Аддитивные технологии и литейное производство. Выбираем отечественное оборудование для производства литейных форм методом послойной печати

Отечественное литейное производство является базовым элементом машиностроительного комплекса. Перспективы его развития определяются потребностью в литых заготовках, динамикой их производства, уровнем развития литейных технологий и конкурентной способностью отечественных машиностроительных предприятий.

По данным за 2017 год в России действует около 1250 предприя-тий, которые производят отливки, оборудование, сопутствующие материалы. При этом уровень автоматизации литейного производства в России крайне низок – 78% отливок производятся на механизированных линиях и машинах, а также вручную. И потому разработка автоматизированных методов создания литейных форм является одним из приоритетных направлений развития отрасли.

Проблема и решение
В транспортном машиностроении сегодня широко используются высокотехнологичные двигатели внутреннего сгорания. В их конструкцию входят сложные по форме и зачастую крупногабаритные блоки цилиндров и головки блоков цилиндров, которые изготавливаются российскими предприятиями по традиционным технологиям литья. Одна из них – это литье в одноразовые формы, сделанные вручную с использованием физических мастер-моделей. Для этого требуется длинная технологическая цепочка изготовления мастер-модели, подготовки смеси, формовка частей формы, их сушка, места для хранения моделей и так далее. Другая – литье в кокиль (металлическую форму), что является очень долгим (от 6 месяцев до 1–2 лет), затратным, трудоемким и экономически невыгодным способом, сопряженным с высоким риском брака при изготовлении кокиля. Оба подхода имеют технологические ограничения на сложность внутренней конфигурации отливки. Используя эти традиционные технологии, невозможно или крайне затруднительно выполнить сложные каналы охлаждения, оптимизировать конструкцию и снизить припуск на последующую обработку. Все вместе это значительно ограничивает потенциал разработки новой продукции и затрудняет выпуск новых моделей, увеличивает сроки выхода новинок на рынок и стоимость запуска в производство, что, в свою очередь, негативно сказывается на конкурентоспособности конечной продукции. Невозможность реализации наилучших расчетных конфигураций конструкции традиционными технологиями обусловливает снижение эксплуатационных характеристик продукции.

В последнее время для преодоления технологических ограничений и ускорения сроков проектирования и производства мировыми лидерами машиностроения активно применяются аддитивные технологии. Создание литейных форм с использованием методов послойного синтеза позволяет обойти технологические ограничения традиционных технологий и сократить технологическую цепочку, отказавшись от таких операций, как изготовление мастер-модели из металла или композитных материалов, изготовление литниковой системы и прибылей, формовка частей формы (установка мастер-модели и литниковой системы в опоку и засыпка смесью). Это позволяет сократить время производства и снизить стоимость формы на порядок. 

Для примера рассмотрим изготовление литейного стержня для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя различными методами (рис. 1). Как видно из приведенного примера, стоимость изготовления формы с использованием разрабатываемой технологии на три порядка меньше, чем по любой другой технологии. Такой экономический эффект достигается за счет того, что 3D-принтер создает литейную форму сразу по цифровой модели.  Цифровая модель литейной формы разбивается на слои и передается в 3D-принтер, в котором отвердитель наносится согласно цифровой модели литейной формы на предварительно подготовленный слой песчаной смеси. В результате работы в зоне построения создается отвержденная часть песчаной смеси, точно повторяющая цифровую модель.

Технологии печати, применяемые для производствалитейных форм

Для производства литейных форм методом послойной печати могут использоваться две технологии: струйная печать и спекание плакированного песка. 

Технология струйной печати для производства литейных форм была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT, US) в начале 1990-х годов и носит название Binder Jetting (BJ). Принцип технологии описан в пионерских патентах MIT под названием 3D printing techniques US5204055 от 20.04.1993, US5340656 от 23.08.1993, US5387380 от 07.02.1995. Технология BJ представляет собой процесс послойного синтеза, в котором жидкий связующий агент избирательно осаждается для соединения частиц порошка. Печатающая головка наносит связующий материал на слой порошка в соответствующих участках. Рабочая камера опускается, и затем наносится следующий слой порошка, в который вновь добавляется связующий состав. Технология имеет возможность печатать большие детали и зачастую более рентабельна, чем другие методы производства. 

Для реализации технологии BJ применяют силикатный песок преимущественно совместно с фурановым связующим. Силикатный песок – один из самых распространенных сортов песка в мире, он получается из кристаллов кварца. Он широко используется в том числе при создании пресс-форм и сердечников для промышленных отливок. Фурановое связующее представляет собой типичное связующее, не требует обжига, является традиционной основой в песчаных отливках, его использование не требует никаких изменений в литейном производстве. Причем напечатанные формы сразу доступны для литья. 

Также для печати могут использоваться керамические порошки, состоящие из силиката алюминия и обладающие отличными огнеупорными свойствами, высокой проницаемостью и низким тепловым расширением. Газы в них легко диспергируются, уменьшая потенциальную пористость при литье. Создание таких газопроницаемых форм, в том числе с применением керамики, описано в патенте EP1773559 от 18.04.2007 Gas permeable molds.  Формы, отпечатанные из таких керамических порошков, особенно рекомендуются для литья стальных сплавов или печатных сердечников, подверженных высоким термическим напряжениям.

Недостаток известного решения – необходимость применения большого количества связующего вещества и активатора для получения достаточной прочности формы. Это ведет к большему выделению вредных веществ в рабочую зону при построении формы и при заливке металла, увеличивает газовыделение, что, в свою очередь, приводит к появлению дефектов в отливке и увеличивает стоимость изготовления. 

Сравним технологию струйной печати при производстве литейных форм с технологией лазерного спекания плакированного песка. В данном случае печать осуществляется за счет спекания песчинок, покрытых тонкой оболочкой смолы. Как и в случае струйной печати, песок наносится последовательно слоями, а каждый слой обрабатывается лазерным лучом. Главными параметрами для сравнения следует выбрать скорость построения и себестоимость получаемых форм. По скорости построения лазерные машины сильно уступают струйным. При одинаковых размерах зон построения скорость печати лазером в 10 раз ниже, чем струйной, при толщине слоя, близкой к 200 мкм, что находится на грани возможностей технологии. Если толщина слоя будет в пределах 100 мкм, то скорость печати уменьшится еще больше и будет отставать от струйной печати почти в 20 раз. Таким образом, строить большие формы, размеры которых близки к метру или более, по этой технологии просто невозможно. 

Теперь сравним себестоимость формы, отбросив для простоты расчетов отчисления на амортизацию, стоимость рабочего времени и сопоставляя только стоимость песка. При струйной печати требования, предъявляемые к песку для печати, практически такие же, что и при классическом процессе с холоднотвердеющими смесями (ХТС). Практически это означает, что физико-химические свойства песка такие же, что при классическом процессе с ХТС. Однако к песку, используемому в принтерах, предъявляются более жесткие требования в плане однородности. Если при ручной формовке размеры песчинок и их форма не имеют значения, то при использовании песка в принтере следует использовать песок максимально однородный. Это требование критично для равномерного нанесения микроскопических слоев. Речь идет о толщинах в пределах 200–500 мкм. Очевидно, что при таких толщинах слоев размер песчинок становится соизмерим с толщиной слоя и следует использовать однородный песок для лучшего распределения частиц по объему слоев. Это требование несколько удорожает песок, применяемый в 3D-печати, по сравнению с используемым при ручной формовке, но средняя стоимость за тонну не превосходит 5 тысяч рублей. Стоимость же плакированного песка колеблется в пределах от 170 000 до 340 000 рублей за тонну в зависимости от марки песка. Таким образом, если сравнить стоимость плакированного и литейного песка для 3D-печати, то окажется, что плакированный песок дороже в 30–60 раз! Такая «космическая» стоимость плакированного песка делает производство литейных форм абсолютно не конкурентоспособным. Кроме того, в России такой песок не производится, что накладывает дополнительные риски, связанные с регулярностью поставок, даже если бы эта технология и получила свое применение.

Отечественные 3D-принтеры для литейных производств
Установки с большой рабочей зоной для одновременной печати нескольких однотипных форм позволяют применять технологию песчано-полимерной печати для производства серийных и крупносерийных партий деталей. Кроме того, использование данной технологии реализует переход к цифровому производству. 

На Западе технология для создания песчано-полимерных литейных форм развивается с 80-х годов XX века. Основными игроками на этом рынке являются компании ExOne и Voxeljet. Наряду с неоспоримыми достоинствами, машины этих фирм обладают и некоторыми недостатками, затрудняющими их проникновение на рынок: 
- высокое газовыделение при заливке металла с высокой температурой плавления в песчаные формы, что ограничивает использование установок при литье жаропрочных сталей и сплавов;
- стоимость оборудования, которая в зависимости от размера камер может колебаться от одного до нескольких миллионов евро;
- стоимость расходного материала и зависимость от его поставок. Отечественные материалы не могут заместить импортные в силу особенностей технологии, используемой в импортных установках.

Проанализировав эти недостатки импортных установок, мы задались целью создать отечественный принтер, который смог бы конкурировать с западными аналогами. С этой целью в 2015 году была создана компания «Аддитивные технологии». В 2016 году нами была разработана собственная технология послойной печати, на которую были поданы две патентные заявки и получен приоритет. В 2017 году мы собрали первый отечественный песчано-полимерный принтер АТ300. Он имел камеру построения 500 х 300 х 300 мм (XYZ) и обеспечивал рост слоя толщиной 3,2 см в час, что соответствовало  скорости построения 4800 куб. см в час, или 45 сек. на один слой по вертикали (координата Z). Скорость, прямо скажем, не высокая, но для первой модификации вполне подходящая. Запуск первой модели АТ300 позволил отточить все аспекты технологии, а также отработать систему управления печатью. 

Система состоит из двух основных блоков: управление приводами и управление непосредственно печатью (движение головок, впрыск связующего агента). Усовершенствования системы, полученные в результате опытных работ, позволили сократить время нанесения песка и печати одного слоя до 20 секунд, что обеспечивает рост 7,2 см в час. Мы предпочитаем говорить именно об абсолютной скорости роста по вертикальной оси, поскольку объем построения зависит от горизонтальных размеров камеры построения. Так, для одной и той же вертикальной скорости, скажем, 7,2 см в час мы получим разные значения для камер с разными горизонтальными размерами (XY) 300 х 500 и 700 х 700 мм. Соответствующие значения объемов построения в этом случае составят 10800 куб. см в час и 35200 куб. см в час, соответственно. Для еще больших размеров камер мы получим еще большие значения объемов при равной вертикальной скорости роста. Таким образом, к 2018 году нами была создана обновленная установка АТ300 с прежними линейными размерами 500 х 300 х 300 мм (XYZ), но значительно, более чем в два раза, ускоренная, обладающая скоростью построения 7,2 см в час, или 10800 куб. см в час. Эту установку мы продемонстрировали на выставке «Металлообработка-2018» (рис. 3).

Параллельно с работой над усовершенствованием АТ300 мы занимались созданием принципиально новой установки АТ700 (рис. 4). В основе работы АТ700, безусловно, лежат те же принципы, что и у АТ300, однако она имеет ряд коренных отличий от младшей модели. Во-первых, АТ700 оснащена системой автоматической подачи песка. Если АТ300 предполагает ручную засыпку песка в бункер построения после предварительного ручного смешивания с катализатором, то в АТ 700 песок подается автоматически в бункер замеса, где происходит впрыскивание катализатора и размешивание его в массе песка. Затем песок из бункера замеса автоматически подается в рабочий портал, который, двигаясь в горизонтальном направлении, обеспечивает послойное нанесение песка. Данный процесс повторяется, по мере того как заканчивается песок. 

Во-вторых, АТ700 предполагает сменный бункер построения. После окончания цикла печати бункер, в котором проводилось построение форм, можно выкатить, открыв боковые дверцы, а вместо него поставить новый пустой бункер и начать следующий цикл печати. Пока машина строит следующую партию форм, можно заняться выемкой и очисткой уже построенных форм. Это значительно экономит время и позволяет печатать формы практически непрерывно. 

В-третьих, АТ700 оснащена четырьмя головками вместо одной, как у АТ300, и для нее создана другая версия системы управления печатью. АТ700 обеспечивает вертикальную скорость печати 7,2 см в час, что соответствует 35200 куб. см в час. И в-четвертых, процесс печати на АТ700 также полностью автоматизирован. На входе мы имеем STL-файл, который загружается в компьютер принтера. Далее машина все делает автоматически: разбивает файл на слои, подает их на систему управления, определяет необходимое количество катализатора и смолы, время замеса песка и оптимизирует процесс построения. Управление принтером может осуществляться как с выносной консоли принтера, так и по удаленному доступу через Wi-Fi. 

На рисунке 4 представлена литейная форма для отливки гребного винта корабля, спроектированная специалистами государственной корпорации «ОСК» и отпечатанная на принтере АТ700. Процесс непосредственной печати формы позволяет сократить процесс изготовления формы и стоимость ее изготовления в несколько раз. 
Как выглядят стержни для формирования внутренних каналов охлаждения двигателя, смотрим на рисунке 5. Раньше требовалось изготавливать такие стержни вручную, что было очень трудоемкой и затратной задачей, и только потом использовать их при формовке. Теперь же можно отпечатать форму вместе со стержнями за один цикл печати. Отпечатанная форма для отливки блока головки цилиндров, в состав которой уже входят стержни, представлена на рисунке 6.

Можно без преувеличения утверждать, что АТ700 представляет собой уже серьезного конкурента как для VoxelJet, так и для ExOne. Благодаря тому, что наши принтеры на 90% состоят из отечественных комплектующих, их стоимость в несколько раз ниже импортных аналогов. Кроме того, использование отечественных расходных материалов позволяет добиться себестоимости форм в пределах 100 рублей за килограмм или даже меньше при условии оптимальной заполняемости камеры построения. 

К настоящему времени нашей компанией разработана линейка отечественных принтеров для производства песчано-полимерных форм, насчитывающая четыре модели: АТ300, АТ700, АТ1000 и АТ2000. Номер модели коррелирует с размером камеры построения. Модель АТ300 имеет размеры XYZ 500 х 300 х 300 мм, модель АТ700 – 700 х 700 х 450 мм, модель АТ1000 – 1000 х 1000 х 450 мм, модель АТ2000 – 2000 х 2000 х 700 мм. Все модели имеют примерно одинаковую скорость построения по вертикали, колеблющуюся в пределах 7–9 см, что обеспечивает объем построения до 250000 куб. см в час у старших моделей. В процессе создания установок мы разработали ряд ноу-хау. Владельцем всех прав как на разрабатываемую установку, так и на технологию (патенты) является компания «Аддитивные технологии». Интеллектуальная собственность включает в себя:
- собственную технологию изготовления песчано-полимерной смеси;
- собственную конструкцию блока управления головками и механикой;
- собственное программное обеспечение и систему управления;
- собственную конструкцию блока нанесения песка;
- собственный модуль подготовки песчаной смеси.

В сентябре 2018 года наша компания выиграла тендер на производство и поставку песчано-полимерного принтера АТ1000 на Магнитогорский металлургический комбинат. В тендере принимали участие дистрибьютор компании VoxelJet, производящей аналогичные принтеры, а также несколько компаний, продвигающих на рынке технологию печати литейных форм из плакированного песка. На первом этапе тендера, по сути, проходил выбор технологии путем сравнения основных параметров: скорости построения и себестоимости форм. Поскольку технология спекания плакированного песка отстает по скорости построения от песчано-полимерной технологии более чем в 10 раз, а стоимость тонны плакированного песка почти в 30 раз дороже стоимости песка, применимого для BJ, то выбор естественным образом пал на технологию послойной полимеризации, лежащую в основе наших принтеров. Сравнение остальных технико-экономических параметров обеспечило нашей компании победу в тендере.

На основе проведенного нашей компанией маркетингового исследования ведущих предприятий (консультации с главными технологами, директорами по инновационному развитию, техническими директорами), имеющих постоянную потребность в литье, можно сделать вывод, что в настоящее время многие предприятия проводят реконструкцию литейного производства, ориентируясь на новые технологические процессы, материалы и перспективное оборудование. Основной целью реконструкции является расширение объемов производства, повышение качества продукции до уровня, отвечающего современным требованиям заказчика, снижение сроков производства и себестоимости продукции, а также улучшение экологической ситуации и условий труда. 

С учетом активно реализуемых программ технического перевооружения промышленных предприятий ОПК с ориентацией на отечественные технологии и сырьевую базу можно прогнозировать высокий платежеспособный спрос. Общий объем программ технического  перевооружения на предприятиях ОПК превышает 1 трлн рублей. Также предполагается наличие спроса и у небольших предприятий, ориентирующихся на мелкосерийное производство литьевых изделий, и инжиниринговых компаний, разрабатывающих конструкции литьевых изделий и литьевой оснастки. Предлагаемая технология позволит им сократить издержки и сроки разработки.

С целью популяризации технологии и предоставления сравнительных данных заинтересованным предприятиям мы проводим демонстрации работы нашего оборудования на своей площадке в Санкт-Петербурге. Мы также производим тестовую печать различных образцов песчаных форм, которые заказчик может протестировать у себя на заводе, проведя соответствующие испытания и отливки и сравнив полученные изделия с изделиями, выполненными на импортном оборудовании. Сейчас печать осуществляется на двух установках на нашей площадке в Санкт-Петербурге –  АТ300 и АТ700. Мы отпечатали формы для тестирования для «Балтийского завода», авиационной корпорации «Рубин», «КамАЗ», «ММК», НПО «Электромашина», «КУЛЗ», госкорпорации «Росатом» и ряда других компаний и холдингов. Помимо тестовых форм, мы обеспечиваем выполнение заказов по печати литейных форм. На сегодняшний день есть подтвержденные положительные результаты отливок в наши формы сталей, чугуна, магния, латуни, бронзы. 

Мы также заключили дилерское соглашение с компанией «Современное оборудование», входящей в группу копаний «Солвер», и подписали партнерское соглашение о сотрудничестве в области развития аддитивных технологий в России. Наши компании будут вести совместную маркетинговую деятельность и осуществлять внедрение продукции «Аддитивных технологий» на российских предприятиях.

Немаловажным моментом при принятии решения потенциальным заказчиком о приобретении оборудования является наличие у производителя оборудования соответствующих производственных мощностей. Наращивание объема продаж требует соответственного увеличения производственных мощностей, что влечет за собой  огромные финансовые затраты и увеличивает финансовые риски. Поэтому мы выбрали основной производственной стратегией контрактное производство. Нами заключен лицензионный договор с компанией Zias Machinery (г. Барнаул), имеющей опыт в производстве подобного вида оборудования и необходимые производственные мощности и кадры для производства принтеров по лицензии «Аддитивного производства». Это позволит нам избежать нежелательных финансовых затрат на создание производства и сконцентрироваться на основных наших компетенциях – разработке оборудования и его модификации.

Версия для печати
Авторы: Денис Бычковский, к. ф.-м. н., генеральный директор, Александр Неткачев, технический директор ООО «Аддитивные технологии» (add-technology.com)
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: