Применение 3D-печати песчаных форм (Binder Jetting) для решения типовых задач литейного производства: экономика, риски и окупаемость

Денис Сатдинов, директор по аддитивным и литейным технологиям ГК «Роботех»

Литейное производство сегодня всё чаще становится узким местом при освоении новых изделий. Особенно остро эта проблема проявляется в условиях импортозамещения, сокращения сроков вывода продукции на рынок и постоянной необходимости дорабатывать конструкцию изделий уже на этапе освоения.

В таких условиях предприятия ищут технологии, позволяющие быстрее получать отливки, снижать зависимость от дорогостоящей оснастки и работать со сложной геометрией. Одним из таких инструментов является технология 3D-печати песчано-полимерных форм Binder Jetting.

Однако важно понимать: Binder Jetting — не универсальная замена традиционному литью, а эффективный инструмент для конкретного класса задач.

Где возникают основные проблемы при освоении новых изделий

При запуске новой продукции большинство литейных предприятий сталкиваются с четырьмя типовыми ограничениями.

1. Длительные сроки изготовления оснастки

Создание модельной оснастки занимает от 4 до 8 недель. При этом её стоимость зачастую сопоставима со стоимостью небольшой партии отливок.

Если после первых испытаний требуется внести изменения в конструкцию детали, процесс начинается практически заново.

2. Ограничения по геометрии

Современные изделия всё чаще содержат:

• сложные внутренние каналы;
• тонкостенные элементы;
• неразъёмные стержни;
• развитые внутренние полости.

Изготовление таких элементов традиционными методами либо крайне трудоёмко, либо вовсе невозможно.

3. Долгий цикл освоения

Каждое изменение конструкции требует корректировки оснастки или изготовления новой.

В результате сроки разработки продукции растягиваются на месяцы.

4. Задачи импортозамещения

Во многих случаях предприятия вынуждены восстанавливать детали иностранного оборудования без полного комплекта конструкторской документации.

Классические технологии не всегда позволяют быстро воспроизвести сложную геометрию оригинальной детали.

Что представляет собой технология Binder Jetting

Binder Jetting — это технология послойного формирования песчано-полимерной формы непосредственно по цифровой CAD-модели.

В процессе печати на слой кварцевого песка наносится связующее вещество. После завершения печати получается готовая литейная форма или стержень без применения модельной оснастки.

Главное отличие технологии заключается в том, что между конструкторской моделью и литейной формой отсутствует промежуточный этап изготовления оснастки.

По сути, производство переходит от принципа «сначала изготовить инструмент, потом деталь» к принципу «сразу изготовить форму по цифровой модели».

Когда Binder Jetting действительно выгоден

Сравнение с традиционным литьём показывает, что технология наиболее эффективна в следующих случаях:

• единичное и мелкосерийное производство;
• изготовление опытных образцов;
• сложная геометрия внутренних полостей;
• частые изменения конструкции;
• импортозамещение;
• восстановление деталей без документации.

Если изготовление первой формы традиционным способом требует 4–8 недель, то при использовании Binder Jetting этот срок сокращается до 1–2 дней.

Первую отливку можно получить уже через 3–7 дней после утверждения CAD-модели.

При этом сложность геометрии практически перестаёт быть ограничивающим фактором.

Практический пример: корпус насоса

Показательным примером является изготовление крупногабаритного корпуса насоса со сложной системой внутренних каналов.

При традиционном подходе потребовалось бы:

• изготовление оснастки стоимостью 500–700 тыс. рублей;
• срок производства оснастки 6–8 недель;
• сборка большого количества элементов;
• высокая вероятность доработок после первых испытаний.

Особую проблему представлял стержень, формирующий проточную часть изделия. Из-за многочисленных переходов от тонких сечений к толстым его сборка классическими методами была крайне затруднительной.

При использовании Binder Jetting конструкция была разделена на технологические части, а стержень был спроектирован «монолитом» с полуформой. Канал между стержнем и формой был продут сжатым воздухом.

Стоимость печати формы составила около 75 тыс. рублей, а время печати — менее 48 часов.

В результате предприятие получило:

• экономию 400–500 тыс. рублей на оснастке;
• сокращение сроков на 5–7 недель;
• возможность быстро вносить изменения через корректировку CAD-модели.

Экономика технологии

Один из наиболее частых вопросов со стороны предприятий связан со стоимостью владения оборудованием.

Для промышленного комплекса Binder Jetting инвестиции составляют порядка 30 млн рублей с учётом пусконаладки и обучения персонала.

Годовые эксплуатационные расходы обычно включают:

• персонал;
• сервисное обслуживание;
• расходные материалы;
• электроэнергию.

В среднем суммарные затраты составляют 3,5–5,5 млн рублей в год.

На первый взгляд цифра кажется значительной. Однако при наличии 20–30 новых номенклатур сложных изделий ежегодно экономия только на изготовлении оснастки может достигать 10–15 млн рублей в год.

Именно поэтому для предприятий, регулярно осваивающих новые изделия, срок окупаемости оборудования обычно составляет 2–3 года.

Вывод

Технология Binder Jetting не предназначена для массового производства миллионов одинаковых деталей. В этой области традиционные методы остаются более эффективными.

Однако для предприятий, которые регулярно сталкиваются с освоением новой продукции, сложной геометрией, импортозамещением или необходимостью быстрого получения опытных образцов, 3D-печать песчаных форм становится мощным инструментом сокращения сроков и затрат.

Наибольший экономический эффект технология показывает в четырёх случаях:

• сложная геометрия изделий;
• мелкие и средние серии от 1 до 500 штук;
• высокая стоимость или длительные сроки изготовления оснастки;
• проекты импортозамещения и восстановления деталей.

Именно в этих задачах Binder Jetting позволяет получить максимальную отдачу от цифровизации литейного производства и значительно ускорить вывод новых изделий на рынок.