Реверс-инжиниринг — полезный инструмент, который открывает возможности пробовать новые материалы и формы деталей, а также развивать производство при санкционных ограничениях. Так, в Центре инновационных технологий российского производителя никеля и палладия сформировалась группа по аддитивным технологиям и реверс-инжинирингу. Работая вместе сетью производителей-подрядчиков, команда специалистов наладила изготовление сложных комплектующих для оборудования.
3D-печать, сталь и песок: как ремонтируют и улучшают сложные промышленные детали
Чтобы обновить сложную деталь, необходимы специализированные навыки во многих технических областях: от трехмерного сканирования до материаловедения. Эксперт «Норникеля» рассказал редакции Techinsider.ru о восстановлении изношенных конструкций, 3D-печати металлом и массовом освоении аддитивных технологий среди сотрудников компании.
Архивы пресс-службы
Поворачивая время вспять
Первый шаг в изготовлении детали на замену — трехмерное сканирование. Нередко комплектующие попадают на стол к специалистам уже после работы в производственных машинах. Некоторые следы износа заметны сразу — трещины и выбоины. Другие требуют большего внимания — истирание и изменение первоначальных размеров. Поэтому самое сложное в составлении компьютерной модели — учет всех технических особенностей детали и «исправление» следов износа.
Создание компьютерной твердотельной модели — трудозатратный процесс. Сканирование дает специалистам лишь облако точек, висящее в пространстве, — эти точки нужно соединить и «наполнить тело» детали. По словам кандидата технических наук Сергея Севагина, получить правильную модель с первого раза удается лишь в половине случаев.
«Получившийся результат мы сверяем с производственниками, уточняем, так ли все должно быть. Если они верифицируют деталь, мы запускаем ее в печать. Но с первого раза ее одобряют только в 50% случаев. Часто, например, выясняются точечные детали, которые можно выявить только при постоянном взаимодействии с коллегами», — рассказал Сергей Севагин, к.т.н., руководитель проектов, Центр инновационных технологий.
Многосторонняя экспертиза
Для успешного реверс-инжиниринга очень важно сотрудничество со специалистами, работающими с оборудованием на производствах. Не менее важно и хорошее взаимодействие внутри группы, потому что задача требует экспертизы во многих технических областях: сканировании, разработке 3D-моделей, конструировании, материаловедении.
Очень мало специалистов, которые одинаково хорошо разбираются во всех этапах реверс-инжиниринга — от 3D-сканирования и моделирования до выбора материалов и постобработки. Особенно важно правильно смоделировать «тело» детали: не просто повторить форму, но и наделить свойствами, которые позволят ей работать в заданных условиях, выполнять функции и выдерживать нагрузки.
Чтобы добиться необходимых характеристик детали, специалисты изучают целый набор свойств оригинальной конструкции. В частности, они анализируют твердость, химический состав, плотность, теплопроводность, износостойкость и другие параметры. Собранные данные позволяют подобрать аналогичный или даже более надежный материал и точно спрогнозировать, как будет вести себя готовая деталь.
«Такой подход дает уверенность, что напечатанная реплика не просто "похожа" на оригинал, а действительно работает как надо — в условиях реальной эксплуатации», — объяснил специалист Сергей Севагин.
От модели — к детали
Превратить модель в деталь можно двумя путями: печать детали и печать формы для отливки детали. Метод 3D-печати подходит для создания элементов из нержавеющих сталей и жаропрочных материалов на основе никеля. Металлический порошок сплавливают направленным воздействием лазера.
Для отливки деталей из высокопрочного чугуна с помощью аддитивных технологий создают формы из песка. По технологии биндер-джеттинга (от англ. binder jetting — впрыск связующего вещества) песок склеивают специальной синтетической смолой. Как и после печати, отлитые в таких формах элементы требуют постобработки. Как отметил Сергей Севагин, высокопрочный чугун — наиболее сложный материал, очень твердый и капризный в плане механической обработки.
Печать ведется как на иностранном оборудовании, так и на российских 3D-сканерах и 3D-принтерах. По словам эксперта, отечественные устройства способны конкурировать с иностранными агрегатами. Сегодня их разработкой занимаются как корпорации, так и небольшие предприятия, и за последние 10-15 лет они сильно продвинулись в этой области.
Какие детали подходят для реверс-инжиниринга?
Закупать или воспроизводить — зависит от формы, размера и материала детали. Лучше всего под реверс-инжиниринг подходят детали, состоящие из многих частей или, наоборот, неразборные конструкции.
«Всего 3-5% комплектующих подходят для воспроизводства с помощью аддитивных технологий. Если деталь выбрана правильно, мы не увеличиваем, а уменьшаем затраты на 30-50% по сравнению с ценой закупки», — объяснил Сергей Севагин.
В первую очередь под реверс-инжиниринг стоит отправлять элементы, которые подвержены наибольшему абразивному износу на производстве. Например, различных типов форсунки и проточные части для насосного оборудования.
Сколько времени уходит на реверс-инжиниринг?
На первое воспроизведение детали требуется от двух до двух с половиной месяцев моделирования. У специализированных элементов нередко встречается сложная микроструктура материала — требуется время, чтобы провести все анализы и тесты.
Немало рабочего времени занимает подбор подходящей обработки материала. Термические обработки бывают очень разными — чтобы воспроизвести свойства готового элемента необходимы эксперименты. В результате команда подбирает оптимальные режимы и методы проведения термической обработки.
Если экспертам уже встречался материал с такими свойствами и микроструктурой, то сроки создания модели и «рецепта» детали сокращаются до 1,5-2 месяцев.
Размер деталей на сегодняшний день ограничен размерами камеры построения в 3D-принтере, то есть площадки, где ведется печать. Теоретически, когда-нибудь появятся роботы-принтеры, которые не будут так строго ограничены корпусом оборудования. Пока что максимальный размер — 500 мл по одному из направлений, и это с учетом поддержек, которые потом удаляются. Одна из деталей, которой сейчас занимается команда реверс-инжиниринга компании, достигает 450 мл.
На печать одной крупной детали уходит от 50 до 70 часов. Количество изделий, которое можно «напечатать» за один запуск, зависит от размера печатной платформы принтера и самих деталей. Следом идет этап постобработки, который может занять ещё несколько дней: нужно извлечь детали, отделить их от подложек, срезать поддерживающие элементы и провести финальную механическую обработку их поверхности.
Развитие реверс-инжиниринга
Реверс-инжиниринг — чрезвычайно востребованное направление в свете дефицита запасных частей. Отлаживание процесса работы, включая взаимодействие с производственниками и подрядчиками, было лишь первым этапом.
«Наша вторая большая цель — улучшение деталей на этапе 3D моделирования. Скажем, можно с учетом опыта производственников, оптимизировать геометрию или изменить материал в детали. Конечно, тут мы столкнемся с регуляторикой — верификацией и апробацией новых запасных частей», — рассказал о планах эксперт.
Сфера 3D-печати продолжает стремительно эволюционировать. Промышленная сфера особенно заинтересована в расширении списка сплавов и подходов к созданию металлических элементов. В частности, многие специалисты ждут развития технологии металлического биндер-джеттинга — метода аддитивной печати, при котором металл в 3D-принтере склеивается пластификатором, а затем спекается в печи. Пока что на рынке нет готовых устройств, работающих на базе этой технологии. Тем временем спрос на нее растет — металлический биндер-джеттинг позволит кратно ускорить и удешевить процесс печати.