На протяжении десятилетий эта дискуссия рассматривалась как соревнование: 3D Печать против обработки на станках с ЧПУ, аддитивное производство против субтрактивного, послойное производство против производства микросхем. Отрасли, обрабатывающие наибольшее количество материалов, включая аэрокосмическую, энергетическую и медицинскую, в значительной степени разрешили этот спор, объединив оба метода. Гибридное производство означает использование аддитивных и субтрактивных процессов вместе, иногда в рамках одного станка, для производства деталей, которые ни один из процессов не смог бы изготовить по отдельности. В этом руководстве рассматривается, что такое гибридное производство на самом деле, как оно соотносится с чисто аддитивными и чисто субтрактивными рабочими процессами, в каких отраслях оно получило наибольшее распространение и где STYLECNC Возможность фрезерования пресс-форм подходит. Что касается базовых характеристик 3D Сравнение грунтовки для печати и для ЧПУ-резки, см. 3D принтер против 3D Сравнение фрезерных станков с ЧПУ.
Что такое гибридное производство?
Гибридное производство сочетает в себе аддитивные технологии (3D Аддитивные процессы (печать или нанесение металла) и субтрактивные процессы (обработка на станках с ЧПУ) объединяются в единый рабочий процесс или на одном станке. На этапе аддитивного производства создается геометрия, близкая к окончательной, из металлического порошка или проволоки, а на этапе субтрактивного производства в рамках одной установки выполняется финишная обработка важных поверхностей, внутренних элементов и размеров с жесткими допусками.
Гибридное производство существует в двух основных формах. Первая — это гибрид на одном станке, где головки для аддитивного нанесения покрытий и шпиндели фрезерных станков с ЧПУ используют один и тот же корпус, одни и те же оси и одну и ту же рабочую зону. DMG MORI Lasertec 65 3DНаиболее часто приводимые примеры — Mazak Integrex i-400AM и Okuma LASER EX. Второй пример — гибридный рабочий процесс, где 3D Принтер изготавливает деталь, а отдельный станок с ЧПУ завершает ее обработку; оба процесса управляются как непрерывный конвейер. В отраслевой литературе оба варианта относятся к гибридному производству.
Отличительной чертой является намерение. Магазин, управляющий 3D Наличие принтера в одном углу и фрезерного станка в другом не обязательно означает, что используется гибридное производство. Предприятие, проектирующее детали, зная, что некоторые элементы будут напечатаны с точностью, близкой к окончательной, а другие будут обработаны до требуемых допусков, использует гибридное производство, независимо от того, используют ли эти два процесса один и тот же станок.
Аддитивный, субтрактивный и гибридный методы: исчерпывающее сравнение.
В таблице ниже сравниваются 3 подхода по факторам, определяющим выбор процесса в производственных условиях. Сравнение представлено в виде целевого фрагмента для покупателей, изучающих доступные варианты.
| фактор | Добавка (3D Печать) | Субтрактивный (ЧПУ) | Гибридный |
|---|---|---|---|
| Построение подхода | Послойное нанесение металла или полимера | Удаление материала из цельного блока заготовки | Наплавка материала, близкого к окончательной форме, с последующей чистовой обработкой. |
| Геометрическая свобода | Высочайший, включая внутренние решетки и каналы. | Ограничения связаны с доступом к инструменту и геометрией заготовки. | Сочетает в себе свободу нанесения покрытия с точностью механической обработки. |
| Материальные отходы (покупка билетов для перелета) | Соотношение практически 1:1 для большинства деталей. | Соотношение до 20:1 для сложных аэрокосмических деталей. | Подходы 1:1 даже для аэрокосмических сплавов |
| Чистота поверхности | Обычно требуется постобработка. | Ra от 1.6 до 3.2 непосредственно с машины. | Обработка поверхности на ответственных участках |
| Оптимальный объем производства | От 1 до 50 деталей на один проект | Более 100 деталей, где амортизация оснастки | Мелкосерийные, сложные и дорогостоящие детали. |
| Стоимость оснастки | Ничто | Высокая первоначальная стоимость оборудования и инструментов. | Умеренная температура, по-прежнему требуется установка светильников. |
| Время цикла на деталь | Обычно для металла требуется от 5 до 15 часов. | Обычно для металла требуется от 30 до 90 минут. | Быстрее, чем чистое аддитивное производство на готовых деталях. |
| Капитальные вложения | от 10 000 до 1 миллиона долларов США в зависимости от технологии. | Стоимость промышленных станков с ЧПУ составляет от 30 000 до 500 000 долларов США. | от 1 до 2 миллионов долларов США для гибридных систем с одной машиной. |
| Наиболее подходящий | Прототипы, сложная геометрия, медицинские изделия на заказ | Серийное производство, жесткие допуски, твердые металлы | Аэрокосмическая отрасль, энергетика, техническое обслуживание и ремонт, конформное охлаждение пресс-форм. |
Наиболее существенное различие заключается в соотношении затрат на производство и обработки. Традиционная обработка титановых аэрокосмических кронштейнов с помощью механического удаления материала часто приводит к удалению 95 процентов исходного материала в виде стружки, что дает соотношение до 20:1. Гибридное производство сначала создает заготовки, близкие к окончательной форме, а затем обрабатывает только критически важные поверхности, что приближает соотношение к 1:1. Для никелевых суперсплавов и титана, стоимость которых составляет сотни долларов за килограмм, одна только эта экономия материала оправдывает капиталовложения для многих аэрокосмических и энергетических компаний.
Как работает гибридное производство
Гибридное производство сочетает в себе 3 основные технологии: систему нанесения покрытия, систему обработки на станках с ЧПУ и интегрированное программное обеспечение CAD/CAM, которое программирует оба процесса для одной и той же модели детали.
Направленное осаждение энергии плюс пятиосевое фрезерование
Доминирующей промышленной практикой является направленное энергетическое осаждение (DED) в сочетании с пятиосевым фрезерованием. Лазерный или электронный луч расплавляет металлический порошок или проволоку, подаваемую через коаксиальное сопло, создавая слой за слоем элементы, близкие к окончательной форме. Затем та же машина переключается с головки осаждения на фрезерный шпиндель и обрабатывает критически важные поверхности с требуемыми допусками. DMG MORI Lasertec 65 3D и Mazak Integrex i-400AM являются эталонными примерами. Согласно отраслевым обзорам, Lasertec 65 3D Обрабатывает детали диаметром до 500 мм и сочетает пятиосевое нанесение материала с полномасштабным пятиосевым фрезерованием в одном корпусе.
Технология порошковой послойной плавки плюс субтрактивная финишная обработка
Второй способ печати использует технологию послойного спекания порошка (PBF) для изготовления детали на одном станке, после чего она переносится на другой. фрезерный станок с ЧПУ для финишной обработки. Этот рабочий процесс чаще используется в небольших цехах, поскольку позволяет избежать капитальных затрат на интегрированное оборудование. Компромисс заключается в обработке деталей и переналадке между процессами. Платформы Matsuura Lumex и Sodick OPM объединяют этот рабочий процесс в одном станке для обработки более мелких и сложных деталей.
Аддитивное травление проволочной дугой плюс фрезерование на станках с ЧПУ
Аддитивное производство методом дуговой сварки проволокой (WAAM) использует сварочную головку для нанесения материала со значительно большей скоростью, чем порошковые методы, часто в сочетании с пятиосевым фрезерованием для чистовой обработки. Mazak Variaxis j-600AM использует именно такой подход. WAAM предпочтителен для крупных конструкций в аэрокосмической и энергетической отраслях, где скорость нанесения материала важнее, чем высокое разрешение. Каждый тип изделия имеет одинаковую фундаментальную философию проектирования: эффективное создание формы, близкой к окончательной, а затем механическая обработка для повышения точности.
Выбор между тремя схемами обработки зависит от размера детали, материала и требований к точности. Технология DED с пятиосевым фрезерованием доминирует в аэрокосмической отрасли и производстве крупных энергетических компонентов, где диаметр детали превышает 200 мм и используются титановые или никелевые суперсплавы. Технология PBF с субтрактивной обработкой подходит для обработки более мелких сложных деталей размером менее 200 мм, где детализация поверхности важнее скорости построения. Технология WAAM с фрезерованием на станках с ЧПУ используется для очень крупных конструкционных изделий, где скорость осаждения является определяющим фактором, а требования к качеству поверхности умеренные. Большинство гибридных цехов производственного уровня в конечном итоге используют более одной из этих схем, подбирая процесс под деталь, а не пропуская каждую деталь через один и тот же станок.
Области применения: аэрокосмическая, энергетическая, медицинская и ремонтно-техническое обслуживание.
Гибридное производство наиболее прочно закрепилось в 4 отраслях, каждая из которых имеет свои специфические экономические или технические факторы.
Аэрокосмическая индустрия
Аэрокосмическая отрасль первой внедрила гибридные методы производства в больших масштабах. Типичными примерами являются кронштейны двигателей, лопатки турбин, конструкционные элементы и компоненты ракетных двигателей, особенно из титана и никелевых суперсплавов. Исследования Центра производственных технологий показали снижение себестоимости сложных аэрокосмических компонентов на 23–47 процентов по сравнению с традиционными методами обработки материалов. Гибридный станок DMG MORI Lasertec 6600 DED специально разработан для обработки крупных деталей, включая детали ракетных двигателей.
Энергия
Энергетические компании используют гибридные технологии производства для изготовления труб для нефтяных скважин, лопаток турбин, корпусов клапанов и крупных валов, где износостойкие элементы могут быть нанесены на более дешевый базовый материал с последующей механической обработкой. Ремонт трубопроводов и скважинного оборудования стал одним из основных примеров применения: изношенные дорогостоящие компоненты обрабатываются методом DED с добавлением нового материала, а затем механически восстанавливаются до первоначальных характеристик. Экономическая целесообразность очевидна, когда стоимость запасной части составляет 50 000 долларов США или более, а ремонт с помощью гибридных технологий обходится в разы дешевле.
Мед
В медицинской промышленности гибридные методы производства применяются для создания индивидуальных имплантатов, хирургических инструментов и зубных протезов. Титановые имплантаты тазобедренного и коленного суставов выигрывают от использования пористых аддитивных структур, способствующих интеграции с костной тканью, в сочетании с обработанными контактными поверхностями, отшлифованными до зеркального блеска. Гибридное производство также обеспечивает быструю индивидуализацию в челюстно-лицевой хирургии, где каждый случай уникален, а традиционные экономические показатели производства оказываются неэффективными.
Техническое обслуживание, ремонт и капитальный ремонт (MRO)
Ремонт и техническое обслуживание (MRO) — это наиболее быстрорастущая гибридная область применения, поскольку она решает давнюю проблему экономической эффективности ремонта. Изношенные лопатки реактивных двигателей, корпуса редукторов, полости пресс-форм и компоненты насосов могут быть восстановлены путем нанесения нового материала на поврежденные участки и последующей механической обработки отремонтированной поверхности до первоначальных допусков. Станок Mazak Variaxis j-600AM предназначен для этой работы, сочетая аддитивный и пятиосевой методы сварки в одной установке, особенно для деталей аэрокосмической отрасли, пресс-форм, штампов и компонентов нефтедобывающей техники.
Общая закономерность во всех четырех отраслях заключается в том, что гибридное производство успешно там, где стоимость деталей высока, а традиционные подходы оказываются неэффективными. Аэрокосмическая и энергетическая отрасли имеют самые высокие материальные затраты, медицинская — самые высокие требования к индивидуализации, а в сфере технического обслуживания и ремонта — самые дорогие альтернативы замены деталей. Отрасли, не обладающие этими характеристиками, включая товары повседневного спроса, стандартные автомобильные детали и крупносерийное производство алюминиевых изделий, не внедряют гибридные технологии с той же скоростью. Экономическая целесообразность просто невыгодна, когда материалы дешевы, объемы производства высоки, а детали взаимозаменяемы.
Матрица принятия решений: когда гибридное производство имеет смысл
Используйте приведенную ниже матрицу в качестве отправной точки при оценке того, оправдывает ли данная деталь или производственный сценарий использование гибридного метода производства по сравнению с чисто аддитивным или чисто субтрактивным подходами.
| Сценарий производства | Рекомендуемый подход | обоснование |
|---|---|---|
| Малый объем производства, сложная геометрия, дорогостоящий материал | Гибридный | Метод «закупка за время полета» предполагает соотношение 1:1 с методом нанесения покрытия; критически важные элементы обрабатываются с соблюдением допусков. |
| Большой объем, простая геометрия, распространенный материал | Субтрактивный | Время цикла обработки на станках с ЧПУ составляет от 30 до 90 минут, что превосходит время обработки деталей аддитивными технологиями, составляющее от 5 до 15 часов. |
| Прототип, сложные внутренние каналы, полимер | Добавки | 3D Печать позволяет создавать решетчатые структуры и конформные каналы, которые невозможно фрезеровать. |
| Ремонт изношенных дорогостоящих компонентов. | Гибридный | Наплавка восстанавливает материал; механическая обработка возвращает его к исходным допускам. |
| Индивидуальный медицинский имплантат из титана | Гибридный | Геометрия, индивидуальная для каждого пациента, получена методом аддитивного производства; готовые поверхности обработаны механической обработкой. |
| Форма для отливки с каналами конформного охлаждения | Гибридный | Внутренние каналы охлаждения нанесены методом печатной печати; поверхность из инструментальной стали обработана до зеркального блеска. |
| Серия производства: более 500 алюминиевых деталей. | Субтрактивный | Затраты на оснастку и производственные циклы амортизируются; гибридные капитальные затраты не оправданы. |
| Односерийные приспособления и шаблоны | Добавки | 3D Печатные мягкие зажимные губки и приспособления стоят значительно дешевле, чем изготовленные механическим способом аналоги. |
Матрица представляет собой отправную точку, а не окончательный ответ. Экономическая целесообразность отдельных деталей зависит от доступности оборудования, квалификации программистов, стоимости материалов на момент покупки и требований заказчика к качеству. Общая закономерность во всех сценариях заключается в том, что гибридные технологии выигрывают, когда материалы дороги, геометрия сложна, а объем производства невелик или средний.
Производство пресс-форм и штампов: где гибридные решения встречаются STYLECNC Возможности
Производство пресс-форм и штампов находится на пересечении всех факторов, определяющих гибридное производство. Геометрическая форма полостей пресс-форм сложна, используются дорогостоящие инструментальные стали, объемы производства невелики (от одной до нескольких пресс-форм на один проект), а заказчики требуют такой степени чистоты поверхности, которую можно обеспечить только механической обработкой. Конформные каналы охлаждения, проходящие через пресс-форму для контроля теплового режима во время впрыска, являются классическим примером гибридного применения: их невозможно просверлить традиционным способом, легко напечатать аддитивным методом, а финишную обработку можно выполнить только прецизионным фрезерованием.
STYLECNC Возможности промышленного фрезерования пресс-форм основаны на вычитающей части этого уравнения. Категория станков для изготовления пресс-форм с ЧПУ Включает в себя полностью автоматические фрезерные станки для закаленной инструментальной стали, алюминиевой оснастки и крупных многогнездных производственных пресс-форм. Для предприятий, уже занимающихся традиционным производством пресс-форм и изучающих гибридные методы работы, это предложение идеально подходит. STYLECNC Полностью автоматический фрезерный станок с ЧПУ для изготовления пресс-форм. Выполняет чистовую обработку полостей пресс-форм, близких к окончательной форме, полученных с помощью внешних аддитивных систем.
категория пятиосевых станков с ЧПУ Расширяет эти возможности для многоосевой обработки поверхностей, необходимой для гибридной финишной обработки пресс-форм, особенно на поверхностях инструментов с конформным охлаждением и сложной геометрией полостей. STYLECNC Формовочные станки с ЧПУ и автоматической сменой инструмента Это позволяет завершить картину в производственных условиях, где множество инструментов и операций выполняются последовательно в рамках одной установки, сокращая трудозатраты, которые традиционно разделяют этапы аддитивного и субтрактивного процессов.
Для предприятий аэрокосмической, энергетической, медицинской отраслей и предприятий по техническому обслуживанию и ремонту, переходящих от чисто аддитивных технологий к гибридным рабочим процессам, практической отправной точкой является модернизация сначала аддитивной части. Мощные пятиосевые обрабатывающие центры с автоматической сменой инструмента и проверенными постпроцессорами легко интегрируются с аддитивными системами сторонних поставщиков, позволяя предприятию тестировать гибридные рабочие процессы, не вкладывая 1–2 миллиона долларов США в интегрированную систему на одном станке с самого начала.
Поэтапный процесс внедрения обычно состоит из 3 фаз. На первой фазе происходит ознакомление с... 3D— Печатные шаблоны, приспособления и мягкие зажимные губки в сочетании с традиционным фрезерованием пресс-форм на станках с ЧПУ позволяют сэкономить время и средства на оснастке без изменения процесса изготовления деталей. На втором этапе добавляется автономная система аддитивного производства металла для прототипов и мелкосерийного производства деталей, в дополнение к существующей. Станки с ЧПУ Обработка деталей осуществляется путем ручной передачи. На третьем этапе либо внедряется интегрированная гибридная система на одном станке, либо формализуется рабочий процесс на двух станках в производственный конвейер с общим программированием, планированием и контролем качества. Каждый этап приносит измеримую отдачу, и предприятия, идущие по этому пути, как правило, принимают более взвешенные инвестиционные решения в отношении гибридных систем, чем предприятия, которые приобретают гибридную систему на одном станке, не поняв, какие детали действительно в ней нуждаются.
Глоссарий: Термины гибридного производства
Используйте это справочное пособие при сравнении гибридных машин, общении с поставщиками или изучении технической документации отрасли.
| Срок | Определение |
|---|---|
| Гибридное производство | Производственный подход, сочетающий аддитивные и субтрактивные процессы, на одном станке или в непрерывном рабочем процессе. |
| Направленное энергетическое воздействие (DED) | Аддитивный процесс, при котором металлический порошок или проволока расплавляются с помощью лазера, электронного луча или дуги в процессе нанесения покрытия. |
| Плавление порошкового слоя (PBF) | Аддитивный процесс, при котором слои металлического порошка избирательно расплавляются с помощью лазера или электронного луча. |
| Аддитивное производство проволочной дуги (WAAM) | Аддитивный процесс, использующий сварочную головку для нанесения металлической проволоки с высокой скоростью, предпочтителен для крупных конструкций. |
| Форма, близкая к чистой | Геометрия детали близка к окончательной форме, но требуется чистовая обработка для обеспечения точности поверхностей и соблюдения допусков. |
| Соотношение покупки и стоимости перелета | Соотношение закупленного сырья к количеству сырья в готовом изделии. Чем ниже, тем лучше; гибридный показатель приближается к 1:1. |
| Конформное охлаждение | Каналы охлаждения пресс-формы, повторяющие контур полости, обычно создаются методом аддитивного нанесения и обрабатываются механически для герметизации. |
| Облицовочная головка | Насадка для аддитивного нанесения, которая подает металлический порошок соосно с лазерным лучом для наращивания материала. |
| Замкнутый контур управления | Мониторинг и корректировка параметров нанесения в режиме реального времени в процессе аддитивного производства для обеспечения стабильного качества. |
| Многозадачная машина | Платформа с ЧПУ, объединяющая токарную обработку, фрезерование, сверление и зачастую аддитивные операции в одной установке. |
Часто задаваемые вопросы
Заменит ли гибридное производство традиционную обработку на станках с ЧПУ?
Нет. Обсуждения в ветке «Влияние аддитивного производства на производство с использованием вычитающих материалов» на сайте Practical Machinist отражают более широкий отраслевой консенсус: гибридная технология не заменяет вычитающую обработку для крупносерийного производства распространенных материалов. Она дополняет вычитающую обработку, позволяя изготавливать детали, которые экономически невыгодно производить с помощью чистой механической обработки, включая сложные геометрические формы, дорогостоящие сплавы и ремонт дорогостоящих компонентов. Большинство производственных цехов будут продолжать использовать специализированные станки с ЧПУ наряду с любыми гибридными возможностями, которые они добавят.
Сколько стоит гибридное производственное оборудование?
Одномашинные гибридные системы, такие как DMG MORI Lasertec 65 3D По данным отраслевых обзоров VoxelMatters и Modern Machine Shop, стоимость станков Mazak Integrex i-400AM составляет от 1 до 2 миллионов долларов США за единицу. Гибридные системы, в которых отдельная аддитивная система подает материал на отдельный станок с ЧПУ, значительно дешевле в поэтапном производстве, но требуют тщательного планирования процесса для управления передачей деталей между станками.
Какие материалы лучше всего подходят для гибридного производства?
В литературе, посвященной гибридным технологиям производства, наиболее подробно описаны титан, никелевые суперсплавы (инконель 625 и 718), инструментальные стали (H13, P20) и нержавеющие стали. Экономически более выгодно использовать дорогие материалы, поскольку улучшение производительности за счет аддитивного производства с получением изделий, близких к окончательной форме, наиболее ценно, когда каждый килограмм стоит сотни долларов. Гибридные технологии с использованием алюминия встречаются реже, поскольку алюминий достаточно дешев, чтобы традиционные методы механической обработки оставались экономически выгодными.
Может ли гибридное производство отремонтировать изношенные детали?
Да, и техническое обслуживание и ремонт (ТОиР) — один из самых быстрорастущих вариантов использования гибридных технологий. В отраслевых обзорах SME и Modern Machine Shop описывается применение платформ Mazak Variaxis для нанесения нового материала на изношенные лопатки реактивных двигателей, полости пресс-форм и компоненты нефтедобывающих установок, а затем механической обработки отремонтированной поверхности до первоначальных допусков. Экономически это выгодно, поскольку стоимость ремонта с помощью гибридных технологий обычно составляет лишь небольшую часть от стоимости замены оригинальной детали.
Какое программное обеспечение мне необходимо для гибридного производства?
Для работы необходимы CAD/CAM-платформы, поддерживающие как аддитивное, так и субтрактивное программирование в одной и той же модели. На рынке доминируют Siemens NX Hybrid CAD/CAM, Autodesk PowerMill с модулями аддитивного программирования и проприетарное программное обеспечение от производителей оборудования, таких как DMG MORI CELOS. Программирование гибридных станков требует экспертных знаний как в параметрах аддитивного нанесения, так и в традиционном CAM-менеджменте, что является одной из основных проблем в области кадрового обеспечения, отмеченных в исследованиях по внедрению таких систем в отрасли.
Оправдана ли гибридная технология производства для мелкосерийного производства?
Это зависит от структуры работ. Источники в отрасли, включая издания для малых и средних предприятий и издания, посвященные аддитивному производству, предполагают, что гибридные технологии окупаются быстрее всего в цехах, занимающихся аэрокосмической, энергетической, медицинской промышленностью или техническим обслуживанием и ремонтом дорогостоящих материалов в малых и средних объемах. Цеха, ориентированные на крупномасштабное производство распространенных металлов, таких как алюминий и низкоуглеродистая сталь, редко оправдывают капитальные затраты. Распространенная стратегия выхода на рынок — использование 3D-печатные приспособления и мягкие зажимы наряду с традиционными ЧПУ прежде чем инвестировать в интегрированное гибридное оборудование.
