3D-сканирование и реверс-инжиниринг в литейном производстве | 3D-печать vs традиционные технологии | Пример создания детали аддитивным способом | 3D-печать воском и фотополимером в производственной цепочке литейного предприятия | Почему литейному предприятию выгодно внедрять 3D-технологии
3D-технологии, интегрированные в технологическую цепочку литейного производства, обеспечивают предприятию реальную выгоду. Как показать все преимущества 3D-сканирования и 3D-печати? Нагляднее всего – продемонстрировать процесс создания детали с нуля аддитивными методами и провести сравнение с традиционными технологиями. С этой целью мы обратились к Павлу Чадушкину, техническому директору компании TWIZE, партнера iQB Technologies.
– Итак, наша задача – создать эталонную деталь на основе цифровой модели для последующей отливки реального изделия. С чего начинается этот процесс, если мы применяем 3D-технологии?
– Прежде всего, нам необходимо исходное изделие, которое нужно отсканировать, а затем выполнить обратное проектирование (реверс-инжиниринг). Конечно, оно должно быть новое, не бывшее в употреблении, чтобы не было износа детали. Мы оцениваем, насколько сложна ее геометрия и после этого задаем только один вопрос: какой должен быть допуск по точности? Уже по внешнему виду можно понять, каким образом эта деталь производится. Чаще всего это литье (высокоточное или в землю), фрезерование или изготовление на токарном станке. У каждой из этих методик производства есть свои допуски.
Быстрый и точный способ создания эталонной модели – 3D-сканер и ПО для обратного проектирования
После того, как мы имеем представление о технологии производства и допуске, мы выбираем оборудование, а именно – 3D-сканер с нужными нам параметрами точности, и производим оцифровку изделия. Например, ручной 3D-сканер Creafrom HandySCAN 3D или стационарный Solutionix C500. Такие устройства метрологического класса уже хорошо зарекомендовали себя на производственных предприятиях. Получив 3D-модель, мы переносим ее в программное обеспечение Geomagic Design X, позволяющее быстро и легко обработать данные 3D-сканирования с целью выполнения контроля геометрии и реверс-инжиниринга. Затем к работе подключается инженер, который по результатам сканирования обрисовывает эту деталь и создает твердотельную модель.
В процессе обрисовки инженер исключает из твердотельной модели различные недостатки изделия. Здесь нужно подчеркнуть, что абсолютно любое изделие имеет производственные деформации. Они могут быть обусловлены разными факторами – например, неверно подобранным материалом, сложной формой, деформацией во время транспортировки, изношенным инструментом, с помощью которого производилось изделие.
В любом случае, какой бы объект мы ни взяли для 3D-сканирования, он будет содержать дефекты и отклонения от эталона, а наша задача – создать этот самый эталон. Если деталь круглая, то совершенно точно можно сказать, что отверстие в ней будет не круглым, а эллипсовидным. Соответственно, инженер с помощью ПО этот эллипс исключает и создает окружность правильной формы. Таким путем, обрисовывая каждый элемент геометрии, мы исправляем все недостатки. Когда деталь полностью обрисована, у нас получается твердое тело, которое можно запускать в производство.
– Мы получили CAD-модель. Теперь нужно определить, каким способом производить изделие.
– Традиционный способ – подготовка оснастки для литья восковых моделей на станке с ЧПУ. В этом случае модель должна адаптироваться под станок, со своими допусками, уклонами, скруглениями – все зависит от оборудования и инструментов, с помощью которых деталь будет производиться. Но теперь есть и второй путь – 3D-печать, которая является идеальным решением для прототипирования и изготовления малых серий.
Ключевое преимущество аддитивных технологий – возможность создавать изделия максимально сложной формы (в том числе с мельчайшими деталями), которые нельзя произвести традиционными методами. Кроме того, при запуске печати необязательно учитывать сложность геометрии. Это особенно актуально для производства изделий путем металлического и пластикового литья.
Если изделие имеет простую форму, то зачастую целесообразнее его производить на станке с ЧПУ. Если же геометрия сложная, то 3D-печать – оптимальный вариант.
Когда нам нужен не один рабочий прототип, а малая серия – от 10 до 1000 изделий, используется литье в силикон, или двухкомпонентное литье. Для этого нужно получить мастер-модель – эталон, по которому будет создаваться силиконовая форма, в которую затем заливается пластик или воск.
– Мы выяснили, что 3D-печать – незаменимое решение при производстве продукции с использованием металлического и пластикового литья. Можете привести пример создания конкретной детали?
– Возьмем корпус обыкновенного телефона из пластика. Во-первых, он делится на две половины, нижнюю и верхнюю. Чтобы произвести одну из половин, надо сделать матрицу и пуансон – это оснастка для литья пластика под давлением. Металлическая форма, состоящая из двух половин, смыкается, затем в нее под давлением подается пластик, который принимает форму внутренней геометрии изделия.
При традиционном производстве на станке с ЧПУ вытачивают внешнюю и внутреннюю форму каждой половины. Но если у нас есть 3D-принтер, мы печатаем сразу готовое изделие целиком, металлическую оснастку делать не нужно. Мало того что ее долго изготавливать, она будет баснословно дорогая для тиража в десять штук. Таким образом, выгода 3D-печати очевидна – отпадает необходимость фрезерования для получения оснастки.
Телефон – продукт массового производства, и речь идет не о десяти, а о тысячах изделий. Как раз в этом случае нужны матрица и пуансон, и постоянная штамповка большого тиража. Кроме того, если понадобится внести какое-то небольшое изменение в конструкцию, мы можем оперативно исправить CAD-модель, сразу напечатать прототип и проверить его на собираемость, посмотреть, правильно ли мы разработали геометрию.
– При создании выплавляемых и выжигаемых мастер-моделей для литья с помощью 3D-принтера используется, соответственно, воск и фотополимер. Как выглядит производственная цепочка с использованием этих материалов и в чем их различия?
– Использование напечатанных на 3D-принтере выплавляемых восковых и выжигаемых фотополимерных моделей имеет одну и ту же механику, немного различаются алгоритмы действия.
У нас есть напечатанная восковая модель. Мы создаем для нее корку (то есть форму, в которую заливается металл), обмазывая мелкодисперсным порошком толщиной не менее 6-8 мм. Вид материала и толщина корки зависит не только от сложности геометрии и габаритов изделия, но и от металла, который будет литься в будущую форму. Затем деталь помещается в печь. В печи воск выплавляется, а сама корка отвердевает, и у нас получается твердая форма для литья металла.
Что касается выжигаемого фотополимера, то мы так же кладем изделие в печь, но если воск вытапливается при температуре +200С градусов, то фотополимер – при +950С. Корка так же затвердевает, а материал, из которого была создана модель, выгорает.
Далее в получившуюся форму заливается раскаленный металл – это может быть и алюминий, и титан, и даже магний. Форма остывает, после чего корка разбивается молотком или вибромашиной, и мы получаем отливку.
Следующий этап – мехобработка. Она заключается в том, чтобы сделать поверхность детали более гладкой – обрезать литники, по которым заливался металл, зашлифовать их, снять излишнюю шероховатость изделия. На этой стадии нам также может потребоваться сверление отверстия или подгонка крепежных элементов – для этого применяются станки с ЧПУ для финальной обработки изделия до его конечного варианта (шлифовальные, пескоструйные, сверлильные и т.д.).
– От чего зависит выбор воска или фотополимера?
– Восковые машины относительно дешевы, при этом расходный материал – дорогой. С фотополимерными 3D-принтерами ситуация обратная. В сравнении с фотополимером воск достаточно хрупкий материал, это его недостаток. Но на сегодня восковая 3D-печать обеспечивает самую точную и самую гладкую поверхность. К тому же, восковое литье является традиционным для многих литейных производств в России. Соответственно, фотополимер подойдет там, где нужны модели большего размера, а прочность и детализация менее критичны. Пользователь должен сделать выбор, исходя из того, какие объемы он будет печатать, насколько часто он будет обращаться к прототипированию. При этом одни компании имеют свой парк 3D-оборудования, другие заказывают услуги 3D-печати у подрядчиков.
Выгода 3D-печати очевидна – отпадает необходимость фрезерования для получения оснастки.
– Компании iQB Technologies и TWIZE ежегодно принимают участие в выставке «Металлообработка», представляя, среди прочих, решения для литейных производств...
– На одной из недавних выставок «Металлообработка» мы показывали подробную цепочку создания корпуса тормозных приборов ЖД с использованием 3D-сканирования и 3D-печати восковой и фотополимерной модели. На нашем стенде можно было увидеть, как выглядят все стадии производственной цепочки и объекты, изготовленные на каждом этапе:
- исходное изделие, которое мы сканируем (3D-сканер: Creaform HandySCAN 700);
- этап реверс-инжиниринга (программное обеспечение: Geomagic Design X);
- восковая и фотополимерная модели, напечатанные на 3D-принтерах;
- литейная корка;
- отливка;
- этап мехобработки;
- конечное изделие.
– Это довольно-таки большой объем технологической работы. Привлекали ли Вы для реализации всех этих этапов сторонних специалистов?
Не считая процесса литья, все работы, связанные с моделированием и печатью, были проведены с помощью оборудования и программного обеспечения, доступного в демозале iQB Technologies. За концептуальную и технологическую реализацию данного стенда отвечал инженер-технолог Андрей Тележников.
– Мы подробно рассмотрели, как и в каких случаях выгодно использовать 3D-принтеры и 3D-сканеры. Если резюмировать: почему литейному предприятию необходимо внедрять аддитивные технологии?
– Для сокращения сроков производства при изготовлении опытных образцов и деталей малого тиража. Мы экономим и время, и деньги.
Вернемся к сравнению традиционного процесса с аддитивным. В первом случае это выглядит следующим образом:
- Конструктор разрабатывает деталь, затем передает свою разработку инженеру.
- Инженер адаптирует ее под методику производства вместе с технологом.
- Дальнейшая адаптация заключается в том, что создается чертеж будущей формы матрицы и пуансона или чертеж, по которому деталь будет изготавливаться на фрезерном станке.
- Затем на станке изготавливают матрицу и пуансон и отдают их на производство.
Так вот, с момента выдачи конструктором готового проекта инженеру и до получения формы, по которой будет отливаться изделие, проходит от полугода до года. И прошло, допустим, полгода, сделали десять опытных образцов, отдали их конструктору, он примерил эти металлические болванки, а они не совпадают с посадочными местами. Он понимает, почему они не совпадают, дорабатывает эту модель, и дальше цикл повторяется. Проходит еще минимум полгода до следующей примерки.
С помощью 3D-принтера конструктор фактически нажатием одной кнопки отправляет на печать свое изделие и отдает его сразу на производство в отливку. Срок сокращается с года или полугода до недели максимум. Это самое главное преимущество. Плюс, мы экономим значительные средства на изготовление формы. И, наконец, мы имеем возможность создавать изделия с геометрией любой сложности и, при необходимости, быстро оптимизировать конструкцию в программном обеспечении.
Статья опубликована 04.05.2018 , обновлена 26.05.2022
