Литейная структура отливок формируется в процессе постепенного направленного застывания жидкого металла с формированием крупных дендритов (снижающих механические характеристики и создающих анизотропию свойств), так же с образованием литейной газовой пористости и усадочных раковин. По мнению производителей паровых турбин объем дефектов, которые лечатся их выборкой и завариванием, достигает до 40% веса отливки. Плохо еще и то, что дефекты зачастую вскрываются на финишных стадиях обработки детали, когда огромный объем работ по ее обработки уже вполнен. Дешевое литье становится «золотым». Литье обладает большим количеством неметаллических включений, что негативно влияет на циклическую прочность. Но, необходимо отметить, что для сплавов с малой пластичностью у машиностроительного литья практически нет конкурентов.
Почему мы считаем технологию проволочного электро-дугового производства (WAAM) такой интересной для промышленности?
Качество WAAM: прочнее литья, проката, поковок
Прокат обладает мелкой структурой с малым количеством неметаллических включений. Но, присутствует анизотропность свойств вдоль и поперек проката. По механическим характеристикам прокат выше литья.
Поковки и штамповки характеризуются изотропностью свойств, отсутствием пор и раковин. Но в поковках большого веса и сечения встречаются крупные неметаллические включения (замесы окалины) и нестабильность свойств по сечению, так как очень сложно качественно «перемесить» большую тяжелую заготовку. Количество неметаллических включений определяется качеством литейной заготовки, которую проковывают.
WAAM — это серия сварочных швов с очень маленькими дендритами (9-10 балл). Зерно чаще значительно меньше, чем в поковке. Изотропность свойств высокая, отклонения в различных направлениях 5-10% в зависимости от материала, что заметно лучше, чем у литья, проката и поковок. Сварочная проволока, в силу технологии ее получения, является чистейшей шихтой. Электродуговой процесс обеспечивает чистоту заготовок сопоставимую с электрошлаковым переплавом14. Оксидов и пористости так мало, что заготовки WAAM лучше любых самых жестких отраслевых требований к поковкам, например: РМРС, РОСАТОМ, Ростехнадзор и др. Усталостная долговечность образцов нередко превышает показатели отливок и поковок (см. диаграмму ниже)
Коэффициент использования материалов
В отливках 5 – 10% идет на формирование литейных уклонов. Еще 10 – 60% это припуски под механическую обработку. КИМ деталей из отливок 30 — 85%, то есть от 15 до 75% веса отливки необходимо перевести в стружку.
Конструкции из проката получают из вырезанных из листа и/или профиля заготовок. Не менее 50% идет в отход. От 5% веса сварной конструкции – припуски под механическую обработку. КИМ деталей из сварных заготовок ~45%.
В деталях, получаемые из поковок или штамповок КИМ составляет 3 – 40%, то есть от 60 до 97% веса необходимо перевести в стружку.
Технология WAAM позволяет оставлять припуски под механическую обработку от 3 мм и получать КИМ 70 – 95%.
Некоторые примеры авиационных деталей:
Есть нюанс с припусками на обработку. Поверхность детали после WAAM имеет волнистость8 (waviness Ra 100 — 200). Но устранять ее надо только на аэродинамических поверхностях и в корпусах, где скорости гидравлических потоков выше 10 м/с. В других случаях такой необходимости нет и деталь выращивается «точно в размер». На обрабатываемых поверхностях технологи требуют закладывать припуск от 3 -10 мм на сторону для возможности наладки детали в станке, чтобы не получить «чернин» при обработке. При прямом лазерном порошковом выращивании поверхности получаются с Ra 30 – 80, Но это не избавляет от необходимости обработки аэродинамических или гидравлических поверхностей и от таких же припусков (5 – 10 мм) на механическую обработку. Цена титановой проволоки для WAAM 5000 – 10000 руб/кг, а титанового порошка для лазерных систем 20000 – 30000 руб/кг. WAAM остается финансово и технически более предпочтительным инструментом для заготовкок, где толщина стенки не требуется менее 4 мм.
WAAM вместо поковок
Для предприятий, использующих поковки, но, не имеющих своих кузнечных производств наличие наших установок WAAM устраняет зависимость от внешних поставщиков. Кардинально уменьшается объем снятия стружки, потребность в станках и станочниках, трудоемкость, энергопотребление, длительность производственного цикла изготовления детали, ее стоимость.
Например:
Получаем большой выигрыш в затратах и в сокращении цикла производства. Сокращается потребность в оборудовании, в инструменте, в персонале (в 2 – 10 раз).
WAAM вместо отливок
Для предприятий, использующих отливки, но, не имеющих своих литейных производств. Наличие установок WAAM устраняет зависимость от внешних поставщиков. Качество WAAM на уровне поковок. Это значит, что за счет большей прочности и за счет генеративного дизайна (не доступного для литейной технологии) можно облегчить литейную деталь. Детали WAAM, по сравнению с литыми, практически не обладают дефектностью. Для них не надо длительного и дорогого лечения литейного брака, который иногда проявляется только на последних стадиях обработки.
Например:
Получаем большой выигрыш в затратах и в сокращении цикла производства. Сокращается потребность в оборудовании, в инструменте, в персонале (в 2 – 10 раз).
В отличие от литья, где цена за штуку (из-за дороговизны оснастки) падает с ростом серии, стоимость WAAM-заготовки практически не изменятся. Серия для технологии проволочного электро-дугового аддитивного производства начинается со второй детали. Однако уровень автоматизации процесса в нашем оборудовании — WAAM INDUSTRY® обеспечивает возможность обслуживания одним оператором до 5 технологических установок одновременно, что соответственно снижает затраты на оплату труда в себестоимости одной детали и потребность в персонале.
Мы провели сравнительный анализ для комплекта тракторных деталей на установочную партию нового изделия — 30 единиц. Сравнивали литье в напечатанную 3D песчаную оснастку и стержни WAAM заготовками. Подготовка производства в литье ~ 3,5 млн.р., а WAAM ~ 6,2 млн.р. Но, WAAM гарантирует отсутствие литейных дефектов, которые «любят» проявляться на последних этапах изготовления деталей из отливок.
Покупка отливок на установочную партию ~ 207,5 млн.руб., а покупка заготовок WAAM ~ 206,7 млн.руб. Статистически эти суммы равнозначны.
Если бы Заказчик заказал отработку первых деталей, а всю установочную партию — 30 машин делал бы по технологии WAAM у себя, то его прямые производственные затраты составили бы всего 57,7 млн.руб. включая 6,2 млн.руб. на подготовку производства.
Анализ временных циклов и дефицита мощностей
Длинные сроки поставки в промышленности привносят системный риск в контракты по выпуску дорогой продукции с длинным циклом производства. Ограниченный круг поставщиков крупногабаритных тяжелых отливок, штамповок и поковок делает цепочки поставок дефицитными, ненадежными, а производителя продукции зависимым от поставщиков заготовок. Дефицит мощностей создает у немногочисленных поставщиков крупных заготовок многолетние портфели заказов и делает их монополистами. Это приводит к массовому снижению качества заготовок. Это проблема связана не только с санкционным давлением на РФ и ограниченным количеством поставщиков, даже в экономиках, не ограниченных санкциями, сроки поставки измеряются многими месяцами и годами. Так из опыта наших заказчиков производство 6-метрового раскатного кольца занимает в Китае 1,5 года и еще половину года уходит на его логистику. Такое же кольцо, при нашем производстве по технологии WAAM потребует производственного цикла — 9 мес. и логистики — 1 месяц.
Пример с бронзовым рабочим колесом насоса весом 350 кг для электростанции Amercoeur (Бельгия) показывает разницу между сроками: 8 месяцев на литье против 9 дней на печать.1 Быстрая подготовка производства и получение высокоточной заготовки делают технологию выгодной. Для заготовки WAAM остается только выполнить термическую и механическую (фактически только финишную) обработку.
Анализ наших проработок большого количества клиентских запросов показал, что при крупносерийном и серийном производстве технология штамповки или литья на автоматических линиях выгоднее, чем WAAM. При малых серия электродуговое выращивание выгодно.
Модель распределенного производства и логистики
Традиционная модель производства это: централизованное производство — склад — доставка. Модель производства WAAM: цифровая библиотека — локальная печать на месте. Это особенно критично для удаленных объектов, имеющих сложную и дорогую логистику и без круглогодичной регулярной связи с производственными центрами, морского флота и нефтегазовых платформ. Вместо хранения физических запчастей, затрат на большие склады и сложную логистику компании необходимо хранить только проволоку, небольшое количество оборудования на месте, которое может поместиться в 2 морских контейнера и изготавливать детали на месте.
В условиях, когда деталь для насоса нужно ждать 6-12 месяцев из Китая, упущенная выгода может на порядки превышать стоимость самой детали. Локальное производство на базе WAAM сокращает транспортные расходы на 85% и снижает затраты на хранение медленно оборачивающихся позиций на 17%.
На практике переход на WAAM не может быть выгоден для всей номенклатуры запчастей, но может в короткие сроки дать возможность изготовить те позиции, которые генерируют основные убытки при простоях. Это детали, которые снятые с производства, недоступны в силу санкционных ограничений или узлы из спецсплавов (Inconel, Duplex), поставку которых затягивают из-за отсутствия сырья.
Сравнение стоимостных факторов для разных сплавов
Стоимость килограмма наплавленного металла складывается из цены проволоки, газа, энергии и оплаты оператора.
Где WAAM эффективна
По нашему мнению, технология проволочного электродугового аддитивного производства эффективна:
— При замене поковок фасонными заготовками WAAM c малыми припусками на механическую обработку.
— При замене механо-сборочных и сварно-сборочных конструкций на WAAM, с их переводом на генеративный дизайн и снижение веса.
— Для изготовления полиметаллических градиентных по свойствам конструкций с существенно повышенным служебным ресурсом. Можно создавать металло-композитные решения с целью кардинального увеличения например: износостойкости, коррозионной стойкости, жаростойкости, кислотоупорности и т.п. Особенно эффективно для производств, где стоимость простоя технологического комплекса кардинально дороже стоимости самой детали.
— При обратном инжиниринге и импортозамещении запасных и сменных деталей иностранной техники. Практически неограниченные возможности по формообразованию и материаловедению.
— При замене литых заготовок на WAAM при единичном и малосерийном производстве.
— При новых разработках (НИОКР). Изготовление рабочих прототипов по нашей технологии быстрее и дешевле.
— Для конструкций, требующих снижение их веса. WAAM позволяет применить генеративный (бионический) дизайн, что дает снижение веса деталей и конструкций в 1,2 – 2 раза. Например: кронштейны и корпуса космических аппаратов и ракет; силовые каркасы корпусов и планеров летательных аппаратов, кронштейны, стойки, нервюры, стрингеры для них; Стрелы и ковши экскаваторов; Строительные конструкции; Другие решения.
— Для создания удаленных ремонтных мастерских, когда весь инжиниринг исполняется в центральном инжиниринговом подразделении, а печать и изготовление деталей по готовым ЧПУ, в удаленных местах. Особенно эффективно для производств, где логистика существенно дороже стоимости самой детали. Удаленные горнодобывающие производства, нефтегазовые платформы и месторождения, побережье Северного Морского Пути, территории с крупными экспортными партиями продукции, другие задач.
Мы понимаем, что вопрос дискуссионный. Наша задача дать промышленности необходимую информацию, чтобы предприятия и Корпорации смогли оценить и начать применять новые подходы к организации производства, логистики, управления цепочками поставки и рисками. WAAM уже сегодня является рабочим инструментом для огромного спектра задач. Наша технология меняет парадигму в заготовительном производстве. WAAM позволяет производить заготовки у себя не вставая в очередь к литейщикам и кузнецам и тратя ресурсы на «лечение» дефектов и брака заготовок. Экономика подтверждает: печатать у себя на предприятии выгоднее, чем ждать.
