Замена металлов высокоэффективными полимерами в промышленности

В традиционном производстве металл ценится, среди прочих свойств, за его прочность, коррозионную стойкость и долговечность. И хотя это никогда не изменится, рост использования аддитивного производства с использованием высокоэффективных полимеров привел к удивительному развитию: появилась возможность заменять металлические детали высокоэффективными полимерными. Это может быть легко сделано в отраслях, критически важных для безопасности, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и железнодорожная отрасль.

Но в чем преимущества замены металлических деталей на детали из высокопроизводительных полимеров? И, что ещё важнее, какие инструменты нужны для безопасной замены?

Преимущества использования высокоэффективных полимеров

Во-первых, важно отметить, что именно представляют собой высокоэффективные полимеры. Эти термопласты отличаются невероятными свойствами, такими как устойчивость к коррозии, превосходное соотношение прочности и веса, долговечность, термостойкость, устойчивость к ползучести и химическая стойкость, а также другими свойствами в зависимости от материала. Для аддитивного производства наиболее часто используются PEEK, PEKK и ULTEM, которые обладают различными преимуществами.

Одним из наиболее значимых преимуществ является возможность снизить вес. Несмотря на многочисленные преимущества металлов, нельзя отрицать, что они тяжёлые. Высокоэффективные полимеры легче, и их свойства позволяют им обеспечивать сопоставимую с металлами производительность. Снижение веса имеет решающее значение для таких отраслей, как аэрокосмическая, автомобильная и железнодорожная. Это связано с тем, что снижение веса напрямую приводит к повышению топливной экономичности, увеличению грузоподъемности и снижению воздействия на окружающую среду.

Более того, сочетание высокоэффективных полимеров с аддитивным производством даёт ещё больше преимуществ. Это связано с тем, что аддитивное производство позволяет создавать гораздо более сложные с геометрической точки зрения детали, чем при традиционном производстве, что помогает избавиться от устаревших ограничений. В частности, это можно использовать для оптимизации конструкции и создания ещё более легких деталей.

Аддитивное производство также известно тем, что меняет правила игры, когда речь заходит об улучшении цепочек поставок, благодаря возможности производить детали по требованию. Это также жизнеспособная альтернатива, когда речь идёт о сломанных или устаревших компонентах, особенно металлических. Благодаря использованию высокоэффективных полимеров и аддитивного производства производство будет значительно ускорено, что сократит время простоя.

Оборудование для производства из высокоэффективных полимеров

Однако есть причина, по которой высокопроизводительные полимеры нельзя использовать для каждой детали, изготовленной с помощью 3D печати. Дело в том, что не любое решение для аддитивного производства подойдёт. Чтобы пользователи могли в полной мере воспользоваться преимуществами этих термопластов и удовлетворить потребности в крупномасштабном производстве, необходимо использовать оборудование промышленного класса.

Одной из важнейших потребностей, конечно же, является совместимость материалов. Если у машины нет камеры с подогревом или экструдера, способного достигать определенных температур, то будет невозможно печатать с использованием высокопроизводительных полимеров. Точный контроль температуры и равномерный нагрев особенно важны для производительности.

К другим идеальным характеристикам относятся больший объем печати для производства более крупных и сложных деталей, усовершенствованные системы управления и прецизионные механизмы, а также возможность непрерывной работы и минимальное время простоя. Системы с открытым доступом к материалам также предпочтительны, поскольку позволяют пользователям экспериментировать с широким спектром нитей и материалов, что критически важно для оптимизации свойств деталей и поиска новых областей применения.

Детали для танков

Например, крупноформатная 3D печать с использованием высокопроизводительных полимеров,помогла НАТО поддерживать парк транспортных средств БМП-1. Эти танки являются ключевым активом для вооруженных сил НАТО, но они могут создавать серьезные логистические проблемы, поскольку поиск запасных частей для них занимает много времени и стоит дорого. Длительные сроки поставки могут поставить под угрозу боеготовность.

Оборудование позволило продемонстрировать, что НАТО может производить высокопрочные функциональные детали для танков непосредственно на месте. Благодаря сочетанию этого метода с цифровой библиотекой компонентов БМП-1 вооруженные силы НАТО смогли избежать задержек в цепочке поставок и обеспечить непрерывную эксплуатацию транспортных средств с минимальным временем простоя. В целом, перейдя на аддитивное производство, НАТО значительно улучшила техническое обслуживание парка техники.

Детали вакуумных насосов

Другой пример, когда металлические детали были заменены высокопроизводительными полимерами — компания Luk-Plast. Здесь у компании возникла проблема, связанная с тем, что латунные роторы вакуумных насосов изнашивались из-за воздействия агрессивных химических веществ, воды и газа. Это, в сочетании с высокоскоростной работой и непрерывным режимом эксплуатации, которые усиливали механическое воздействие, приводило к частой замене и увеличению времени простоя.

Промышленные 3D принтеры с использованием материала CF PA-12 использовались для создания прочных деталей, способных выдерживать экстремальные условия. Компания отметила, что точный контроль температуры в камере с подогревом позволил напечатанному на 3D принтере компоненту сохранить прочность и стабильность даже в условиях воздействия агрессивных химических веществ и высоких механических нагрузок. В итоге напечатанный на 3D принтере ротор значительно увеличил срок службы, сократив интервалы технического обслуживания и время простоя.

Детали для гоночных автомобилей

Аналогичным образом в автомобильной отрасли компания удалось заменить металлический впускной коллектор, крепление шестерни и крышку шарнира для гоночной команды PRz с помощью 3D печати, CF PA-12 и TPU-93A. Полученные полимерные детали были легкими, прочными и термостойкими. Использование аддитивного производства обеспечило гибкость проектирования и быстрое, экономичное производство, а также позволило снизить вес деталей. Вес впускного коллектора был уменьшен на 1,5 кг по сравнению с алюминиевым аналогом.

Эти примеры, среди прочих, показывают, чего можно добиться, используя инженерные и высокоэффективные полимеры вместо металла. Особенно при использовании аддитивного производства. Однако это не значит, что нет возможностей для улучшения.

Развитие производства из высокоэффективных полимеров

При работе с высокопроизводительными полимерами есть еще один критически важный фактор: человеческий фактор. К сожалению, инженеры и технические специалисты не всегда обладают знаниями, необходимыми для использования аддитивных технологий в промышленности, особенно когда речь идёт о замене металлических деталей высокопроизводительными полимерными.

Инженеры, работающие с высокопроизводительными полимерами, должны обладать навыками в широком спектре областей. К ним относятся способность оценивать конструкции деталей на предмет пригодности для печати, умение использовать 3D сканирование и реверс-инжиниринг, способность создавать оптимизированные для производства CAD-модели, выбирать наиболее подходящие материалы в зависимости от требований к детали и используемого процесса аддитивного производства, уметь точно настраивать параметры печати и понимать необходимые методы постобработки. Все это важно для того, чтобы по-настоящему использовать технологии и извлекать из них пользу.

Но как это возможно? Один из способов — обеспечить открытость систем. Платформы и программное обеспечение с открытым исходным кодом помогут ускорить внедрение, поскольку технические команды смогут использовать и тестировать технологии аддитивного производства в своем темпе.

Дополнительным аспектом является уделение большего внимания как обучению, так и поддержке. Такое внимание к обучению и поддержке является одним из важнейших факторов, которые помогут перейти от металлов к высокоэффективным полимерам даже для критически важных деталей. В сочетании с самими материалами и соответствующим оборудованием становится возможным максимально эффективное использование аддитивного производства и внедрение инноваций.

Итог

Высокоэффективные полимеры - это отличная альтернатива металлическим деталям. Использование полимеров вместо металлов открывает много преимуществ для компаний из аэрокосмической, оборонной и других отраслей.

Наши предыдущие статьи: