роботизированное аддитивное производство

Взгляд в будущее: роботизированное аддитивное производство

Опубликовано в номере:
PDF версия
Аддитивное производство изменит мышление инженеров и разработчиков деталей, а роботы, в свою очередь, позволят оборудованию для 3D-печати функционировать быстрее и точнее.

Аддитивное производство (Additive Manufacturing — технология послойной печати, послойное аддитивное наращивание), или 3D-печать, изменит не только процесс изготовления изделий, но и мышление инженеров и разработчиков. Теперь специалисты могут забыть об ограничениях, налагаемых традиционными методами производства, и открыть новые возможности в конструировании и дизайне. Ожидается, что это приведет к тому, что к 2020 г. доля промышленности на основе аддитивного производства составит $17 млрд. В настоящее время существует несколько типов технологических процессов, относящихся к аддитивному производству, включая селективное лазерное спекание (selective laser sintering, SLS), стереолитографию (stereolithography, SLA) и моделирование методом наплавления (fused deposition modeling, FDM).

Если говорить в общем, в основе изготовления трехмерного объекта путем послойного добавления материала, будь то жидкость (синтетическая смола), порошок или что-либо другое, лежат цифровые методы производства, в которых данные от системы автоматизированного проектирования (САПР) передаются на аддитивное технологическое оборудование. При этом можно использовать все, даже человеческие ткани. Уже в настоящее время возможности аддитивного производства позволяют создавать самые разнообразные структуры, от зубных протезов до уникальных компонентов самолета, целого моста и произведений искусства.

В этом направлении имеются большие возможности, и робототехника максимально полно помогает раскрыть их. Роботы не только обеспечивают аддитивное производство, но и обслуживают роботизированные машины трехмерной (3D) печати, которые автоматизируют постобработку полученных деталей и позволяют разработчикам, выступающим уже в роли архитекторов, придумывать новые способы их построения.

 

Слой за слоем

В компании Midwest Engineered Systems Inc. (MWES), находящейся в городе Уокешо (Waukesha, штат Висконсин, США), для создания сложных металлических деталей, — выпуск которых в противном случае был бы чрезвычайно трудоемким, если вообще возможным, — в аддитивной технологии производства предусмотрено лазерное нанесение слоя. Процессом изготовления управляет шестиосевой шарнирный робот, на специальную подложку для создания металлических деталей он слой за слоем наносит лазером предварительно разогретую проволоку (рис. 1). Преимущества такой технологии заключаются не только в практически полном отсутствии ограничений на геометрию, но и в том, что металлы и сплавы для специального применения наносятся с высокой точностью и скоростью, достаточной как создания прототипов, так и выпуска небольших серийных партий сложных деталей, которые были бы чрезвычайно дороги при изготовлении более традиционными технологиями.

В ходе изготовления используется оборудованный лазерной головкой робот, а сам процесс основан на послойном нанесении лазером уже предварительно разогретой проволоки

Рис. 1. В ходе изготовления используется оборудованный лазерной головкой робот, а сам процесс основан на послойном нанесении лазером уже предварительно разогретой проволоки. Изображение предоставлено Midwest Engineered Systems Inc./Robotic Industries Association (RIA)

Компания MWES, имеющая 25-летний опыт в области комплексной системной интеграции, самостоятельно разработала этот процесс и представила его на международной выставке технологий производства Manufacturing Technology Show 2016. Во время демонстрации данного процесса был послойно сформирован весьма сложный по своей геометрии гребной винт (рис. 2).

Рис. 2. Заготовка гребного винта, изготовленная с использованием аддитивной лазерной технологии, до ее финишной обработки. Изображение представлено Midwest Engineered Systems Inc./Robotic Industries Association (RIA)

Свою систему компания MWES назвала ADDere (от лат. addere — «прибавлять», «складывать»). Этот процесс в общем аналогичен аддитивному производству, где также используется лазер и проволока (Wire-laser additive manufacturing, WLAM), которая подается в точку плавления, формируемую лазерным лучом на подложке. Проволока и подложка образуют прочную металлургическую связь. Разница в том, что в технологии компании MWES подается уже предварительно нагретая проволока.

«Отличие нашей технологии заключается в том, что мы предварительно нагреваем проволоку до такой степени, что она оказывается практически расплавленной на конце, — говорит Скотт Войда (Scott Woida), президент и основатель компании MWES. — Поскольку проволока, можно сказать, практически расплавлена, мы используем только ту мощность и время воздействия лазера, которые необходимы для расплавления подложки в месте, требуемом для образования прочной связи с новым металлическим слоем. Если у вас нет необходимости плавить и проволоку, и подложку, то, естественно, можно использовать меньшую мощность лазера. Кроме того, горячая проволока позволяет получить более высокое качество осаждения и меньшее негативное влияние тепла на конечную деталь».

«Мы можем либо применить субстрат, например часть конечной детали, либо потом срезать подложку или сделать деталь непосредственно на сварном шве, — отмечает Войда. — Но мы должны с чего-то начать. Это может быть вообще нечто простое, как кусок стали толщиной в восемь дюймов». Процесс всегда начинается с подложки. В ранее описанном демонстрационном примере с гребным винтом в качестве основы для формирования детали был использован цилиндр.

 

Проволока и лазер + робот

Основными элементами системы являются высокоточный промышленный робот, лазерная система, интегрированные в нее проволока, предназначенная для дуговой сварки в среде инертного газа, лазерная головка, а также система управления, разработанная компанией MWES. Процесс предусматривает активное управление лазерной головкой и динамическое измерение толщины наплавления. Кроме того, выполняется тщательный мониторинг всех этапов процесса построения детали.

Что касается управления, данные САПР импортируются в програм­мное обеспечение CAD/CAM, где они подготавливаются для аддитивного процесса. Затем деталь условно «нарезается» слоями, а путь прохождения робота по слоям генерируется уже в автономном режиме. Информация о процессе может быть добавлена автоматически или вручную. Сгенерированный путь и информация о процессе передаются через постпроцессор и автоматически направляются в контроллер робота. Затем робот выполняет программу и строит (обычно говорится «печатает») запрограммированную деталь слой за слоем. Области применения данной технологии обширны и включают:

  • быстрое прототипирование;
  • небольшие серийные партии для нужд производства;
  • изготовление запасных частей;
  • восстановление поврежденной поверхности;
  • нанесение металлического покрытия.

В системе ADDere используется высокоподвижный шестиосевой робот с большим радиусом действия. Он объединен с многоосевой системой позиционирования. По докам Войда, с данной технологией возможны зоны покрытия площадью до 2×8×40 м.

В зависимости от скорости наплавления достижимые в этой технологии допуски составляют ±0,5…±1,5 мм. Необходимо отметить, что, как правило, здесь требуется определенная постобработка. Кроме того, надо учитывать, что этот тип аддитивной технологии приводит к закалке материала, поэтому, чтобы снять внутренние напряжения, изменить механические свойства и получить равномерную и заданную структуру металла, потребуется отжиг детали.

 

Изготовление моделей произвольной формы приводит к меньшему количеству отходов

Преимущества системы предполагают ускоренную разработку новых металлических деталей, быстрые изменения их конструкции или дизайна без дополнительных расходов на оснастку, а также низкие первоначальные затраты. Кроме того, по словам Скотта Войды, одним из главных преимуществ данной технологии является возможность брать несколько деталей и объединять их в единое целое.

В качестве наглядного примера того, как концепция применения аддитивного процесса выходит на новый уровень, можно привести достижение компании GE Aviation, которая использовала эту технологию для своего двигателя Advanced Turboprop. Конструкторы компании GE смогли сократить число деталей в двигателе с 855 до 12 элементов. Причем более трети двигателя — детали конструкции, полученные методом 3D-печати. В итоге двигатель стал на 45 кг легче, проще в обслуживании, чем его предыдущая модель, и расходует на 20% меньше топлива.

С системой ADDere компании MWES не только возможно изготовление деталей с получением произвольных металлических форм, но и допускается применение различных металлов на разных участках детали. Это позволяет придавать детали именно те характеристики, которые требуются для ее эксплуатации в конкретном приложении. Данный подход особенно выгоден с экономической точки зрения, поскольку для достижения особых свойств, таких как высокая износостойкость, можно «одеть» дешевый металл в дорогой металл или сплав, необходимый для специального применения. Этот процесс можно использовать и для ремонта, сначала обработав деталь стабильной структурой, а затем доведя ее до своего изначального состояния.

«Мы получаем деталь по свой­ствам, похожим на литье, но ближе к штамповке, — поясняет Войда. — По сравнению с субтрактивными (порошковыми) методами при использовании рассматриваемой технологии вы тратите меньше базового материала, потому что строите деталь, уже практически полностью готовую по форме».

К меньшему расходу материала и сокращению отходов, чем грешат порошковые аддитивные технологии, приводит применение аддитивного процесса на основе проволоки. Войда отметил, что при использовании их технологии они достигают 99% использования часто весьма дорогого материала.

«Когда для производства нашего компонента мы используем проволоку, то она вся расходуется только лишь для изготовления непосредственно этой детали, — говорит он. — В отличие от аддитивных процессов, основанных на применении спекаемого металлического порошка, где избыточный порошок остается в машине и нуждается в утилизации или идет в переработку, здесь практически нет отходов. Единственное, где мы сталкиваемся с потерей некоторой части материала, — это пост­обработка. Дело в том, что вы име­ете деталь не в том виде, в котором он была бы изготовлена на станке, поэтому, чтобы достичь нужной чистоты поверхности, необходимо обрабатывать внешнюю поверхность полученной заготовки. Но, как правило, такой обработке подвергаются лишь сопрягаемые поверхности, и полная машинная обработка детали не требуется».

Для гребного винта, изготовление которого было показано на выставке в 2016 г., Войда пояснил, что после его аддитивного изготовления понадобится обработка лишь около 5% его поверхности. Он также отметил, что скорость формирования детали у этой технологии в 10 раз выше, чем у порошковых.

«Сейчас мы используем лазер мощностью 14 кВт и можем обрабатывать 32 фунта нержавеющей стали в час. Скоро у нас будет лазер мощностью 20 кВт, и дело пойдет еще быстрее. Когда материал имеет высокую стоимость в долларах и его действительно сложно обрабатывать, данный процесс несомненно имеет смысл», — сказал он.

Для этого процесса не подходят небольшие компоненты и детали, которые имеют низкие производственные затраты, а также детали, требующие лишь небольшой механической обработки самой заготовки.

«Когда часть изготовлена, она имеет качество, подобное литью, — сказал Войда. — Вы можете либо обработать деталь, либо мы можем использовать лазер, чтобы достичь лучшего качества ее поверхности. Но многие наши клиенты меньше интересуются обработкой поверхности, поскольку полученные детали уже полностью функциональны».

 

Дорогие детали и металлы для специального применения

Система ADDere уже доступна для приобретения и использования в качестве оборудования для изготовления конечного продукта или предоставления тех или иных услуг.

«Детали, над которыми мы работаем вплоть до настоящего времени, в основном направлены на то, чтобы доказать нашим клиентам, что мы можем сделать детали, соответствующие предъявляемым заказчиком техническим требованиям, — подчеркивает Войда. — Массовое производство еще не началось, но мы предоставляем заказчикам образцы для проверки возможностей системы. Они оценивают их по качеству, а затем покупают в больших количествах или приобретают всю систему».

Одна из тех частей, которые проходят испытания в системе НИОКР компании MWES, представляет собой перегородку весом 1800 фунтов для авианосца. Вместо того чтобы тратить драгоценное пространство на запасные части на борту корабля, можно использовать аддитивную технологию фирмы MWES для создания или ремонта деталей по требованию непосредственно во время плавания.

Аддитивная система ADDere может найти свое применение в изготовлении деталей для аэрокосмической, транспортной, грузоподъемной, морской, военной, нефтегазовой, строительной, горнодобывающей и сельскохозяйственной техники. Материалами, наиболее подходящими для этих целей, обычно являются металлы и сплавы специального применения, такие как нержавеющая сталь, алюминий, титан, кобальт, инконель (аустенитный никель-хромовый жаропрочный сплав, используемый для газовых турбин) и вольфрамовые сплавы.

Войда говорит, что их опыт в лазерной сварке окупается: «Обычно мы участвуем в разработках высокотехнологичных систем, поэтому у нас есть много возможностей для применения новейших технологий, будь то новейшие лазерные или роботизированные технологии. Ежедневно мы разрабатываем уникальные системы, отсутствующие в каталогах стандартного оборудования, но очень грамотно спроектированные. Чтобы сделать такое самим, вам потребуется много самых разно­образных знаний и опыта. Вам понадобятся инженеры-механики, потому что эти системы достаточно сложны. Вам будут нужны сотрудники для работы с программным обеспечением, чтобы сделать это легко и выгодно продаваемым на открытом рынке. Вам понадобятся инженеры в области робототехники, чтобы интегрировать все это в единое целое, как завершенный технологический комплекс. Вам потребуются инженеры по сварке, которые могут все проверить и убедиться в том, что металлургические свойства выходящей продукции являются такими, какими они и должны быть. Вам нужно очень много специалистов, чтобы создать такое оборудование».

 

Металлическое литье и аддитивное производство

Аддитивная технология и автоматизация с использованием роботов открывают новый цифровой мир и для индустрии литья. Под прочно вошедшим в обиход названием «трехмерная печать», или «3D-печать», скрывается технология аддитивного производства, официальное наименование которой — «моделирование методом послойного наплавления» (Fused deposition modeling, FDM), и еще целый ряд технологий, созданных на ее основе. Сам термин перво­начально относился к процессу печати послойного спекания порошкового слоя с использованием струйных печатающих головок, разработанных в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT) в 1993 г. Его предложили студенты Массачусетского технологического университета Тим Андерсон (Tim Anderson) и Джим Бредт (Jim Bredt), которые работали над диссертацией, посвященной созданию струйной печати на основе порошковой технологии.

В настоящее время Джим Бредт — директор по исследованиям и разработкам компании Viridis3D, базирующейся в городе Вобурн (Woburn, штат Массачусетс, США), имеет за плечами почти тридцатилетний опыт в области трехмерной печати, он никогда не терял из виду свою первую любовь. После окончания Массачусетского технологического института Бредт принял участие в 1995 г. в создании компании Z Corporation, пионера в этой области, ставшей и первым коммерческим внедрением технологии трехмерной печати на струйной основе. Компания Z Corporation сыграла свою роль и затем была приобретена 3D Systems, соучредители которой изобрели стереолитографию.

Джим Бредт покинул компанию 3D Systems, чтобы в 2010 г. основать компанию Viridis3D, где он стремился вернуться к металлическому литью. Цель состояла в том, чтобы создать трехмерную печатную машину, более универсальную по типам материалов, которые она могла бы обрабатывать и функционировать в более жестких условиях, чтобы ее могли использовать непосредственно в литейном цехе. Команда Viridis3D сосредоточила свои усилия на индустрии литья в землю (литье в песчаные формы).

«Имеется достаточно много деталей, для которых вам действительно нужен 3D-принтер. Как правило, это то, что вы не можете сделать при помощи обычных технологических процессов обработки, — например, полые детали, такие как литьевые формы и стрежни, которые могут быть очень сложными внутри, — сказал Бредт. — В этом случае ценность технологии 3D-печати резко возрастает, таким образом вы можете брать на себя большую смелость в части конструкторских решений и дизайна. Кроме того, вам не нужно тратиться на оснастку, инструменты и различное оборудование. Если вы напечатаете задуманную деталь и она сломалась, поскольку ее конструкция оказалось слишком хрупкой, то в этом случае вы не так уж много потеряете. Вы получаете возможность больше экспериментировать и рисковать в своем дизайне — это расширяет диапазон геометрических фигур и форм, которые вы создадите с помощью аддитивной технологии».

 

Отказ от шаблонного подхода

Задавшись переосмыслением способов создания вещей, Бредт поставил под вопрос то, как были разработаны машины трехмерной печати. «3D-принтер — это робот в своей основе, с прикрепленным к нему дозатором для подачи материала, — говорит Бредт. — Когда мы создали компанию Viridis3D, то я спросил себя, почему я должен попытаться создать собственного робота. Моя специализация — материалы, а не разработка оборудования. Почему бы мне просто не купить нужного робота? Тогда я смогу сосредоточиться на проблемах подачи материала для печати».

Для компании Viridis3D использование в своей системе 3D-печати уже готового и коммерчески доступного промышленного робота дало значительный отрыв от конкурентов в столь непростом соревновании технологий и оборудования.

«Использование коммерческого робота — интересная изюминка, дающая нам преимущества, — сказал Бредт. — По большому счету наши конкуренты применяют козловые системы, чтобы вытащить их гораздо более тяжелый печатающий механизм. Поскольку у нас вместо козловой системы предусмотрен манипулятор, наша печатающая головка спроектирована как легкое, прочное и весьма надежное устройство».

 

3D-печать с роботом

Несмотря на то, что роботизированная аддитивная система компании Viridis3D еще находится на стадии разработки, фирма начала сотрудничать с компанией EnvisionTEC, поставщиком решений для трехмерной печати. Теперь, как дочернее предприятие, полностью принадлежащее материнской компании, Viridis3D может продолжать финансировать дальнейшую разработку в данном направлении. Благодаря такому сотрудничеству в начале этого года компания Viridis3D выпустила первый роботизированный трехмерный специализированный для литейного производства принтер RAM 123.

Система использует стандартный четырехосевой робот для создания песчаных литейных форм для литья металлических деталей. Робот оснащен дозатором материала, который распределяет песок, и печатающей головкой, добавляющей в песок жидкое связующее. Распределяя песок и дозировочное связующее с заданными перерывами, роботизированный трехмерный принтер слой за слоем создает готовую литьевую форму.

Печатающая головка может быть тяжелой, особенно при работе с песком. Поэтому, как говорит Бредт, компания выбрала четырехосного, а не шестиосного робота. Такой выбор предпочтителен, поскольку робот имеет большую грузоподъемность.

«Специфика применения нашей технологии такова, что печатные элементы работают должным образом только в том случае, если они удерживаются горизонтально, — отметил он. — Печатающая головка перемещается в плоскости и медленно, постепенно поднимается вверх. Четырехосевые роботы здесь идеально подходят, потому что вынуждены всегда передвигаться в плоскости, по крайней мере их манипулятор не вращается. Кроме того, они выдерживают большую нагрузку и остаются точными в части позиционирования».

Аддитивная система RAM компании Viridis3D имеет открытую архитектуру. Формы для литья строятся на неподвижном столе. Столешница представляет собой поддон, который можно применять для перемещения деталей на машину и с нее с помощью вилочного погрузчика (рис. 3).

Роботизированная система аддитивного производства использует запатентованный трехмерный процесс печати для производства песчаных форм и стрежней для металлургической промышленности

Рис. 3. Роботизированная система аддитивного производства использует запатентованный трехмерный процесс печати для производства песчаных форм и стрежней для металлургической промышленности. Изображение предоставлено Viridis3D/Robotic Industries Association (RIA)

«Мы используем открытый стол, поэтому вы можете создавать детали разных размеров, не заполняя всю коробку материалами, — сказал Бредт. — Одна из причин, по которой мы выбрали стационарный стол, — то, что он относительно легче. Это мне стало ясно еще в годы работы в Z Corporation: когда мы строили все большие и большие машины, то довольно скоро их основание стало тяжелее, чем машина 3D-печати».

 

Быстрое время выполнения детали и экономия места

«Изготовление литейных моделей — вчерашний день и умирающая технология, — сказал Бредт. — Компании с этими полувековыми моделями отправляют парня с банкой Bondo (Bondo — широко применяемый в США комплект для ремонта на базе смолы и стекловолокна. — Прим. пер.), чтобы попытаться ее исправить. В некоторых случаях все, что у них для этого есть, — это чертежи или, возможно, они должны перепроектировать существующую форму для модели. Люди, которые покупают нашу систему, высоко ценят широкие возможности, открывающиеся для них в результате перехода на цифровое производство, потому что избавляются от накладных расходов для хранения всех этих литьевых моделей и сопутствующей оснастки. Так что то, что мы предлагаем, — прекрасный пример инновационной технологии, которая в сочетании с востребованными старыми технологиями дает им второе дыхание».

Бредт сказал, что они не собираются останавливаться на традиционном для литья в землю песке, а намерены обратиться к другим материалам, имеющим более высокую точность литья, включая пластиковые порошки, керамику и даже порошкообразные металлы. При этом вся тяжесть, как и в рассмотренной технологии, ляжет на плечи роботов. Аддитивная технология вкупе с робототехникой уже в недалеком будущем полностью изменит наши представления о производстве.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *