1. ИНФОРМАЦИЯ О ПРОЕКТЕ

1.1. Описание и цели проекта — создание опытного образца RP — машины (Rapid Prototyping) на основе совершенствования DMF-процессов (Direct Metal Fabrication — непосредственное выращивание деталей из металла) RP-технологий с возможностью расширения применяемых конструкционных материалов и повышения производительности создания прототипа без потери точности его формообразования.
1.2. Характер проекта — техническое перевооружение станочного парка с ЧПУ на самообучающиеся станки с ЧПУ с отработкой управляющей программы на прототипных деталях; замена большинства станочного парка машиностроительных предприятий на RP-машины с DMF-процессами формирования прототипа.
1.3. Степень готовности проекта — научно-техническая документация совершенствования RP-машин с процессом Shaped Metal Deposition, созданным компанией Роллс-Ройс
1.4. Масштабы и области использования — машиностроение, приборостроение — создание металлических деталей с заданными эксплуатационными свойствами без использования металлорежущего оборудования или его использования в ограниченном количестве.

2. ПРОДУКЦИЯ

2.1. Наименование продукции — создание RP- машин DMF-процессов для непосредственного выращивания деталей из конструкционных материалов.
2.2. Основные преимущества —
1) использование большинства марок конструкционных и легированных сталей;
2) создание технологических поддержек выращиваемой детали;
3) повышенная производительность RP-процесса, формообразование детали 1 см по высоте от 10 до 30 минут против от 40 минут до 1,5 часов у лучших моделей этого класса RP-машин;
4) управляемость эксплуатационными свойствами выращиваемого изделия.
2.3. Технико-экономические показатели в сравнении с аналогами — себестоимость RP-машины от 60 тыс. $ против 400 тыс. $ на зарубежные аналоги без учета поставки и согласований на поставки стратегического оборудования. Большинство RP-машин работающих по технологии DMF запрещены к экспорту в РФ. Скорость создания прототипа 2…6 см/ч. Возможность использования в качестве материалов прототипирования среднеуглеродистых сталей и особенно чугунов.
2.4. Принцип действия —
1. В качестве накопительной ёмкости расплавленного металла использовать непосредственно индукционные печи или электрические печи высокого давления в среде инертных газов. При этом индукционные печи используются для расплавления или поддержания температуры плавления в тугоплавких сталях и сплавах. Электрические печи (электродуговые) можно использовать для расплавления или поддержания температуры плавления легкоплавких материалов таких как медь и её сплавы, золото, серебро, алюминий и т. д.
2. Использование многосопловую установку DMF-процесса. Например, как самый простой случай, трёхсопловая установка. Первое сопло используется непосредственно для инжектирования расплавленного материала для придания заданной формы выращиваемой детали. Второе сопло, имеющее возможность движения вокруг первого сопла, но менее точного позиционирования, чем первое сопло. Снижение точности позиционирования второго сопла обеспечивается инжектированием меньшего объема материала поддержки, например свинца, олова или их сплавов. То есть при формировании слоя детали, слой детали образованный первым соплом выше, чем слой поддержки — слой материала поддержки всегда отстает от слоя материала детали на половину размера минимальной высоты слоя инжектирования материала детали. Однако, в этом случае, появляется новые задачи технологического управления инжектированием слоёв материалов поддержки на изгибах поворотах формообразования слоя детали, т. к. возможно заливка материалом поддержек геометрического объема детали, что недопустимо. Третье сопло используется для первичного охлаждения инжектированного слоя материала детали и материала поддержек инертным газом. В этом случае деталь, после окончания процесса прототипирования, будет полностью залита материалом поддержек, т. е. аналогично SLS-процессу (или LS, Selective Laser Sintering — послойное лазерное спекание), когда не требуется построения поддержек, окружающий модель порошок выполняет функцию поддержек. При этом актуальным становиться задача диспетчеризации в управлении соплами посредством их независимых систем числового программного управления. После завершения процесса прототипирования деталь вместе с материалом поддержек, как неразрывно целое тело, нагревают в термической печи до температуры плавления материала поддержек, которая намного меньше температуры плавления материала детали. Также в этом случае возможно изготовления композиционных многослойных материалов с уникальными эксплуатационными свойствами.
3. Повысить производительность формообразования детали возможно двумя способами. Первый способ заключается в регулировании расхода истечения расплавленного материала через сопла изменением давления жидкого металла в первом сопле. Для формообразования областей детали, не требующих большой точности изготовления, таких как внутренне пространство, можно использовать больший расход материала. В начале строиться точная оболочка детали небольшой высоты (до 20 слоев) с использованием малого давления расплавленного материала в первом сопле, затем в эту оболочку инжектируют металл из первого сопла с использованием повышенного давления в сопле. Второй способ заключается в применении сложного сопла с семью инжектирующими элементами сопла. Первый центральный элемент используется для точного, но менее производительного процесса прототипирования. Остальные шесть элементов, расположенных неподвижно вокруг центрального первого элемента, инжектируют большой металла в неточные области детали. Здесь, как и в первом способе, строиться точная оболочка детали первым центральным элементом сопла, а заливка оболочки осуществляется уже семью инжектирующими элементами сопла. При этом имеется возможность автоматического регулирования открытия и закрытия истечения металла через шесть производительных элементов первого сопла. Производительность прототипирования возрастает в несколько раз, однако, второй способ инжектирования металла более производителен, чем первый, но более сложен в технической реализации.
4. Управлять эксплуатационными свойствами формообразуемой детали в DMF-процессах возможно только через процессы охлаждения инжектируемых слоёв расплавленного металла и изменение конфигурации инжектируемой капли расплавленного металла. Первоначальное управление охлаждением расплавленного металла необходимо производить с использованием нагнетания инертного газа из третьего сопла, температура которого регулируется в зависимости от требуемой скорости охлаждения металла слоя детали. Вторичное охлаждение материала детали необходимо осуществлять контактным способом, посредством контакта полупроводникового термоэлемента. Например, полупроводники из сплавов висмута, селена, теллура и сурьмы обеспечивают в термоэлементе разность температур около 60°C, возможность поддерживать температуру минус 16°C. Изменение конфигурации капель инжектируемого металла, например, в виде вытянутых эллипсов с направлением большей оси эллипса вдоль действия сил на деталь при её эксплуатации, повышает износостойкость и твердость материала детали. Конфигурацию капли инжектируемого расплавленного металла необходимо формировать конфигурацией выходного отверстия первого сопла, которое должно быть тоже эллиптической формы. Для управления направлением расположения эллиптическими каплями необходимо иметь возможность программирования поворота первого сопла вокруг собственной продольной оси симметрии. В этом случае, возможно конфигурировать зерна металла по всему объему детали. Это позволяет управлять такими эксплуатационными свойствами детали как прочность, контактная прочность, жесткость, контактная жесткость, виброустойчивость, износостойкость, в малой степени трение.

3. ХАРАКТЕРИСТИКА НОВИЗНЫ, ЭКСПОРТНОГО ПОТЕНЦИАЛА, ИМПОРТОЗАМЕЩЕНИЯ

3.1. Характеристика новизны — выше мирового уровня RP-машин, с открытой информацией по технико-технологическим характеристикам изготовления прототипов и функционирования самой RP-машины. Модернизация и совершенствование RP-машин фирм 3D Systems, Stratasys, Z Corporation, Solidscape, Роллс-Ройс.
3.2. Необходимость патентной защиты основных технических решений — требуется. 3.3. Необходимость лицензирования — неизвестно.
3.4. Необходимость сертификации — требуется.

4. МАРКЕТИНГ

4.1. Характеристика рынка сбыта продукции — всего в мире по 2004 год включительно было продано более 50 машин. (имеются в виду первичные продажи, без учета продаж «сэконд-хэнд»). 13596 машин сосредоточены в 21 стране, причем 9378 из них, или 66% от общего количества — в трех странах: США, Японии и Германии. А всего обладателями RP-машин являются 67 стран во всех частях Света. Даже в Новой Зеландии их три. Страны бывшего СССР, кроме России, представлены лишь Украиной и Белоруссией (в общей сложности 5 машин).
Лидерство среди производителей машин держат четыре американские фирмы:
1) Stratasys — выпускающая FDM-машины с различными размерами зоны построения от 200×200×300 мм до 600×600×500 мм, цены этих машин в США от $30 000 до 250 000;
2) 3D Systems — выпускающая SLS-, SLA- и MJM-машины с размерами зоны построения от 120×245×51 мм до 550×550×585 мм, цены лежат в пределах от $40 000 до 750 000 и выше в зависимости от опций;
3) Z Corporation — выпускающая MJM-машины с отверждением различных порошковых материалов, включая и керамические, специальным связующим составом, впрыскиваемым через многосопловую головку, размеры зоны построения от 200×250×200 мм до 400×500×600 мм, цена в США в пределах $26 000….180 000;
4) Solidscape — выпускающая машины, работающие по MJM-технологии, которые в основном используются в ювелирной промышленности для построения восковых моделей, размеры зоны построения от 150×150×150 мм до 300×150×150 мм, цена в США $40 000…50 000.
В России созданы всего 4 машины (ИПЛИТ РАН — Институт проблем лазерных и информационных технологий Российской академии наук).

5. КОНТАКТЫ

5.1. Название организации — ГОУ ВПО «Брянский государственный технический университет».
5.2. Адрес, телефон, факс, e-mail — Россия, Брянская область, г. Брянск, бульвар 50-летия Октября, 7, БГТУ, кафедра «Технология машиностроения», (4832) 58-82-20, erohinvv@mail.ru
5.3. Контактное лицо, Фамилия, Имя, Отчество — профессор кафедры «Технология машиностроения», д.т.н. Ерохин Виктор Викторович.