ИСПОЛЬЗОВАНИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИЙСКОМ АВТОМОБИЛЕСТРОЕНИИ

АННОТАЦИЯ

В статье представлен анализ аддитивных технологий, используемых в отечественном и зарубежном автомобилестроении. Раскрыты преимущества их внедрения в производство перед традиционными технологиями.

ABSTRACT

The article presents an analysis of additive technologies used in the domestic and foreign automotive industry. The advantages of their introduction into production over traditional technologies are revealed.

Ключевые слова: аддитивные технологии, автомобилестроение.

Keywords: additive technologies, automotive industry.

Аддитивные технологии (Additive Manufacturing – от слова аддитивность – прибавляемый) - это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3D технологий [1].

Данные технологии являются инновационными технологиями в 21-ом веке и постепенно внедряются в такие отрасли как машиностроение, строительство, сельскохозяйственная промышленность, автомобилестроение и так далее. Российские автомобилестроители постепенно внедряют в производство элементы аддитивных технологий.

Первый трёхмерный принтер был изобретён и запатентован американцем Чарльзом Халлом в 1986 году. Он основывается на технологии лазерной стереолитографии (SLA - Laser Stereolithography) - одной из множеств технологий, придуманных к 21ому веку.

Принцип работы этой технологии заключается в воздействии лазера, УФ или ИК на фотополимер (жидкость). В результате чего, жидкость преобразуется в достаточно твёрдый пластик.

Сверху в полимер зануривается на заданной платформе, далее луч проходит по слою жидкости под платформой, что приводит к затвердению и прилипанию его к платформе, таким образом, происходит создание одного слоя. В результате повторения такой процедуры множество раз образуется необходимый макет [2].

В настоящее время активно внедряются в зарубежном автомобилестроении следующие технологии:

• SLA (Laser Stereolithography) - лазерная стереолитография;
• SLS (Selective Laser Sintering) - селективное лазерное спекание;
• SLM (Selective Laser Melting) - селективное лазерное плавление;
• FDM (Fused Deposition Modeling) - метод послойного наплавления;
• DED (Directed Energy Deposition) - лазерная наплавка;
• EBM (Electron Beam Manufacturing) - электронно-лучевая плавка.

Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки, но один недостаток присущ каждой – это высокая стоимость.

Рассмотрим более подробно каждые методы:

SLA (Laser Stereolithography) - лазерная стереолитография была рассмотрена ранее. Примером использования данной технологии является компания ProtoFab (Китай), которая методом стереолитографии изготовила концепт-кар SKANDA.

SLS (Selective Laser Sintering) - селективное лазерное спекание технологиями

Технологический процесс образования модели очень близок по принципу работы с предыдущим. Основным различием является отсутствие возможного самостоятельного распределения порошка. Поэтому данную задачу выполняет специальный валик, который равномерно распределяет порошок по поверхности объекта [2].

Имеет важное достоинство – это безотходность производства материала, так как весь порошок, который был удалён, с детали во время чистки, возможно заново использовать в дальнейшем.

Примером использования селективного лазерного спекания является компания Namitech. Данная фирма реализовывала проект «BMW Motorrad 2.0», при котором ставилась задача производства компонентов для прототипа мотоцикла BMW G310 T.

SLM (Selective Laser Melting) - селективное лазерное плавления

Новаторская технология изготовления деталей из металлических порошков, которая находит своё применение в различных отраслях начиная медициной и заканчивая ювелирным делом.

Подаваемый на 3D-принтер металлический порошок полностью расплавляется, что на выходе преобразуется в однородное сырьё.

Этот процесс заключается в последовательном послойном расплавлении порошкового материала посредством мощного лазерного излучения. SLM открывает перед современными производствами широчайшие возможности, так как позволяет создавать металлические изделия высокой точности и плотности, оптимизировать конструкцию и снизить вес производимых деталей [3].

Примером использования данной технологии является совместный проект EDAG, Центра аддитивного производства Voestalpine и Simufact, который изготовил активную петлю двигателя LightHinge+, сумев обеспечить снижение массы готового изделия на 52% по сравнению с деталью из листового металла.

FDM (Fused Deposition Modeling) - метод послойного наплавления технологиями

Пластиковая нить в начале работы находится в виде смотанной катушки, которая в дальнейшем разматывается и подаётся в экструдер – устройство, оснащенное механическим приводом для подачи нити, нагревательным элементом для плавки материала и соплом, через которое осуществляется непосредственно экструзия. Нагревательный элемент служит для нагревания сопла, которое в свою очередь плавит пластиковую нить и подает расплавленный материал на строящуюся модель [4]. Как правило, верхняя часть сопла для создания резкого градиента температур – поддаётся охлаждению, которая необходима для обеспечения плавной подачи материала.

Технология FDM отличается высокой гибкостью, но имеет определенные ограничения. При проектировке модели с большими углами наклона необходимо использовать искусственные опоры, которые принтер создаёт одновременно основной модели.

Данную технологию используют для изготовления различных оснасток и пресс-форм.

DED (Directed Energy Deposition) - лазерная наплавка

Промышленные масштабы имеют мощности, для использования лазерных лучей, которые способны сплавлять металлический порошок. Данная технология похожа на FDM, только вместо обычного пластика используется металл.

В данном методе металлический порошок медленно выходит из экструдера и осаждается послойно на объекте с помощью промышленного манипулятора.

Обычно это делается внутри закрытой камеры, однако, недавний проект MX3D реализовал аналогичный подход к 3D-печати в сооружении настоящего полноразмерного моста [5].

EBM (Electron Beam Manufacturing) - электронно-лучевая плавка

Данная технология является методом быстрого производства. В основе технологии лежит использование электронных пучков высокой мощности для сплавки металлического порошка в вакуумной камере с образованием последовательных слоев, повторяющих контуры цифровой модели [6]. Данный метод похож на селективное лазерное плавление (SLM). Отличие заключается в использование источников энергии для плавки. Электронно-лучевая плавка (EBM) использует электронные излучатели вместо лазеров.

Процесс начинается с момента считывания трехмерной модели. Плавка производится в вакуумных камерах, что предоставляет возможность работать с более чувствительными к оксидации материалами.

Также как и в селективном лазерном плавлении (SLM), электронно-лучевая плавка (EBM) не требует обжигания напечатанных изделий.

Технология нашла большое применение в медицине (производство имплантатов) и в аэрокосмической отрасли (детали реактивных и ракетных двигателей).

Технологии современного автомобилестроения требуют точности и не отстают от развития научно-технического прогресса, поэтому в данной отрасли имеют большую перспективу, так как быстрота и качество изделий может использоваться в премиальном сегменте и также в автоспорте на ранней стадии внедрения электронно-лучевой плавки (EBM) в автомобильную промышленность.

Материалы

Лазерная стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS), метод послойного наплавления (FDM) широко используют два вида пластика - ABS и PLA.

ABS – имеет низкую температуру стеклования и достаточную ударопрочность. Материал используется для печати простых прототипов.

PLA – является органическим пластиком с низкой температурой плавления и высоким удержанием формы модели в процессе печати. Недостатком является невозможность полировки изделия ацетоном.

Селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM), лазерная наплавка (DED), электронно-лучевая плавка (EBM) способны использовать металлические порошки из:

• Титана (Ti64 или TiAl4V) – достаточно инертный порошок, используется из-за своей лёгкости и одновременно высокой прочности;
• Нержавеющей стали (SS) – тип стального сплава с кобальтом и никелем для увеличения упругости, прочности на разрыв и жаропрочности;
• Инконеля (Inconel) – запатентованный сплав компании Special Metals Corporation. Состоит из никеля и хрома. Имеет высокую жаропрочность;
• Алюминия (Al) – инертный порошок, используемый в среде Аргона. Лёгкий и универсальный материал.

Представленный обзор позволяет сделать вывод, что при внедрении аддитивных технологий в Российское автомобилестроение возможно добиться следующие улучшения:

• возникнет улучшение качества при этапах моделирования и проектирования автомобилей;
• произойдёт сокращение потребления времени и ресурсов на этапах моделирования и проектирования автомобилей;
• представиться возможность изготовления более сложных деталей, которые посредством элементарного литья, штамповки и так далее, нет возможности для изготовления;
• при массовом производстве автомобильных деталей возникнет резкая окупаемость дорогостоящего оборудования, что позволит быстро перейти на прибыль;
• автоспорт будет тесно сотрудничать с автомобильными заводами, так как появиться возможность изготавливать лёгкие и прочные комплектующие как для силовых агрегатов, так и для кузова, без сложных подготовительных работ;
• Российское автомобилестроение выйдет на уровень мировых лидеров в данных разработках, что позволит сотрудничать с выдающимися концернами.

Список литературы:

1. Аддитивные технологии – что это такое и где применяются [Электронный ресурс] https://old.sk.ru/news/b/press/archive/2019/09/18/additivnye-tehnologii-_1320_-chto-eto-takoe-i-gde-primenyayutsya.aspx/ Режим доступа: свободный (дата обращения с 01.02.2021 по 8.02.2021).
2. Основные методы и виды 3D печати. [Электронный ресурс] https://www.2d-3d.ru/opisanie-programm/1536-osnovnye-metody-3d-pechati.html Режим доступа: свободный (дата обращения с 01.02.2021 по 8.02.2021).
3. Технология селективного лазерного плавления (SLM). [Электронный ресурс] https://blog.iqb.ru/slm-technology/ Режим доступа: свободный (дата обращения с 01.02.2021 по 8.02.2021).
4. Моделирование методом послойного наплавления (FDM). [Электронный ресурс] https://3dtoday.ru/wiki/FDM_print/ Режим доступа: свободный (дата обращения с 01.02.2021 по 8.02.2021).
5. 3D-печать металлами. [Электронный ресурс] https://3dtoday.ru/blogs/top3dshop/3d-printing-metals/#comment-180352 Режим доступа: свободный (дата обращения с 01.02.2021 по 8.02.2021).
6. Электронно-лучевая плавка (EBM). [Электронный ресурс] https://3dtoday.ru/wiki/EBM_print/ Режим доступа: свободный (дата обращения с 01.02.2021 по 8.02.2021).