Промышленные применения AT & 3D-решений для профессионалов

Пластик или металл для инструментов обработки изделий давлением?

25.08.2022 Время чтения: 10 мин.
Сложность:
157

 

 П. А. Петров, Б. Ю. Сапрыкин, М. А. Петров, Д.А. Гневашев Московский политехнический университет, кафедра «Обработка материалов давлением и аддитивные технологии»,

 

Аддитивные технологии начали свое вхождение в разные производ­ства начиная с середины 80‑х го­дов XX века. Развитие аддитивного производства связано в том числе с поиском новых сфер применения изделий, которых на сегодняшний день насчитывается семь [1], вклю­чая:

— струйное нанесение связую­щего (binder jetting);

— прямой подвод энергии и ма­териала (directed energy deposition);

— экструзия материала (material extrusion — FDM, FFF и др.);

— струйное нанесение материа­ла (material jetting — MJM, PolyJet и др.);

— синтез на подложке (powder bed fusion — SLS, SLM и др.);

— листовая ламинация (sheet lamination — LOM и др.);

— фотополимеризация в ванне (vat photopolymerization).

В аддитивном производстве сформировались два широко вос­требованных направления

изготовления изделий [2, 3]:

— быстрое прототипирование (rapid prototyping), связанное с из­готовлением прототипов изделий и функциональных изделий как штучно, так и малыми сериями;

— быстрое инструменталь­ное производство (rapid tooling), связанное с изготовлением изде­лий — инструмента, применяемого в последующем для изготовления штучных изделий, малых серий и серийного выпуска изделий.

Для изготовления прототипа (изделия) средствами быстрого прототипирования (rapid prototyping) не требуется дорогосто­ящая оснастка, как для литья, или построение программ для станков с числовым программным управле­нием (ЧПУ) в системах CAM, как происходит при обработке резани­ем [4]. Rapid prototyping направле­но на снижение времени для про­изводства прототипов, в том числе функциональных, сопоставимых по своим свойствам с готовым издели­ем. Быстрое инструментальное про­изводство (rapid tooling) направле­но на производство инструментов, инструментальных вставок, этало­нов (калибров), штампов и пресс-форм [3].

Изготовление инструмента (оснастки) — один из самых до­рогостоящих этапов подготовки производственного процесса. По­этому неслучайно быстрое произ­водство инструмента появилось в самом начале развития аддитив­ного производства. В этом случае оказывается возможным показать инновационность подхода к изго­товлению функциональных изде­лий — инструмента. Далее начался поиск операций традиционных технологий, в которых возможно применение такого инструмента. Одной из рассматриваемых тра­диционных технологий является

 обработка давлением. Эта тради­ционная технология производства имеет ряд особенностей:

— является постоянно совер­шенствуемой технологией произ­водства;

— адаптируется под новые ма­териалы, как металлические, так и неметаллические и композици­онные;

— адаптируется к производству штучных изделий, малых серий и серийных изделий.

В различных литературных источниках [5–7] приводятся не­сколько различные классифика­ции для направления rapid tooling. В rapid tooling различают прямой (direct) и непрямой (indirect) ме­тод изготовления инструмента либо его компонентов. Прямые методы предполагают, что какая-либо одна технология применяется для изго­товления инструмента, непрямые методы связаны с применением нескольких технологий. При этом обязательным этапом является из­готовление мастер-модели, которая в последующем применяется для изготовления инструмента либо его компонентов.

Второй подход к классифика­ции процессов, применяемых для изготовления инструмента, осно­ван на классификации инструмен­та в зависимости от используемых материалов: мягкие и твердые ма­териалы. В зависимости от этого различают мягкий инструмент (soft tooling) и твердый (жесткий) инструмент (hard tooling) [8–10]. Мягким считается инструмент, если он может быть использован для изготовления только штучных изделий либо малых серий объе­мом не более 1000 копий изделий до 

момента, пока не начнут появ­ляться признаки износа. Твердый (жесткий) инструмент позволяет изготовить более тысячи копий из­делия [8–10].

Как отмечается в литературе [11], особенности процесса быстро­го изготовления инструмента:

— время изготовления инстру­мента много меньше, чем при изго­товлении традиционного инстру­мента (как правило, в 5 раз);

— стоимость изготовления ин­струмента намного меньше (при­мерно 5% от стоимости изготовле­ния традиционного инструмента);

— срок службы инструмента значительно меньше, чем тради­ционного инструмента;

— поля допусков на размеры инструмента, изготавливаемого по технологии rapid tooling, шире в сравнении с полями допусков на размеры традиционного инстру­мента; качество поверхности ин­струмента характеризуется шеро­ховатостью большего размера.

Таким образом, сформировав­шееся в аддитивном производстве направление rapid tooling позволяет изготовить инструмент как в сборе, так и отдельные его компоненты для последующего изготовления изделий, свойства которых со­поставимы либо воспроизводят свойства аналогичных изделий, изготовленных по традиционным технологиям. При этом серийность изделий может быть различной: от единичного экземпляра до партии в несколько тысяч штук.

Отметим еще одну интересную особенность применения быстрого инструментального производства (rapid tooling), унаследовавшего от аддитивного производства его особенность — гибкость и адапти­руемость. Область применения быстрого инструментального производства не ограничивается какой-либо одной узкоспециализи­рованной традиционной технологи­ей обработки материалов. Быстрое инструментальное производство находит применение в традицион­ных технологиях при производстве изделий из различных материалов, в том числе:

  1. Пластиков: методом литья под давлением, компрессионного (прямого) прессования, литьевого (трансферного) прессования, по­слойной выкладки стеклонапол­ненного (армированного) пласти­ка, вакуумного литья и вакуумного (термо) формования, экструзион­но-выдувного формования и др. [12].
  2. Металлов: методом литья в песчаную форму, методом литья под давлением в пресс-форму, ме­тодом обработки давлением листо­вых материалов, методом горячей объемной штамповки, методом хо­лодной объемной штамповки и др. [13].
  3. Керамики: методом шликер­ного (скользящего) формования, методом изостатического формо­вания (прессования), методом ком­пактирования на прессах и др. [14]. С учетом многообразия процес­сов традиционного производства, в которых находят свое применение инструмент и инструментальная оснастка, изготовленные с приме­нением аддитивных технологий, в данной статье основное внима­ние уделяется обзору и анализу возможных вариантов применения такого инструмента для реализа­ции технологических процессов (отдельных операций) обработки давлением металлических и неме­таллических материалов.

Первые из известных исследова­ния и разработки в области приме­нения быстрого инструментального производства в обработке листо­вых металлов давлением относятся к 1979–1980 годам и связаны с про­фессором Накагава [15]. Профессор Такио Накагава из Токийского уни­верситета предложил использовать технологию послойного соедине­ния тонких листовых материалов для изготовления штампов для ли­стовой штамповки и пресс-форм [15–19]. По своей сути данный спо­соб изготовления штампового ин­струмента и пресс-форм стал про­тотипом для известной аддитивной технологии LOM (Laminated object manufacturing, изготовление мето­дом ламинирования), появившейся в аддитивном производстве в 90‑х годах XX века.

Некоторые известные примеры инструментов, изготовленных по технологии послойного соединения листовых материалов, представле­ны на рис. 1 и 2.

Рис. 1. Формообразующий инструмент, изготовленный методом послойного соединения тонких листовых материалов с применением адгезивов [19]:

       а – матрица;                                                                                                                               

б) 

 

Результаты исследований про­фессора Накагава привели к при­менению быстрого инструменталь­ного производства из листового металла в области изготовления де­талей конструкции автомобильных кузовов [16]. Данный способ нашел одно из своих применений в компании «Тойота» в рамках реализации проекта разработки автоматизи­рованного процесса производства штампового (формообразующего) инструмента [17]. Основная про­блема, решаемая при внедрении способа, — сокращение времени и расходов на производство фор­мообразующего инструмента.

В период с 1990 года по настоя­щее время аддитивные технологии для быстрого инструментального производства находят все большее применение в обработке давлением, в том числе в процессах прессова­ния, листовой штамповки, объем­ной штамповки, специальных про­цессах обработки давлением.

В 2003 году коллектив авторов, представляющих Университет прикладных наук в Санкт-Галлене (Швейцария) и Университет Па­лермо (Италия) [20], представил результаты исследования процесса глубокой вытяжки с применени­ем инструмента (рис. 3), изготовленного по технологии SLS на оборудовании компании DTM — DTM Sinterstation 2500 с примене­нием материала LaserForm ST‑100[20, 21]. Характеристики процесса изго­товления инструмента для глубо­кой вытяжки представлены в та­блице 1.

Таблица 1. Характеристики изготовления инструмента на установке DTM Sinter-station 2500 [20]

 

Параметры настройки 3D-печати

по технологии SLS

Толщина слоя, мм

0,08

Температура основания детали, °С

93

Скорость печати, мм/мин

177

Параметры процесса изготовления

по технологии SLS

Мощность лазера, Вт

35

Выходная мощность, Вт

5

Шаг сканирования, мм

0,08

Материал, из которого изготав­ливался инструмент, LaserForm ST‑100, представлял собой смесь порошка нержавеющей стали 420 (Cr-Ni-Fe; средний размер частиц 17 μm) с органическим связующим (около 4%). Изготов­ление инструмента проводилось по технологии, реализованной на DTM Sinterstation 2500, в два этапа: 1) селективное лазерное спекание смеси двух компонентов при тол­щине слоя 0,08 мм до получения «зеленой» детали; температура ос­нования детали — 93°С; 2) запол­нение (инфильтрация) пор «зеле­ной» детали в печи расплавленным бронзовым сплавом (80% меди, 20% олова) до получения сплошной детали с плотностью около 99,9% 

Рис. 2. Штамповый (формообразующий) инструмент, изготовленный по технологии послойного соединения тонких листовых материалов: а — пуансон для глубокой вытяжки (слои горизонтально ориентированы); б — матрица для над резки [16]

                                                                 а)                                                                                                         б)

 

Рис. 3. Инструмент для глубокой вытяжки листового материала [20]: а) матрица (die), пуансон (punch), прижим (holder);б) микроструктура поверхностного слоя инструмента

                                                              а)                                                                                                                                                     б)

 

(рис. 3б). Максимальная темпера­тура обработки 1070°C, время вы­держки в печи — 3 часа. В резуль­тате изготовленный инструмент имел шероховатость поверхности порядка Ra = 5,8 μm. Проведено сравнение работы инструмента, изготовленного по технологии SLS, с работой инструмента, изготовлен­ного по традиционной технологии из холоднодеформированной ин­струментальной стали марки D2 (российский аналог — инструмен­тальная сталь Х12МФ). Призна­ки первичного износа обнаружены между 100 и 200 отштампованной деталями. Представленные в статье [20] результаты показали принци­пиальную возможность примене­ния аддитивной технологии для изготовления формообразующего инструмента для глубокой вы­тяжки и соответствовали уровню развития аддитивных технологий 2003 года.

Таблица 1. Характеристики изготовления инструмента на установке DTM Sinter-station 2500 [20]

Параметры настройки 3D-печати

по технологии SLS

Толщина слоя, мм

0,08

Температура основания детали, °С

93

Скорость печати, мм/мин

177

Параметры процесса изготовления

по технологии SLS

Мощность лазера, Вт

35

Выходная мощность, Вт

5

Шаг сканирования, мм

0,08

В 2012 году коллектив авторов из Университета прикладных наук Верхней Австрии (FH Oberö-sterreich, Wels) провел свое ис­следование процесса глубокой вытяжки и использовал для этого формообразующий инструмент, изготовленный по технологии се­лективного лазерного сплавления (SLM) [22]. В формообразующий инструмент интегрирована систе­ма смазки, представляющая собой 

систему каналов внутри матрицы, выходящих на формообразующую поверхность. Диаметр каждого ка­нала — 0,6 мм.

Эксперименты проводились на изготовленном по технологии SLM инструменте с заготовками листовой стали марки 1.4301 (рос­сийский аналог — сталь 08Х18Н10) толщиной 0,8 мм. В результате экс­периментов выявлено, что техно­логическая смазка выходит через каналы на формообразующую по­верхность и равномерно распреде­ляется в области прижима и вы­тяжной матрицы. На поверхности деталей, полученных глубокой вы­тяжкой, не обнаружены отпечатки от каналов системы смазки.

В 2002 году исследовательский коллектив, представляющий две образовательные организации Сингапура — Наньянский техно­логический университет и Поли­технический колледж, провели еще одно исследование в области применения формообразующего инструмента (рис. 4), изготовлен­ного с применением технологии SLS, для выполнения формообра­зующей операции — чеканки [23].

Формообразующий инструмент изготовлен на установке DTM Sinterstation 2500 из двухкомпо­нентного порошкового материала: нержавеющая сталь и связующий полимерный материал. Так же, как и в работе [20], полученную в результате SLS-процесса «зеле­ную» деталь подвергали двухэтапной постобработке для получения сплошного изделия с плотностью около 99,9%. Режим двухэтапной постобработки: 1) выжигание из «зеленой» детали связующего по­лимерного материала при темпе­ратуре 1120°C, скорости 120°C/ч и времени выдержки в печи 3 часа; 2) заполнение (инфильтрация) пор «зеленой» детали в печи расплав­ленным бронзовым сплавом (80% меди, 20% олова) до получения сплошной детали с плотностью около 99,9% (см. рис. 3б). Мак­симальная температура обработ­ки 1050°C при скорости 120°C/ч и времени выдержки в печи 3 часа.

В результате изготовленный ин­струмент имел шероховатость по­верхности порядка Ra = 7,84 μm.

Формообразующая поверх­ность каждого инструмента (см. рис. 4а и 4б; здесь в обоих случаях формообразующие поверхности имеют белый цвет) не подверга­лась какой-либо механической обработке после изготовления по технологии SLS. Механически об­рабатывались только сопрягаемые поверхности каждого из инстру­ментов (рис. 4 а и 4б).

Рис. 4. Инструмент для чеканки [23]: а) до поверхностной обработки сопрягаемых поверхностей; б) после поверхностной обработки сопрягаемых поверхностей; в) отчеканенное изображение на алюминиевом листе толщиной 2 мм

                                 а)                                                                                                      б)                                                                                                    в)

    

 Рис. 5. Коленчатый вал [24]: а) изделие, полученное по технологии штамповки с применением традиционного инструмента; б) геометрия сегментов коленчатого вала

 а)                                                                                         

б)   

Эксперименты проведены [23] с применением листовых заготовок из алюминиевого сплава толщиной 1,5 мм и 2,0 мм. В обоих случаях получены качественные изделия без разрывов на поверхности. По­сле 15 изготовленных изделий на поверхности формообразующего инструмента не было обнаружено следов износа. Примененный под­ход к изготовлению инструмента для чеканки [23] позволил: снизить стоимость изготовления инстру­мента на 70% в сравнении со стои­мостью инструмента, полученного традиционным методом; сократить срок изготовления инструмента с 2,5 недель до примерно 1 недели.

В 2010 году германские исследо­ватели из Фраунгоферского инсти­тута станкостроения и обработки давлением выполнили исследо­вание возможности применения технологии SLM для изготовления формообразующего инструмента (вставок в штамповый блок) для горячей объемной штамповки щек коленчатого вала (рис. 5) [24] Размеры формообразующего инструмента: диаметр 170 мм и высота 54 мм (верхняя вставка)/ 47 мм (нижняя вставка). Мате­риал вставок: инструментальная мартенситно-стареющая сталь 1.2709 (российский аналог — сталь ОЗН18К9М5Т) [24]. После изго­товления вставки (рис. 6) подверга­лись только механической полиров­ке, результат которой представлен на рис. 6в.Штамповка опытных изделий с применением формообразующего инструмента выполнена и получе­но качественное изделие (рис. 7); материал сегмента коленчатого ва­ла — легированная сталь 42CrMo4 (российский аналог — сталь 38ХМ или 40ХФА).

Рис. 6. Формообразующий инструмент [24]: а) схема установки вставок в блок; б) вставка до полировки; в) фрагмент вставки после полировки

а)                                                                                          

 

б)

в) 

 Рис. 7. Отштампованное изделие с применением инструмента, изготовленного по технологии SLM [24]: а) изделие, полученное по технологии штамповки с применением традиционного инструмента; б) геометрия сегментов коленчатого вала

а)                                                                                  

    

б)

В качестве выводов авторами работы [24] отмечается, что для сокращения времени изготовления и расходов на изготовление по тех­нологии SLM формообразующего инструмента: 1) целесообразно на этапе разработки его конструкции применить топологическую опти­мизацию; 2) возможно перейти от сплошной конструкции инструмен­та к гибридной, в которой только часть вставки изготавливается с применением аддитивной техно­логии. Позже, в 2012–2013 годах, группа исследователей из Универ­ситета им. Лейбница (Ганновер, Германия) и Университета при­кладных наук Верхней Австрии (FH Oberösterreich, Wels) показали в своих исследования возможность применения на практике горячей объемной штамповки гибридного формообразующего инструмента [25], в конструкции которого толь­ко часть выполнена по технологии SLM (рис. 8).

На рис. 8а гибридный инстру­мент представлен справа; верх­няя часть изготовлена из стали 1.2709 (российский аналог — сталь ОЗН18К9М5Т) по технологии SLM, а нижняя часть — по тра­диционной технологии из более дешевой инструментальной ста­ ли 1.2344 (российский аналог — сталь 4Х5МФ1С). Механические свойства материала верхней части гибридного инструмента [25]: пре­дел текучести — 1800 МПа; твер­дость — 54 HRC. Слева на рис. 8а представлен инструмент из стали 1.2709, полностью изготовленный по технологии SLM. Инструмент, изготовленный традиционным ме­тодом из стали 1.2344, на рис. 8 не показан.

В работе [25] были решены сле­дующие три задачи: 1) исследова­ние работоспособности инструмен­та, полностью изготовленного по технологии SLM; 2) предложен ва­риант конструкции, позволяющий сократить расходы на производство формообразующего инструмента по технологии SLM и не проиграть в его прочности; 3) внедрена в кон­струкцию инструмента, изготовлен­ного по технологии SLM, система конформных каналов охлаждения, позволяющих отводить избыток тепла от формообразующей поверх­ности инструмента

 Рис. 8. Формообразующий инструмент [25]: а) сплошной и гибридный инструменты, изготовленные с применением технологии SLM; б) геометрия центральной части инструмента по технологии SLM; в) геометрия центральной части традиционного инструмента

 а)  

б)

    

в)

На рис. 8б и 8в представле­но сравнение центральной части сплошного инструмента, изго­товленного по технологии SLM, с центральной частью инструмента, изготовленного традиционным ме­тодом. Напечатанный инструмент испытал более 500 циклов штам­повки осесимметричного изделия из углеродистой стали С45 (россий­ский аналог — сталь 45) при тем­пературе 1150°C. При этом на его поверхности не обнаружены следы существенного износа, трещин или деформации; инструмент, изготов­ленный традиционным методом, показал меньшую стойкость — на его поверхности отмечены следы абразивного износа.

В том же 2013 году другой гер­манский исследователь Б. Мюллер [26] предложил гибридную кон­струкцию пуансона для листовой штамповки. Особенность конструк­ции инструмента: наличие вставок с системой каналов для охлажде­ния. Причем вставки изготовлены по технологии SLM (рис. 9).

Рис. 9. Гибридный пуансон с вставками и каналами охлаждения для листовой штамповки [26]

Выполненные в работе [26] исследования показали, что си­стема каналов охлаждения в кон­струкции гибридного инструмента обеспечивает его охлаждение в 6 раз быстрее, чем система каналов, полученных путем сверления во вставках, изготовленных тради­ционным методом. Применение гибридного инструмента позволи­ло сократить время выдержки на 50%, т. е. с 10 секунд до 5 секунд, что уменьшило общий цикл произ­водства на 20%. При внедрении ин­струмента в серийное производство разработка, предложенная в работе [26], обеспечит экономию энергии около 248 МВт/ч в год.

В 2016 году коллектив исследо­вателей из Словакии и Польши [27] предложил интересное решение для термоформовки с применени­ем мастер-модели, изготовленной из инженерного пластика ULTEM 9085 (рис. 10). Мастер-модель из­готавливалась по технологии FDM на установке Fortus 400mc; изде­лия термоформовались из пленки пластика PET толщиной 0,3 мм (рис. 11). 3D-печать выполнена с толщиной слоя 0,254 мм.

 Рис. 10. Общий вид мастер-модели: а) 3D-модель; б) изготовленная модель по технологии FDM [27]

                                              а)                                                                                                                                                        б)

На мастер-модели было изго­товлено 500 копий изделия [27]; габаритные размеры мастер-модели 308×308×30 мм. Особенность кон­струкции мастер-модели: толщина стенки 5 мм. Термоформовка вы­полнялась при температуре 180°С. В работе [27] отмечается, что изго­товление мастер-модели по пред­ложенной технологии позволяет сократить расходы на изготовление инструмента в сравнении с тради­ционным подходом (алюминиевая мастер-модель). Выявленный недо­статок: требуется дополнительная постобработка поверхности 3D напечатанной мастер-модели из пластика в случае, если требуется высокое качество поверхности.

В 2019 году группа российских исследователей [28] провела иссле­дование, направленное на изучение поведения тонких листов алюми­ниевого сплава ANSI 3003 толщи­ ной 0,1 мм при их гибке. Для гибки использован инструмент, изготов­ленный по технологии FFF из тер­мопластика PET-G (рис. 11).

Рис. 11. Исследование процесса гибки тонких листов: а) 3D-напечатанный инструмент; б) образцы после гибки [28]

                               а)                                                                                                                                                       б)

Отметим некоторые выводы работы [28], имеющие значение для изготовления изделий гиб­кой с применением пластикового инструмента: 1) пластиковый ин­струмент позволяет реализовать гибку тонких алюминиевых ли­стов в случае, если интенсивность напряжений в нем не превышает предел упругости пластика, т. е. он должен работать в области упругих деформаций; 2) если пластиковый инструмент сохраняет свою сплошность, то при выполнении операции обработки давлением — гибки не требуется применение технологиче­ской смазки, т. к. пластик обладает антифрикционными свойствами; 3) исследованная технология ли­стовой штамповки с применением пластикового инструмента может быть применена для изготовления штучных изделий и малых серий с минимальными затратами на под­готовку производства.

В 2019 году шведские ученые в партнерстве с разработчика­ми программного обеспечения LS-DYNA и встроенного в него модуля LS-TaSC топологической оптимизации выполнили иссле­дования [29]. В работе рассмотрен инструмент для выполнения фор­мообразующей операции (U-гиб­ ка) и разделительной операции (обрезка/вырубка/отрезка). Рас­смотрены два варианта исполнения инструмента (рис. 12) для каждой из операций: традиционная кон­струкция и конструкция, полу­ченная на основе топологической оптимизации. Вне зависимости от варианта исполнения инструмент изготавливался из стали 1.2709 по аддитивной технологии лазерный синтез на подложке (LPBF).

Разработанный инструмент применен для обработки листово­го проката из стали марки DP600 (российский аналог — сталь HCT600X) толщиной 1,0 и 2,0 мм. Эксперименты показали [29], что инструмент для разделительных операций выдержал без разруше­ния 100000 ходов; формообразу­ющий инструмент — 50000 ходов. Было отмечено, что высота заусен­ца при выполнении разделительной операции была менее 0,2 мм, что со­ставляет менее 10% толщины обра­батываемого листового материала. Твердость инструмента для разделительных операций состав­ляла 54–56 HRC. Шероховатость поверхности Ra = 0,2 μм. Вес ин­струмента, топологически опти­мизированного (рис. 12б), на 47% меньше, чем вес инструмента тра­диционной конструкции. После 100000 ходов максималь­ный износ рабочего инструмента, определяемый по изменению ра­диуса  профиля, составил: 0,1 мм (инструмент традиционный) и 0,196 мм (инструмент после то­пологической оптимизации).

 Рис. 12. Конструкция инструмента, изготовленного по технологии LBPF [29]: а) формообразующий инструмент (справа – традиционной конструкции; слева – топологически оптимизированной конструкции при объемном факторе 0,45); б) инструмент для разделительных операций (справа – традиционной конструкции; слева – топологически оптимизированной конструкции при объемном факторе 0,45)

 

  а)

 б)

в)

  Вес топологически оптимизированного инструмента (см. рис. 12б) на 29,6% меньше, чем вес инструмента тра­диционной конструкции. Таким образом, топологическая оптими­зация, примененная в работе [29] для изменения конструкции ин­струмента, позволяет сократить время производства инструмента, его стоимость и в то же время обе­спечить его надежную работу при обработке стали марки DP600 тол­щиной 1,0 и 2,0 мм.

В 2020 году германские ученые [30] исследовали возможность применения инструмента, изго­товленного из пластика ПЛА по технологии FFF, для проведения испытаний листового материала на формуемость (cupping test). Рассмотрены несколько вариан­тов заполнения при 3D-печати инструмента из пластика ПЛА. Как отмечается в данной работе, инструмент из ПЛА-пластика об­ладает достаточной прочностью для проведения испытаний листо­вого металла; позволяет получить результаты, сопоставимые с испы­таниями, проведенными с примене­нием металлического инструмента. В 2021 году германские ученые из Бременского университета [31] исследовали процесс электроги­дравлической (импульсной) фор­мовки с применением инструмен­та, изготовленного по технологии FDM из термопластика ПЛА. Ре­шаемая в работе [31] задача связа­на с повышением эффективности процесса импульсной формовки при изготовлении штучных изде­лий либо малых серий за счет су­щественного снижения стоимости изготовления формообразующего инструмента.

Для решения поставленной за­дачи ученые [31] рассмотрели три варианта исполнения инструмента (рис. 13). Деформируемый матери­ал — технически чистый алюминий толщиной 0,5 мм, 1,0 мм, 1,5 мм. Инструмент по варианту 1 изго­тавливался из пластика ПЛА по технологии FDM. Инструмент по варианту 2 — из пластика ПЛА и да­лее с применением электрогидрав­лической формовки армировался тонким листом алюминиевого спла­ва толщиной 0,5 мм. Инструмент по варианту 3 — из стали 1.0570 (российский аналог — сталь 17Г1С либо 17ГС) методом электроэрозии на основе электрода из меди марки 2.0065 (российский аналог — медь М1Е); в свою очередь, электрод был изготовлен методом электрогидравлической формовки, в про­цессе которой тонкий лист меди 2.0065 толщиной 0,5 мм соединял­ся с мастер-моделью из пластика ПЛА.

В результате исследований в ра­боте [31] получены результаты:

1) применение 3D-печати при изготовлении формообразующего инструмента снижает его стоимость в каждом из трех вариантов;

2) формообразующая поверх­ность инструмента по варианту 2 имеет более высокую чистоту по­верхности;

3) вариант 1 является пред­почтительным к применению при небольших деформирующих на­грузках и отсутствии требования к качеству поверхности изделия; в противном случае предпочтитель­ным является вариант 2;

4) вариант 3 является альтерна­тивным вариантом традиционному стальному инструменту по качеству поверхности и стойкости, а также позволяет снизить стоимость из­готовления инструмента.

 

Выводы и прогноз

Завершая обзор вариантов при­менения аддитивных технологий для изготовления инструмента для реализации процессов обработки давлением, отметим следующее:

 Рис. 13. Варианты исполнения инструмента из ПЛА-пластика для импульсной формовки [31]:

вариант 1 — 3D-напечатанный инструмент из ПЛА; вариант 2 – 3D-напечатанный инструмент, армированный

алюминиевым листом толщиной 0,5 мм; вариант 3 – стальной инструмент, изготовленный методом

электроэрозионной обработки с применением мастер-модели из ПЛА-пластика

EHF – электрогидравлическая формовка; EDM – электроэрозионная обработка

 

 

— быстрое инструментальное производство, осно­ванное на применении аддитивных технологий, позво­ляет сократить срок изготовления инструмента и его стоимость, а также более гибко подходить к выбору программы выпуска изделий — от единичного про­изводства до малых серий, что разрушает бытующий стереотип «обработка давлением — только серийное производство»;

— быстрое инструментальное производство, ос­новываясь на различных физических, химических эффектах, позволяет изготавливать работоспособный инструмент для обработки давлением как из металли­ческих, так и неметаллических материалов;

— адаптация концепции быстрого инструмен­тального производства к обработке давлением при­водит к необходимости внесения изменения в обра­зовательные программы подготовки молодых кадров в бакалавриате и магистратуре в области аддитивных технологий и обработки давлением. Так, в Московском политехническом университете в 2018 году открыта образовательная программа магистратуры «Адди­тивное производство» [32], одним из направлений которой является быстрое инструментальное про­изводство

 

Литература

  1. ГОСТ Р 57589–2017/ISO/ASTM 52900:2015 Адди­тивные технологические процессы. Базовые прин­ципы. Часть 1. Термины и определения.
  2. Современные методы изготовления уникальной производственной оснастки. Журнал «Умное про­изводство» (32), декабрь 2015.
  3. Gebhardt, J.-S. Hötter. Rapid Tooling. In: Additive Manufacturing 3D Printing for Prototyping and Manufacturing. München: Carl Hanser Verlag GmbH & Co. KG, 2016 — pp. 353–394 https://doi.org/10.3139/9781569905838.
  4. Яблочников Е. И., Грибовский А. А., Пирогов А. В. Эффективность применения аддитивных техноло­гий для изготовления литьевых форм и при подго­товке производства изделий из термопластичных полимерных материалов // Металлообработка. 2013. № 5–6 (77–78). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/effektivnost-primeneniya-additivnyh-tehnologiy-dlya-izgotovleniya-litievyh-form-i-pri-podgotovke-proizvodstva-izdeliy-iz (дата обращения: 02.08.2021).
  5. Andreas Gebhardt, Jan-Steffen Hötter, 5 — Rapid Tooling, Editor(s): Andreas Gebhardt, Jan-Steffen Hötter, Additive Manufacturing: 3D Printing for Prototyping and Manufacturing, Hanser, 2016, Pages 353–394, ISBN 9781569905821, https://doi.org/10.3139/9781569905838.005.
  6. Hölker-Jäger, A. E. Tekkaya, 17 — Additive manufacture of tools and dies for metal forming
  7. Rahmati, Sadegh. (2014). Direct Rapid Tooling. Comprehensive Materials Processing. 10. 303–344. 10.1016/B978–0–08–096532–1.01013-X.
  8. P. D. Hilton, P. F. Jacobs, Rapid Tooling: Technologies and Industrial Applications, first ed., Marcel Dekker, Inc., 2010.
  9. A. Equbal, A. Kumar Sood, M. Shamim. J. Manuf. Ind. Eng. 14 (3–4) (2015) 1–9.

10.P. Vasconcelos, F. Lino, R. Neto, M. Vasconcelos, Design and rapid prototyping evolution. RPD 2002 — Advanced Solutions and Development conference, 2002.

  1. E. Tackett, Rapid Tooling. Saddleback College Advanced Technology Center.

12.A. Armillotta, R. Baraggi, and S. Fasoli, «SLM tooling for die casting with conformal cooling channels», Int. J. Adv. Manuf. Technol., vol. 71, pp. 573–583, 2014.

  1. J. Kruth and M. Badrossamay, «Part and material properties in selective laser melting of metals», in Proceedings of the 16th International Symposium on Electromachining (ISEM XVI), 2010, pp. 3–14.

14.K. W. Dalgarno and T. D. Stewart, «Manufacture of Production Injection Mould Tooling Incorporating Conformal Cooling Channels via Indirect Selective Laser Sintering», in Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Journal of Engineering Manufacture, 2001, vol. 215, no. 10, pp. 1323–1332.

15.T. Nakagawa, K. Suzuki. A low-cost blanking tool with bainite steel sheet laminated. // Proceedings of 21 International MTDR Conference, 1980.

16.M. Kunieda, T. Nakagawa. Manufacturing of laminated deep drawing dies by laser beam cutting. // Advanced Technology of Plasticity 1, 1984, pp. 520–525.

17.T. Himmer, T. Nakagawa, N. Mohri: «Rapid Die Manufacturing System», Proceed-ings of the 7th European Conference on Rapid Prototyping and Manufacturing, 1998.

18.T. Nakagawa. Rapid Prototyping Techniques in Japan. // Proceedings of the 4th Euro-pean Conference on Rapid Prototyping, Paris, France, October 4–5, 1995.

19.T. Himmer, A. Techel, S. Nowotny, E. Beyer. Recent developments in metal laminated tooling by multiple laser processing. // Rapid Prototyping Journal, 2003, Vol. 9 Issue: 1, pp.24–29.

20.G. N. Levy, R. Schindel, P. Schleiss, F. Micari, L. Fratini, On the use of SLS tools in sheet metal stamping, CIRP Annals of Manufacturing Technology 52 (1) (2003), 249–252.

21.Elizabeth Goode. Selective laser sintering: system and materials. Advanced materials and processes, January

  1. 2003, pp.66–67. // https://www.asminternational. org/documents/10192/1880245/amp16101p066. pdf/0c1cacbe‑2eea‑4a9d-b00b‑0af74aca9283 (дата обращения: 06.08.2021).
  2. A. Huskic, J. Giedenbacher, U. Pschebezin, N. Wild, Rapid Tooling fuer Umform-werkzeuge, RTejournal — Forum fuer Rapid Technologie 2012 (9) (2012).
  3. Cheah, C., Chua, C., Lee, C. et al. Rapid Sheet Metal Manufacturing. Part 2: Direct Rapid Tooling. Int J Adv Manuf Technol 19, 510–515 (2002). https://doi. org/10.1007/s001700200054 19 (7) (2002).
  4. B. Mueller, R. Neugebauer, Direkte generative Fertigung von Schmiedegesenken eroeffnet neue Moeglichkeiten, RTejournal — Forum fuer Rapid Technologie 7 (2010).
  5. A. Huskic, B.-A. Behrens, J. Giedenbacher, A. Huskic, Standzeituntersuchungen gen-erativ hergestellter Schmiedewerkzeuge, Schmiede Journal (September 2013) 66–70.
  6. B. Mueller, Konturnahe Temperierung Beim Pressh € a r t e n, Fraunhofer I n s t i t u t f € u r Werkzeugmaschinen und Umformtechnik (IWU), 2013 http://www.iwu.fraunhofer. de/content/dam/iwu/ de/documents/Messen/220_2013_HZ_Konturnahe_ Temperierung_ Presshaerten.pdf.
  7. Gajdoš I.; Maňková I.; Jachowicz T. and Tor-Swiatek A.: Application of Rapid Tooling approach in process of thermoforming mold production. Paper 32 Proceedings of 8th International Engineering Symposium at Bánki [PDF] (ISBN: 978–615–5460–95–1), 2016,
  8. L B Aksenov and I Y Kononov 3D Printed Plastic Tool for Al Thin-Sheet Forming. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 337 (2019) 012053. doi:10.1088/1755–1315/337/1/012053.
  9. Nader Asnafi, Jukka Rajalampi, David Aspenbergю Design and Validation of 3D-Printed Tools for Stamping of DP600. IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 651 (2019) 012010, doi:10.1088/1757– 899X/651/1/012010.
  10. Günther Schuh, Georg Bergweiler, Philipp Bickendorf, Falko Fiedler, Can Colag. Sheet Metal Forming Using Additively Manufactured Polymer Tools. Procedia CIRP 93 (2020) 20–25.
  11. Langstädtler, L., Intemann, A., Herrmann, M., Schenck, C., Pegel, H., & Kuhfuss, B. (2021). Rapid Tooling for Impulse Forming. Paper presented at ESAFORM 2021. 24th Inter-national Conference on Material Forming, Liège, Belgique. doi: 10.25518/esaform21.2483.
  12. П. А. Петров, Б. Ю. Сапрыкин, М. А. Петров, Д. А. Гневашев. Аддитивные технологии в системе среднего профессионального и высшего образования. // РИТМ Машиностроения. 2021. № 4. С. 84–88.

 

Поделиться статьёй: