Конструкторско-технологическая подготовка металлических изделий в аддитивном производстве. Специфика применения аддитивных технологий в нефтегазовой отрасли.

Аддитивные технологии сегодня одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инновационного производства. За последний год (2016-2017), по данным отчета Wohlers 2017, число компаний в этом сегменте увеличилось почти вдвое. Это говорит о высоком потенциале технологии, о том, что в скором времени аддитивное производство станет неотъемлемой частью нашей жизни, как в промышленности, так и в быту.

5 лет назад в 2012 году, когда волна 3д печати только набирала свои обороты, рынок был наполнен скепсиса в отношении использования аддитивных технологий в производстве. Говорилось о высокой стоимости оборудования, низкой стабильности процесса, отсутствия материалов, стандартов и т.д. Сейчас же в РФ есть яркие примеры использования 3д печати уже в мелкосерийном и среднесерийном масштабе, появляются отечественные материалы и стандарты, но, тем не менее, скепсис в отношении использования технологии в промышленности до сих пор достаточно высокий.

Это можно связать со следующими причинами:

1.      Сложность технологического процесса, связанного с множеством параметров, требующих тщательного контроля, что часто приводит к низкому качеству изделий.

2.      Использование консервативного подхода к конструированию изделий с учетом присущих традиционным методам ограничений, что не позволяет добиться экономического эффекта от внедрения.

3.      Отсутствие стандартов и отработанных процессов на отечественных материалах.

Решением данных проблем являются специализированные инструменты конструкторско-технологической подготовки, наличие которых в арсенале конструктора и уровень его компетенций в данном направлении, позволят добиться максимального эффекта от внедрения аддитивных технологий и существенно сократить число экспериментальных итераций, обеспечив экономию материалов, машино-времени и нервов технологов.

Инструменты и подходы к конструированию, позволяющие добиться экономического и технологического эффекта при внедрении аддитивных технологий:

1.      Снятие традиционных технологических ограничений

Позволяет конструировать детали сложной геометрии и внутренней структуры с целью сокращения кол-ва узлов конструкции, а также обеспечения уникальных функциональных и механических свойств.

Примеры: сборочное изделие (соединительный блок) из 8 узлов, сложнопрофильное изделие АО «Авиадвигатель» с внутренними каналами охлаждения.

2.      Топологическая оптимизация

Позволяет существенно облегчить конструкцию за счет определения оптимального распределения материала в  заданной области с учетом действующих нагрузок и ограничений.

Пример: топологическая оптимизация корпусной детали со снижением веса в 2 раза.

3.      Инженерный анализ

Позволяет с высокой точностью определить возникающие напряжения, деформации и перемещения, собственные частоты и формы колебаний изделия или сборочного узла от действующих нагрузок: статических, динамических, тепловых. Является незаменимым инструментом конструктора.

4.      Моделирование технологических процессов

Позволяет определить напряжения, деформации и перемещения, возникающие во время технологических процессов: 3D печать из металлов (SLM), наплавка металлами (LMD), сварка, термообработка, механообработка.  

В контексте аддитивных технологий данный инструмент позволяет сократить количество эмпирических итераций при подборе параметров процесса SLM/LMD, существенно сократить процент брака, увеличив качество производимых заготовок (микроструктура, внутренние дефекты, шероховатость поверхности, механические свойства) за счет определения оптимальных параметров процесса: мощность лазера, диаметр пятна сплавления, скорость и стратегия сканирования, толщина слоя порошка, гранулометрических состав порошка, расположение детали в камере построения и пр.

Пример: алюминиевая деталь с дефектом (растрескиванием) заготовки при выращивании.

С учетом отраслевой специфики нефтегазового сегмента аддитивные технологии активно используются для решения следующих задач:

• ремонт быстро изнашиваемых металлических деталей и конструкций;
• прототипирование и производство заготовок сложнопрофильных изделий;
• изготовление литейной оснастки, в .т.ч. выжигаемых моделей для литья;
• нанесение покрытий (твердосплавных, антикоррозийных и пр.);
• создание функциональной текстурированной поверхности.

Технологии 3д печати  для нефтегазовой отрасли — одно из перспективных направлений применения объемной печати. Ведущее участники рынка активно исследуют возможности новой технологии и ведут работу в области сертификации изделий изготовленных при помощи аддитивных технологий.

Пример: титановый коллектор, напечатанный методом селективного лазерного наплавления (SLM). Пример прекрасно демонстрирует, как инновационные компании извлекают пользу из аддитивных технологий. Эту деталь было бы невозможно произвести традиционными методами в связи со сложной структурой внутренних каналов (фото: Информационный портал Mplast.by).