Технические науки/ 8.Обработка материалов в машиностроении

Кабалдин Ю.Г., Колчин П.В.

Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е. Алексеева, Россия, E-mail: Uru.40@mail.ru

Электродуговая наплавка плавящимся электродом с использованием метода трехмерной печати при производстве деталей из металлов на станках с ЧПУ

Нами разработана технология производства заготовок с использованием 3D печати при помощи сварочного аппарата и станка с ЧПУ с последующей механической обработкой формируемой детали. Таким образом, основа предлагаемой технологии – станок-принтер, который обладает одним, очень важным преимуществом, это доступный аппаратно-программный комплекс, который дает возможность реализовать 3D печать с механической обработкой на уже имеющемся на предприятии оборудовании (станках с ЧПУ). При этом, в отличие от оборудования существующего аналога – DMG lasertec 3D [1], полное объединения станка и сварочного аппарата в единое целое не требуется. Структура интеграции системы станок-принтер для разработанной технологии схематично представлена на рис. 1а. Суть технологии заключается в следующем. За счет приспособления, установленного в шпиндель станка, на металлорежущее оборудование устанавливается сварочная головка, а переведенная в G-код программа печати встраивается как цикл в программу механической обработки, и станок, используя сварочную головку в качестве дополнительного инструмента, производит печать детали, при необходимости заменяя ее на режущий инструмент и выполняя окончательную обработку. Данная система лишена недостатка неполного использования оборудования, т.к. компоненты могут применяться как вместе, так и по отдельности, в качестве только сварочного аппарата и металлорежущего станка. Если оценивать качество получаемых деталей, то предлагаемый комплекс обладает таким же недостатком, что и аналог, а именно: неоднородностью материала, проблема в этом случае решается применением последующей термообработки.

Для оценки эффективности разрабатываемого комплекса проанализированы данные по производительности и затратам 3Dпечати по технологии LENS и электродуговой наплавке, которые отражены в таблице 1.

Таблица 1

Данные по производительности и затратам на LENS печать и наплавку

Показатель	Станок с интегрированным 3D принтеромLENS	Программно-аппаратный комплекс, встраиваемый в станок с ЧПУ
Производительность, кг/ч	1 – 2	1 – 15
Стоимость, руб/см^3	400 – 680	100 – 200
Стоимость, руб/гр	50 – 86,5	12,5 – 25

Из таблицы 1 следует, что производительность у электродуговой наплавки выше чем у LENS в 2-3 раза, при этом затраты на наплавку ниже на 50 – 60%. Из этого можно сделать вывод, что при условии равных затрат на механическую обработку напечатанных изделий, при использовании электродуговой наплавки себестоимость получаемого продукта будет существенно ниже, при этом затраченное на его производство время будет так жеменьше, чем у рассматриваемого аналога.

Следует отметить, что до 2014 года, ставшее уже обычным, производство деталей на станках с ЧПУ, и, набирающее популярность направление 3D печати, развивались достаточно самостоятельно практически не пересекаясь, за исключением отдельных частных разработок, не получивших достаточной распространенности. 3D печать с момента своего появления во второй четверти 20 века прошла достаточно большой путь и уже в наше время позволяет производить изделия малыми партиями не только из фотополимерных смол, пластика или полимерного гипса, но и из более востребованных в производстве материалов, а именно из металла. Появились такие технологии как SLS – селективное лазерное спекание, EBM – электронно-лучевое спекание порошковых металлов, EBF³ – электроно-лучевая наплавка проволоки, LENS – лазерная наплавка порошковых металлов. Но все они в той или иной степени сохранили два значительных недостатка – точность изделия и структурная неоднородность материала после печати.

Не теряет актуальности и тематика электродуговой наплавки. В 2013 году студенты Мичиганского технологического университета [2] решили сконструировать относительно доступный 3D-принтер, работающий с металлом, а именно использовать в принтере сварочный аппарат, который бы наплавлял деталь из применяемой при сварке проволоки. Однако на сегодняшний момент информации о результатах испытаний в данном направлении отсутствует. Возможно, что это связано с низкой точностью получаемых изделий и значительной распространенностью других методов 3D печати.

В качестве аналога для нашего аппаратно-программного комплекса выступает анонсированный в 2014 году, а в 2015 году представленный публике новый пятиосевой металлорежущий станок DMG lasertec 3D компании DMG (структура интеграции системы станок-принтер по данному принципу схематично представлена на рис. 1б), обладающий функцией 3D печати на станке, использующий в своей основе LENS технологию. Отдельно необходимо обозначить технические моменты системы станок-принтер аналога, а именно: в отличие от обычного 3D принтера, получаемые изделия лишены недостатка в точности за счет механической обработки поверхностей деталей. Так же за счет использования LENS технологии частично решена проблема структурной неоднородности производимых деталей, потому что при данном способе получаются наиболее качественные изделия, чем при иных методах 3D печати, а дополнительная термообработка устраняет оставшиеся структурные недостатки.

б)

Рис. 1. Подходы к интеграции 3Dпринтера с металлорежущим станком

а – по разрабатываемой технологии; б – по технологии аналога

Однако описанное выше оборудование и, по-видимому, и его последующие модификации и аналоги, будут обладать тремя существенными недостатками. Первый недостаток - это стоимость, исчисляемая от десятков миллионов до сотен миллионов рублей. Второй недостаток – все производство целиком таким оборудованием перевооружить нельзя, т.к. его рационально применять только в определенных условиях и на определенных деталях. В ином случае легче и быстрее изготовить детали привычными способами не прибегая к высоким технологиям. И третий недостаток – поскольку предлагаемая технология основывается на системе типа станок-принтер, то может сложиться ситуация, что оборудование будет использоваться не полностью, а, следовательно, применение его будет не выгодно. Это может произойти при условии, что появится потребность только в печати, или только в механообработке.

С технологией 3D печати на станке коренным образом меняется и производственная цепочка. Происходящие изменения отражены в виде схемы, изображенной на рис. 2.

Рис. 2. Подходы к изготовлению деталей

Из рис.2 видно, что в предлагаемой технологии на входе станка находится уже не заготовка в виде поковки, отливки или проката, а сырье в виде порошка или проволоки. На выходе получается деталь с требуемыми параметрами. Из этого следует, что при производстве определенной номенклатуры деталей могут исчезнуть некоторые производства, а именно: штамповое, литейное и заготовительное. Таким образом, описанная технология по интеграции 3D принтеров и металлорежущего оборудования обладает большими перспективами в будущем, что сделает производство более мобильным и ориентированным на конкретного покупателя.

Литература:

1. ALL IN 1: Laser Deposition Welding and Milling. LASERTEC 65 3D, Additive Manufacturing, Laser Deposition Welding & Milling, LASERTEC integration in DMG MORI machines.

(http://ru.dmgmori.com/blob/334060/ca4dd739aa0a0e367d40ead23f53c9f8/pl1uk14-lasertec-65-3d-pdf-data.pdf, дата обращения: 11.06.2015)

2. A Low-Cost Open-Source Metal 3-D Printer / Gerald C. Anzalone, Chenlong Zhang, Bas Wijnen, Paul G. Sanders, and Joshua M. Pearce / Department of Materials Science and Engineering, Michigan Technological University, Houghton, MI 49931, USA. Department of Materials Science and Engineering and the Department of Electrical and Computer Engineering, Michigan Technological University, Houghton,MI 49931, USA / IEEE Access, volume 1, 2013.

(https://www.academia.edu/5327317/A_Low-Cost_Open-Source_Metal_3-D_Printer, дата обращения: 20.07.2015)