On applicability of additive technology at agricultural engineering enterprises

全文:

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время аддитивная технология продолжает захватывать новые области в промышленности и других отраслях народного хозяйства.

Использование аддитивных технологий на производстве при изготовлении прототипов сложных по конструкции изделий позволяет минимизировать временные затраты вследствие увеличения скорости их изготовления.

Этапы создания новых изделий имеют отличия при применении традиционной и аддитивной технологий. Данные этапы представлены на рис. 1 [1].

 

Рис. 1. Этапы промышленного создания нового изделия с использованием традиционных и аддитивных методов.

 

Данные этапы создания нового изделия являются элементами жизненного цикла продукции. При использовании аддитивной технологии сокращается время и энергозатраты на процесс изготовления прототипа, что, в целом, оптимизирует затраты на его производство [7]. Применение аддитивных технологий позволяет затрачивать меньше времени на создание прототипов изделий, чем при классическом способе изготовления. Так время на изменения в чертежах будет выше, чем время на редактирование электронной модели, которые используются в 3D печати. Особенно это актуально при редактировании параметрических 3D моделей [1, 2]. Анализ работ авторов [3] показал что временные затраты сокращаются при использовании аддитивных технологий в 1,5 раза. К преимуществам 3D печати относят:

1. изготовление изделий со сложной геометрией или геометрией, которую невозможно осуществить другими методами;
2. оптимизация прочностных характеристик изделия, снижение массы за счет создания супертонких стенок, внутренних каналов и бионических структур;
3. отсутствует необходимость специализированных инструментов и технологической оснастки;
4. возможность быстрого изготовления рабочих образцов изделий и корректировки геометрии в 3D модели;
5. возможность проведения и моделирования инженерных расчетов с 3D моделью на этапе проектирования;
6. различные испытания прототипов изделий.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ

Актуальность использования аддитивной технологии возрастает с необходимостью импортозамещения деталей, в первую очередь сложной геометрии. В статье представлены результаты исследования возможности применения аддитивной технологии на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения для изготовления изделий и их прототипов.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Несмотря на то, что доля России по производству и внедрению аддитивных технологий находится на 11 месте в мире, стоит отметить, что за последние годы применение 3D-печати для производства деталей машиностроения существенно расширилось.

Аддитивную технологию можно применять как для получения в единичных экземплярах изделий, так и в опытном производстве, например, при восстановлении редких изделий, выпуск которых прекратился. Кроме того, данная технология может быть использована и в серийном производстве.

Так, например, в компании GeneralElectric (GE) готовы к массовому производству топливных форсунок для двигателя LEAP с применением процесса DMLS из кобальтохромового порошка (рис. 2,) в результате такого подхода создан продукт, вес которого на 66% меньше традиционной модели.

 

Рис. 2. Топливная форсунка компании General Electric.

 

Компания KorEcologic занимается созданием первого прототипа 3D автомобиля кузов которого, а также некоторые его другие детали созданы на 3D принтере. Компания LocalMotors в ноябре 2015 г. презентовала «умный и безопасный» автомобиль LMSD Swim, который имеет 75% деталей, выполненных с помощью трехмерной печати с использованием АБС-пластика. Компании VTT и NurmiCylinders разработали конструкцию нового блока гидравлических клапанов, которая, благодаря технологии селективного лазерного плавления (SLM), значительно уменьшилась в весе и объеме [1].

Российское предприятие ЗАО «Промтрактор-Вагон» использует 3D модели проектируемых изделий, для отработки алгоритмов сборки и проверки геометрической точности. На предприятиях авиации и судостроения 3D печать применяется для создания ненагруженных деталей: элементы управления (например, различных ручки и др.). В «Роскосмосе» изготовили цельную деталь смесительной головки, за семьдесят семь часов. Для ее изготовления традиционном способом соединяются более двухсот деталей шестьюдесятью двумя сварными швами, что делает трудоемким ее изготовление. Изготовление деталей с использованием аддитивного производства основано на применении различных методов, технологий и материалов (рис. 3).

 

Рис. 3. Основные методы 3D печати.

 

FDM (Fused Deposition Modeling) и FFF (Fused Filament Fabrication) – методы послойного наплавления. Принцип данных методов основывается на послойной экструзии (выдавливании) расплавленного пластикового материала. Рабочая платформа перемещается по оси z, экструдер с пластиком перемещается по осям x и y. Указанная технология является наиболее доступной и популярной.

EBF3 (Electron-beam free form fabrication) – метод создания деталей из металла посредством движения электронного луча в вакуумной среде и расплавления металлического прутка. Данный метод печати используется не только на производстве, но и в образовательных учреждениях для демонстрации созданных моделей деталей по графическим дисциплинам [3, 4].

MJP (Multi Jet Printing) – метод многоструйной печати. Данный метод основывается на послойном построении модели из восковых или фотополимерных материалов. Обычно используется для создания прототипов, моделей для испытаний, оснастки. В этом методе используются поддержки, которые удаляются ручным способом после изготовления. Основных преимуществами являются: высокая скорость печати, точность, разнообразие материалов, простота в эксплуатации.

LOM (Laminated Object Manufacturing) – метод 3D печати объектов ламинированием, в котором используются тонколистовые материалы. В данном методе слои бумаги или другого материала последовательно склеиваютсяи затем обрезаются по форме. Основное использование данного метода – создание прототипов и архитектурных макетов.

SLS (Selective Laser Sintering) и SLM (Selective Laser Melting) – SLS-технология, представляющая собой послойное спекание порошкообразного материала с помощью СО2-лазера, в то время как SLM-технология основывается на лазерном сплавления металлического порошка. SLM технологии работают в основном с металлами, а SLS используют различные материалы.

DMLS (Direct Metal Laser Sintering) – прямое лазерное спекание металлов. Данная технология не расплавляет металлический порошок, а нагревает до такой степени, что его частицы начинают сплавляться на молекулярном уровне. Данная технология требует специальных опорных конструкций, для минимизации риска деформации изделия.

EBM (Electron Beam Melting) –технология 3D печати, использующая пучок электронов для сплавления частиц металлического порошка. Создание детали происходит в вакууме. Электронный пучок двигается избирательно, расплавляя порошок.

SLА (Stereolithography Apparatus) и DLP (Digital Light Processing) – технология послойного создания модели из жидкого фотополимера. При засвечивании под лазерным лучом (SLА) фотополимер затвердевает. Данная технология применяется при создании прототипов, приспособлений и оснастки [5, 6].

В условиях необходимости импортзамещения и оптимизации производства аддитивная технология и ее методы производства становятся актуальным и для российского сельскохозяйственного машино- строения.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

При изготовлении деталей с помощью 3D печати, используемых в сопрягаемых соединениях (втулка-шпонка, зубчатое зацепление, резьбовые нагруженные соединения и т.д.), возникает вопрос о прочности деталей. В таблице 1 представлены характеристики материалов, применяемых при 3D печати (таблица 1).

 

Таблица 1. Характеристики материалов применяем при 3D печати

Table 1. Characteristics of materials used in 3D printing

Марка пластика	Прочность на изгиб, МПа	Прочность на разрыв, МПа
ABC	79	47
PLA	55,3	55,8
Flex	5,3	17,5
Поликарбонат	100	60

 

При этом, например, поликарбонат имеет прочность на изгиб 100 МПа, а на разрыв 60 МПа, фторопласт характеризуется прочностью на разрыв в 30 МПа, а при изгибе в 20 МПа.

Как видим, по воспринимаемым нагрузкам на разрыв, материалы сопоставимы по значению предела прочности. В тоже время, предел прочности на изгиб выше у материалов, применяемых в классических технологиях машиностроения (точение, фрезерование и т.д.).

Среди пластиков для 3D-печати в машиностроении распространен пластик ABC, который хорошо поддается механической обработке и имеет наибольшее значение прочности на изгиб. Пластик Flex отличается от остальных материалов высокими упругими свойствами и может применяться для изготовления различных упругих деталей типа уплотнительные резинотехнические изделия, а также демпферные устройства. Пластик PLA более прочный на разрыв по сравнению в ABC, но он более жесткий, что ограничивает его применение в соединительных элементах.

Для апробирования технологии изготовления деталей аддитивными методами были выбраны детали сеялки. При этом для изготовления рабочих образцов деталей анализировались различные материалы с целью обоснования возможности применимости материалов 3D-печати, при изготовлении деталей в сельскохозяйственном машиностроении.

В качестве одной из исследуемых деталей была выбрана втулка, соединяющая семяпровод и сошник в сеялки, которая изготавливается на Омском экспериментальном заводе. Указанная деталь на предприятии создается из поликарбоната, прочность которого на разрыв не менее 60 МПа, прочность на изгиб около 100 МПа. В тоже время, данная деталь является малонагруженной деталью, причем возможны кратковременные нагрузки вдоль оси вращения на наружную поверхность конуса.

Для изготовления детали на 3D-принтере была создана ее трехмерная модель. Данная модель в слайсере SimpleFly 3D показана на рис. 4.

 

Рис. 4. Модель втулки.

 

При изготовлении втулки с помощью аддитивной технологии параметры печати были следующие: толщина слоя 0,2 мм; скорость печати 55 мм/с; наполняемость 100%. Время печати одной детали составило 2 ч 50 мин. Для расчета себестоимости одной детали учитывались следующие параметры: расход материала (ABC пластик), электроэнергии, работа слесаря (снять деталь, доработать деталь, вспомогательные операции). В результате была рассчитана итоговая себестоимость одной детали «втулка», изготовленная на 3D-принтере, которая представлена в таблице 2.

 

Таблица 2. Итоговая себестоимость детали «втулка»

Table 2. The final cost of the part “sleeve”

Показатели	Расход	Стоимость, руб.	Итого, руб.
Расход материала (ABC пластик)	9,75 м	1,2	11,7
Расход электроэнергии	300 Вт/ч	4,5	3,8
Работа слесаря 2 разряда	12 мин.	44	9
Время печати	2,8 ч.	50	140
Итого			164,5
Стоимость изготовления, используемой технологией на предприятии			230

 

В результате использования рассматриваемой методики, итоговая себестоимость изготовления детали составляет 165 рублей. Заметим, что предприятие тратит на изготовление одной детали традиционным способом 230 руб. Таким образом, экономия предприятия составит 30%. Также отметим, что расходы на материал, связанные с изготовление одной указанной детали из полиамида 8 р., при использовании аддитивной технологии около 15 р. [7].

Изготовленная на 3D принтере деталь (рис. 5) соответствует всем техническим требованиям предприятия-изготовителя, а именно: резьба выполняет свои функции, размеры соответствуют допускам и шероховатость внутренних поверхностей соответствует требованиям – Ra 12.

 

Рис. 5. Деталь втулка, изготовленная на 3D принтере.

 

Как говорилось выше, одной из целей использования аддитивной технологии, является изготовление деталей на территории РФ, а не покупка их за рубежом. Таким образом, представляется еще одно обоснование применения аддитивной технологии в серийном производстве – это импортозамещение. В настоящее время, в условиях продолжающейся пандемии и санкций особенно актуально обеспечивать надежность поставок и снижение зависимости от валюты. Последнее обоснование применения аддитивной технологии на предприятиях сельскохозяйственного назначения связанно с маркетинговым продвижением продукции предприятия. В условиях пандемии крупные выставки производителей сельскохозяйственной техники не проводятся. Модели, уменьшенные копии реальных машин, изделий могут применяться для рекламы продукции, например, отправкой по почте, заинтересованным лицам.

В связи с этим, для проведения экспериментов был выбран высевающий аппарат, который устанавливается на сеялки Омским экспериментальным заводом и поставка, которого в данный период связаны со значительными трудностями. В состав высевающего аппарата входят: заслонка (рис. 6), высевающая катушка (мелкая) (рис. 7), корпус (рис. 8–9), высевающая катушка (крупная) (рис. 8–9). Для изготовления деталей на 3D-принтере были созданы их трехмерные модели, распечатаны прототипы катушки и защелки. В настоящее время, данные детали установлены в сеялке и проходят испытания в полевых условиях. При этом стоит заметить, что перед установкой распечатанные детали прошли внутреннюю экспертизу.

 

Рис. 6. Заслонка.

 

Рис. 7. Высевающая катушка.

 

Рис. 8. Сеялка селекционная.

 

Рис. 9. Установленные катушки (зеленый цвет).

 

На рис. 8 и 9 показана установленная высевающая катушка, изготовленная с помощью технологии 3D-печати. Испытываемые катушки, которые были установлены на сеялку СС–11, имеют зеленый цвет. В результате настройки сеялки на норму высева 200 кг/га было установлено, что один высевающей аппарат должен высевать 180 г на 100 м². Замеры, навесок полученных семян показали, что отклонение нормы высева катушки, изготовленной при помощи 3D-печати, от оригинальной не превышает допустимых пределов ±5% и составила 10–20 гр.

В результате проведенных исследований установлено, что использование аддитивной технологий в серийном производстве будет обосновано следующими условиями:

• деталь является ненагруженной или малонагруженной;
• достаточный запас фонда времени до сдачи изделия заказчику;
• полученный прототип соответствует всем техническим требованиям;
• проведены испытания на прочность.

ВЫВОДЫ

В статье рассмотрены технологии и методы 3D-печати. Выделены их сильные стороны, приведена сравнительная характеристика механических свойств пластиков, применяемых в 3D-печати, полиамида и фторопласта. Рассмотрены свойства пластиков, применяемых при 3D-печати. Выявлены следующие условия для обоснования применения аддитивной технологии в серийном производстве на предприятиях сельскохозяйственного машиностроения применительно к изделиям из пластика: деталь является ненагруженной или малонагруженной, имеется достаточный запас фонда времени до сдачи изделия заказчику, полученное изделие соответствует всем техническим требованиям, проведены испытания на прочность. Предложена возможность применения технологии для маркетинговых действий с целью визуализации деталей. Импортозамещение является также является не маловажным обоснованием применения 3D-печати в сельскохозяйственном машиностроении. Приведены результаты установки высевающих катушек, которые показали допустимое значение нормы высева.

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Вклад авторов. А.В. Шимохин ― поиск публикаций по теме статьи, создание рабочих образцов деталей, написание текста рукописи; А.С. Союнов ― редактирование текста рукописи; Е.Е. Биткина ― редактирование текста рукописи, создание изображений; К.А. Янковский ― проведение эксперимента с рабочими образцами. Все авторы подтверждают соответствие своего авторства международным критериям ICMJE (все авторы внесли существенный вклад в разработку концепции, проведение исследования и подготовку статьи).

Конфликт интересов. Авторы декларирует отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов, связанных с публикацией настоящей статьи.

Источник финансирования. Авторы заявляют об отсутствии внешнего финансирования при проведении исследования.

ADDITIONAL INFORMATION

Authors’ contribution. A.V. Shimokhin ― search for publications, creating working samples of parts, writing the text of the manuscript; A.S. Soyunov ― editing the text of the manuscript; E.E. Bitkina ― editing the text of the manuscript, creating images; K.A. Yankovsky ― conducting an experiment with working samples. All authors made a substantial contribution to the conception of the work, acquisition, analysis, interpretation of data for the work, drafting and revising the work.

Competing interests. The authors declare no any transparent and potential conflict of interests in relation to this article publication.

Funding source. This study was not supported by any external sources of funding.

作者简介

Anton Shimokhin

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: av.shimokhin@omgau.org
ORCID iD: 0000-0002-2048-3180
SPIN 代码: 2830-8008

Cand. Sci. (Econ.), Associate Professor at the of Technical Ser-vice, Mechanics and Electrical Engineering Department

俄罗斯联邦, Omsk

Alexey Soyunov

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: as.soyunov@omgau.org
ORCID iD: 0000-0002-7829-7321
SPIN 代码: 2047-7499
Scopus 作者 ID: 57195303382

Cand. Sci. (Tech.), Associate Professor of the Agroengineering Department

俄罗斯联邦, Omsk

Elena Bitkina

Omsk State Agrarian University named after P.A. Stolypin

Email: eesh03@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7243-2174
SPIN 代码: 3353-4746

Cand. Sci. (Tech.), Senior Lecturer of the Technical Service, Me-chanics and Electrical Engineering Department

俄罗斯联邦, Omsk

Kirill Yankovsky

Omsk Experimental Plant

编辑信件的主要联系方式.
Email: yan1112@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-8917-088X

Deputy Director for Technical Development

俄罗斯联邦, Omsk

参考

补充文件