Как новые композиты и SLA‑печать меняют производство подшипников и шестерен

В статье представлены результаты разработки и экспериментального исследования полимерных пар трения на примере подшипников скольжения и шестерен с низким трением, изготовленных методом SLA. Детали напечатаны из перспективного композитного материала на основе специальной температуростойкой смолы, модифицируемой наполнителями и поляризующим воздействием электромагнитных полей.

SLA‑печать (лазерная стереолитография) заключается в послойном отверждении жидкого фотополимера под действием лазера. Главное преимущество технологии – в быстром создании высокоточных сложных объектов с идеально гладкой поверхностью в виде готовых прототипов, оснастки, выжигаемых мастер‑моделей или функциональных изделий. Новые разработки в области материалов позволяют последовательно совершенствовать характеристики изделий, производимых аддитивным способом.

Опыт показывает, что с помощью SLA‑принтеров можно создавать подшипники скольжения и шестеренчатые механизмы со сложной геометрией (например, с внутренними каналами смазки) без дополнительной механической обработки, с точностью до 50 мкм, что открывает новые возможности для ремонтного и мелкосерийного производства.

Экспериментируем с решениями CUBRUS

Работы проводятся Экспертным центром 3D‑решений TWIZE на оборудовании и с использованием материалов российского бренда CUBRUS. Недавно наш парк оборудования пополнился SLA‑принтером CUBRUS P‑SLA 300, который уже активно применяется для проведения экспериментов и выполнения заказов. Это компактная машина промышленного класса (размеры камеры построения – 300 x 300 x 300 мм) дает возможность в разы сократить производственные затраты, обеспечивая при этом выдающиеся точность и повторяемость.

Фотополимерные смолы CUBRUS предназначены для SLA- и DLP‑принтеров. Они включают широкую номенклатуру с различными свойствами – от стандартных до высокопрочных и термостойких – и могут иметь индивидуальную расцветку.

Для печати подшипника была выбрана высокотемпературная смола CUBRUS R‑PRO‑HT‑WT‑120. Материал демонстрирует рекордно низкий коэффициент трения в паре с различными материалами в условиях сухого трения, что сопоставимо с показателями многих смазываемых металлических пар, а также повышенную жесткость (модуль упругости 3 ГПа) и теплостойкость (температура начала размягчения 110 °C).

Нашей команде удается успешно решать поставленные задачи, разрабатывая и оптимизируя составы температуростойких фотополимерных смол, которые позволяют усовершенствовать изготовление индивидуальных и мелкосерийных втулок и других различных подшипников скольжения, а также шестеренчатых механизмов.

Сложные детали узлов трения: в чем выгода SLA‑печати

Подшипники скольжения, кулачки и шестерни – одни из наиболее распространенных деталей машин, работающих в условиях трения. Традиционно они изготавливаются из металлических сплавов (бронза, баббиты) или полиамидов. В ряде современных приложений, а также для проведения ремонтных работ – 3D‑принтеры, робототехника, медицинское оборудование, электротехника, приводные механизмы и прецизионное приборостроение – требуется работа узлов трения без внешней смазки или в вакуумных условиях. Это стимулирует поиск новых конструкционных и антифрикционных материалов в сочетании с высокоточными методами их изготовления.

Аддитивная технология SLA предлагает уникальную возможность создания изделий со сложной внутренней структурой, включая подшипники с интегрированными смазочными каналами, градиентными свойствами и топологической оптимизацией.

Применение SLA‑принтеров для изготовления подшипников скольжения, различных шестерен и кулачков сдерживается технологическими барьерами:

1. отсутствие специальных смол, имеющих повышенную механическую жесткость и низкий коэффициент трения

2. повышенная температурная стойкость и стойкость к прихватыванию, что критично для трибологических приложений

Посмотрим, как эти ограничения удалось обойти на практике благодаря нетривиальным конструкторским решениям и применению новых композитных материалов.

Ход и результаты проекта

3D‑печать высокоточных изделий методом SLA

В результате опытно-экспериментальных работ проведены исследования и разработаны специальные элементы конструкции SLA‑принтера и отработаны технологические режимы для 3D‑печати изделий, обладающих улучшенными трибологическими характеристиками.

Итогом испытаний стала успешная отработка режимов получения изделий с высокой степенью детализации, возможности получения специальных структур на рабочей поверхности и низкой шероховатости рабочих поверхностей.

Конструктивные возможности, реализуемые благодаря SLA‑технологии

Ключевым преимуществом предложенного подхода – сочетания технологии SLA c применением специальной температуростойкой смолы с повышенными трибологическими свойствами – является возможность интеграции сложных конструктивных элементов непосредственно в тело подшипника (см. изображение выше).

Одно из уникальных преимуществ SLA‑технологии – возможность создания микротекстур непосредственно на рабочей поверхности в сочетании с заданной шероховатостью поверхности (от зеркальной до шероховатой).

Благодаря такому конструктивно-технологическому потенциалу, изменяя текстуру поверхности, можно:

• управлять свойствами пары трения в зависимости от рабочих условий

• отводить продукты износа или инородные частицы путем создания специальных спиралевидных канавок

• создавать специальную текстуру для работы пар трения на газовой или гидродинамической подушке

Такие подшипники обладают пониженным трением, адаптированы для конкретной рабочей среды и имеют повышенную несущую способность по сравнению с обычным гладким подшипником.

Технология и новый материал открывают путь к созданию подшипников с активной адаптацией к условиям работы. Все изделия получаются за один цикл печати без какой‑либо финишной механической обработки, за исключением удаления поддержек.

Выводы

Поставленная инженерами TWIZE задача была выполнена: стало возможным создание функциональных подшипников скольжения с заданными свойствами методом SLA‑печати.

Преодолеваемые технологические барьеры:

1. разработка нового композиционного материала в сочетании с технологией

2. оптимизация процесса печати с модернизацией технологических возможностей SLA‑принтера

Области применения

• Мелкосерийное и штучное производство (не нужно создавать оснастку)

• Ремонтное производство, где необходимо быстро изготовить подшипник, шестерню нестандартных размеров

• Создание деталей со специальной конструктивной структурной оптимизацией, недостижимой классическими методами

• Создание деталей со специальной микроструктурой поверхности, недоступной традиционному производству 

Перспективы технологии

Проведенные исследования показывают, что сочетание SLA‑печати и новых композиционных фотополимеров позволяет создавать функциональные детали узлов трения с характеристиками, ранее недоступными для аддитивного производства. Особую ценность такой подход представляет для ремонтных предприятий и сервисных подразделений промышленности, где критически важны скорость изготовления, отсутствие оснастки и возможность мелкосерийного производства или выпуска единичных изделий.

Технология обеспечивает оперативное восстановление оборудования за счет быстрого изготовления подшипников скольжения, втулок, шестерен и других компонентов, производство которых традиционными методами может занимать недели или быть экономически нецелесообразным. При этом аддитивный подход позволяет не просто воспроизводить существующие детали, а улучшать их конструкцию, внедряя внутренние каналы смазки, специальные микротекстуры и облегченные силовые структуры.

По мере развития материалов и совершенствования технологий 3D‑печати такие решения способны стать важным инструментом ремонтного и мелкосерийного производства, обеспечивая предприятиям бóльшую независимость от поставок запасных частей, сокращение сроков простоя оборудования и новые возможности для модернизации существующих механизмов.