Аддитивная технология прямого лазерного выращивания (ПЛВ), по которой заготовки деталей изготавливаются путем лазерной наплавки металлических порошков, сегодня широко востребована во многих сегментах машиностроения, в том числе при производстве высокотехнологичной продукции. ПЛВ – отечественный термин, за рубежом, где лидеры АП стали применять эту технологию намного раньше нас, в ходу несколько различных аббревиатур для ее обозначения, самые распространенные – DED-P, LENS и DMD. В России работа над установками прямого лазерного выращивания началась достаточно поздно – в 2014 году. Лидером здесь был и остается Институт лазерных и сварочных технологий при Санкт-Петербургском Государственном Морском Техническом Университете (ИЛИСТ при «Корабелке»). Установки ИЛИСТ стали первыми отечественными образцами технологического оборудования для прямого лазерного выращивания крупногабаритных высокоточных заготовок из металлопорошковых композиций. Это обеспечило серьезный научно-технический задел для развития технологий аддитивного производства в России.
Собеседник нашей редакции – руководитель отделения аддитивных технологий ИЛИСТ СПбГМТУ Константин Бабкин.
– В публикациях о ваших продуктах упоминается, что в процессе создания линейки установок ИЛИСТ разработчики столкнулись с многочисленными проблемами, связанными с революционностью самой технологии. Пожалуйста, расскажите подробнее об основных проблемах и о том, какие их решения заложены в разработках серии ИЛИСТ?
В этом году мы отмечаем юбилей. Ровно десять лет назад были начаты работы над технологией прямого лазерного выращивания. Команда разработчиков состояла тогда из двух человек. Сейчас в отделении аддитивных технологий ИЛИСТ занято 36 инженеров и технологов. Оглядываясь назад, можно сказать, что это был тяжелый, напряженный, но в то же время интересный и увлекательный путь. Было много проектов, ошибок, крутых решений, стресса и работы на износ. Но все эти годы важным стимулом было стремление к красоте. Бытует мнение, что эффективные инженерные решения не могут быть не красивыми. Например, такие сугубо функциональные вещи, как ракеты, самолеты или парусные корабли удивительно красивы именно за счет своего технического совершенства. А что может быть красивее, чем наблюдать, как на твоих глазах из пыли и света создается новая деталь?
За прошедшие десять лет нам пришлось решить бесчисленное множество проблем, и всякий раз поставленные амбициозные задачи заставляли нас копать все глубже. Многие подсистемы, например, технологический инструмент, герметичная кабина или система автоматического управления, переделывались по десять раз. Каждый раз предыдущая итерация отправлялась на выброс и мы, с учетом полученного опыта, начинали всё сначала. Мы доводили оборудование до предела, чтобы выяснить все слабые места и их исправить. В результате каждый компонент установки ПЛВ выверен и отработан.
Если добавить немного технических подробностей, то начнем с того, что основополагающий принцип построения наших машин – надежность. С самого начала нашей целью были большие, тяжелые изделия. Когда выращиваемая заготовка весит 200 кг., тебе нужна высокая производительность и уверенность, что процесс будет доведен до конца. Если же по прошествии 200 часов работы что-то выйдет из строя и заготовку не удастся спасти, то придется начинать с начала. Возьмем, например, систему подачи металлического порошка. Мы используем ротационные питатели, в которых порошок транспортируется по пневматическому шлангу в струе аргона. За пару тысяч часов работы металлический порошок проедает полиуретановые шланги насквозь, стираются скребки и диски колбы питателя, выходят из строя сопла и фитинги. Какое решение? Менять все расходные компоненты каждую тысячу часов? Это не наш путь. Мы годами экспериментировали, заменяли полиуретановые шланги полиамидными, меняли режим закалки дисков колб питателя и подбирали абразивоустойчивый пластик для скребков. И в итоге добились надежной работы в течении 10 000 часов.
– Чем уникально оборудование от ИЛИСТ? Какие идеи от мировых лидеров получили в нем свое развитие, а что является эксклюзивом от разработчика?
Первоначально отличительной особенностью наших машин было использование усовершенствованных промышленных роботов в качестве манипуляторов. Почти все компании, работающие над этой технологией, выбирали манипуляторы на базе линейных осей – Optomec, BeAM Machines, DMG Mori, Okuma, Insstek. У каждого из них есть своя история становления: кто-то производит фрезерные станки и берет его за основу, кто-то собирает манипулятор из подручных компонентов, кто то заказывает разработку в серьезной инжиниринговой компании. Но предпосылки одни – мы хотим получить точное изделие, поэтому нам нужен точный манипулятор, и стандартный промышленный робот с точностью позиционирования до 0.5 мм нам не подходит. При всех плюсах у манипулятора на линейных осях есть одна проблема – его стоимость растет в геометрической прогрессии с ростом размера изделия. Использование современных промышленных роботов позволяет решить эту проблему и получить экономически целесообразное решение для изделий размером до 2 м.
С самого начала мы фокусировались на больших изделиях, размером до метра и более. А на таких размерах, к сожалению, точность изделия определяется не точностью позиционирования манипулятора, а сварочными напряжениями и умением технолога компенсировать деформации, который могут достигать сантиметра и даже более. Как показала наша практика, робот – практически идеальное решение для установок ПЛВ. Он гибок, неприхотлив, легко интегрируется в герметичные кабины, почти не требует технического обслуживания, прощает небольшие столкновения. При необходимости робот дооснащается дополнительными осями, например, наклонно-поворотными столами или линейными осями, что увеличивает технологические возможности и размер выращиваемых изделий.
Что касается остальных составляющих наших установок: мы начинали с копирования лучших подходов мировых лидеров, а затем на протяжении пяти лет шлифовали решения, доводя их до идеала. Мы обоснованно можем сказать, что наши технологические инструменты лучше немецких решений. Порошковый питатель обогнал по точности и стабильности подачи оригинал из Швейцарии. Даже система фильтрации инертного газа прошла через восемь итераций разработки, прежде чем принять финальный вид. Техническое совершенство всех подсистем всегда было нашей целью.
Но если говорить про эксклюзивные решения, то главное кроется не в технике. Самое ценное, что мы предлагаем нашим клиентам, – наши знания в области создания сложных изделий. И я сейчас говорю не только про обучение работе на оборудовании и созданию управляющих программ. Мы с удовольствием делимся нашими процессами, чек-листами, процедурами. За последние пять лет у нас сформировалась система, включающая не только сам процесс выращивания, но полный комплекс действий, направленных на получение результата: входной контроль порошка, отработка режимов, перепроектирование изделий под возможности нашей технологии, компенсация деформаций, создание техмоделей и управляющих программ, контроль геометрии, термическая обработка и испытание образцов-свидетелей. В нашем видении все эти составляющие взаимосвязаны и перемежаются контрольными операциями. Именно эта система и является тем эксклюзивным решением, которое мы предлагаем нашим клиентам. Да, освоение нашего подхода требует ресурсов, но результат того стоит.
– Пожалуйста, расскажите подробнее о созданной для установок ИЛИСТ системе автоматического управления. Легко ли ее освоить инженерам компаний-покупателей вашего оборудования?
Наша система управления состоит из двух частей. Для управления самим манипулятором мы оставили оригинальный контроллер робота. Это проверенное годами решение, которое разрабатывали высококлассные инженеры. Даже с учетом нашего опыта сложно предложить что-то более удобное и надежное. Плюс это максимально упрощает обучение – если оператор знаком с любым промышленным роботом, он очень быстро освоит работу на нашей машине. Что и говорить, если сегодня даже в колледжах учат управляться с подобными системами. Вторая часть – консоль управления, тут, наоборот, максимальным образом вложено наше понимание работы на машине. Консоль построена на базе большого сенсорного экрана, на который выводится видео с коаксиальной камеры, и вся необходимая информация о технологических параметрах процесса и состоянии оборудования. Качество интерфейса обеспечено участием операторов и технологов в разработке программного обеспечения. Более того, в нашей практике – и включение программистов в смены для работы на оборудовании, чтобы отлавливать не только ошибки, но и случаи, когда ПО используется не так, как задумывал разработчик.
– Как вы относитесь к гибридному производству на основе АТ? Каковы на сегодня его основные преимущества и уязвимости? Над устранением каких уязвимостей вы сейчас работаете?
Под гибридным производством обычно понимают сочетание аддитивного технологического процесса и какого-либо вида механической обработки в рамках одной установки. В качестве примера приведем установку DMG Mori Lasertec 65 Hybrid, которая сочетает функционал пятиосевого фрезерного обрабатывающего центра и установки прямого лазерного выращивания. По замыслу разработчиков, это позволяет в рамках одного станка получать из металлического порошка полностью готовое изделие. Однако наш опыт показывает, что этот подход не всегда работает. Если производится большой объем наплавки, то внутри изделия формируется напряженно-деформированное состояние во время кристаллизации наплавляемого металла. При последующей механической обработке часть напряжения снимается вместе с удаляемым материалом, а оставшееся перераспределяется, вызывая коробление обрабатываемой детали. Поэтому практически все заготовки после выращивания обязательно проходят через термическую обработку для снятия напряжений, и уже потом механически обрабатываются. Ну а если мы сняли выращенную заготовку со станка для отправки в печь, то нам уже без разницы, ставить ли ее обратно в гибридную машину, или же использовать специализированное оборудование. На практике мы выяснили, что гибридная машина стоит дороже и работает хуже, чем две специализированных единицы – обрабатывающий центр и установка ПЛВ.
Когда же гибридное производство имеет смысл? В первую очередь, в ремонтных операциях, когда за один установ нужно снять некоторый объем металла, потом наплавить новый и провести черновую обработку. Объем наплавки относительно небольшой и проблем с короблением меньше. Ну и финишную обработку можно провести после термической. Вторым развивающимся направлением является дооснащение существующего фрезерного станка (часто трехосевого) аддитивной функцией. В качестве примера можно привести компанию Meltio, которая в том числе производит и продает такое оборудование.
Мы не были бы сами собой, если бы не попросили нашего собеседника также поделиться собственным экспертным мнением об особенностях технологии DED-P, трендах и перспективах рынка АП в целом. Ответы на эти вопросы читайте во второй части интервью.
<#link#Заказчик дает карт-бланш. Часть 2.#URL%3Ahttps%3A%2F%2Findustry3d.ru%2Fat-news%2Fzakazchik-daet-kart-blansh%2F#>
