Изготовление металлических корпусов на основе 3D-прототипирования в военной оптике Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 681.7; 681.7.05

ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОРПУСОВ НА ОСНОВЕ 3D-ПРОТОТИПИРОВАНИЯ В ВОЕННОЙ ОПТИКЕ

Татьяна Васильевна Гулюта

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры наносистем и оптотехники, тел. (913)003-67-11, e-mail: 89134891157@mail.ru

Олег Кузьмич Ушаков

Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, кандидат технических наук, доцент кафедры наносистем и оптотехники, тел. (383)344-29-29, e-mail: ushakovo@bk.ru

В статье дается краткий анализ 3D-прототипирования и изготовления металлических корпусов для оптических приборов на основе аддитивных технологий в условиях АО «Швабе - Приборы»

Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-прототипирование.

MANUFACTURER OF METAL BUILDINGS BASED ON 3D-PROTOTYPING IN THE MILITARY OPTICS

Tatyana V. Gulyta

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., undergraduate of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. 8(913)003-67-11, e-mail: 89134891157@mail.ru

Oleg K. Ushakov

Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo St., Ph. D., associate Professor of the Department of Nanosystems and Optical Engineering, tel. (383)344-29-29, e-mail: ushakovo@bk.ru

The article gives a brief analysis of 3D prototyping and fabrication of metal enclosures for military optical devices based on additive technologies in the conditions of JSC «Shvabe - Devices».

Key words: additive technologies, 3D prototyping.

Актуальность данной тематики вызвана необходимостью реализации аддитивных технологий в условиях АО «Швабе - Приборы».

Целью данной работы является, разработка технологического процесса, изготовление металлических корпусов на основе 3D-прототипирования, в условиях реального предприятия для производства, с заданными исходной конструкторской документацией, размерами. Для достижения этой цели необходимо решить следующие основные задачи:

- провести краткий исторический обзор существующих технологий;

- показать преимущества аддитивных технологий и экономическую целесообразность их применения;

- провести анализ существующих аддитивных технологий и на его основе дать рекомендацию по внедрению в условиях реального предприятия АО «Швабе - Приборы» для производства конкретных металлических или неметаллических деталей. В данной статье решение этой задачи не рассматривается.

История разработки технологий BD-печати начинается в 1986 г., когда был выдан первый патент на установку стереолитографии (SLA). Этот патент принадлежал Чаку Халлу, американскому инженеру, который в 1983 г. разработал первую SLA-установку. После получения патента Халл создал компанию 3D Systems Corporation, которая и сейчас является одной из самых крупных и преуспевающих компаний - производителей оборудования 3D-печати.

Первая коммерческая система быстрого прототипирования SLA-1 была выпущена компанией 3D Systems в 1987 г., первая продажа (после многочисленных тестов и испытаний) состоялась 1988-м. Помимо стереолитографии в тот же период начали развиваться и другие технологии 3D-печати. В 1987 г. Карл Декарт, сотрудник Техасского университета, подал заявку на патент, описывающий процесс быстрого прототипирования изделий с помощью технологии селективного лазерного спекания (SLS) [5].

Аддитивные технологии позволяют изготовить любое изделие послойно на основе компьютерной модели 3D. Использование аддитивных технологий-один из ярчайших примеров того как новые разработки и оборудование могут существенно улучшать традиционное производство. Термин аддитивные технологии происходит от английского additivemanufacturing, что дословно можно перевести как производство добавлением [2]. Название технологии обусловлено сутью процесса - постепенным выращиванием (наращиванием) деталей, что принципиально отличает ее от других методов, где с заготовки постепенно удаляется «лишнее» - фрезерная обработка, токарная и т. д.

Аддитивные технологии (иначе - технологии послойного синтеза) в настоящее время являются одними из наиболее динамично развивающихся и перспективных производственных процессов. Они предоставляют инженерам инновационный подход к проектированию и изготовлению деталей по сравнению с традиционными методами литья и обработки на металлорежущих станках [1]. Технологии объединяют использование цифрового проектирования CAD (Computer-Aided Design) для создания компьютерной модели будущей детали и получение самого изделия путем послойного добавления материала на специальном оборудовании с использованием различных методов. К основным видам аддитивных технологий можно отнести селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting - SLM), лазерную стереолитографию (Steriolithography Laser Apparatus) и послойное наплавление полимерной нити (Fused Deposition Modeling) .

По оценкам экспертов консалтинговой компании Wohlers Associateslnc, мировой рынок изделий и услуг, связанных с АМ-технологиями в 2012 г. вырос на 28,3 % и составил 2,2 млрд. долл. США, к 2015 г. рынок увеличился в два раза, в 2017 г. будет оцениваться в 6 млрд. долл. США, а в 2020 г. - 10,8 млрд. долл. США (рисунок).

Рис. Рост рынка услуг

Лидером в области применения аддитивных технологий и сопутствующих услуг являются США, Германия и Израиль.

В настоящее время аддитивные технологии активно применяются в таких отраслях как автомобильная, авиационная, аэрокосмическая промышленность, приборостроение и медицина, они позволяют на порядок ускорить процесс НИОКР и решение задач подготовки производства. Методы быстрого прототи-пирования (rapidprototyping) используют научно- исследовательские организации, архитектурные и конструкторские бюро, дизайн-студии, ювелиры и частные лица. Во многих колледжах и университетах аддитивные машины или ЭЭ-принтеры являются неотъемлемой частью учебного процесса для профессионального обучения по ключевым инженерным специальностям.

Рынок АП-установок можно поделить на три основных сегмента. Самые высокие темпы роста отмечаются для 3D-принтеров, ориентированных на создание концептуальных макетов, пригодных для эксплуатации в офисной среде. Второй набор технологий, занимающий промежуточное положение по стоимости, предназначен для создания прототипов деталей с различной степенью точности и/или функциональности [4]. Дешевые и средние по стоимости установки обычно ориентированы на полимерные материалы. Установки высокого класса, составляющих третий сегмент, позволяют производство полимерных, металлических и керамических деталей; их цены варьируются от $200 000 до $5 000 000. Установки высокого класса могут быть оптимизированы в расчете на изготовление крупногабаритных деталей, достижение высокой производительности, использование нескольких материалов, или с любой другой целью, что повышает стоимость системы.

К основным преимуществам аддитивных технологий относят:

- сокращение трудоемкости изготовления деталей и конструкций;

- отсутствие необходимости изготовления специальной технологической оснастки;

- снижение себестоимости изготовления опытных деталей и конструкций;

- увеличение коэффициента использования материала;

- автоматизация процесса изготовления деталей;

- стабильность процесса изготовления.

- проектирование деталей оптимальной конструкции без учета технологических ограничений.

К основным представителям аддитивных технологий, которые могут быть реализованы в условиях АО «Швабе - Приборы», можно отнести:

Sprayforming - технология получения заготовок из конструкционных и специальных сплавов посредством распыления (атомизации) металла, разработанная в 1970 г. в Великобритании. Суть технологии заключается в послойном напылении металла на подложку и «выращивании» болванки (заготовки) для последующей механообработки [6]. Металл расплавляется в плавильной камере и затем посредством специального сопла распыляется потоком инертного газа, частички металла (размером 10-100 мкм) осаждаются на подложку, формируя, таким образом, массив болванки.

Машина RSP может изготавливать детали с максимальными размерами 180 х 180 х 100 мм. Продолжительность рабочего цикла 3-4 часа. Таким образом, в течение одного рабочего дня может быть изготовлено 2-4 изделия. Одним из преимуществ данной технологии является возможность получения биметаллических композиций [3].

На сегодня главным недостатком, или ограничением в применении вышеуказанных технологий является их относительно высокая стоимость. В то же время аддитивные технологии являются главным объектом инновационной деятельности, поскольку сами позволяют генерировать новые технологии, несут в себе новое качество. В ходе дальнейшей работы предполагается произвести сравнительный анализ существующих аддитивных технологий и дать конкретные рекомендации по выбору оптимальной технологии для реального производственного объединения АО «Швабе - Приборы». Это подтвердит возможность и перспективность применения современных технологий в приборостроении.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Довбыш В. М., Забеднов П. В., Зленко М. А. Аддитивные технологии и изделия из металла [Электронный ресурс] (дата обращения: 05.05.2016).

2. Зленко М. А., Нагайцев М. В., Довбыш В. М. Аддитивные технологии в машиностроении : пособие для инженеров. - М. : ФГУП «НАМИ», 2015. - 220 с

3. Валетов В. А., Бойцова С. В. Новые технологии в приборостроении : учеб. пособие. - СПб. : СПбГУ ИТМО, 2004. - 120 с.

4. Concept Laser [Electronic resource]. - URL: http://www.concept-laser.ru (дата обращения: 25.03.2017).

5. Профессиональные 3D-принтеры и 3D сканеры // Продажа оборудования для 3D печати [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.printcad.ru/equipment/3d-printers/concept-laser/ (дата обращения: 25.03.2017).

6. EOS e-Manufacturing Solutions: Industrial 3D Printing [Electronic resource]. - URL: http://www.eos.info/systems_solutions/metal/systems_equipment (дата обращения: 25.03.2017).

© Т. В. Гулюта, О. К. Ушаков, 2017