают, заливают металл, форму разливают, и получается отливка. Отливка дальше идет под механическую обработку или, как годное изделие, используется по назначению.
Что мы сделали? Мы первую часть, где создается мастер-модель, стали использовать 3D-принтеры, которые у всех на слуху. Мастер-модель мы получаем по трехмерной модели, которую нам дает конструктор или инженер. Если у него такой модели нет, то мы можем сделать ее самостоятельно — отсканировать, если есть какой-то образец, либо нарисовать на компьютерах. То есть, получив трехмерную модель, мы получаем старт для начала работы. Что мы делаем? Мы эту модель печатаем на принтере — принтеров существует много разных вариантов, в каждом случае удобен какой-то свой вариант. В данном случае мы напечатали модель на принтере, получили ее объемное изображение уже физически. И далее мы вместо металлических форм, которые обычно литейщики вытачивают на фрезерном станке, делаем силиконовую форму — это в основном научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы (НИОКР), как правило, для каких-то КБ или единичных вариантов изготовления. Мы получаем мастер-модель, берем силикон и заливаем в форму — получаем такую силиконовую форму, которую разрезаем. В итоге у нас получается силиконовая заготовка вместо металлической, куда мы можем залить потом воск и получить восковое изделие. А дальше идет традиционная технология точного литья. Что мы здесь сделаем нового? То есть мы вместо модели, которая делается вручную или на фрезерном станке, получили модель на 3D-принтере, причем мы можем делать это многократно. Получив такую форму из силикона, мы можем сделать порядка 20–30 заливок в силикон.
Этого достаточно для небольшой партии, потому что, как правило, на стадии НИОКР большого количества не требуется. Или бывают случаи, когда требуются отливки в небольшом количестве, — допустим, мы делали ручки для самолетов, которых нужно было сделать всего порядка 30 штук, и больше не требуется. То есть это опытные работы. Для чего они делаются? Отрабатываются технологии. То есть прежде, чем запустить на массовое производство, где будут большие сложения, в оснастку, работы могут длиться 2, 3, 6 месяцев, могут длиться год, и вдруг на последней стадии выяснится, что деталь не соответствует каким-то требованиям: она не проходит по эргономике, ее плохо монтировать в какой-то комплект или комплекс устройств — причин может быть огромное количество. Поэтому для сокращения времени мы просто получили силикон, который можно, если потребуется, повторить. Сделали из воска деталь, получили так называемую елку, как литейщики говорят, обсыпали ее песком, и дальше весь процесс повторяется — я о нем уже рассказывал. Получается, что на начальной стадии мы в разы сокращаем период получения готовой отливки. И весь комплекс у нас рассчитан на то, что мы всю технологическую цепочку построили в горизонтальную линию. А преимущество в том, что мы можем в каждый момент времени делать каждую часть отдельно — отдельно сканирование, отдельно литье, отдельно механическую обработку, которая у нас происходит в конце на типовых фрезерных станках.
Но здесь еще что интересно: можно вообще обойтись без производства каких-то металлических изделий, если эта наработка производится на стадии КБ. Можно сделать несколько вариантов в пластике. Пластик мы можем получить: либо напечатать его на принтере, либо получить его через ту же силиконовую форму. Понятно, пластиков на сегодняшний день существует огромное количество, с очень разными свойствами, можно получить любые результаты. В чем интерес? Сокращаются сроки, появляется многовариантность изготовления разных деталей, и, к сожалению, на сегодняшний день 3D-печать не очень дешевое удовольствие, поэтому на массовое производство она пока не рассчитана. А вот для получения каких-то индивидуальных изделий, отработки технологий, получения малых серий это на сегодняшний день один из самых привлекательных вариантов. Получается, мы можем соединять достаточно старую технологию точного литья (или литья по выжигаемым моделям) и новую технологию — аддитивную, которая сейчас используется достаточно широко.
Если в качестве примера привести бутлегеры, которые в Европе, у них каждое новое изделие сопровождается макетированием, то есть делается какой-то макет или прототип. Каждая бутылочка, баночка из-под майонеза прорабатывается. Но это идет защита от конкуренции. Каждый новый напиток делается в новой упаковке. Они все утверждаются. На этой стадии не надо делать каких-то дорогостоящих металлических форм для пластавтоматов — можно получить прототип, утвердить его, запустить в производство. Бывают вещи — часто в электромеханике, — когда надо расположить кучу деталей в каком-то блоке, блок этот смонтировать в другой блок, который будет составной частью какого-то крупного изделия. Спроектировать это все можно на компьютере, можно подвигать, но, когда дело доходит до какой-то реальной работы, выясняется, что там монтажник не может завести инструмент, не может подлезть к какому-то изделию и собрать его. Это делается все живьем на макете, и, получив макет, мы можем достаточно быстро получить хороший результат. Для этого и существуют аддитивные технологии как вещь для ускорения производства и каких-то разработок. Я рассказал только самую простую часть, но на самом деле аддитивные технологии шагнули сейчас гораздо дальше.
Если брать технологию получения отливок, когда изготавливается либо керамическая форма, либо песчаная форма, то на сегодняшний день мы получаем возможность печатать такие формы сразу готовые. То есть вариантов может быть несколько. Это так называемый QCast, когда будущая отливка печатается на 3D-принтере и она состоит из такого набора сфер, шариков. Внешняя поверхность — это сама деталь, будущая отливка, а внутри она заполнена такими шариками. При выжигании такой формы шарики схлопываются вовнутрь, она обсыпается, то есть форма не расширяется, не рушится, получается очень маленькая зольность и высокое качество отливки по поверхности. Это первый вариант развития. Второй вариант — когда печатается не будущая отливка, а как бы ее негатив. Печатается сама форма сразу из песка. Мы не делаем никаких силиконовых форм, не делаем восковок, а сразу печатаем саму форму вовнутрь готовой формы, причем вместе с питательными, с прибылями ледниковой системы. Это очень удобно для производства сложных деталей, состоящих из огромного количества стержней, как это называется в литейном производстве. Когда форма делается из набора пустот, а потом внутренняя поверхность формируется стержнями. Здесь мы можем получить сразу готовую форму, вместе со стержнями напечатать ее, и она прокаливается, заливается металлом, форма разбивается, и получается отливка. Таким способом обычно получаются детали для двигателя.
Как правило, фирмы, известные всем производители Audi и Mercedes, свои опытные образцы двигателя делают именно таким образом: печатают песчаную форму и заливают. Но туда, к сожалению, нас никто не пустит, потому что это все закрыто. Такой принтер, кстати, сегодня разрабатывают наши сотрудники. Здесь догоняют европейцев. Но результат мыслится очень хорошим, потому что, по опросам людей, которые заняты литейным производством (я говорил со многими главными металлургами), эта идея вызывает у них восторг, потому что такого еще никогда не было. И я сначала показал, как просто внедрить в литейное производство аддитивные технологии, и, таким образом, оно не просто внедряется — оно начинает отбирать часть рынка у литейщиков. Но все равно, не в обиду будет сказано людям, которые занимаются 3D-печатью, литейное производство в ближайшем будущем вряд ли им удастся заменить. Хотя и появились новые машины, которые и этот шаг еще дальше отодвигают.
Первый вариант, когда я делаю мастер-модели, прототипы, по ним получаю формы, — это один вариант. Второй вариант — когда я эти формы получаю, минуя мастер-модели, напечатав сразу готовую форму или отливку под выжигание. А есть еще третий этап. Сейчас появились машины (они тоже на слуху), которые сразу печатают металлом. Причем материал может быть самый разный: медь, титан, бронза, инконель, нихром — вариантов металлов очень много. Но здесь нет ни мастер-моделей, ни металлических форм — мы здесь сразу печатаем готовые изделия из металла, как они должны получиться. И самое интересное, что в этом случае уже напечатанное изделие из металла имеет прочностные характеристики выше, чем литые. То есть они приближаются к катанным, почти что как кованные. Мы получаем новые свойства металла с помощью новой технологии. За этим будущее, потому что такие технологии позволяют создавать очень сложные структуры, со сложной развитой поверхностью, пересекающимися каналами, которые получить сейчас в литейном производстве проблематично. Сдерживает только цена, потому что на сегодняшний день стоимость таких порошков пока кусается, она необоснованно высокая. Тем не менее новые технологии шаг за шагом отбирают позиции у старых, но старые технологии тоже не сдаются.
Автор: Павел Вопиловский
Директор НТК «Машиностроительные технологии», СПбПУ Петра Великого
