Как снизить коэффициент использования материала с помощью 3D-печати металлами

Алексей Чехович

Почему коэффициент использования материала часто оказывается высоким | Снижение массы: субтрактивное или аддитивное производство? | Максимальная экономия затрат с помощью 3D-печати металлами | В каких отраслях 3D-печать металлами позволяет снизить коэффициент использования материала

Снижение массы является общей целью проектирования во многих отраслях промышленности, и на то есть веские основания. Достижение этой цели может обеспечить значительное снижение эксплуатационных расходов, а зачастую – и улучшение характеристик изделия с точки зрения скорости и гибкости производства.

Проблема заключается в том, что изготовление легких компонентов часто оказывается очень нелегким делом, особенно когда речь идет о металлах. Традиционные методы механической обработки часто ведут к неэкономичному дисбалансу между массой исходных материалов, необходимых для изготовления конкретного компонента, и массой самого этого компонента – соотношение, которое принято называть «коэффициентом использования материала» (Buy-to-Fly Ratio).

Задача устранения этого дисбаланса и сокращения затрат исходных материалов все явственнее встает и для аддитивного производства, особенно для 3D-печати металлами. Рассмотрим причины появления этого дисбаланса, преимущества, получаемые при его устранении, и наиболее подходящие компоненты и области применения.


Эта статья содержит фрагменты экспертного материала компании Materialise, который вы можете скачать бесплатно по ссылке

Почему коэффициент использования материала часто оказывается высоким

Традиционные субтрактивные методы производства (такие как обработка цельной заготовки), широко используемые в различных отраслях, от промышленной автоматики до аэрокосмической индустрии, всегда предполагают умеренную или высокую долю отходов. При производстве конечной детали механической обработкой может быть удалено до 98% заготовки, зачастую высококачественной и дорогостоящей.

В результате этого коэффициент использования материала, представляющий собой отношение массы необработанного материала к окончательной массе детали, часто оказывается высоким. В оптимальном случае этот коэффициент должен быть близок к 1, однако в действительности во многих отраслях он обычно находится в диапазоне от 6:1 до 30:12 и выше, в зависимости от области применения.


  Отходы материала при традиционном и аддитивном производстве

Снижение массы: субтрактивное или аддитивное производство?

Обработка цельной заготовки на станке всегда влечет за собой отходы материала. Послойное построение изделия с получением профиля, близкого к заданному, на металлическом 3D-принтере позволяет существенно уменьшить количество отходов. Несмотря на то что 3D-печать иногда требуется выполнять с небольшим «запасом», обработанная начерно деталь будет очень мало отличаться от окончательного изделия, что ведет к снижению затрат на расходный материал и уменьшению коэффициента его использования.

Это означает, например, что у двух визуально и структурно идентичных – по массе, форме и материалу – деталей коэффициент использования материала может быть, соответственно, равен 20:1 и 2:1 при использовании субтрактивного метода в первом случае, и аддитивного – во втором. Одним словом, для создания точно такой же детали путем 3D-печати металлами потребуется гораздо меньше расходных материалов даже без перепроектирования. Фактически, в общем случае, 3D-печать металлами выглядит предпочтительнее по соотношению «цена-качество», чем механическая обработка, когда исходный коэффициент использования материала больше 10:1.

Детали, которые раньше можно было изготовить только с монолитным заполнением, – например, титановые или алюминиевые вставки, используемые в аэрокосмической отрасли, – теперь могут содержать внутренние полости или иметь ячеистую структуру. Учитывая, что стоимость вывода на орбиту каждого килограмма груза обходится в 20 000 долларов, каждый сэкономленный грамм имеет значение. Возможность детализации внутренней структуры также означает, что узлы, которые раньше включали в себя несколько компонентов с большим коэффициентом использования материала, теперь могут быть изготовлены в виде одной цельной детали.

3d печать металлами позволяет реализовать ячеистую структуру
 
На фото показана в разрезе ячеистая внутренняя структура титановой вставки для космических аппаратов (совместная разработка Materialise и Atos)

Максимальная экономия затрат с использованием 3D-печати металлами

В число общедоступных и широко используемых в аддитивном производстве материалов сегодня входят нержавеющие стали, алюминиевые сплавы, суперсплавы на основе кобальта, хрома и никеля, инструментальные и мартенситно-стареющие стали, технически чистый титан и титановые сплавы, медные сплавы и драгоценные металлы.

В сочетании с существенным сокращением количества расходных материалов, необходимых для процесса аддитивного производства, это обеспечивает значительную экономическую выгоду. Снижение затрат на любой необработанный материал до 60-90% – уже серьезное достижение; однако если речь идет о более чем двукратном уменьшении расходов на высококачественные/драгоценные металлы, то положение дел меняется в корне.

В каких отраслях 3D-печать металлами позволяет снизить коэффициент использования материала

Аэрокосмическая промышленность

Требующие меньших затрат на производство, более легкие и в то же время высокопрочные детали позволяют снизить общую массу летательного аппарата, что, в свою очередь, способствует повышению топливной эффективности. Крайне важно и то, что 3D-печать позволяет создавать детали из хорошо изученных металлов (но с использованием альтернативной, более экономически эффективной конструкции), поскольку они уже признаны «годными к полетам».

Автомобильная промышленность

Использование топологической оптимизации и 3D-печати металлами для обеспечения максимальной прочности при минимальной массе – возможность, которую в настоящее время исследуют многие производители. 

Промышленная автоматика

В этой отрасли сведение к минимуму потребности в расходных материалах при 3D-печати готовых деталей из алюминия, нержавеющей стали и других широко используемых металлов обеспечивает низкий уровень затрат, а также повышает рентабельность кастомизации.

Аддитивное производство оснастки

Инструментальное производство

По мнению отраслевых аналитиков, в период до 2020 года 3D-печать будет одним из трех наиболее влиятельных трендов на мировом рынке станкостроения и литья пластмасс под давлением. Отчасти – из-за колоссальных возможностей по снижению коэффициента использования материала. Во многих случаях 3D-печать позволяет снизить расход материалов на 30%.

Контрактное производство

Для снижения себестоимости реализованной продукции предприятия-подрядчики должны минимизировать количество отходов на этапе производства и по возможности уменьшить вес изделий, чтобы транспортные издержки не «съедали» всю прибыль.


Экономия затрат при использовании 3D-печати металлами не ограничивается только оптимальным коэффициентом использования материала. Чтобы в полной мере использовать преимущества 3D-печати металлами, ознакомьтесь с возможностями проектирования для аддитивного производства.

Чтобы узнать о возможностях использования 3D-печати металлами в ваших проектах, свяжитесь с экспертами компании iQB Technologies:  +7 (495) 269-62-22, info@iqb.ru или оставьте онлайн-заявку.


Материал предоставлен компанией Materialise
Полный вариант материала – в бесплатной брошюре:

Как снизить коэффициент использования материала с помощью 3D-печати металлами

Статья опубликована 21 января 2020 в 11:46, дополнена 22 января 2020

С 3D-измерениями вы всегда на шаг впереди
ProtoFab: «Наши 3D-принтеры может себе позволить большинство клиентов»

Об авторе

Алексей Чехович
Алексей Чехович

Главный эксперт направления технической поддержки 3D-оборудования. Девиз Алексея – «Доверяйте профессионалам!», и вы в полной мере можете положиться на его высокую квалификацию и уникальный опыт, который охватывает и традиционные методы производства, и 3D-технологии. В его послужном списке множество успешных проектов, среди которых он особо выделяет изготовление модельной оснастки для отливки колоколов Храма Христа Спасителя. Хобби Алексея – история и археология.

Читайте также
3D-принтер или станок? Сравниваем методы прототипирования в автопроме
3D-принтер или станок? Сравниваем методы прототипирования в автопроме
ProtoFab: «Наши 3D-принтеры может себе позволить большинство клиентов»
ProtoFab: «Наши 3D-принтеры может себе позволить большинство клиентов»
Ключевое слово – устойчивость: тренды развития 3D-печати в 2020 году
Ключевое слово – устойчивость: тренды развития 3D-печати в 2020 году

Оставьте комментарий