Традиционные и аддитивные технологии в производстве деталей машин
В данной статье рассматривается применение традиционных и аддитивных технологий в производстве деталей машин. Аддитивные технологии (АТ) определяются очень высоким (high tech) уровнем и привлекают большое внимание во всех странах мира.
Внедрение новых технологий является основой успешного функционирования любого коммерческого предприятия, поскольку в условиях нестабильности рынка необходимо постоянно изменять продукцию и бизнес-процесс. Общие теоретические положения о системе планирования представлены в работах многих исследователей.
Аддитивные технологии в современном производстве
Основным фактором, способствующим процессу обновления индустриализации российской экономики, становится развитие новых производственных технологий, позволяющих перейти на новые бизнес-модели, основанные на кастомизации продукции. Аддитивные технологии находят активное применение в энергомашиностроении, приборостроении, авиационной промышленности, космической индустрии, там, где высока потребность в изделиях сложной геометрии.
Аддитивные технологии меняют не только парадигму проектирования изделий, но и особенности методов организации производства, позволяют добиться существенного повышения эффективности производства, экономии трудовых и материальных ресурсов.
Аддитивное производство характеризуется способностью быстро перестраиваться на изготовление новых изделий в пределах своих возможностей. В настоящий момент для планирования и подготовки аддитивного производства применяются программные продукты по подготовке платформы построения с расположением и ориентацией деталей на ней. Такими программами являются Magics, 3DXpert, NX Additive и др.
При выборе технологии аддитивного производства необходимо учитывать ряд организационных и технических факторов, ограничивающих и определяющих их применение при изготовлении заданного по геометрическим параметрам и точности типа детали. Наборы альтернативных вариантов технологических параметров формируют задачу принятия решения по выбранным критериям и ограничениям.
При принятии решения о выборе технологии аддитивного производства принимаются во внимание: требования к детали, характеристики порошковых материалов и технические характеристики установки аддитивного производства. Для определения оптимального решения необходимо большое количество опытов и апробация технологий с определением параметров качества, издержек и длительности.
Согласно ежегодному отчету Wohlers Report 2018 о состоянии и перспективах рынка аддитивных технологий в 2017 г., общий рост отрасли составил 21%, было реализовано более 1768 единиц установок, что на 80% больше, чем в 2016 г.
Большой вклад в развитие современного производства на базе использования инновационного оборудования внесли многие американские ученые. Методы решения задач календарного планирования отражены в работах многих авторов. Моделированием производства с целью улучшения его параметров занимались многие исследователи.
Теоретическая и практическая значимость работы обусловлена тем, что предлагается метод и алгоритм принятия решения при планировании аддитивного производства, учитывающий параметры деталей и установок. Переход на аддитивное производство приводит к резкому сокращению длительности производственного цикла, уменьшению объема незавершенного производства, а разработанная методика планирования аддитивного производства - к увеличению коэффициента загрузки оборудования (платформ и камер построения), гибкости, обеспечивая требуемое качество изделий.
Цель подготовки производства состоит в создании технических, организационных и экономических условий для производства (выпуска) продукции. Оперативное управление производством лежит в основе теории производственного менеджмента.
Основная особенность единичного производства заключается в неповторимости и однократности заказов, отличающихся объемом и номенклатурой. Задачи оперативно-производственного планирования рассматривались в работах отечественных и зарубежных ученых.
Российский рынок радиоэлектронной промышленности в 2017 году составил 2,7 млрд долл. США, т. е. около 0,7 % от мирового рынка и вырос на 20,5 % по сравнению с 2016 год. Существует проблема отсутствия государственных стандартов, покрывающих весь процесс производства изделий на основе аддитивных технологий.
Согласно 4 части Гражданского кодекса РФ, созданные РИД, подлежат правовой охране в качестве изобретений, полезных медалей и промышленных образцов.
Стандартизация в аддитивном производстве
Росстандарт создал на базе ФГУП «ВИАМ» отдельный технический комитет 182 «Аддитивные технологии», который занимается вопросом разработки и внедрения первоочередных стандартов в этой области.
- ГОСТ Р 57558-2017/^ОМ^ТМ 52900:2015 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1.
- ГОСТ Р 57589-2017 «Аддитивные технологические процессы базовые принципы. Часть 2. Материалы для аддитивных технологических процессов.
- ГОСТ Р 57590-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 3.
- ГОСТ Р 57591-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы - часть 4.
- ГОСТ Р 57586-2017 «Изделия, полученные методом аддитивных технологических процессов.
- ГОСТ Р 57587-2017 «Изделия, полученные методом аддитивных технологических процессов.
- ГОСТ Р 57588-2017 «Оборудование для аддитивных технологических процессов.
- ГОСТ Р 57556-2017 «Материалы для аддитивных технологических процессов.
- ГОСТ Р 57910-2017 «Материалы для аддитивных технологических процессов.
- ГОСТ Р 57911-2017 «Изделия, полученные методом аддитивных технологических процессов.
В других странах вопросы стандартизации материалов для аддитивных технологий находятся в компетенции National institute of standards and technology (NIST) (США); Международной организации по стандартизации ISO и American society for testing and materials (ASTM) (международный комитет F42 по аддитивным технологиям).
Анализ и управление качеством в аддитивном производстве
Технологический параметр, по причине которого появлялись несоответствия, это - высота равная 15 мм с допуском ± 1 мм. Проведённый анализ состояния технологического процесса, процесс нестабилен и имеет смещение к верхней границе контрольной карты и сигнализирует о выходе за границы установленного поля допуска.
Системный статистический анализ нынешнего состояния технологического процесса, выполненный с помощью диаграммы Исикавы, обнаружил основные причины брака, а непосредственно, несовершенство оснастки и нарушение технологической процедуры печати, что ведёт к нарушению геометрических параметров.
На основе проведённого исследования процесса было разработано корректирующее действие по изменению температурного режима и геометрических параметров. После реализации корректирующих действий получен устойчивый процесс, настроенный на середину поля допуска, с уровнем брака менее 0,007 %.
Анализ дефектов продукции на основе послойного синтеза технологии необходим для разработанного метода и алгоритма, которые были применены для аддитивного производства. На начальном этапе были выявлены несоответствия, которые приводят к наибольшим потерям.
Для выявления наиболее затратных несоответствий и формализации процесса производства корпусных элементов РЭА с использованием аддитивных технологий построена диаграмма Парето, использующая статистические данные работы установок. В соответствии с Классификатором видов брака произведен анализ причин образования данных несоответствий.
Исходя из стандарта ГОСТ Р 56275-2014 Национальный Стандарт Российской Федерации: Менеджмент рисков Руководство по надлежащей практике менеджмента рисков проектов 2016 год. На основе данных о рисках был составлен PEST и SWOT анализ. Разработано дерево рисков.
По результатам проведённых экспериментов на базе лаборатории аддитивных технологий ГУАП для оценки риска, проведена оценена возможности проявления отрицательных факторов и негативных результатов. При поддержке матрицы рисков, выделены красным более приоритетные опасности. Опасности, выделенные зеленоватым, считаются незначимыми.
Для первичной оценки позиции методики на рынке с целью формирования базового представления стратегического позиционирования путем определения параметров внешней и внутренней среды организации произведен БРАСЕ-анализ. Необходимо выбрать конкурентную стратегию, которая даст конкурентные преимущества в перспективной, но нестабильной отрасли аддитивного производства. Критическим фактором является финансирование.
В диссертационной работе достигнута поставленная цель исследования на основе разработки моделей и методики обеспечения качества процесса производства и качеством работ выполняемых на базе национальных стандартов в сфере аддитивных технологий, имеющая важное значение в соответствии с решениями правительства Российской Федерации в области наукоёмкого производства радиоэлектронной промышленности.
Разработана модель управления базовыми процедурами формования корпусов РЭА с использованием параметрического моделирования технологии послойного наплавления при производстве корпусов РЭА с учётом процедур обеспечения точности при 3Э печати. На основе выявленного интегрального и частный показатель качества корпусных элементов РЭА. Составлен алгоритм оценки качества корпусных элементов на этапе производства РЭА.
Исследования процессов аддитивного производства на различных предприятиях и в стандартах в сфере аддитивных технологий позволили определить возможности повышения результативности процесса аддитивного производства посредством разработки модели обеспечения качества процесса. Для получения качественных деталей необходимо уделять должное внимание используемому оборудованию и осуществлять планирование процесса аддитивного производства.
Технологии аддитивного производства являются ключевым направлением развития получения металлических изделий благодаря ряду преимуществ: возможность изготовления деталей сложной формы с внутренними полостями и тонкими перегородками; существенная экономия материала за счет точного изготовления детали заданной формы по компьютерной модели, что не требует применения последующих операций точения, фрезеровки, резки; достижение более высокого уровня механических свойств благодаря повышенным по сравнению со стандартным литьем скоростям охлаждения, в условиях которых формируется более дисперсная структура.
В настоящее время разработаны порошки для аддитивных технологий на основе различных систем. Однако реальное применение имеет только порошок силумина марки AlSi10Mg и порошок Al-4,6Mg-0,66Sc-0,42Zr-0,49Mn (Scalmalloy), которые обладают высокими показателями технологичности при лазерном сплавлении.
Наиболее перспективными материалами для аддитивных технологий могут быть алюминиевые сплавы с добавками переходных металлов. Гранулируемые сплавы этих систем содержат до 10-12 масс. % каждого из легирующих компонентов. Отличительной особенностью этих сплавов является дендритный тип структуры и аномально пересыщенный твердый раствор, который формируется при высоких скоростях кристаллизации гранул, равных 103-105 С/с.
Аддитивные технологии основаны на процессах сплавления малых объемов металлических порошков во время селективного воздействия источника высокой энергии (лазерного или электронного луча). Благодаря использованию лазера в качестве источника энергии формируется уникальный термический режим, отличающийся малыми объемами ванны расплава и высокими скоростями охлаждения, равными 104 - 106 К/с. Как правило она состоит из чередующихся зон столбчатых и равноосных кристаллов.
Одним из важных преимуществ аддитивных технологий перед традиционными технологиями является возможность управления структурой изделий от слоя к слою. Ученые предлагают различные способы, которые в основном сводятся к варьированию технологических параметров процесса: уменьшению анизотропности структуры за счет чередования траектории сканирования лазерного луча от слоя к слою, подогреве подложки для снижения температурного градиента на границе расплав/твердый металл что уменьшает направленность теплоотвода и как следствие сокращению зоны столбчатых кристаллов.
Установлена взаимосвязь между концентрациями модификаторов Ti и B и структурой и механическими свойствами сплавов систем Al-Mg и Al-Zn-Mg, формирующимися в условиях быстрой кристаллизации после лазерного плавления. С использованием предложенной методики описаны способы повышения технологичности сплавов с широким эффективным интервалом кристаллизации при лазерной обработке.
Впервые предложено вводить лигатуру Al-5%Ti-1%B в количестве 1- 3% в сплав Al-4,7%Mg-0,3%Mn-0,2%Sc-0,1%Zr и для его использования в аддитивном производстве.
Изготовленные с применением аддитивных технологий монолитные металлические детали могут обеспечить значительное снижение веса и повышение производительности в аэрокосмической и промышленности других отраслях.
Требования к ресурсу и точности деталей изделий авиакосмической техники обуславливают необходимость использования комбинированных технологий, предусматривающих изготовление деталей методами, в которых аддитивные технологии применяются в сочетании с другими видами обработки, что позволяют повысить эксплуатационные показатели изделий.
Для решения указанных комплексных задач создан межкафедральный Научно-педагогический коллектив «Аддитивные и комбинированные технологии».
Современные тенденции цифрового производства, интернета вещей, направлены на активное формирование отрасли аддитивных технологий, применение данных технологий особенно перспективно видится в сфере производства корпусных элементов радиоэлектронной аппаратуры. Актуальность этих задач определяется в виду их соответствия перечню критических технологий Российской Федерации.
Среди зарубежных ученых исследователей инновационных процессов и аддитивного производства следует отметить многих исследователей. В разработку теории, методологии и практики управления качеством технологических процессов, внесли существенный научный вклад многие исследователи. Однако в исследованных трудах в полной мере не нашли отражения проблемы, связанные с применением аддитивных технологий в производстве корпусных элементов, выполненных по аддитивным технологиям с учётом требований национальных стандартов и регламентов.