Multifunctional equipment for implementation of additive-subtractive technologies

Одним из наиболее перспективных направлений развития аддитивных методов является комплексное использование методов 3D-печати и субтрактивных технологий на одном оборудовании. Примером успешного сочетания этих двух технологий является осаждение/наплавка проволоки методами электродуговой сварки, например Gas Metal Arc Welding (GMA), Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

Оборудование для WAAM-технологии, как правило, представляет собой аналог 3D-принтера для печати из пластиковых нитей – Fused Deposition Modeling (FDM), но имеет несколько иной принцип плавления материала. Плавление материала проволоки происходит внутри электрической дуги в среде инертного газа. Основными недостатками WAAM-технологии является относительно высокая стоимость оборудования и недостаточная точность размеров полученной заготовки, что вызывает необходимость дополнительной обработки резанием практически всех поверхностей на металлорежущих станках. Как результат, усложнение аппаратурно-технологической схемы, трудоемкости и стоимости изделия

Аддитивно-субтрактивная технология подразумевает 3D- печать заготовки и последующую механическую её обработку для устранения погрешности формы, удаления дефектного слоя, повышения точности и уменьшения шероховатости поверхностей детали, к которым предъявляются повышенные требования. В настоящее время этот вид получения деталей все чаще используется для изготовления деталей в единичном производстве макетов и прототипов для изучения особенностей конструкции, еe улучшения и последующего изготовления этих деталей методами механической обработки, например фрезерованием концевыми фрезами. При этом происходит изменение величины сил из-за изменения толщины среза и угол контакта зубьев фрезы. Эти изменения составляющих сил приводят к изменению упругой деформации системы станок – приспособление – инструмент – деталь (СПИД), появлению вибрации, особенно при резонансе, когда частота внешней нагрузки совпадает с частотой собственных колебаний, ухудшению качества обработки и уменьшению надежности работы фрез

Для реализации совместного использования аддитивных и субтрактивных технологий предлагается оригинальное многофункциональное оборудование с ЧПУ, созданное по модульному принципу. На одной базе портального типа (рисунок 1, а) можно оперативно производить смену инструментальных модулей различного назначения: для наплавки (рисунок 1, в), для обработки резанием (рисунок 1, б). В конструкции установочной плиты предусмотрены технологические отверстия для точной ориентации различных инструментальных модулей относительно оси, достаточное и необходимое количество отверстий, предназначенных для монтажа и надежного закрепления инструментальных модулей. Перемещение рабочих органов по трем осям производится по направляющим и с помощью поворотных головок для наплавки и фрезерования по управляющей программе в соответствии с 3D-моделью детали.

Рисунок 1 - Многофункциональное устройство с ЧПУ: 

а - база портального типа; б - модуль для обработки резанием; в - модуль для обработки резанием

DOI:10.60797/ENGIN.2024.5.2.1

Конструктивное исполнение оборудования для аддитивно-субтрактивных технологий иллюстрируется изображениями, приведенными на рисунке 2. В технологиях WAAM достаточно широко применяются достаточно дорогие специализированные устройства либо производится адаптация роботов для перемещения исполнительных органов по координатам. В нашем случае, в качестве базового оборудования принята установка для дуговой наплавки алюминиевой проволоки на базе полуавтомата Янтарь МИГ 450 (АО «ЭСВА», РФ) – рисунок 2, а. Устройство наплавки состоит из: направляющей по оси Z – 1, направляющей по оси X – 2, направляющей по оси Y – 3, стола – 4, основной горелки – 5, дополнительного сопла – 6. Его недостатком является отсутствие возможности перемещения наплавляемого материала по 4-й координате. С помощью дооснащения многофункциональным устройством (описанным выше) с поворотным механизмом для наплавки, появилась возможность производить изделия с более сложной конфигурацией за счет изменения угла наклона новой головки сопла для подачи дополнительного материала алюминиевой проволоки (одновременно с подачей из основного сопла) от 30º до 60º – рисунок 2, б. Принцип работы и новая схема послойной наплавки с помощью двух подающих устройств приведены на рисунке 2, в. 

Рисунок 2 - Оборудование для WAAM:

а - установка для дуговой наплавки; б - установка с конструкцией поворотного механизма; в - схема процесса наплавки; 1 - направляющая по оси Z; 2 - направляющая по оси X; 3 - направляющая по оси Y; 4 - стол; 5 - основная горелка; 6 - дополнительное сопло

DOI:10.60797/ENGIN.2024.5.2.2

Конструкция поворотного механизма достаточно проста, что обеспечит снижение трудоемкости изготовления, эксплуатации и адаптации под конкретное производство. Основные узлы и комплектующие конструкции (приведены на рисунке 3). Поворотный механизм представляет собой червячный редуктор оригинальной(собственной) конструкции с передаточным отношением равным 10 и шаговым двигателем, позволяющим совершать поворот проволоки из дополнительного сопла за 0,25 секунды, что обеспечивает требуемую скорость нанесения материала для заполнения «пустот» между слоями материала, сформированных основным соплом.

Рисунок 3 - Поворотный механизм: 

1 - червячный редуктор; 2 - пластина регулировки наклона сопла с дополнительной проволокой; 3 - шаговый двигатель; 4 - горелка

DOI:10.60797/ENGIN.2024.5.2.3

Таким образом, предложенные технические решения, кроме расширения технологических возможностей 3D печати за счет дополнительных поворотных устройств (появление 4-й координаты), способствуют также повышению плотности наплавленного материала, предполагают повышение уровня прочностных свойств. В качестве подтверждения работоспособности многофункционального оборудования и возможностей реализации на нем разных технологий формообразования можно привести пример изготовления подшипниковой опоры из проволочного материала АМг6 ГОСТ 4784-97. На основе наплавочного модуля и метода WAAM получена заготовка изделия (рисунок 4, а) на следующих технологических режимах 3D печати: ток в диапазоне 120-160 А, скорость подачи проволоки 0,8 м/мин. На базе этой же многофункциональной установки использован инструментальный модуль для механической обработки заготовки резанием (изображение детали после обработки на рисунке 4, б). Режимы резания для чернового фрезерования: глубина резания за проход, t = 0,5 мм, рабочая (минутная) подача, Sm = 700 мм/мин, скорость резания, υ = 471 м/мин, частота вращения шпинделя, n = 15000 об/мин. Режимы чистового фрезерования: глубина резания за проход, t = 0,1 мм, рабочая подача, Sm = 400 мм/мин, скорость резания, υ = 565,2 м/мин, частота вращения шпинделя, n = 18000 об/мин.

Рисунок 4 - Подшипниковая опора:

а - заготовка; б - деталь

DOI:10.60797/ENGIN.2024.5.2.4

После механической обработки на полученных образцах изделий определялись параметры шероховатости поверхности. В качестве прибора для измерения шероховатости использовался профилометр модели ISR-C002 (Китай), показания которого представлены на рисунке 5. Шероховатость обработанной поверхности подшипниковой опоры представлена на рисунке 6. Диапазон полученных значений шероховатости: Ra 0,28 – 0,32 мкм, Rz 1,7 – 2,0 мкм.

Рисунок 5 - Результаты измерения шероховатости поверхностей подшипниковой опоры: показания прибора

DOI:10.60797/ENGIN.2024.5.2.5

Рисунок 6 - Результаты измерения шероховатости поверхностей подшипниковой опоры: профилограмма обработанной поверхности

DOI:10.60797/ENGIN.2024.5.2.6

Предложенные конструкторско-технологические решения, кроме расширения технологических возможностей разработанного многофункционального станка с ЧПУ за счет дополнительных инструментальных модулей, обеспечивает также и требуемый уровень качества поверхностей.