20 ноября 2020
Кейс: Как обосновать целесообразность и внедрить 3D-печать на машиностроительном предприятии. Пошаговая инструкция на примере АО "ОСК"
Станислав Козин
Генеральный директор
ООО "Титан-Авангард" завершили для АО "Объединенная Судостроительная Корпорация" (АО "ОСК") опытно-технологические работы (ОТР) по теме: «Разработка технологии и изготовление опытных изделий методами аддитивных технологий (АТ)». Срок выполнения работ составил 360 дней. Выбранная АТ - SLM. Материал - титановый сплав ПТ-3В.
По шагам рассказываем, зачем им это, и что именно мы делали.
По шагам рассказываем, зачем им это, и что именно мы делали.
АО "ОСК" — крупнейшая судостроительная компания России. Включает в себя около 40 проектно-конструкторских бюро, верфей, судоремонтных и машиностроительных предприятий. Как и все крупнейшие промышленники, АО "ОСК" рассматривают вопрос внедрения АТ. Но в отличии от большинства государственных предприятий, "судостроители" вместо приобретения дорогостоящих 3D-принтеров и строительства у себя аддитивных участков для испытаний, идут поэтапным "прощупыванием" новой для них технологии и заключают небольшие договоры на выполнения опытно-технологических работ (ОТР).
В ходе этих работ АО "ОСК" передают подрядчику исходные данные изделий, которые требуется изготовить методом АТ: чертежи, 3D-модели, описание работы и требования к свойствам, а Подрядчик должен собственными силами адаптировать 3D-модели под изготовление методом АТ и на практике доказать экономическую эффективность от перевода изготовления с традиционных способов на любой из вариантов 3D-печати и провести полный спектр сопутствующих испытаний напечатанных изделий.
Основная цель работ: Разработка технологии, позволяющей сократить сроки и стоимость изготовления изделий судового машиностроения.
В качестве образца было выбрано изделие типа "Колесо", а в качестве подрядчика - наша компания AddSol. Материал: титановый сплав ПТ-3В по ГОСТ 19807-91.
В ходе этих работ АО "ОСК" передают подрядчику исходные данные изделий, которые требуется изготовить методом АТ: чертежи, 3D-модели, описание работы и требования к свойствам, а Подрядчик должен собственными силами адаптировать 3D-модели под изготовление методом АТ и на практике доказать экономическую эффективность от перевода изготовления с традиционных способов на любой из вариантов 3D-печати и провести полный спектр сопутствующих испытаний напечатанных изделий.
Основная цель работ: Разработка технологии, позволяющей сократить сроки и стоимость изготовления изделий судового машиностроения.
В качестве образца было выбрано изделие типа "Колесо", а в качестве подрядчика - наша компания AddSol. Материал: титановый сплав ПТ-3В по ГОСТ 19807-91.
Что от нас ждал Заказчик в конце работы:
- Перепроектировать Изделие с учетом реальных нагрузок, воспринимаемых Изделием, применив бионический дизайн, пустотелые стенки и сетчатые структуры.
- Полностью описать технологический процесс изготовления Изделия методом АТ с постобработкой, для достижения требований конструкторской документации.
- Научно технический отчет по ГОСТ 7.32-2017
- Передать образцы изделия типа "Колесо" (2 шт), по характеристикам соответствующие требованиям конструкторской документации.
- Провести полный комплекс исследований порошка, тестовых образцов при отладке режимов , а также готовых напечатанных изделий "Колесо" в учреждениях, обладающими государственными лицензиями на осуществление исследований: химический состав по ГОСТ 19807-91, микротвёрдость по ГОСТ 9450-76, прочностные и пластические характеристики по ГОСТ 1497-84, удельную плотность (пористость) по ГОСТ 20018 74, массовые доли кислорода по ГОСТ 28052-97, углерода, водорода и азота по ГОСТ 17745-90, влияние режимов термической обработки и горячего изостатического прессования (ГИП).
- Разработать и согласовать программу и методику испытаний.
- Пройти итоговые стендовые испытания вместе с Изделиями, изготовленными традиционными способами, так как данные Изделия устанавливает на атомные подводные лодки.
- И да, все представляемые документы должны быть оформлены по ГОСТ 2.105-95.
Исходное изделие типа "Колесо" (диаметром 220 мм), изображено на фото ниже:
- Перепроектировать Изделие с учетом реальных нагрузок, воспринимаемых Изделием, применив бионический дизайн, пустотелые стенки и сетчатые структуры.
- Полностью описать технологический процесс изготовления Изделия методом АТ с постобработкой, для достижения требований конструкторской документации.
- Научно технический отчет по ГОСТ 7.32-2017
- Передать образцы изделия типа "Колесо" (2 шт), по характеристикам соответствующие требованиям конструкторской документации.
- Провести полный комплекс исследований порошка, тестовых образцов при отладке режимов , а также готовых напечатанных изделий "Колесо" в учреждениях, обладающими государственными лицензиями на осуществление исследований: химический состав по ГОСТ 19807-91, микротвёрдость по ГОСТ 9450-76, прочностные и пластические характеристики по ГОСТ 1497-84, удельную плотность (пористость) по ГОСТ 20018 74, массовые доли кислорода по ГОСТ 28052-97, углерода, водорода и азота по ГОСТ 17745-90, влияние режимов термической обработки и горячего изостатического прессования (ГИП).
- Разработать и согласовать программу и методику испытаний.
- Пройти итоговые стендовые испытания вместе с Изделиями, изготовленными традиционными способами, так как данные Изделия устанавливает на атомные подводные лодки.
- И да, все представляемые документы должны быть оформлены по ГОСТ 2.105-95.
Исходное изделие типа "Колесо" (диаметром 220 мм), изображено на фото ниже:
1. Доработка 3D-модели изделия под изготовление методом АТ
На первом этапе, помимо оформления научно-технического отчета по ГОСТ 7.32-2017, требовалось доработать 3D-модель "Колеса" для возможности изготовления аддитивными технологиями, а также для сокращения стоимости. Сперва наши инженеры провели расчет на прочность и смоделировали все нагрузки, которые испытывает изделие в процессе работы (жизненного цикла). Это позволило нам сократить металлоемкость и применить все основные недостижимые для других технологий возможности АТ. А именно: полые и сетчатые структуры, бионический дизайн. На фото ниже приведены скриншоты процесса моделирования.
Что было сделано:
Снижение массы изделия с 2,42 кг до 0,73 кг достигнуто за счет применения топологической оптимизации изделия с использованием ячеистой структуры и полых объемов (рис.1, 2). Также в данном варианте изделия было оптимизировано:
1.1 Уменьшение диаметра ступицы с 80 мм до 55 мм;
1.2 Уменьшение количества лопаток с 8 до 7 единиц без изменения их профиля;
1.3 Создание внутренней полости лопаток, разделённой двумя ребрами жесткости;
1.4 Уменьшение количества отверстий для крепления изделия к ответной детали с 8 до 4 ед.;
1.5 Изменение конструкции внешнего обода с цилиндрического исполнения на исполнение типа «звезда» (без металлоёмких участков);
1.6 Увеличение длины лопаток с 21 мм до 50 мм за счет п. 1.1 и за счет уменьшения толщины внешнего обода крепления лопаток с учетом п. 1.2 без изменения их профиля;
1.7 Объединение 18 разнотипных деталей и подсборок в одно конечное изделие;
1.8 Применение ячеистой структуры для уменьшения массы при сохранении требуемых прочностных характеристик, заданных для условий эксплуатации.
На первом этапе, помимо оформления научно-технического отчета по ГОСТ 7.32-2017, требовалось доработать 3D-модель "Колеса" для возможности изготовления аддитивными технологиями, а также для сокращения стоимости. Сперва наши инженеры провели расчет на прочность и смоделировали все нагрузки, которые испытывает изделие в процессе работы (жизненного цикла). Это позволило нам сократить металлоемкость и применить все основные недостижимые для других технологий возможности АТ. А именно: полые и сетчатые структуры, бионический дизайн. На фото ниже приведены скриншоты процесса моделирования.
Что было сделано:
Снижение массы изделия с 2,42 кг до 0,73 кг достигнуто за счет применения топологической оптимизации изделия с использованием ячеистой структуры и полых объемов (рис.1, 2). Также в данном варианте изделия было оптимизировано:
1.1 Уменьшение диаметра ступицы с 80 мм до 55 мм;
1.2 Уменьшение количества лопаток с 8 до 7 единиц без изменения их профиля;
1.3 Создание внутренней полости лопаток, разделённой двумя ребрами жесткости;
1.4 Уменьшение количества отверстий для крепления изделия к ответной детали с 8 до 4 ед.;
1.5 Изменение конструкции внешнего обода с цилиндрического исполнения на исполнение типа «звезда» (без металлоёмких участков);
1.6 Увеличение длины лопаток с 21 мм до 50 мм за счет п. 1.1 и за счет уменьшения толщины внешнего обода крепления лопаток с учетом п. 1.2 без изменения их профиля;
1.7 Объединение 18 разнотипных деталей и подсборок в одно конечное изделие;
1.8 Применение ячеистой структуры для уменьшения массы при сохранении требуемых прочностных характеристик, заданных для условий эксплуатации.
2. Отладка режимов технологии аддитивного производства детали
После приобретения порошка титанового сплава ПТ-3В фракции 10 - 53 мкм, мы приступили к длительному и трудоемкому процессу подбора оптимального режима сплавления. Под режимом мы понимаем не только сочетание скорости и мощности излучения, подаваемого на слой, а также и стратегии штриховки, задержки, смещения для различных слоев и частей детали, так как в спроектированном изделии одновременно использованы как длинные сплошные участки, так и огромное количество сетчатых структур и нависающих частей. Мы напечатали, разрезали и порвали несколько сотен образцов, внесли изменения в программное обеспечение для более полного контроля требуемых параметров, пока не подобрали подходящие сочетания параметров.
После приобретения порошка титанового сплава ПТ-3В фракции 10 - 53 мкм, мы приступили к длительному и трудоемкому процессу подбора оптимального режима сплавления. Под режимом мы понимаем не только сочетание скорости и мощности излучения, подаваемого на слой, а также и стратегии штриховки, задержки, смещения для различных слоев и частей детали, так как в спроектированном изделии одновременно использованы как длинные сплошные участки, так и огромное количество сетчатых структур и нависающих частей. Мы напечатали, разрезали и порвали несколько сотен образцов, внесли изменения в программное обеспечение для более полного контроля требуемых параметров, пока не подобрали подходящие сочетания параметров.
3. Исследование влияния различных режимов термообработки и ГИП на результаты 3D-печати
Для выбранных образцов на разрыв мы произвели дополнительные исследования на разных режимах термообработки и применили технологию горячего изостатического прессования (ГИП). Были выявлены определённые закономерности изменения прочностных и пластических характеристик, микротвердости и результаты исследований предоставлены Заказчику в составе научно-технического отчета.
Для выбранных образцов на разрыв мы произвели дополнительные исследования на разных режимах термообработки и применили технологию горячего изостатического прессования (ГИП). Были выявлены определённые закономерности изменения прочностных и пластических характеристик, микротвердости и результаты исследований предоставлены Заказчику в составе научно-технического отчета.
4. 3D-печать титаном ПТ-3В опытных образцов Изделия и подтверждение свойств
После выбора режимов, мы произвели 3D-печать опытных оптимизированных Изделий "Колесо" на нашем отечественном 3D-принтере AddSol D250 с образцами-представителя для проведения анализа. Первые образцы сразу отправились на исследование в лабораторию, где из них "вырезали", в согласованных с Заказчиком местах, несколько фрагментов, по которым должны были подтвердить идентичность физико-механических свойств между:
1) образцами выбранного режима, напечатанных на этапе отладке режима
2) образцами-представителями, печатанными рядом с Изделием
3) фрагментами "Колеса", извлечённые из разных частей напечатанного Изделия
После выбора режимов, мы произвели 3D-печать опытных оптимизированных Изделий "Колесо" на нашем отечественном 3D-принтере AddSol D250 с образцами-представителя для проведения анализа. Первые образцы сразу отправились на исследование в лабораторию, где из них "вырезали", в согласованных с Заказчиком местах, несколько фрагментов, по которым должны были подтвердить идентичность физико-механических свойств между:
1) образцами выбранного режима, напечатанных на этапе отладке режима
2) образцами-представителями, печатанными рядом с Изделием
3) фрагментами "Колеса", извлечённые из разных частей напечатанного Изделия
5. 3D-печать Изделия с образцами-представителями, механическая обработка
После успешного прохождения этапа исследований вырезанных фрагментов, мы приступили к печати итоговых образцов оптимизированного изделия "Колесо". После печати, изделие отправили последовательно на следующие мероприятия:
1) Предварительный контроль геометрических параметров;
2) Термообработка для снятие внутренних напряжений;
3) Отделение от платформы построения и удаление поддержек; Отправка в лабораторию образцов-представителей.
4) Токарная обработка посадочных размеров и механическая обработка лопаток для достижения заданной шероховатости;
5) Контроль геометрических параметров;
6) Сдача заказчику;
7) Оформление отчета;
После успешного прохождения этапа исследований вырезанных фрагментов, мы приступили к печати итоговых образцов оптимизированного изделия "Колесо". После печати, изделие отправили последовательно на следующие мероприятия:
1) Предварительный контроль геометрических параметров;
2) Термообработка для снятие внутренних напряжений;
3) Отделение от платформы построения и удаление поддержек; Отправка в лабораторию образцов-представителей.
4) Токарная обработка посадочных размеров и механическая обработка лопаток для достижения заданной шероховатости;
5) Контроль геометрических параметров;
6) Сдача заказчику;
7) Оформление отчета;
6. Итоги выполнения ОТР компанией AddSol на 3D-принтере собственной разработки.
Результат ОТР показал эффективность внедрения АТ, в частности SLM печати металлом, позволив значительно сократить материалоемкость изделия и срок изготовления. Испытания показали полное соответствие традиционному способу производства. Безусловно это не для всех деталей подойдет, но если Вы рассматриваете внедрение на Вашем предприятии аддитивных технологий - вы можете смело обратиться к нам, мы знаем как это делается и для каких деталей это будет целесообразным!
Результат ОТР показал эффективность внедрения АТ, в частности SLM печати металлом, позволив значительно сократить материалоемкость изделия и срок изготовления. Испытания показали полное соответствие традиционному способу производства. Безусловно это не для всех деталей подойдет, но если Вы рассматриваете внедрение на Вашем предприятии аддитивных технологий - вы можете смело обратиться к нам, мы знаем как это делается и для каких деталей это будет целесообразным!
Получить бесплатную консультацию 3D-эксперта
Другие материалы