[КЕЙС] 3D-печать для сельского хозяйства, ВИМ

В 2018 году Top 3D Shop поставила в Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ (ФГБНУ ФНАЦ ВИМ) несколько единиц аддитивного оборудования — 3D-принтеры PICASO 3D X Pro, Total Z Anyform 950-PRO Hot+, FormLabs Form 2 (на данный момент снят с производства, на замену пришла модель - Form 3), Sinterit Lisa, а также два 3D-сканера — Shining 3D EinScan Pro 2X Plus и RangeVision Pro 5M. Спустя два года сотрудники лаборатории перспективных материалов, одного из структурных подразделений ВИМ, поделились своими впечатлениями от работы с новейшим 3D-оборудованием.

Узнайте больше об этом интересном кейсе, прочитав статью.

Содержание

Об организации

«Всероссийский научно-исследовательский институт механизации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук» (ВИМ: “Всероссийский институт механизации”) был организован в 1930 году постановлением Народного комиссариата земледелия СССР. За 90 лет существования институт неоднократно менялся структурно, но при этом всегда сохранялись его основные направления деятельности — разработка и внедрение новейшей сельскохозяйственной техники.

В 2016 году произошло объединение ВИМ с научно-исследовательскими институтами ГОСНИТИ (диагностика и ремонт сельскохозяйственной техники) и ВИЭСХ (электрификация сельского хозяйства).

Сегодня Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ представляет собой крупнейшее в России, уникальное в своем роде научно-исследовательское объединение, предоставляющее услуги для всех отраслей сельского хозяйства.

Как это делалось раньше

Одним из ключевых направлений в деятельности ВИМ является изготовление макетов, прототипов и опытных образцов новой техники и оборудования для сельского хозяйства. Еще 5-10 лет назад все прототипы в центре изготавливались традиционными методами металлообработки и деревообработки. Использование полимеров ограничивалось лишь литьем в силиконовые формы и токарно-фрезерной обработкой. Полимерные детали сложной геометрии — крышки, заглушки, корпусные детали — использовались крайне редко. Способы их изготовления были сложны или недоступны.

Активное изучение рынка аддитивного оборудования специалисты центра начали в конце 2017-го — начале 2018 года. К этому времени уже был получен положительный опыт единичного и мелкосерийного производства прототипов с использованием услуг сторонних подрядчиков: на стороне заказывались мастер-модели, которые затем дорабатывались специалистами центра.

Выбор оборудования

Рассматривалось сразу несколько аддитивных технологий. В итоге было выбрано оборудование, работающее с полимерами — для сельского хозяйства особо востребована стойкость к агрессивным средам и ультрафиолетовому излучению.

После тщательного изучения имеющегося на рынке 3D-оборудования было решено остановиться на трех наиболее популярных и доступных аддитивных технологиях — FDM, SLA и SLS.

FDM

При выборе FDM-принтеров инженеры отталкивались от наиболее распространенных задач лаборатории — быстрое изготовление макетов и прототипов. В итоге выбрали две модели — Total Z Anyform 950-PRO Hot+ и PICASO 3D X Pro.

На 3D-принтере российской компании Total Z остановились сразу по нескольким причинам: специалистов устраивала область построения, составляющая более 500 мм по каждой из сторон, возможность работы с высокотемпературными пластиками и доступность производителя, а руководство центра — цена, которая выгодно отличалась от других промышленных FDM-принтеров, таких как Fortus.

Было решено приобрести двуэкструдерную модификацию Anyform 950-PRO (на фото выше): один из экструдеров принтера рассчитан на работу как с обычными, так и с инженерными высокотемпературными пластиками — поликарбонатом, PPSU, PEEK, PEKK, Ultem (диаметр прутка — 1,75 мм), а второй, благодаря увеличенному диаметру прутка (2,85 мм) — на быструю, не требующую высокой точности печать наиболее распространенными пластиками типа ABS и PETG.

3D-принтер PICASO 3D X Pro с двумя соплами был приобретен как дополнительный аппарат для печати небольших макетов и прототипов, размеры его рабочей камеры — 200 x 200 x 210 мм.

Лапа культиватора с рыхлителем

Кронштейны крепления датчиков для сельскохозяйственного трактора

Корпуса для фильтрующего устройства

Кронштейны и корпуса для датчиков

Крышки для фиксации расходомеров

SLA

Для изготовления более точных небольших деталей инженеры выбрали популярный SLA-принтер Formlabs Form 2 (на настоящий момент данная модель снята с производства). С его помощью в лаборатории изготавливают мастер-модели для последующих отливок, а также печатают детали для проверки на собираемость. По словам специалистов, полученные на Form 2 готовые детали ничем не отличаются по внешнему виду от литых: поверхность получается практически идеально ровная, шлифовка требуется в редких случаях. Среди примеров использования — изготовление червячных валов, мелкомодульных зубчатых колес, различных малогабаритных корпусов.

Зубчатые колеса (SLA)

Колпаки для распылителей типа TR и зубчатые колеса для привода регулятора давления на опрыскиватель

Опытная партия щелевых распылителей для сельскохозяйственных опрыскивателей

Мастер-модель коннектора для литья из полиуретана

SLS

Третий тип аддитивного оборудования — SLS-принтеры, — выбирался с оглядкой на размеры рабочей области и доступный бюджет. В этом сегменте также рассматривалось несколько устройств, таких как немецкая EOS Formiga. Однако выход новой модели от польской Sinterit расставил все точки над i — было решено остановиться на Sinterit Lisa.

Специалисты лаборатории используют SLS-принтер преимущественно для печати небольших полнофункциональных прототипов. С помощью Lisa производят готовые к работе под нагрузкой корпусные детали, кронштейны, крепления.

Зубчатое колесо привода насоса

Экспериментальная партия корпусов для установки датчиков расстояния

Червячные валы привода руки-манипулятора

По приблизительным подсчетам инженеров, соотношение работ, выполняемых в лаборатории с помощью той или иной аддитивной технологии, составляет:

FDM — 90%,

SLA — 5%,

SLS — 5%.

При этом замечена тенденция на увеличение количества задач, связанных с изготовлением деталей по технологии SLS. Например, все чаще Sinterit Lisa задействуется для печати мелких опытных партий полнофункциональных изделий предназначенных для проведения комплексных научно-исследовательских испытаний.

Экструдер филамента FLD-35

Лаборатория также приобрела линию экструзии филамента FLD-35 — это оборудование производит пригодный для 3D-печати пластиковый пруток из намного более дешевых гранул, в виде которых химические предприятия поставляют полимеры.

Расчеты показали, что его применение будет выгодно в долгосрочной перспективе. Сегодня линия не только закрывает собственные потребности лаборатории в основных видах пластика, но и используется для экструзии на заказ. Инженеры успели испытать оборудование в производстве филамента из ABS, SBS и флексов, в планах — наладить производство филамента из поликарбоната.

Филамент, изготовленный на линии экструзии FLD-35

Сегодня аддитивное оборудование лаборатории задействовано круглосуточно. Наибольшей востребованностью пользуется Total Z Anyform 950-PRO Hot+ — очередь на печать расписана на несколько месяцев вперед. Был дополнительно закуплен Total Z Anyform 250-G3 — не хватало области построения PICASO 3D X Pro.

Облицовочные панели для проектируемого оборудования, корпусные изделия для климатических камер разных типов — FDM-печать применяется в ходе реализации многих проектов центра.

Элементы стенда для доения КРС

Корпус увлажнителя для климатической камеры

Элементы гидроциклона

Корпус устройства контроля влажности воздуха и давления окружающей среды

Подвес крепления датчиков для БПЛА

Специалисты лаборатории печатают разнообразные макеты и прототипы устройств, деталей и приспособлений для животноводства и растениеводства. Например, с помощью принтеров было изготовлено большое количество деталей стенда для испытания автоматизированной доильной установки, изготовлен корпус робота-манипулятора.

Элементы стенда для доения КРС

Рука-манипулятор для автоматизированной установки по сбору плодово-ягодных культур

В подтверждение своего названия, «Лаборатория перспективных материалов» также занимается экспериментальной деятельностью. Так, специалистам удалось отработать технологию нанесения металлизированных покрытий на изделия из ABS, напечатанные на FDM-принтерах. Результат: возможность создания экранированных корпусов для защиты датчиков от помех.

Экранированный корпус для установки датчиков на сельскохозяйственный трактор

Процесс нанесения металлизированного покрытия на изделие

3D-cканеры

Одновременно с 3D-принтерами были приобретены и два сканера — Shining 3D EinScan Pro 2X Plus и RangeVision Pro 5M.

Изначально устройства выбирались под задачи, связанные с реверс-инжинирингом: в Центре ВИМ имеются образцы старой техники, к которым не сохранились чертежи — приходится оцифровывать некоторые изделия со сложной геометрией.

Половина ступицы. Обратное проектирование. Создание модели по образцу. Размер: до 0,5 м

Винт. Контроль геометрии. Изучении геометрии отлвки винта. Размер: до 0,5 м

Деталь металлизатора. Обратное проектирование. Создание модели по образцу. Размер: до 0,5 м

Корпус коробки передач. Обратное проектирование. Создание модели по образцу. Размер до 0,5 м

Лопасть. Обратное проектирование. Создание модели по образцу. Размер: до 0,5 м

Часть корпуса фары. Обратное проектирование. Создание модели по образцу. Размер: до 0,5 м

Ручной EinScan Pro 2X Plus используется для сканирования крупных деталей, которые не требуют высокой точности оцифровки. Стационарный RangeVision Pro 5M применяют для работы с относительно небольшими изделиями, размерами до 200х200х200 мм.

По словам специалистов лаборатории, используются сканеры регулярно, но нечасто. Преимущественно — для восстановления чертежей, по которым затем производятся те или иные детали. Иногда сканеры применяются и для контроля качества.

Нюансы в работе

По словам специалистов лаборатории, критические проблемы в работе 3D-оборудования за два года выявлены не были. Некоторые мелкие недочеты и сбои исправлялись как самостоятельно, так и с привлечением соответствующих сервисных служб.

Пришлось приноровиться к работе с PICASO 3D X Pro — нестандартные сопла требовали особо аккуратной настройки. Проблемы при печати PLA были решены с помощью рекомендаций от производящей филамент компании REC.

Крупногабаритный принтер Total Z, новую на тот момент модель, лаборатория приобрела одной из первых в России. Благодаря отлаженной работе сервисной службы компании-изготовителя все мелкие проблемы в работе Anyform 950-PRO решались довольно оперативно, прямо на месте.

Фотополимерный Formlabs Form 2 проработал два года без каких бы то ни было нареканий.

Sinterit Lisa осваивали методом проб и ошибок: на момент прихода SLS-принтера еще не были готовы подробные инструкции по эксплуатации.

Среди плюсов можно отметить открытый софт, используемый для работы с принтерами Total Z. Некоторые задачи лаборатории требуют перехода в «ручной режим» — точно настроить заполнение, изменить толщину стенок и так далее. При работе с PICASO 3D не все это можно реализовать напрямую.

Планы

В ближайшее время будет запущена вакуумная формовка — оборудование было поставлено еще до карантина. Среди особенностей произведенной в Тольятти установки ТВФМ: трехзонная формовка: 1 х 2, 2 х 2 и 2 х 3 метра, две зоны нагрева, возможность работы с пластиком толщиной от 1 до 16 мм, автоматический и механический режимы. Оборудование будет использоваться и для реализации коммерческих задач, и для нужд лаборатории: планируется изготавливать габаритные корпусные изделия для тракторов — обвесы, крыши и так далее.

Кроме того, ведутся переговоры о поставке вакуумно-литьевой машины.

Выводы

Как рассказывают в лаборатории, если в 2019 году работники центра буквально присматривались к возможностям нового для них оборудования, то год спустя загрузка 3D-принтеров увеличилась в несколько раз, а реализация некоторых научных программ центра теперь зависит от аддитивных технологий.

Новейшие возможности лаборатории интересуют специалистов разных поколений — не только молодых студентов-магистров или аспирантов, но и сотрудников, проработавших в структурах ВИМ несколько десятков лет.