ЦРТ: услуги рентгеновской томографии и промышленной 3D-печати для производства

За последнее десятилетие в сфере промышленных технологий произошли существенные изменения — появились новые, недоступные ранее возможности, способные увеличить эффективность процессов и вывести производство на новый уровень. Инновационные цифровые технологии, такие как аддитивное производство и компьютерная томография, являются одними из них.

Создание деталей при помощи промышленной 3D-печати, а также контроль изделий с использованием компьютерной томографии — это новые процессы, внедренные пока лишь на некоторых отечественных предприятиях. Но они являются важным конкурентным преимуществом, поэтому приобретают всё большую популярность.

Скорость распространения этих технологий у нас в стране заметно ниже по сравнению со странами Европы и Азии. Причина этого и в консерватизме наших предприятий, и в нежелании искать «добра от добра», и определенные финансовые трудности. Также это связано с отсутствием достоверной и актуальной информации о применимости 3D-печати и компьютерной рентгеновской томографии в различных отраслях промышленности. Информация размещается в основном на обособленных порталах, не связанных с производством, и рассказывает о достижениях в области печати товаров широкого потребления. В специализированных изданиях данная тема в последнее время рассматривается все чаще, но до конкретных практических примеров дело доходит очень редко. В статье мы решили восполнить этот информационный пробел.

На базе ООО «Остек-СМТ» для осуществления прикладных работ и исследований, проведения мастер-классов и демонстрации высокотехнологичного оборудования был создан Центр развития технологий (ЦРТ), открытый для широкого круга заказчиков. ЦРТ включает в себя самую большую в Восточной Европе лабораторию компьютерной рентгеновской томографии, оборудованную передовыми установками компании General Electric, а также системами для рентгеноскопии, 3D-сканирования и аддитивного производства. На базе ЦРТ уже выполнено большое количество работ, связанных с решением широкого спектра задач в области метрологии и дефектоскопии и проведением исследований микроструктуры образцов (например, кернов), работ по обратному проектированию, а также работ, связанных с производством выжигаемых 3D-моделей для литья методом ЛВМ1 и литьём мелких серий изделий из металла. Постоянными заказчиками Центра стали как крупнейшие предприятия, в том числе производители техники специального назначения, так и небольшие организации, включая индивидуальных предпринимателей, открывших для себя возможности аддитивных технологий.

В наших статьях мы будем знакомить вас с отдельными выполненными заказами для производственных предприятий, чтобы на практических примерах рассказывать о возможностях аддитивного производства и компьютерной рентгеновской томографии применительно к промышленности.

Для начала давайте рассмотрим, что такое технология ЛВМ. Технология ЛВМ — это метод, который используется предприятиями для литья деталей, обладающих сложной геометрией, и к точности которых предъявляются высокие требования. Использование метода позволяет получать отливки без существенных припусков, что сводит необходимость финишной механической обработки к минимуму, сокращая время на изготовление изделия, а также производственные отходы.

ЛВМ подразумевает наличие модели, так называемой восковки, изготавливаемой из легкоплавких материалов (стеарин, парафин, воск и др.), которая повторяет геометрию необходимого изделия из металла. Обычно при литье средней и крупной серии методом ЛВМ изготавливается металлическая или пластиковая пресс-форма, с помощью которой заливкой в форму легкоплавких составов создаются восковки. Для литья малой или опытной серии изготовление подобной пресс-формы является экономически нецелесообразным, и встаёт вопрос поиска относительно дешевого решения этого вопроса.

Знаете ли вы, что переход с метода литья в песчаные формы на ЛВМ позволяет снизить себестоимость изготовления отливки в среднем на 30–60 %, а в отдельных случаях — более чем на 60 %? При этом способе изготовления деталей производственные отходы металла сокращаются в 6–7 раз, коэффициент его использования повышается с 0,2 до 0,85, а трудоемкость механической обработки снижается на 60–70 %.

Применение аддитивных технологий в решении подобных задач — отличная возможность снизить издержки благодаря низкой стоимости расходных материалов и высокой производительности оборудования.

Изготовление оснастки

Одна из компетенций ЦРТ — изготовление оснастки для литья мелких серий изделий из металла методом ЛВМ с помощью промышленного 3D-принтера Voxeljet VX500, работающего по технологии Binder Jetting (послойное склеивание порошка связующим веществом) и позволяющего печатать из выжигаемого пластика ПММА1. Порошок ПММА обладает низкой зольностью, которая составляет 0,02 %, этот материал специально разработан для точного литья методом ЛВМ. Помимо этого, Центр осуществляет изготовление мелкой серии отливок «под ключ», что включает: разработку математической трёхмерной модели отливки, 3D-печать оснастки из ПММА и дальнейшее литьё из металла. (Рис 1, 2). Отливки изготавливаются в соответствии с конструкторской документацией и требованиями заказчика. Детали проходят выходной контроль и дефектоскопию с помощью компьютерной томографии, обеспечивающей метрологическую точность измерений.

Задачи, для которых обычно используется печать моделей из ПММА:

• получение опытных образцов изделий из металла, имеющих сложную геометрию, для оценки эргономики и проведения испытаний;
  
• получение мелких серий конечных изделий из металла, имеющих сложную геометрию.
  

Процесс литья по 3D-моделям из ПММА незначительно отличается от традиционного способа, который предполагает использование восковок, благодаря чему доступен для использования на предприятиях, оснащённых участком ЛВМ. На Рис 3 представлена схема, которая кратко описывает процесс литья по моделям из ПММА. На Рис 4 продемонстрирована выжигаемая модель, отливка с остатками керамической формы и готовая отливка.

Для наглядного примера рассмотрим задачу изготовления мелкой серии отливок «Колесо рабочее» в количестве 6 шт. методом ЛВМ.

В T1 приведено сравнение традиционного способа изготовления оснастки для литья и способа, в котором оснастка для литья производится с помощью аддитивных технологий. Объём изделия составляет 137 куб. см, габариты — 108 × 58 мм.

Таблица № 1 Сравнение традиционного способа изготовления оснастки и изготовления с помощью аддитивных технологий

После очистки образцов, отлитых по ПММА-моделям, от литниково-питающей системы был проведён выходной контроль с помощью системы компьютерной томографии и профилометра. В результате исследований получены следующие данные: точность изготовления отливки соответствует VI классу (ГОСТ Р 53464-2009), шероховатость поверхности Ra = 28 мкм, что удовлетворяет требования конструкторской документации.

В рассмотренном примере наглядно продемонстрирована эффективность использования промышленной 3D-печати из ПММА при литье малых партий деталей из металла. Создание оснастки при помощи аддитивных технологий позволяет получать малые партии изделий из металла и опытные образцы в два-три раза быстрее, а также значительно снизить финансовые издержки.

Задачи в области метрологии и дефектоскопии

Центр развития технологий располагает не только оборудованием для аддитивного производства, но и современными системами компьютерной томографии v|tome|x m300 и c450 (Рис 5), рентгеновской установкой с функцией томографии х | cube XL 225 и системой для промышленного 3D-сканирования.

Одно из важных преимуществ томографии по сравнению с другими неразрушающими методами контроля — совмещение возможностей дефектоскопии внутренних областей, контроля геометрии и метрологической точности.

MetraSCAN 210 и может решать широкий спектр задач в области метрологии и дефектоскопии.

Рассмотрим пример выполненной работы для одного из заказчиков центра, целью которой являлось получение параметрической трёхмерной модели изделия «Колесо рабочее». Исходная конструкторская документация была утеряна, и была предоставлена только сама деталь. Очень часто для решения подобных задач используется технология 3D-сканирования.

Но в данном случае, т.к. образец обладал внутренними полостями, произвести полное сканирование, не разрушая деталь, можно было только с помощью компьютерной томографии. После проведения сканирования и обработки полученных данных получили твердотельную математическую модель со всеми внутренними полостями с точностью 5,5 мкм.

Знаете ли вы, что современные технологии промышленной томографии позволяют не только осуществить измерения объекта с высокой точностью, в том числе его скрытых областей, но и обнаружить в нём трёхмерные микроскопические дефекты: трещины, поры и раковины.

На Рис 6 показаны результаты сканирования образца «Колесо рабочее» с помощью системы компьютерной томографии v|tome|x m300 производства General Electric. Установка позволяет исследовать изделия размером 290 × 450 мм и весом до 20 кг. Максимальное напряжение рентгеновской трубки составляет 300 кВ, мощность — 500 Вт. Дополнительно в систему установлена нанофокусная трубка с ускоряющим напряжением 180 кВ для исследований изделий и материалов с высоким разрешением (менее 1 мкм).

Помимо обратного проектирования, наиболее часто решаемой специалистами центра задачей в настоящее время является неразрушающий контроль изделия.

В качестве примера рассмотрим задачу измерения и проверки лопатки турбины, изготовленной с помощью аддитивных технологий (метод селективного лазерного сплавления), на наличие внутренних дефектов.

На Рис 7 представлен срез лопатки турбины, полученный с помощью системы компьютерной томографии v|tome|x c450 производства компании General Electric. Установка позволяет сканировать образцы с максимальным объёмом 500 × 1000 мм и весом до 50 кг, максимальное напряжение рентгеновской трубки системы составляет 450 кВ, мощность — 1500 Вт.

На Рис 7 показаны метрологические замеры в рамках одного среза лопатки для инспекционного контроля, на Рис 8 — анализ внутренних дефектов. Использование компьютерной томографии позволило провести неразрушающий контроль изделия и выполнить отбраковку. Работы были выполнены с точностью 20 мкм.

Использование современных технологий для аддитивного производства, а также цифровых систем неразрушающего контроля позволяет существенно сократить затраты на изготовление продукции и проведение исследований, а также решить те задачи, реализовать которые ранее не представлялось возможным.

Цель Центра развития технологий Остек-СМТ

Cодействие развитию и продвижению технологий аддитивного производства, а также компьютерной рентгеновской томографии в России, обмен опытом между передовыми отечественными предприятиями. Высокая квалификация сотрудников центра и оснащённость современным высокотехнологичным оборудованием позволяют провести грамотный анализ задачи и подобрать необходимую технологию для её решения.

Клиенты Центра развития технологий Остек-СМТ:

• машиностроительные и приборостроительные компании;
  
• литейные и металлообрабатывающие предприятия;
  
• предприятия нефтегазовой и электронной отраслей;
  
• производители товаров народного потребления;
  
• научно-исследовательские институты и опытно-конструкторские бюро;
  
• университеты и образовательные центры;
  
• дизайнерские агентства.