TRUMPF: в авангарде аддитивных технологий

СТАТЬЯ ИЗ РУБРИКИ: «АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ»

Andreas MargolfTRUMPF: «Для внедрения аддитивных технологий в самые разные сферы производства компания TRUMPF предлагает своим клиентам комплексные решения, которые включают не только суперсовременную установку для селективного спекания, но и программное обеспечение, периферийное оборудование, оснастку, сервисное обслуживание и обучение персонала. Будучи первопроходцами в данной области и имея в ней почти 20-летний опыт работы, TRUMPFпередает заказчикам технологию, включающую режимы обработки и траектории движения лазерных головок, чтобы клиент имел возможность максимально эффективно использовать все преимущества приобретаемого оборудования»

Технология будущего

TRUMPF с момента своего основания в 1923 г. всегда находился в авангарде компаний, внедряющих в производственные процессы инновационные технологии и, в том числе, аддитивную обработку.

Еще в 1999 г. специалисты компании совместно с Институтом лазерной техники им. Фраунгофера начали работу над созданием установки для лазерного спекания Laser Metal Fusion (LMF), а в 2005 г. TRUMPF выпустил первую в мире промышленную LMF-установку для изготовления металлических деталей аддитивным методом TrumaForm. Ее главным узлом был лазер, в луче которого в соответствии с заданной программой спекались частицы металлического порошка, образуя изделия практически любой формы.

Тогда компания TRUMPF опередила время. Машиностроители еще не были готовы применять эту фантастическую технологию в заводских цехах, поэтому исследовательские и проектно-конструкторские работы компании по созданию более мощных и производительных «3D-принтеров» были приостановлены.

Первый серийный станок для 3D-печати

В 2014 г. в связи с ростом интереса потребителей к аддитивной технологии компания TRUMPF возобновила свои исследования в этой области и в конце 2015 г. выпустила на рынок серийную модель TruPrint1000 — компактный станок для изготовления мелких металлических деталей, имеющих сложную геометрическую форму. Он обеспечивает простое и быстрое построение трехмерной металлической детали из CAD-программы и может быть использован как для индивидуального, так и для серийного производства.

В установке TruPrint1000 происходит послойное спекание частиц металлического порошка в соответствии с управляющей программой и заданной конструкцией. Чтобы повысить качество детали, процесс осуществляется в камере, заполненной защитным газом.

Толщина одного слоя составляет от 10 до 50 мкм. Установка обеспечивает точность построения в пределах 0,01–0,1 мм и шероховатость поверхности от Rz 50 мкм до Rz 80 мкм. Максимальная скорость сканирования равна 6 м/с, благодаря разработанной X–Lip скорость нанесения порошка достигает 2,5 м/с. Рабочая зона имеет форму цилиндра диаметром 100 мм и высотой 100 мм, то есть на данном оборудовании можно изготавливать детали, которые не превышают данных габаритов. В качестве источника лазерного излучения используется волоконный лазер мощностью 200 Вт с длиной волны около 1,07 мкм. В данной установке может использоваться порошок из нержавеющей и инструментальной сталей, кобальта-хрома, титана, благородных металлов, бронзы, меди. Режимы работы настраиваются в соответствии с используемым материалом. Как правило, установка рассчитана на применение какого-то одного материала. При переходе на другой вид порошка станок должен быть подвергнут тщательной чистке, и поэтому такой переход экономически нецелесо­образен. Но, тем не менее, перезагрузку оборудования на использование другого материала можно реализовать менее чем за час.

Новейшие разработки

На прошедшей в октябре прошлого года выставке ЕМО компания впервые представила свою новую LMF-установку TruPrint3000. По сравнению с TruPrint1000 она имеет увеличенную рабочую зону диаметром 300 мм и высотой 400 мм. Максимальная скорость сканирования увеличилась до 11 м/с. Толщина спекаемого слоя порошка составляет от 20 мкм до 150 мкм.

В качестве источника излучения используется волоконный лазер мощностью 500 Вт с длиной волны около 1,07 мкм. Индивидуальная настройка диаметра фокуса в диапазоне от 100 до 500 мкм позволяет гибко реагировать на различные требования к деталям.

TruPrint3000, в отличие от своего предшественника, имеет функцию подогрева платформы до 200°C, что способствует устранению или минимизации внутренних напряжений, возникающих в детали в процессе спекания, по завершении которого её отделяют от платформы фрезой или на проволочно-вырезном станке. Внутренние напряжения в этот момент могут спровоцировать изменение формы — деталь может повести. Нагрев платформы помогает предотвратить это явление.

Установка TruPrint3000 поставляется в комплекте с периферийным оборудованием, позволяющим автоматически просеивать порошок и очищать готовую деталь от его остатков. После изготовления детали к станку подключается шланг, через который удаляется загрязненный порошок. После очистки и просеивания его можно использовать для изготовления следующих деталей.

Главные компоненты этого периферийного оборудования — фильтровальная установка, станция распаковывания и хранилище порошка — создают основу для серийного промышленного производства. Быстрая обработка больших объемов порошка, механизм его перемещения в замкнутом контуре гарантируют более высокую производительность установки и безопасность для оператора.

В комплект установки TruPrint 3000 также входят быстросменные рабочие цилиндры и цилиндры с запасом порошка. Замена цилиндров и обработка CAD-моделей может осуществляться одновременно с процессом LMF.

Компания TRUMPF разрабатывает и более мощные и производительные установки для аддитивной обработки, в которых спекание порошка производится одновременно тремя лазерными головками, и платформа подогревается до 500°C, что существенно увеличивает скорость изготовления деталей и минимизирует их деформацию.

Аддитивное производство: от турбин до протезов

Аддитивные технологии получают все большее распространение во всех отраслях машиностроения. Особенно актуальны они в авиастроении и производстве энергоустановок, при работе с такими дорогими и сложными в обработке металлами, как титан и инконель (аустенитный никель-хромовый жаропрочный сплав). Например, при изготовлении газовых турбинных лопаток, подвергающихся при эксплуатации воздействию больших нагрузок и высоких температур (до 1500°C).

В инструментальном производстве и при изготовлении моделей нередко возникает необходимость выполнить в изделиях охлаждающие каналы сложной формы и именно там, где они действительно нужны. Сделать их традиционными методами не всегда возможно. 3D-печать позволяет решить эту проблему, и её применение в этой области имеет огромный потенциал.

Незаменимы аддитивные технологии в медицине и стоматологии, в частности для создания имплантатов. Установки производства TRUMPF успешно применяются для изготовления сетки из титана, которая используется для восстановления фрагментов челюсти, утраченных в результате аварии или заболевания. Вокруг неё формируется костная ткань непосредственно в организме пациента.

Широко применяется метод лазерного спекания при производстве зубных коронок и мостов из титана, кобальта и хрома, обеспечивая существенную экономию материала и времени. Например, для фрезерования зубных протезов на всю нижнюю челюсть необходимо 9–10 часов. Метод аддитивной обработки позволяет сократить время производства до 5–8 часов, а расход металла — примерно в 10 раз, так как при фрезеровании 90% уходит в стружку. Если учесть, что стоимость титана составляет 500–600 евро, то можно судить об экономической целесообразности применения этой технологии в стоматологии.

Важным направлением использования аддитивных технологий является применение их для воспроизведения деталей различной формы, соответствующей принципам топологии, что открывает широчайшие перспективы для производства суперлегких конструкций в сфере самолетостроения, судостроения, строительства и других областях. Снижение веса может достигать 30–50% при сохранении и даже улучшении прочностных характеристик. Примером может служить точное повторение в металлических деталях формы стебля бамбука, славящегося своей легкостью и прочностью.

Аддитивные технологии имеют и достаточно неожиданные, на первый взгляд, сферы применения. Например, небольшая швейцарская фирма приобрела установку TruPrint1000 для производства эксклюзивных ключей, фигурные выступы которых находятся не только на его внешней, но и на внутренней поверхности. Подделать такие ключи практически невозможно.

Есть примеры изготовления подковы для скаковых лошадей из титана методом 3D-печати, чтобы максимально снизить вес изделия.

А самый несерьезный, с точки зрения инженера, заказ, изготовленный на TruPrint1000, — это детали дизайнерского наперстка. Испанская фирма, специализирующаяся на производстве эксклюзивных наперстков, заказала аппликации сложной формы для декора своих изделий.

И если вдуматься, то понимаешь, что использование аддитивных технологий дает широчайший простор для реализации творческих идей не только инженеров, но и дизайнеров и художников.

Аддитивные и традиционные технологии производства

Естественно, несмотря на широчайшие возможности аддитивных технологий, они не заменят полностью традиционные способы изготовления металлических изделий. В настоящее время они в основном используются в комбинации с обработкой резанием, так как параметры точности и шероховатости поверхности, получаемые на современных LMF-установках, часто оказываются недостаточными, и полученные детали требуют последующей механической обработки.

Примером такой удачной комбинации является изготовление методом аддитивной обработки заготовок деталей с каналами для охлаждения, которые для наиболее рационального функционирования должны иметь сложную форму, чтобы подводить охлаждающую жидкость в конкретную точку. Полученные заготовки затем подвергаются высокоточной фрезерной, токарной обработке или шлифовке.

Комплексные решения для внедрения аддитивных технологий

В настоящее время большое внимание компания TRUMPF уделяет вопросам автоматизации и мониторинга процесса; извлечения изделий из рабочей зоны; удаления, если это необходимо, поддержек, фиксирующих деталь в процессе её образования на платформе, и подготовки установки к изготовлению нового изделия. Специалисты компании ведут работы по совершенствованию периферийного оборудования и оснастки, чтобы обеспечить своим клиентам комплексное автоматизированное решение по внедрению аддитивной технологии в производство.

Важным преимуществом оборудования TRUMPF является то, что все его компоненты (лазерная установка собственного производства, оптика, сама LMF-установка, периферийное оборудование и программное обеспечение) клиент получает «из одних рук». Это очень удобно с точки зрения гарантийного и постгарантийного обслуживания. Практически ни одна фирма-конкурент, выпускающая подобные установки, не изготавливает сама все компоненты и, соответственно, работоспособность установок зависит от качества не только работы этой фирмы, но и тех, кто выпускает необходимые компоненты.

Компания TRUMPF традиционно участвует в разработке технологических процессов для изготовления изделий, под которые приобреталась установка. Специалисты TRUMPF рассчитают режимы работы лазера, траектории и скорости движения головок, чтобы обеспечить необходимую скорость спекания, объемы подачи кислорода, выберут инертный газ для рабочей камеры и подложку для субстрата.

TRUMPF предлагает не только оборудование и технологию, но и сырье — высококачественный порошок для спекания из нержавеющей и инструментальной сталей, кобальта-хрома, титана, благородных металлов, бронзы и меди.

Программное обеспечение

Важным преимуществом оборудования TRUMPF является открытое программное обеспечение, необходимое для подбора и изменения параметров процесса.

Два метода 3D-печати

Главным недостатком LMF-технологии являются ограниченные размеры получаемых изделий. Но, кроме лазерной наплавки с использованием флюсовой подушки (Laser Metal Fusion), существует и другой метод, используемый при 3D-печати металлических изделий. Это обычная лазерная наплавка (Laser Metal Deposition), и компания TRUMPF производит новейшее высокопроизводительное оборудование для этого вида обработки: TruLaser Cell 3000 и TruLaser Cell серии 7000.

В аддитивной технологии лазерная наплавка применяется, как правило, в сочетании с другими методами. Например, изготовленные методом обычного литья или пластического формообразования основные простые корпуса путем аддитивной надстройки можно превратить в разно­образные изделия сложной формы.

Следует отметить, что метод лазерной наплавки в отличие от LMF-технологии не обеспечивает достаточной точности, но он может использоваться для получения габаритных заготовок. Суть этой технологии заключается в том, что на поверхности детали образуется плавильная ванна, в которую непрерывно подается металлический присадочный материал в форме порошка, также подвергающийся расплавлению. Так формируются связанные друг с другом слои металла, объединенные в заданную форму на уже имеющейся основе. По сравнению с другими методами скорость получения надстройки достаточно велика.

В ходе процесса на установках TRUMPF могут быть активны несколько резервуаров для порошка, вследствие чего по мере необходимости создаются собственные сплавы разных металлов. Комбинирование различных материалов позволяет изготавливать многослойные структуры. Для этой технологии применяются порошки и стали, базовые сплавы никеля, кобальта, алюминия, меди и титана, а также уложенные в металлические матрицы карбида вольфрама и карбида титана.

Лазерная наплавка Laser Metal Deposition нашла широкое применение в машиностроении. Этот метод может повсеместно использоваться при ремонте деталей.

 

 

Рекламодатели

Партнёры

Новостная рассылка

Будьте в курсе наших последних новостей. Оформите бесплатно персональную новостную рассылку.