Исследование технологических возможностей применения 3D принтеров для моделирования деталей машин и оборудования нефтегазового комплекса
|
Введение 6
1 Обзор технологий аддитивного производства 10
1.1 Обзор существующих технологий 3D-печати 11
1.1.1 FDM 11
1.1.2 SLA 14
1.1.3 SLM 17
1.1.4 DMLS 20
1.2 Материалы для 3D-печати 22
1.2.1 Полимерные материалы 22
1.2.1.1 ABS-пластик 22
1.2.1.2 Акрил 23
1.2.1.3 Нейлон 24
1.2.1.4 Поликапролактон 25
1.2.1.5 Поликарбонат 25
1.2.1.6 PLA-пластик 25
1.2.1.7 Полипропилен 26
1.2.1.8 Полифенилсульфон 26
1.2.1.9 Полиэтилен низкого давления 27
1.2.2 Металлосодержащие материалы 27
1.3 Обзор 3D-принтеров для полимеров 28
1.3.1 UP 3D Printer Mini 29
1.3.2 Roland ARM-10 31
1.3.3 3DSystems ProJet 360 33
1.3.4 EOS P 800 36
1.4 Обзор 3D-принтеров для металлов 38
1.4.1 Concept Laser Mlab R 38
1.4.2 Concept Laser Xline 41
1.4.3 SLM 500HL 43
Выводы 45
2 Возможности аддитивных технологий 46
2.1 Возможности 3D-nечати в макетировании объектов 46
2.2 Возможности 3D-nечати реальных объектов 48
2.2.1 Повышение надежности оборудования 49
2.2.1.1 Использование новых материалов 50
2.2.1.1.1 Повышение надежности компрессора 50
2.2.1.1.2 Повышение надежности турбобура 54
2.2.1.2 Изготовление цельных конструкций 57
2.2.1.2.1 Гидроблок коробок передач 58
2.2.1.2.2 Реактивный двигатель 60
2.2.1.2.3 Микрореактор 62
2.2.2 Повышение ремонтопригодности оборудования 64
2.2.3 Изготовление принципиально нового оборудования 65
Выводы 68
З Расчеты 69
3.1 Расчет производственных возможностей SLM 500HL 69
3.2 Расчет критериев подобия лазерного спекания 70
3.3 Имитация нагрузок крыльчатки в SolidWorks 74
Выводы 77
Заключение 78
Список использованных источников 79
1 Обзор технологий аддитивного производства 10
1.1 Обзор существующих технологий 3D-печати 11
1.1.1 FDM 11
1.1.2 SLA 14
1.1.3 SLM 17
1.1.4 DMLS 20
1.2 Материалы для 3D-печати 22
1.2.1 Полимерные материалы 22
1.2.1.1 ABS-пластик 22
1.2.1.2 Акрил 23
1.2.1.3 Нейлон 24
1.2.1.4 Поликапролактон 25
1.2.1.5 Поликарбонат 25
1.2.1.6 PLA-пластик 25
1.2.1.7 Полипропилен 26
1.2.1.8 Полифенилсульфон 26
1.2.1.9 Полиэтилен низкого давления 27
1.2.2 Металлосодержащие материалы 27
1.3 Обзор 3D-принтеров для полимеров 28
1.3.1 UP 3D Printer Mini 29
1.3.2 Roland ARM-10 31
1.3.3 3DSystems ProJet 360 33
1.3.4 EOS P 800 36
1.4 Обзор 3D-принтеров для металлов 38
1.4.1 Concept Laser Mlab R 38
1.4.2 Concept Laser Xline 41
1.4.3 SLM 500HL 43
Выводы 45
2 Возможности аддитивных технологий 46
2.1 Возможности 3D-nечати в макетировании объектов 46
2.2 Возможности 3D-nечати реальных объектов 48
2.2.1 Повышение надежности оборудования 49
2.2.1.1 Использование новых материалов 50
2.2.1.1.1 Повышение надежности компрессора 50
2.2.1.1.2 Повышение надежности турбобура 54
2.2.1.2 Изготовление цельных конструкций 57
2.2.1.2.1 Гидроблок коробок передач 58
2.2.1.2.2 Реактивный двигатель 60
2.2.1.2.3 Микрореактор 62
2.2.2 Повышение ремонтопригодности оборудования 64
2.2.3 Изготовление принципиально нового оборудования 65
Выводы 68
З Расчеты 69
3.1 Расчет производственных возможностей SLM 500HL 69
3.2 Расчет критериев подобия лазерного спекания 70
3.3 Имитация нагрузок крыльчатки в SolidWorks 74
Выводы 77
Заключение 78
Список использованных источников 79
Аддитивные технологии уверенно выходят на промышленную арену, ярким примером этого является 3D-печать. Сущность аддитивных технологий заключается в послойном соединении материалов для создания объектов из данных цифровой 3D-модели. Этим они отличаются от традиционных технологий производства, подразумевающих механическую обработку - удаление лишнего материала с заготовки .
Классификация аддитивных технологий: по используемым материалам (жидким, сыпучим, полимерным, порошковым металлом); по наличию лазера; по способу фиксирования слоя построения (тепловое воздействие, облучение ультрафиолетом или видимым светом, связующим составом); по способу образования слоя.
Технологии трехмерной печати зародились три десятилетия назад, и начинались они с послойного отверждения фотополимера световым лучом, но еще долгое время технология трехмерной печати была доступна только узкому кругу людей. Первые аппараты для 3D-печати были крайне дорогими, а так же выбор материала для создания моделей был весьма ограничен.
Все изменилось в 2006 году, когда был запущен проект RepRap, нацеленный на производство принтеров, которые способны реплицировать себя, то есть воспроизводить детали собственной конструкции. Тестовый экземпляр такого устройства был изготовлен в 2008 году английскими конструкторами университета Бата. Он в состоянии воспроизвести около 50 % своих собственных конструктивных пластмассовых частей и деталей.
Материалом для трехмерной печати могут являться не только полимеры, но и металлы. Еще 10 лет назад изготовление деталей из металла методом 3D- печати, не уступающим по эксплуатационным характеристикам и свойствам деталям, изготовленным традиционными методами обработки металлов, было на грани фантастики, то сегодня это уже реальность .
Оценить темп развития трехмерной печати, с начала ее основания можно в отчете Wohlers Report 2015. С 1988 по 2014 г. в мире было установлено 79 602 промышленных 3D-принтера. При этом 38,1% устройств, стоимостью более 5 тыс. долларов США приходится на США, 9,3% - на Японию, 9,2% - на Китай, и 8,7% - на Германию. Остальные страны мира находятся в значительном отрыве от лидеров. С 2007 по 2014 годовой объём продаж настольных принтеров вырос с 66 до 139 584 устройств. В 2014 г. 91,6% продаж приходился на настольные 3D-принтеры и 8,4% - на промышленные установки аддитивного производства, прибыль от которых, однако, составила 86,6% от общего объёма, или 1,12 млрд. долларов США в абсолютном выражении. Настольные машины довольствовались 173,2 млн. долларов США и 13,4%. В 2016 г. ожидается рост продаж до 7,3 млрд. долларов США, в 2018 г. - 12,7 млрд, в 2020 г. рынок достигнет 21,2 млрд. долларов [1].
Данный отчет показывает, что рынок трехмерной печати неуклонно развивается, с каждым годом возможности печати только увеличиваются.
Согласно Wohlers, FDM-технология превалирует, насчитывая около 300 брендов по всему миру, что неудивительно, так как стоимость технологии, на порядок ниже конкурирующих, ежедневно пополняясь новыми модификациями. Некоторые из них продаются только локально, поэтому очень сложно, если вообще возможно, найти информацию о количестве брендов выпускаемых 3D-принтеров. Так же 3D-принтеры для этой технологии возможно изготовить самостоятельно, так как комплектующие в свободном доступе, что еще больше осложняет подсчет. С уверенностью можно сказать, что их количество на рынке увеличивается с каждым днём. Наблюдается большое разнообразие в размерах и применяемых технологиях. Например, немецкая компания BigRep производит огромный FDM-принтер под названием BigRep ONE.2 по цене 36 тыс. евро, способный печатать объекты размером до 900х1055х1100 мм с разрешением 100-1000 микрон, двумя экструдерами и возможностью использовать разные материалы.
В современном производстве традиционные методы обработки металлов достигли пика своего развития, и последующее улучшение характеристик и свойств деталей возможно лишь с применением новых материалов. Однако не все материалы хорошо поддаются обработке традиционными методами, поэтому использование материалов очень ограничено, и обуславливается в основном формой изготавливаемой детали. К таким материалам можно отнести твердые сплавы и металлокерамику. Их применение ограничено в связи со сложностью обработки. Эту проблему можно попытаться решить с помощью 3D-печати, так как при печати происходит «выращивание» детали, а не удаление лишнего материала с заготовки. Ограничение по форме изготавливаемой детали, так же не актуально для 3D-принтера [5].
Целью данной магистерской диссертации является оценка возможности применения трехмерной печати для изготовления деталей машин и оборудования, способных конкурировать с деталями, изготовленными традиционными методами.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи диссертации:
1) Проанализировать существующие методы 3D-печати, используемые материалы;
2) Выбрать 3D-принтер, удовлетворяющий условиям изготовления деталей нефтегазового комплекса;
3) Проанализировать существующие области применения трехмерной печати в производстве;
4) Проанализировать и предложить новые возможности трехмерной печати в производстве;
5) Провести сравнение детали, полученной аддитивным методом, с деталью, полученной традиционным методом;
6) Сделать вывод о возможностях использования 3D-печати в нефтегазовом комплексе.
Объектом исследования данной магистерской диссертации является надежность технологических машин и оборудования нефтегазового комплекса. Предмет исследования - оценка эффекта от применения деталей, полученных методом трехмерной печати.
Можно найти область производства, где бы не применялись 3D- принтеры: с их помощью изготавливаются детали самолётов, космических аппаратов, подлодок, инструменты, протезы, ювелирные изделия и др. Перспектива очевидна - аддитивная технология в ближайшее время станет приоритетной технологией изготовления оборудования и технологических машин.
Классификация аддитивных технологий: по используемым материалам (жидким, сыпучим, полимерным, порошковым металлом); по наличию лазера; по способу фиксирования слоя построения (тепловое воздействие, облучение ультрафиолетом или видимым светом, связующим составом); по способу образования слоя.
Технологии трехмерной печати зародились три десятилетия назад, и начинались они с послойного отверждения фотополимера световым лучом, но еще долгое время технология трехмерной печати была доступна только узкому кругу людей. Первые аппараты для 3D-печати были крайне дорогими, а так же выбор материала для создания моделей был весьма ограничен.
Все изменилось в 2006 году, когда был запущен проект RepRap, нацеленный на производство принтеров, которые способны реплицировать себя, то есть воспроизводить детали собственной конструкции. Тестовый экземпляр такого устройства был изготовлен в 2008 году английскими конструкторами университета Бата. Он в состоянии воспроизвести около 50 % своих собственных конструктивных пластмассовых частей и деталей.
Материалом для трехмерной печати могут являться не только полимеры, но и металлы. Еще 10 лет назад изготовление деталей из металла методом 3D- печати, не уступающим по эксплуатационным характеристикам и свойствам деталям, изготовленным традиционными методами обработки металлов, было на грани фантастики, то сегодня это уже реальность .
Оценить темп развития трехмерной печати, с начала ее основания можно в отчете Wohlers Report 2015. С 1988 по 2014 г. в мире было установлено 79 602 промышленных 3D-принтера. При этом 38,1% устройств, стоимостью более 5 тыс. долларов США приходится на США, 9,3% - на Японию, 9,2% - на Китай, и 8,7% - на Германию. Остальные страны мира находятся в значительном отрыве от лидеров. С 2007 по 2014 годовой объём продаж настольных принтеров вырос с 66 до 139 584 устройств. В 2014 г. 91,6% продаж приходился на настольные 3D-принтеры и 8,4% - на промышленные установки аддитивного производства, прибыль от которых, однако, составила 86,6% от общего объёма, или 1,12 млрд. долларов США в абсолютном выражении. Настольные машины довольствовались 173,2 млн. долларов США и 13,4%. В 2016 г. ожидается рост продаж до 7,3 млрд. долларов США, в 2018 г. - 12,7 млрд, в 2020 г. рынок достигнет 21,2 млрд. долларов [1].
Данный отчет показывает, что рынок трехмерной печати неуклонно развивается, с каждым годом возможности печати только увеличиваются.
Согласно Wohlers, FDM-технология превалирует, насчитывая около 300 брендов по всему миру, что неудивительно, так как стоимость технологии, на порядок ниже конкурирующих, ежедневно пополняясь новыми модификациями. Некоторые из них продаются только локально, поэтому очень сложно, если вообще возможно, найти информацию о количестве брендов выпускаемых 3D-принтеров. Так же 3D-принтеры для этой технологии возможно изготовить самостоятельно, так как комплектующие в свободном доступе, что еще больше осложняет подсчет. С уверенностью можно сказать, что их количество на рынке увеличивается с каждым днём. Наблюдается большое разнообразие в размерах и применяемых технологиях. Например, немецкая компания BigRep производит огромный FDM-принтер под названием BigRep ONE.2 по цене 36 тыс. евро, способный печатать объекты размером до 900х1055х1100 мм с разрешением 100-1000 микрон, двумя экструдерами и возможностью использовать разные материалы.
В современном производстве традиционные методы обработки металлов достигли пика своего развития, и последующее улучшение характеристик и свойств деталей возможно лишь с применением новых материалов. Однако не все материалы хорошо поддаются обработке традиционными методами, поэтому использование материалов очень ограничено, и обуславливается в основном формой изготавливаемой детали. К таким материалам можно отнести твердые сплавы и металлокерамику. Их применение ограничено в связи со сложностью обработки. Эту проблему можно попытаться решить с помощью 3D-печати, так как при печати происходит «выращивание» детали, а не удаление лишнего материала с заготовки. Ограничение по форме изготавливаемой детали, так же не актуально для 3D-принтера [5].
Целью данной магистерской диссертации является оценка возможности применения трехмерной печати для изготовления деталей машин и оборудования, способных конкурировать с деталями, изготовленными традиционными методами.
Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи диссертации:
1) Проанализировать существующие методы 3D-печати, используемые материалы;
2) Выбрать 3D-принтер, удовлетворяющий условиям изготовления деталей нефтегазового комплекса;
3) Проанализировать существующие области применения трехмерной печати в производстве;
4) Проанализировать и предложить новые возможности трехмерной печати в производстве;
5) Провести сравнение детали, полученной аддитивным методом, с деталью, полученной традиционным методом;
6) Сделать вывод о возможностях использования 3D-печати в нефтегазовом комплексе.
Объектом исследования данной магистерской диссертации является надежность технологических машин и оборудования нефтегазового комплекса. Предмет исследования - оценка эффекта от применения деталей, полученных методом трехмерной печати.
Можно найти область производства, где бы не применялись 3D- принтеры: с их помощью изготавливаются детали самолётов, космических аппаратов, подлодок, инструменты, протезы, ювелирные изделия и др. Перспектива очевидна - аддитивная технология в ближайшее время станет приоритетной технологией изготовления оборудования и технологических машин.
Все поставленные задачи были выполнены, цель диссертации достигнута.
Аддитивные технологии постоянно развиваются, появляются новые методы воспроизводства объектов, а так же дорабатываются уже имеющиеся методы с целью увеличения скорости печати, качества и энергоэффективности.
Применение 3D-nечати возможно во всех отраслях промышленности, однако, не во всех отраслях данный метод изготовления деталей еще применяется в связи с высокой стоимостью технологий.
В диссертации были выявлены наиболее перспективные направления применения трехмерной печати в макетировании и производстве реальных объектов. Было найдено оборудование, где применение 3D-печати окажет положительное влияние на надежность, наработку на отказ и эффективность, без конструктивного изменения оборудования и машины. Таким оборудованием является гидроблок коробок передач или коробок отбора мощности, крыльчатка турбокомпрессора, различные типы и виды подшипников скольжения.
Размеры рабочей камеры современных 3D-принтеров обеспечивают возможность изготовления крупногабаритных деталей, либо нескольких небольших, тем самым уменьшая время рабочего цикла.
Рассчитаны критерии подобия спекания металлических порошков, позволяющие сократить время настройки принтера для печати новым материалом.Полученная модель адекватно отражает физические процессы, протекающие при реальном лазерном спекании металлических порошков различных видов.Произведен прочностной расчет и расчет на максимальные перемещения крыльчатки турбокомпрессора.
Таким образом, технологические возможности применения 3D- принтеров для моделирования и изготовления реальных деталей оборудования безграничны и имеют массу преимуществ перед традиционными методами изготовления деталей.
Аддитивные технологии постоянно развиваются, появляются новые методы воспроизводства объектов, а так же дорабатываются уже имеющиеся методы с целью увеличения скорости печати, качества и энергоэффективности.
Применение 3D-nечати возможно во всех отраслях промышленности, однако, не во всех отраслях данный метод изготовления деталей еще применяется в связи с высокой стоимостью технологий.
В диссертации были выявлены наиболее перспективные направления применения трехмерной печати в макетировании и производстве реальных объектов. Было найдено оборудование, где применение 3D-печати окажет положительное влияние на надежность, наработку на отказ и эффективность, без конструктивного изменения оборудования и машины. Таким оборудованием является гидроблок коробок передач или коробок отбора мощности, крыльчатка турбокомпрессора, различные типы и виды подшипников скольжения.
Размеры рабочей камеры современных 3D-принтеров обеспечивают возможность изготовления крупногабаритных деталей, либо нескольких небольших, тем самым уменьшая время рабочего цикла.
Рассчитаны критерии подобия спекания металлических порошков, позволяющие сократить время настройки принтера для печати новым материалом.Полученная модель адекватно отражает физические процессы, протекающие при реальном лазерном спекании металлических порошков различных видов.Произведен прочностной расчет и расчет на максимальные перемещения крыльчатки турбокомпрессора.
Таким образом, технологические возможности применения 3D- принтеров для моделирования и изготовления реальных деталей оборудования безграничны и имеют массу преимуществ перед традиционными методами изготовления деталей.