УралТехноСтрой
E-mail: 007@utse.ru

Технология послойного синтеза для прототипирования, производства оснастки и малых серий деталей

Манжула Геннадий Петрович,
технический директор СЗАО «МСП Технолоджи центр», Минск

Фундаментом коммерческого успеха предприятия является постоянное обновление выпускаемой продукции. Конкуренция на рынке товаропроизводителей заставляет в новых проектах, кроме повышения технических характеристик, постоянно совершенствовать эстетический дизайн и эргономические параметры, использовать новые материалы, новые технологические процессы. Новые формы требуют более сложной оснастки.

Затраты на подготовку производства возрастают в геометрической прогрессии по мере продвижения к моменту выпуска изделия. Это связано с многочисленными корректировками конструкции деталей, оснастки - из-за недочетов в дизайне, ошибок конструирования (по результатам испытаний опытных образцов и оснастки). Запаздывание с «выходом» на рынок приводит к потерям части ожидаемого дохода. Сократить время подготовки производства и затраты возможно, применяя современные технологические процессы, в том числе технологии послойного синтеза (ТПС). Применение ТПС обычно отождествляют с прототипированием - быстрой «черновой» реализацией базовых функциональных задач. Однако, появление широкой гаммы материалов и технологических вариантов позволяет применять ТПС вплоть до производства деталей, а не только опытных образцов и функциональных прототипов (далее - краткий обзор ТПС).

1. Модели и оснастка. Изготовление на первых этапах разработки дизайна изделия, концепт-модели, маркетинг-модели является определяющим дальнейшую разработку. Важно знать мнение заказчиков об изделии до запуска его в производство. На этом этапе оптимизируются ключевые критерии при производстве изделий - качество и стоимость.
Хотя возможности визуализации образа (модели) в современных системах весьма высоки (и продолжают совершенствоваться), это не может заменить точной физической модели будущего изделия, которая помогает в предметном диалоге конструктора изделия с конструктором оснастки быстро и на ранних стадиях разработки оптимизировать конструкцию с точки зрения её технологичности, стоимости проектирования и изготовления литьевой формы, её испытаний, при необходимости - доработки, в итоге - оптимизировать фактическую стоимость готовой продукции. Перед запуском изделия в производство желательно тщательно проверить не только её конструкцию, но и возможность выполнения функциональных требований, в частности, собираемости. Чтобы конструкция изделия не претерпела в дальнейшем существенных изменений, не обойтись без проведения ряда реальных испытаний. Прочные, термостойкие полимерные, а также металлические и керамические материалы, применяемые в ТПС, позволяют проводить такие испытания, по результатам которых корректируется компьютерная модель; подобные процедуры могут, если необходимо, повторяться, не требуя изготовления дорогостоящей оснастки, экономя время и средства на переделках пресс-форм.

Современные ТПС позволяют получать опытные или малые партии деталей, свойства которых если не абсолютно, то очень близко соответствуют свойствам деталей, полученных в массовом производстве с применением традиционных способов переработки пластмасс (это направление получило название Rapid Manufacturing - быстрое производство)

2. Быстрая оснастка. Для производства малых партий изделий применяют т.н. «быструю» оснастку недорогую и нетрудоемкую в изготовлении.

Эластичные формы. Эластичные (силиконовые) формы эффективны для получения 20-50 отливок. Наиболее часто они используются для получения опытных образцов и небольших партий пластмассовых деталей любой сложности и габаритов, копирования деталей и выплавляемых моделей по методу литья в вакууме. Отливаемые детали и копии могут быть эластичными, жесткими, термостойкими, ультрафиолетовостойкими, прозрачными, различных цветов - в зависимости от перерабатываемых материалов.

Хотя принцип изготовления деталей копированием в эластичных формах известен давно, технико-экономическая пригодность метода, т.е. обеспечение размерной точности, возможность воспроизведения мельчайших деталей сложных форм, любой текстуры поверхности и цвета, а также возможность обеспечения различной твердости и термостойкости реально подтверждается в настоящее время.

Металлополимерные формы. Уже более сорока лет эпоксидные материалы используются для изготовления форм при выпуске опытных партий пластмассовых изделий. В последние годы, благодаря программному ЗD-проектированию и развитию ТПС, стал возможен качественный скачок в применении эпоксидных смол для литьевых металлополимерных форм: компьютерная модель детали легко модифицируется (с учетом конкретной усадки); на основании компьютерной модели детали легко получить «негатив» - формообразующие части оснастки; ТПС позволяют получить за короткое время мастер-модели для оснастки. Но основным толчком в применении металлополимерных форм стало появление эпоксидной («инструментальной») смолы с высокими характеристиками по прочности, теплопроводности, усадке, термостойкости. Существуют такие формы для прессования и литья под давлением деталей из термопластов.

В формах с формообразующими из металлополимерной композиции обычно используют нормализованные плиты, толкатели и ряд других элементов. В случае изменений в конструкции детали или необходимости изготовления деталей большего количества, чем ресурс металлополимерной формы, изготавливается её дублер. Для этого изношенные формообразующие детали извлекаются из плит, а новые «перезаливаются» по вновь изготовленной мастер-модели. Нормализованные элементы конструкции формы используют повторно.

Технология изготовления металлополимерных форм имеет определенные преимущества, например, перед фрезерованием легкообрабатываемых материалов. Во-первых, поскольку обработка и доводка наружных элементов в несколько раз проще, чем внутренних, постольку гораздо эффективнее глубокие формообразующие участки получать копированием мастер-модели, доведенной до необходимого качества выступающих поверхностей.

Во-вторых, обеспечивается смыкание по линии разъема формообразующих частей. В процессе изготовления металлополимерной формы формообразующие детали получаются последовательной заливкой эпоксидной («инструментальной») смолы на мастер-модель. После отверждения одной из частей металлополимерной формообразующей и удаления подмодельной плиты, т.е. плоскости, следующая заливка «абсолютно» повторяет поверхность предыдущей. Для многоэлементных форм это огромное преимущество.

В-третьих, легко обеспечивается практически любая фактурированная поверхность. При заливке металлополимерная композиция копирует фактуру поверхности мастер-модели, которую просто получить предварительной механической обработкой, окрашиванием специальными красками, наклейкой фактурированной пленки.

Селективное лазерное спекание порошковых материалов. Селективное лазерное спекание - это послойное спекание лазерным излучением порошкового материала. Производители установок селективного лазерного спекания предлагают широкий ассортимент материалов: термопласты, в том числе композитные; эластичные термопласты; термопласты для получения выжигаемых моделей. Для изготовления металлических формообразующих вставок применяют композитные материалы - металлический порошок с полимерным наполнителем. Спекание «идет» по полимерному наполнителю. Это весьма важно для обеспечения точности формы, позволяет изготавливать формообразующие с минимальным припуском. Следующий этап - инфильтрация (пропитка) бронзой уже спеченной в установке модели. Этот процесс осуществляют вне установки.

Селективное лазерное плавление металла. Селективное лазерное плавление - это последовательное послойное расплавление пopoшкового металлического материала с помощью лазерного излучения.

Методу присущи определенные проблемные моменты, последовательное решение которых привело к разработке различных вариантов, получивших собственные названия, например, в установках Realizer фирмы МСР-НЕК GmbH метод называется Selective Laser Melting, а в установках Concept Lazer GmbH - Lazer CUSING.

Получение формообразующих вставок для форм с минимальным припуском - одно из эффективных применений таких установок. Но наиболее ценно - это возможность получения каналов охлаждения вблизи рабочей поверхности вставок, т.е. создание конформного охлаждения, позволяющего сократить технологический цикл литья детали, т.е. повысить производительность, а значит - снизить стоимость производства деталей. Так как для ТПС нет особых ограничений в получении сложной геометрии деталей, каналы охлаждения можно располагать практически по любой траектории, близкой к конфигурации формующей полости (Рис.2).

Вставка   с   конформным   охлаждением,   изготовленная   по технологии  Laser CUSING

Рис.2. Вставка с конформным охлаждением, изготовленная по технологии Laser CUSING

3. Выбор конкретной ТПС. Производители оборудования для ТПС постоянно его совершенствуют: увеличивается скорость построения, повышается точность, предлагается широкая гамма материалов. Все это положительно отражается на общем имидже ТПС.

Критерии оценки различных ТПС, которые могут повлиять на конкретный выбор: максимальные габариты детали, которую можно построить, применяя конкретную ТПС (однако, при современных возможностях, большие детали могут быть изготовлены по частям и затем собраны в одну деталь); скорость построения модели (однако, разница в 2-3 часа между однотипными ТПС разных производителей имеет не такое уж большое значение в общем времени подготовки производства, которое составляет обычно несколько недель или месяцев); применяемые материалы - существенный критерий, особенно при использовании ТПС в производстве оснастки; точность изготовления модели, которая зависит от точности воспроизведения системой разработанной CAD-модели, свойств материала и способа его обработки и, в какой-то степени, от толщины слоев при построении; стоимость производства детали конкретной ТПС, которая определяется стоимостью самой системы (величиной амортизационных отчислений в структуре цены детали), эксплуатационных расходов по обеспечению работы ТПС, стоимостью материала.

4. Организация производства оснастки при применении ТПС.

Безразмерная обработка. При применении ТПС на поверхности модели, детали образуется слоистая структура. Для неответственных участков изделия достаточно применения дробеструйной, пескоструйной, стеклоструйной, гидроабразивной, вязкоабразивной и т.п. обработок и ручной доводки.

Для ответственных участков требуются другие подходы. Например, при подготовке стереолитографических мастер-моделей для изготовления металлополимерных форм на поверхность модели наносится контрастная краска (рис.3). Далее проводится ручное шлифование поверхности до исчезновения рисок от покраски (рис.4).

Поверхность  модели,  окрашенной   контрастной   краской

Рис.3. Поверхность модели, окрашенной контрастной краской

Поверхность модели после шлифования до исчезновения рисок

Рис.4. Поверхность модели после шлифования до исчезновения рисок

Некоторые современные ТПС предлагают различные по толщине слоя стили построения. Например, в установках SLA от фирмы 3D Systems реализован стиль построения с толщиной слоя 0,025 мм. В этом случае значительно уменьшается объем ручных доводочных операций. С другой стороны, скорость построения слоя для систем ТПС - величина фиксированная, общее время построения модели определяется количеством слоев. Возможность изменять стиль построения предоставляется на выбор заказчику.

Размерная обработка. При изготовлении металлических вставок для форм с применением ТПС получить точную геометрию только ручной доводки бывает недостаточно, особенно обеспечить точное сопряжение отдельных вставок и поверхность разъема. Металлические заготовки вставок, как при селективном лазерном спекании, так и в селективном лазерном плавлении, строятся с припуском 0,3-0,5 мм. Получение окончательной геометрии вставки - финишная обработка, ведется с применением станков с ЧПУ, фрезерованием контура, электроэрозией (при необходимости), т.е. обычными методами.

Для обеспечения контроля на всех этапах обработки уже при конструировании формы необходимо предусмотреть базовые точки измерения. Значительно упрощает межоперационные переходы использование специальных систем позиционирования. Так, например, установки фирмы CONCEPT Laser позволяют начинать формирование вставок на основании EROWA, которые обеспечивают позиционирование выращенных вставок с микронной точностью на всех этапах обработки и измерений

Оцифровка и контроль геометрии. Оцифровка, т.е. получение информации не только об отдельных точках, но и геометрии в целом, имеет важнейшее значение для сложных элементов оснастки, изготавливаемых по конкретной ТПС.

Например, оптическая система оцифровки и измерений ATOS фирмы GOM GmbH позволяет за короткое время с высокой точностью оцифровать объект с поверхностью любой сложности и получить информацию о размерах и отклонениях от CAD-модели. При этом решаются задачи, возникающие на этапе изготовления оснастки: оцифровка геометрически сложных объектов (мастер-модели, вставки и оснастка в целом); сравнение оцифрованного объекта с математической моделью или с эталонным образцом и получение результатов (в виде цветовой градации) о величинах отклонений в сечениях, точках; компьютерный анализ сопряжения оцифрованных элементов оснастки; инспекционный контроль оснастки, полученной от сторонних производителей. На этапе налаженного производства названная выше система решает задачу выявления дефектов оснастки, её износа и позволяет производить периодическую аттестацию.

Сдерживают внедрение ТПС, как обычно, значительные первоначальные затраты на приобретение необходимого оборудования.

Применяя, начиная с ранних стадий подготовки и реализации проекта, технологии быстрого изготовления моделей и оснастки, в конечном счете, как показывает опыт, возможно сэкономить до 40% средств и вдвое сократить сроки «выхода» нового изделия на рынок. Не случайно в последние годы ежегодно мировой рост продаж установок ТПС увеличивается на 30%.

Реализация организационных и технологических решений по применению систем ТПС позволит: повысить отдачу капиталовложений и снизить риски перехода к новому дизайну продукции; проводить практическое изучение рынка (СНГ и западных стран) и постоянное обновление моделей продукции; разработать стратегию выпуска продукции на долгий период; повысить имидж предприятия; подготовить финансовые решения по развитию предприятия; обеспечить возможность для постоянной модификации дизайна выпускаемой продукции.

Наиболее эффективно, когда конкретная ТПС приобретается вместе с технологическими решениями, учитывающими конкретные требования и специфику работы предприятия и пакетом гарантированных условий подготовки специалистов, способных решать поставленные технические задачи.

Здесь Вы можете получить подробные технические рекомендации по выбору товара