ФГУП "РФЯЦ-ВНИИТФ им. академика Е.И. Забабахина"
Снежинск, Челябинская область, Россия
УДК 621.9.06 Машины и установки. Основные элементы и вспомогательные устройства. Конструкция, компоновка и принципы работы в целом
В данной статье рассмотрены способы оценки материалоёмкости изделий при изготовлении методами аддитивных технологий (АТ). Рассмотрены исследования, проведённые по данной теме разными авторами, применительно к аддитивному производству. Проанализированы способы расчётов материалоёмкости, сделаны выводы об изученности вопроса. Проведены расчёты материалоёмкости комплекта деталей, изготовленного двумя разными способами – механической обработкой и методом АТ. Рассчитаны коэффициенты использования материала, рассчитана стоимость материалов, затраченных на изготовление деталей, механической обработкой и методом АТ. Проведён сравнительный анализ стоимости заготовок. Сделаны выводы о невозможности однозначного предпочтения выбора изготовления деталей по такому критерию, как коэффициент использования материала. Сделаны выводы о необходимости дальнейшего исследования технологичности изделий при изготовлении изделий с помощью АТ.
технологичность конструкции изделия, материалоёмкость, коэффициенты технологичности, аддитивные технологии
Введение
В современной производственной отрасли наблюдается активный рост использования аддитивных технологий. Эти технологии зарекомендовали себя не только как средство для прототипирования, но и как полноценные производственные решения. Это особенно стало очевидно в последние года, ведь даже там, где эти технологии не рассматривались серьезно, например, в военно-промышленном комплексе, авиастроении и других, начинается ускоренное внедрение и адаптация производственных процессов к современным условиям производства. Этот факт ставит вопрос об эффективном и целесообразном применении аддитивных технологий (АТ) при изготовлении различной продукции.
Эффективность использования любого процесса производства можно оценить с помощью разных показателей, но основные из них это показатели, характеризующие потребление ресурсов – материала, труда, энергии. В свою очередь оптимальное соотношение затрат ресурсов на производство определяется технологичностью конструкции изделия для данного вида производства [1].
Рассмотрим один из ключевых аспектов оценки технологичности изделий для производства – материалоёмкость изделий, применительно к процессу изготовления методом АТ.
В отличие от традиционных технологий обработки, аддитивные методы позволяют более рационально использовать материалы. Послойное изготовление деталей минимизирует отходы и позволяет задействовать только необходимое количество сырья. Кроме того, конструкция изделий, оптимизированная для АТ, может предусматривать полые внутренние элементы, что снижает общую материалоёмкость [2] .
Но есть и ряд недостатков при учёте материалоёмкости такого изделия:
– необходимость добавления поддержек в модель изделия для 3D–печати не редко является обязательным действием из-за конструктивных особенностей и при этом вес поддержек может составлять почти полный вес основного изделия, а их удаление приводить к решению дополнительных технологических задач;
– детали, полученные методом аддитивных технологий чаще всего, не полностью соответствуют требованием конструкторской документации и требуют дополнительной обработки, что влечёт за собой возможные затраты материала на изготовление технологической оснастки для закрепления детали на механических операциях;
– стоимость материала для 3D-печати намного выше, чем стоимость этого же материала, полученного литьем или прокатом. Например, стоимость одного килограмма порошка 12Х18Н10Т примерно 25 тыс. на рынке в зависимости от изготовителя, а стоимость заготовки из круга того же материала приблизительно в 35 раз ниже.
Таким образом, разработка критериев оценки материалоёмкости конструкций при производстве методами аддитивных технологий является важной научной и практической задачей.
Задача данного исследования – определение особенностей материалоёмкости изделия при изготовлении методом аддитивных технологий, с учётом их возможностей, достоинств и недостатков.
Исследование
Рассмотрим опыт исследования материалоёмкости изделия, как одного из основных показателей технологичности изделия, рассмотрим расчёт стоимости материала с учётом коэффициентов использования материала.
В разных научных работах зарубежных и отечественных авторов всесторонне рассматривается материалоёмкость изделий. Рассмотрим основные положения из них.
Основной показатель материалоёмкости – коэффициент использования материала. Рассмотрим формулу для расчёта коэффициента материалоёмкости с учётом особенностей аддитивных технологий. Коэффициент материалоёмкости Kм можно определить по следующей формуле:
, (1)
где Mд – масса материала, израсходованного на изготовление основной детали; Мп – масса материала, израсходованного на изготовление поддерживающих конструкций; Ми – масса готового изделия [3].
Таким образом, этот коэффициент материалоёмкости учитывает как материал, необходимый для изготовления самой детали, так и дополнительный материал, требующийся для создания поддерживающих конструкций.
Формула (1) отражает только самые очевидные затраты материала при изготовлении АТ. В работах зарубежных авторов, которые всесторонне рассматривают материалоёмкость таких технологий, предлагаются новые коэффициенты для оценки данных процессов. Так как в исследованиях [3 – 8] отмечается, что для большинства аддитивных технологий Км составляет 0,3…0,6, что означает высокие потери материала в процессе производства и это влечёт за собой необходимость применять более детальный подход к расчёту материалоёмкости. Например, помимо коэффициента использования материала предлагается использовать показатель удельной массы материала:
(2)
где MГ – масса готового изделия; VГ – объем готового изделия [4].
Этот показатель позволяет оценить эффективность использования материала с учётом геометрии и плотности изготавливаемого изделия.
Кроме того, рассматривается влияние ориентации изделия на платформе на материалоёмкость. Авторы предлагают использовать коэффициент ориентации:
, (3)
где MП – масса материала, использованного на поддерживающие конструкции; MО – общая масса потребленного материала [5].
Ориентация изделия, требующая меньшего объёма поддерживающих структур, позволяет снизить расход материала. Таким образом, для всесторонней оценки материалоёмкости при аддитивном производстве следует учитывать следующее: коэффициент использования материала; удельную массу материала; коэффициент ориентации; влияние геометрической сложности, плотности заполнения и типа аддитивной технологии [6].
Комплексное применение этих показателей позволит более точно оценить эффективность использования материалов в аддитивном производстве.
Еще один важный фактор – возможность повторного использования неиспользованного сырья (нерасплавленного порошка, остаточных материалов и т. д.). Если эти материалы могут быть эффективно переработаны и вновь использованы в производственном процессе, то это позволит значительно повысить общий коэффициент.
Помимо этого, при оценке материалоёмкости необходимо учитывать возможность использования вторичных материалов вместо первичных. Применение таких материалов может значительно снизить общий объём потребляемых ресурсов.
Таким образом, можно оценить и минимизировать все составляющие, которые влияют на материалоёмкость, с целью повышения эффективности использования материалов.
Помимо рассмотренных ранее показателей, при оценке материалоёмкости аддитивного производства важно также учитывать влияние стадии постобработки. На этапе постобработки возникают дополнительные потери материала, например, при механической обработке для достижения требуемой геометрической точности. Такие потери могут существенно снизить общий коэффициент использования материала.
Но даже с учётом всех потерь и с применением всех мероприятий по экономичному использованию материала, невозможно однозначно сказать экономично ли изготовление деталей с помощью АТ, рассчитав только затраты на материал.
Необходимо провести сравнительный анализ с традиционными методами производства.
Ведь выбор способа производства – становится краеугольным камнем для обеспечения конкурентоспособности предприятия, выполнения сроков изготовления, а также обеспечения высокого качества изделий.
Если речь идёт о деталях, которые невозможно изготовить другими методами, кроме АТ, то выбор определен, но тогда вопросы уже к конструкции изделия: действительно ли целесообразна такая конструкция? Обоснованно ли ограничение способа производства?
Для оценки материалоёмкости был изготовлен комплект деталей двумя методами – механической обработкой и методом аддитивных технологий. После 3D-печати была проведена доработка рабочих поверхностей деталей, удалены поддержки, шероховатость доведена до требований конструкторской документации.
Расчеты
Рассчитаем материалоёмкость трех деталей для изготовления механической обработкой и методом аддитивных технологий.
1. Деталь «Цилиндр» (рис. 1). Масса детали 0,16 кг. Материал заготовки 12Х18Н10Т.
1.1. При изготовлении механическим способом: заготовка 12Х18Н10Т круг 70;
М = 2,07 кг; коэффициент использования материала 0,08. Низкий коэффициент и стоимость заготовки составляет 841,45 руб.
1.2. При изготовлении методом АТ: заготовка – порошок 12Х18Н10Т; М = 0,20 кг (с учётом удалённых поддержек и потерь материала на доработку рабочих поверхностей); коэффициент использования материала 0,8. Высокий коэффициент. Стоимость порошка для 3D-печати 12Х18Н10Т на рынке в зависимости от производителя ~ 25000 руб., т. е. материал на изготовление данной детали стоит 5000 руб. Это в шесть раз выше, чем стоимость заготовки из круга.
2. Деталь «Рычаг» (рис. 2). Масса детали – 0,119 кг. Материал заготовки: 12Х18Н10Т.
-
- При изготовлении механическим способом: заготовка 12Х18Н10Т круг 40;
М = 0,82 кг; коэффициент использования материала 0,15. Низкий коэффициент, стоимость заготовки составляет 333 руб. - При изготовлении методом АТ6: заготовка – порошок 12Х18Н10Т; М = 0,17 кг (с учётом удаленных поддержек и потерь материала на доработку рабочих поверхностей); коэффициент использования материала 0,7. Материал на изготовление данной детали стоит 4165 руб. Это в 13 раз выше, чем стоимость заготовки из круга.
- При изготовлении механическим способом: заготовка 12Х18Н10Т круг 40;
3. Деталь «Крючок» (рис. 3). Масса детали – 0,046 кг. Материал заготовки: 12Х18Н10Т.
-
- При изготовлении механическим способом: заготовка 12Х18Н10Т лист 16;
М = 0,72 кг; коэффициент использования материала 0,06. Низкий коэффициент, стоимость заготовки составляет 360 руб. - При изготовлении методом АТ: заготовка – порошок 12Х18Н10Т; М = 0,064 кг (с учётом удаленных поддержек потерь материала на доработку рабочих поверхностей); коэффициент использования материала 0,7. Материал на изготовление данной детали стоит 1600 руб., что в 4 раз выше, чем стоимость заготовки из листа.
- При изготовлении механическим способом: заготовка 12Х18Н10Т лист 16;
Сведем данные расчёты в табл. 1.
Несмотря на то, что КМ для аддитивного производства гораздо выше, чем при механической обработке, сама стоимость заготовки выходит гораздо дороже, что видно из табл. 1. Причем стоимость отличается от
4 до 13 раз. Это слишком большая разница, чтобы её игнорировать при выборе способа производства. Конечно, это обусловлено стоимостью порошков для 3D-печати и со временем, с развитием технологий, стоимость будет снижаться, но этот процесс медленный и постепенный, а на данном этапе говорить об экономичности АТ, по сравнению с механической обработкой из-за высокого коэффициента использования материала, по меньшей мере, некорректно.
Выводы
По результатам проведенного исследования оценки материалоёмкости, как показателя технологичности, при изготовлении изделий методами аддитивной технологии, можно сделать следующие выводы:
- Для рационального использования аддитивных технологий необходимо разработать научно обоснованные критерии оценки технологичности не только с учётом особенностей АТ, но и с возможностью сравнения с традиционными методами производства;
- Коэффициент использования материала при аддитивных технологиях, даже при выполнении всех мероприятий по оптимизации использования материала и с возможностью рециркуляции, переработки отходов, все равно не равен единице. С учётом высокой стоимости материалов для АТ затраты на материал гораздо выше, чем при механической обработке, даже в том случае, когда для изготовления механической обработкой коэффициент использования материала очень низкий.
- Оценка материалоёмкости должна носить комплексный характер, с учётом достоинств и недостатков аддитивных технологий, с проработкой мероприятий по рациональному использованию материала и самих АТ, что позволит снизить себестоимость продукции и экологическую нагрузку при производстве изделий.
- Оптимальность решения по выбору метода изготовления деталей должна основываться на расчётных данных и на подтверждаемых коэффициентах для обеспечения конкурентоспособности предприятия. Это особенно актуально сейчас, когда срок от идеи до внедрения и производства изделий становится все меньше.
- Определение рационального расхода материальных ресурсов является важным критерием при выборе оптимальных технологических решений и обеспечения эффективности производства.
1. ГОСТ 14.205–83. Технологичность конструкции изделий. Введ. 1983–04–01. М.: Издательство стандартов, 1983. 11 с.
2. Аддитивные технологии в машиностроении: учебное пособие / М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина. Санкт–Петербург, 2013. 222 с.
3. Meng Y., Zhang Y. Design for additive manufacturing: A review of case studies // Assembly Automation. 2014. Vol. 34, no. 4. P. 274–283. doi:https://doi.org/10.1108/AA–04–2014–047.
4. Guvendiren M., Molde J., Soares R.M.D., Kunkel E., Smith B., Padilla P. Impact of design and process parameters on mechanical properties of 3D printed parts // Additive Manufacturing. 2021. Vol. 38. 101804
5. Kheifetz M.L. From Information and Additive Technologies to Self-Reproduction of Machines and Organisms // Advanced Materials and Technologies. 2018. No. 1. P. 22–35. DOIhttps://doi.org/10.17277/amt.2018.01. pp. 022–035. EDN XWDLAD
6. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство. М.: ТЕХНОСФЕРА, 2016. 656 с. ISBN 978–5–94836–447–6
7. Tomlin M., Meyer J. Topology optimization of an additive layer manufactured (ALM) aerospace part.In Proceedings of the Proceeding of the 7th Altair CAE technology conference; 2011; pp. 1–9.
8. Аддитивные технологии [Электронный ресурс]: практикум / Л.В. Беляев, А.В. Жданов; Владим. гос. ун–т им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Владимир: Изд–во ВлГУ, 2022. 88 с. ISBN 978–5–9984–1348–3.
9. Остапенко Т.П., Молодоженова В.Н. Формирование показателей материалоемкости продукции машиностроения // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2005. № 10. С. 77–80. EDN HSFOLT.
10. Базров Б.М., Троицкий А.А. Анализ метода оценки технологичности конструкции изделия как предмета производства // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2017. № 4 (241). С. 39–43.
11. Жадик Н.П., Цыблиенко Н.В., Посевин И.Ю. Материалоемкость и энергоемкость объектов труда в технологической подготовке // Технолого–экономическое образование: достижения, инновации, перспективы: Межвузовский сборник статей XII междунар. науч.–практ. конф.: в 2 т., Тула, 15–18 февраля 2011 г. С. 82–86. EDN UDSOLD.
12. Агафонцев А.С., Вовк Н.Н., Клевнов Ю.В. и др. Эффективность использования аддитивных технологий как альтернативы традиционным субтрактивным технологиям при изготовлении сложных деталей из металла // Труды РФЯЦ–ВНИИЭФ. 2017. № 22-2. С. 228–231. EDN LVQBCC.
13. Абрамов И.В. Проблемы и перспективы цифровизации промышленных предприятий с использованием аддитивных технологий // Вестник евразийской науки. 2023. Т. 15, № 2. EDN CEXVOS.
14. Алабугин А.А., Топузов Н.К. Как построить инновационно–ориентированную систему ресурсосберегающего развития предприятия? // Управление персоналом. 2009. № 14. С. 33–40. EDN KZIAHJ.
15. Витязь П.А., Хейфец М.Л., Чижик С.А. «Индустрия 4.0»: от информационно–коммуникационных и аддитивных технологий к самовоспроизведению машин и организмов // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия физико–технических наук. 2017. № 2. С. 54–72. EDN YUGXFV.
16. Технологичность конструкции изделий машиностроения: учебное пособие / А.П. Бабичев, В.И. Безжон, М.Е. Попов, А.М. Попов, А.Г. Хведелидзе, Н.О. Шевченко. Ростов–на–Дону, 2014. 124 с.
17. Государственная программа «Развитие промышленности и повышение её конкурентоспособности» [Электронный ресурс] / Правительство РФ: офиц. сайт. URL: http://government.ru/rugovclassifier/862/events/ (дата обращения: 14.09.2023).
18. Материалы и процессы аддитивных технологий (быстрое прототипирование) / В.А. Дьяченко, И.Б. Челпанов, С.О. Никифоров, Д.Д. Хозонхонова. Улан–Удэ: Изд–во БНЦ СО РАН, 2015. 198 с.
19. Оценка количественных показателей производственной технологичности деталей / П.Ю. Бочкарев, Л.Г. Бокова. Саратов: Саратовский гос. техн. ун-т, 2015. 110 с.
20. Скворцова Д.А. Разработка дополнительных коэффициентов для оценки технологичности серийной сборки наукоемких многокомпонентных изделий // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2015. № 6. С. 3–7.
