Аддитивные технологии и ТПП изделий из пластмасс

Процесс освоения изготовления новой продукции («от идеи до серии») называется технологической подготовкой производства (ТПП) изделий, которая обеспечивает его технологическую готовность, основана на ряде принципов [1] и включает в себя несколько ключевых этапов:

• разработку 3D-модели изделия;
• выбор материала изделия и технологии его переработки;
• разработку и изготовление технологической оснастки;
• расчет технологических параметров изготовления изделий;
• подбор и закупку технологического оборудования;
• приемо-сдаточные испытания оборудования и технологической оснастки;
• эталонирование изделий и техпроцесса их производства.

Далее начинается серийное производство.

Понятно, что чем быстрее новое изделие будет выведено на рынок товаров, тем выше будут его (изделия) при прочих равных условиях конкурентные преимущества. Поэтому, важнейшая задача любого перерабатывающего предприятия — сокращение времени и стоимости ТПП новой продукции.

Разработка 3D-модели изделия

Итак, первый этап ТПП — «Разработка 3D-модели изделия». На этом этапе сначала необходимо составить техническое задание (ТЗ) на новое изделие, где обязательно требуется указать следующие сведения о нем:

• назначение;
• условия эксплуатации;
• требования по эргономичности;
• ограничения по габаритам и массе;
• серийность производства и «срок жизни»;
• планируемая себестоимость изготовления и т.д.

После того, как составлено ТЗ, переходим к эскизному проектированию нового изделия — созданию поисковой 3D-модели. На этом этапе хорошо бы взять в руки трехмерный образец. Но не каждое изделие из полимерных материалов можно штучно изготовить механической обработкой заготовки на станке с ЧПУ (фрезерованием, токарной обработкой). И здесь, на этапе разработки 3D-модели изделия, трудно переоценить возможности аддитивных технологий (АТ).

С помощью различных АТ реализуется аддитивное производство изделий, под которым, согласно ГОСТ, понимают техпроцесс их послойного изготовления по электронной геометрической модели путем добавления материала — как правило, слой за слоем в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки) [2]. Часто процесс изготовления изделий из ПМ на аддитивных установках называют 3D-печатью. В настоящее время на отечественном рынке услуг по 3D-печати наиболее распространены следующие АТ:

• послойное изготовление изделий из фотополимерных материалов (технологии SLA и PolyJet);
• послойная экструзия полимерной нити (филамента) (технология FDM);
• послойное спекание полимерных порошков (технология SLS);

Основные преимущества применения АТ при изготовлении опытных образцов изделий заключаются в следующем:

• геометрическая сложность изделия никак не влияет на стоимость его производства;
• для производства изделия не требуется технологическая оснастка.

Таким образом, становится возможным прямое изготовление изделий. Однако, вышеназванные АТ имеют свои ограничения как по используемым полимерным материалам, так и по техпроцессу.

Преимущества и недостатки АТ

Технологии SLA и PolyJet

Изготовление изделий из фотополимерных материалов из эпоксиакрилата по данным технологиям происходит быстро и может проводиться как для единичного изделия, так и для нескольких одновременно. При постобработке поверхность изделия легко доводится до блеска. Фотополимер может быть полупрозрачным, прозрачным, цветным, жестким или гибким эластичным. Время 3D-печати составляет всего несколько часов в зависимости от размеров изделия.

Недостатки: 

• тонкие стенки изделий толщиной 1,5 мм и менее легко ломаются;
• требуется постобработка по удалению технологических поддержек;
• под действием УФ-излучения происходит доотверждение фотополимера и, как следствие, весьма возможное коробление изделия при хранении;
• теплостойкость материала ограничена, как правило, температурой 60 °С (кроме «цифровых материалов», которые используются только в установках последнего поколения).

Технология FDM

Изготовление изделий из полимерных нитей (филаментов) по технологии FDM производится на выбор из гаммы материалов (PLA, ABS, PC, PET G, PEI). Процесс происходит также довольно быстро и может проводиться и для единичного изделия, и для нескольких одновременно. Предлагаются филаменты разнообразной цветовой гаммы — жесткие, упругие или условно гибкие. Напечатанные изделия вполне пригодны для эксплуатации, как в виде опытных и выставочных образцов, макетов, так и в качестве рабочих изделий в зависимости от выбора типа филамента и его диаметра на выходе из сопла печатающей головки.

Недостатки:

• тонкие стенки изделий, как правило, толщиной 1,5 мм и менее, легко ломаются по межвитковому соединению филаментов, особенно в наиболее уязвимых местах (ребра, защелки, вертикальные локальные стенки);
• торцы тонких стенок, как правило, несплошные;
• требуется постобработка по удалению материала поддержек;
• трудоемкость доводки шероховатости поверхности изготовленного изделия выше, чем у изделий из фотополимеров.

Технология SLS

Изготовление изделий из полимерных порошков (PA, PEBA) по технологии SLS происходит относительно медленно, поскольку требуется технологическое время на разогрев, непосредственную печать и остывание рабочей камеры принтера с материалом. Процесс проводится, как правило, для нескольких изделий одновременно, так как штучная печать небольших изделий очень высокозатратна. Напечатанные объекты пригодны для эксплуатации как в качестве опытных и выставочных образцов и макетов, так и в качестве рабочих изделий. При этом тонкие стенки и элементы хорошо прорабатываются и обладают упругостью. Можно создавать неразъемные подвижные соединения за счет удаления порошка в технологических зазорах.

Недостатки: 

• затруднена постобработка по удалению остатков порошка материала в узких щелях и глубоких отверстиях;
• трудоемкость доводки поверхности изготовленного изделия под последующие операции окрашивания или склеивания повышается за счет того, что необходимо удалить с поверхности изделия тонкий шероховатый слой порошка («шубу»), образующийся при спекании изделия. В отличие от самого материала, этот слой гигроскопичен и впитывает влагу, краску и клей. Удаляется «шуба», как правило, галтовкой в течение 2–4 ч.

Напечатанные образцы изделий изучаются специалистами на технологичность изготовления, эргономичность эксплуатации, работоспособность и ремонтопригодность. По результатам исследований вносятся изменения в 3D-модель разрабатываемого изделия. Затем повторно печатают образцы доработанных изделий и снова проводят их испытания. Наконец, создается окончательная 3D-модель изделия, по которой выпускаются его чертежи.

Выбор полимерного материала и технологии его переработки

Далее выбирается марка полимерного материала для нового изделия. Кстати, бытует распространенное мнение, что этот важнейший этап надо проводить на основании аналога существующего или похожего изделия. Но ведь мы не знаем, почему был выбран именно такая марка материала аналога и какими при этом соображениями руководствовались. Поэтому выбор марки полимерного материала для изделия должен проводиться на основании анализа условий его эксплуатации. Затем уточняются технологические характеристики материала с учетом предполагаемой технологии формования. Далее включаются в рассмотрение экономические факторы: стоимость материала и расчетная себестоимость изделия. И только потом учитывается марка материала изделия-аналога, но лишь в качестве справочной информации.

Следующий шаг на данном этапе — выбор технологии изготовления изделий, которая может быть различной в зависимости от вида полимерного материала (литье под давлением, термоформование выкладка, вакуумная инфузия и т.д.). После этого приступаем к разработке и изготовлению технологической оснастки.

Разработка и изготовление технологической оснастки

Технологическая оснастка принципиально делится на опытную и серийную. Опытная оснастка, как правило, изготавливается с целью как можно быстрее получить изделия из штатного, предварительно выбранного на предыдущем этапе ТПП, полимерного материала. Дело в том, что, во-первых, изделия из пластика, изготовленные с помощью АТ, практически невозможно испытать в полном диапазоне условий эксплуатации и, во-вторых, они (изделия) ведут себя иначе при эксплуатации, чем изготовленные из штатного полимерного материала по штатной технологии.

Выбранные материалы могут быть применены для изготовления формообразующих деталей (ФОД) опытной оснастки, но с определенными ограничениями — по прочности, температуре эксплуатации, долговечности и т.д. Новым словом в изготовлении крупногабаритной технологической оснастки представляется оригинальная технология «Сast in motion» фирмы MASSIVIT, реализуемая в рабочей зоне размерами до 1,42´1,11´1,50 м со скоростью печати до 350 мм/ч по высоте. Оснастка в этом случае изготавливается следующим образом: печатается из фотополимерного геля ее наружный поверхностный слой в качестве опалубки, а внутрь этой опалубки заливается эпоксидная композиция с отвердителем. Затем напечатанная модель подвергается термической обработке в печи, после чего фотополимерная оболочка опадает и счищается, как луковая шелуха. Наконец, рабочая поверхность оснастки из отвержденной эпоксидной композиции легко доводится вручную до нужного состояния. Это может быть оснастка под выкладку, вакуумную инфузия, вакуумное формование и т.д.

Изготовление оснастки или сменных ФОД по классическим аддитивным технологиям (SLA, FDM, SLS) уступает по эффективности мехобработке как алюминиевых сплавов, так и полимерных заготовок [3]. Однако, для пилотных серий изделий (50±30 шт.) применение АТ при изготовлении опытной оснастки вполне конкурентоспособно и даже выигрышно, особенно в сравнении со стальной серийной оснасткой (см. рисунок).

Таким образом, АТ заняли прочное место в ТПП изделий из полимерных материалов и являются эффективным современным инструментом быстрого продвижения конкурентоспособной продукции на рынке товаров.

Литература

1. Дувидзон В. Г. Принципы модернизации литьевого производства изделий из полимерных материалов // Полимерные материалы. — 2016. — № 6. — с. 32–37.
2. ГОСТ Р57558-2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения». — М.: Стандартинформ, 2018. — 16 с.
3. Дувидзон В. Г. К вопросу о 3D-печати полимерных формообразующих деталей литьевых форм // Полимерные материалы. — 2019. — № 6. — с. 6–9.
4. Бояринцев А. В., Дувидзон В. Г., Подсобляев Д. С. Быстрое изготовление пилотных серий деталей из термопластичных полимерных материалов // Полимерные материалы. — 2013. — № 6. — с. 4–9.

Additive Technologies and Technological Preparation of Production of Plastic Parts
V. Duvidzon
How to reduce the duration of technological preparation for the production of new plastic parts? And can modern additive technologies help at the same time, and if they can, then how? This article attempts to answer these and other «burning» questions for each enterprise.