Введение. В работах сотрудников Московского автомобильно-дорожного института [1, 2], применение полимерно-композиционных материалов (ПКМ) ставится в зависимость от применяемого наполнителя в полимерной матрице (ПМ), сравнительные данные приведены в таблице 1. С точки зрения применения ПКМ в области машиностроения, то их чаще всего используют при изготовлении кузовных деталей, элементов отделки кабины и др. [1, 2]. Использование ПКМ с дисперсным наполнителем для изготовления деталей, испытывающих значительные нагрузки, практически не представлено в литературе. Это связано с тем, что вопросы применения ПКМ с дисперсными наполнителями малоизучены, отсутствует методика оценки эффективности применения ПКМ при изготовлении функциональных деталей машин. Кроме того, отсутствует технология и технологическое обеспечение для изготовления деталей машин из реактопластов. В основном [4–6] представлены и описаны технологии литья термореактивных полимеров. Данная технология аналогична литью термопластичных полимеров. Суть этой технологии заключается в подаче из бункера гранул полимерной композиции в цилиндр, где под действием шнека или плунжера полимер подаётся в зону нагрева, где под действием токов высокой частоты происходит расплав полимера. Далее расплав впрыскивается в металлическую пресс-форму.Применение таких дисперсно-наполненных ПКМ как металлополимеры, в промышленности часто ограничено ремонтными работами [7–9]. Однако металлополимеры, это реактопласты, обладающие для своего класса материалов уникальными свойствами. Среди уникальных свойств металлополимеров можно отметить прочность на сжатие до 230 МПа, прочность на растяжение до 60 МПа, Прочность на изгиб до 80 МПа, Модуль Юнга 6000 МПа [10]. Указанные свойства присущи отвержденному компаунду, но до отверждения, металлополимерная смесь обладает высокими свойствами текучести, вязкость смеси достигает 25000 мПа·с. Некоторые свойства металлополимерных материалов приведены в таблице 2.Согласно [3] объёмы производства изделий из ПКМ ежегодно увеличиваются (рис. 1). Таблица 1Сравнение ПКМ с различными типами наполнителейХарактеристикиПКМДисперсно-упрочненныеАрмированные волокнистыми наполнителямиРоль матрицыНесет основную нагрузкуПередает нагрузку на волокноРоль наполнителяУпрочняет матрицу. Степеньупрочнения зависит от формы частиц наполнителя, их количестваи распределенияВолокно несет основную нагрузкупри растяженииСтепень наполнения, масс. ч.1…20065…75Коэффициент упрочнения (представляет собой отношение предела текучести ПМ к пределу текучести полимерной матрицы)1,1…152…50Прочность ПМЗависит от прочности полимерной матрицы и мало зависит от количества наполнителяЗависит от прочности волокон, схемы армирования и изменяется пропорционально объемномусодержанию волоконСвойства ПМИзотропныеАнизотропныеОбласти приме-ненияпри ремонте машинУстранение различных типовдефектов (раковин, трещин, коррозионных повреждений и пр.) в корпусных и кузовных деталях и агрегатах машинСистемы диагностирования.Устранение различных типов дефектов (раковин, трещин, коррозионных повреждений и пр.) в корпусных и кузовных деталях и агрегатах машин  Рис. 1. Объемы производства изделий из стали и ПКМ по годам, млн. м³Таблица 2Свойства металлополимерных материаловКоммерческое названиеПрочностьна сжатие(DIN 53281-83), МПаПрочностьна растяжение(DIN 53281-83), МПаПрочностьна изгиб(DIN 53281-83), МПаВязкость смеси, МПа·сМодуль Юнга, МПаWEICON WR жидкий, наполненный сталью110338020 0005500Devcon Plastic Steel Liquid (B)70––25000–Металлополимер LEO «Ферро-хром»230–76–6000Loctite Hysol 34799060––6000  Хотя изначально, производители металлополимеров указывают в своих рекомендациях по применению металлополимеров в качестве назначения ремонт и восстановление различных поверхностей технологического оборудования, изобретатели часто используют металлополимеры в качестве конструкционного материала для производства технологической оснастки [11–12]. В работах [13, 14] инженеры используют металлополимер для изготовления формообразующих поверхностей пресс-форм, так как металлополимер обладает достаточной прочностью и температуростойкостью, что обеспечивает необходимую стойкость оснастки. В дальнейшем, такая композитная оснастка, состоящая из металлической обоймы и металлополимерной формообразующей части, используется для литья термопластов на термопластавтоматах или шприц-прессах.На сегодняшний день проводятся научно-исследовательские работы [15, 16], по изучению возможности и созданию технологии и технологического обеспечения для изготовления композитных функциональных деталей. Суть изготовления композитной детали на основе металлополимера заключается в изготовлении тонкостенной оболочки при помощи аддитивных технологий с последующим заполнением такой оболочки металлополимерным ПКМ. На рис. 2 показана модель такой композитной детали, состоящей из металлополимерного заполнителя 1 и оболочки 2.  Рис. 2. Модель композитной детали: 1 – металлополимерный заполнитель; 2 – пустотелая оболочка  В работе [15, 16] приводятся исследования прочностных характеристик таких конструкций деталей. На рис. 3 показана диаграмма отражающая запас прочности деталей, изготовленных из чистых материалов, так если бы они были изготовлены полностью из металла или пластика на 3D принтере и композитных деталей, состоящих из металлической или пластиковой оболочки заполненной металлополимером. Анализ диаграммы (рис. 3) показывает, что наиболее прочной остаётся деталь, изготовленная из металла. Композитная деталь, состоящая из металличекой оболочки и металлополимерного заполнителя, так же обладает достаточной прочностью с запасом прочности в 3,75. Таким образом для заданных условий эксплуатации, как было описано в [16] (нагрузка на изгиб 2000 Н для рычага экзоскелета), использование композитной конструкции детали вполне приемлемо. При этом если говорить об аддитивных технологиях изготовления, то стоимость изготовления рычага зависела бы только от объёма материала печати. Стоимость изготовления подобной детали классическими технологиями с использованием механической обработки закладывало бы в себя стоимость материала, стоимость фонда оплаты труда, стоимость технологического обеспечения и др. расходы.  Рис. 3. Диаграмма запаса прочности композитных и цельных деталей  В данном исследовании приводятся расчёты на основе анализа стоимости изготовления рычага экзоскелета (по сути это может быть любая схожая по габаритам деталь) по технологии со снятием припуска в сопоставлении с технологией изготовления композитной детали на основе металлополимера. Анализируются и приводятся факторы влияющие на себестоимость изготовления детали по различным технологиям. Приводятся критерии эффективности применения технологии изготовления композитной детали.Материалы и методы. Согласно теории машиностроения [17, 18], одним из основных параметров, влияющих на себестоимость изготовления изделия, является основное технологическое время изготовления изделия. Для понимания входящих в технологический процесс операций, приведём схемы технологических процессов для различных технологических процессов изготовления детали – рычаг (рис. 4).  Рис. 4. Модель рычага. На рис.4 представлена схема технологического процесса изготовления рычага путем снятия припуска с металлической заготовки. Рис. 5. Схема технологического процессаизготовления рычага из металла со снятием припуска На рис. 6 показана схема технологического процесса получения детали рычаг с применением аддитивных технологий. В частности с использованием технологии SLM (Selective Laser Melting) [19–21]. На рис. 7 показана схема технологического процесса изготовления композитного рычага путем заполнения тонкостенной металлической оболочки изготовленной методом 3D печати металлом и заполненной металлополимером. Рис. 6. Схема технологического процесса изготовления рычага из металла методом 3D печати (SLM) Рис. 7. Схема технологического процесса изготовления композитного рычагаТехнико-экономическое сравнение технологических процессов произведем по технологической себестоимости изготовления детали:Ст=М+З+НР, руб.                   (1)где М – затраты на основные материалы без стоимости отходов с транспортно-заготовительными расходами;З – основная и дополнительная зарплата производственных рабочих с начислениями;НР – накладные расходы, состоящие из цеховых расходов, общезаводских, управленческих и внепроизводственных расходов.Затраты на основные материалы для технологического процесса включающего механическую обработку резанием включают следующие показатели:СМО=Сп1000∙Мз, руб.                       (2)где Мз  – масса заготовки поковки для детали представленной на рис. 4 равняется 5,873 кг, а детали 5,339 кг;Сп  – стоимость 1 т металла марки 40Х13 ГОСТ 5632-72, на 15.01.2022 Сп  = 165000 руб.Стоимость отходов вычисляется по выражению:Сотх=Sотх1000∙Мз-Мд, руб.             (3)где, Sотх  – стоимость 1 т отходов [22], Sотх  = 3100 руб.Транспортно-заготовительные расходы принимаем по данным [22] в размере 2,2 % от стоимости заготовки.Размер фонда оплаты труда (заработная плата) производственных рабочих на соответствующую технологическую операцию рассчитывается по выражению:З=Зо+Здоп+Знач, руб.                          (4)где, Зо  – основная заработная плата с учетом 40 % премии при сдельно-премиальной системе оплаты, руб.Зо=1,4Сч∙Тшк60, руб.                                                                      (5)где, Сч  – часовая тарифная ставка соответствующего разряда работы, руб;Тшк  – штучно-калькуляционное время для данной операции, мин. (Тшк=Тш+Тпз/N) ;Тпз  – подготовительно-заключительное время на партию N обрабатываемых заготовок;Здоп  – дополнительная зарплата основных рабочих, т.е. оплата отпусков и т.д. (Зо∙0.3 ), руб.;Знач=0,399Зо+Здоп, руб  – начисление на зарплату по социальному страхованию – по данным ООО «Машиностроительный завод»39,9 % от (Зо+Здоп) .Накладные расходы:НР=ЦР+ОР+УР+ВР,  руб.           (6)где, ЦР – цеховые расходы, принимаемые по данным ООО «Машиностроительный завод» в размере 224% от Зо ;ОР – общезаводские расходы, принимаем в размере 162% от Зо ;УР – управленческие расходы, принимаем в размере 50% от Зо ;ВР – внепроизводственные расходы, принимаем равными 25% от М+Зо+Здоп+Знач+ЦР++ОР+УР .Основная часть. Произведём расчёты полной себестоимости изготовления детали «рычаг» (рис. 4) по трём технологическим процессам представленным на (рис. 5–7).В таблице 3 приведены результаты расчетов заработной платы основных производственных рабочих для технологического процесса изготовления рычага из металлической заготовки путём снятия припуска (рис. 5). Расчетные данные приводятся из условия подготовительно-заключительного времени равного 32 минутам (по данным ООО «Машиностроительный завод»), а также размера партии изделий N = 200 шт.Вариант изготовления детали по схеме технологического процесса изготовления рычага из металла со снятием припуска (рис. 5), предполагает получение заготовки методом литья или штамповки. Для рачета стоимости заготовки S используется выражение [22]: S=Ci1000∙Q∙KT∙KC∙KB∙KM∙KN-Q-q∙Sотх , руб.                        (7) где Ci  – базовая стоимость одной тонны заготовок, руб./т;Q  – масса заготовки, кг;q  – масса детали, кг;KT  – коэффициент, зависящий от класса точности;KC  – коэффициент, зависящий от степени сложности;KB  – коэффициент, зависящий от массы заготовки;KM  – коэффициент, зависящий от марки материала;KN  – коэффициент, зависящий от объёма выпука заготовок.Базовая стоимость одной тонны заготовок Ci  принимается по данным предприятия потребителя заготовок, а коэффициенты входящие в уравнение (7) по таблицам [23]. Стоимость заготовки для детали «рычаг», по данным ООО «Машиностроительный завод» составляет S  = 754 руб.Таким образом полная стоимость металлической детали «рычаг», изготовленной по схеме технологического процесса со снятием припуска составляет Ст =20157.4 руб. Безусловно, расчётное значение отражает стоимость изготовления детали так, если бы всё предприятие, его персонал и оборудование было ориентировано на изготовление только одной детали «рычаг». На практике и основные фонды и персонал, задействованы в других производственных процессах, что снижает стоимость изделия. По данным ООО «Машиностроительный завод», полная стоимость С  изделия рычаг составляет С=Ст∙0.2  =4031.48 руб.  Таблица 3Заработная плата основных производственных рабочих для технологического процесса (рис. 5)№ опер.Наименование операцииСтанокРазрядСч Тш Тшк Зо Здоп Знач 005ФрезернаяпредварительнаяLupus 5X 10052563232.2192.157.699.6010ФрезернаячистоваяLupus 5X 10052562727.2162.248.784.2015СверлильнаяГФ2171С351762323.295.128.549.3020РасточнаяBO 90 CNC52564141.2245.973.8127.5025ТермическаяПечь ТВЧ5156300300.21092.6327.8566.7030ПлоскошлифовальнаяHFS 40100 F Advance42564747.2281.784.5146.1035ВнутришлифовальнаяRSM 500 B CNC52565353.2317.595.3164.7Итого:523.0524.12387.1716.11238.2  Расчёт стоимости изготовления детали «рычаг» (рис. 4) методом 3D печати металлом. Согласно схеме технологического процесса представленной на рис. 6. Начинается с конструкторской подготовки, то есть с разработки 3D модели и её оптимизации для дальнейшего создания управляющей программы. В данном исследовании, с учётом сложности модели, затратами на конструкторскую подготовку можно пренебречь.Термическая операция для снятия напряжений детали, после её спекания на 3D принтере, входит в стоимость аддитивного изготовления. В таблице 4 представлены данные о стоимости 3D печати металлом. Специфика аддитивного производства [19, 24], соотносит стоимость изготовления детали с её объёмом. То есть на стоимость изготовления влияет только объём печати. Таблица 4Данные о стоимости 3D печати детали из нержавеющей сталиИсточникСтоимость 1 см3, руб.https://sprint3d.ru967.79https://www.cubicprints.ru860.18https://studia3d.com1099.24https://mg3d.ru967.79https://3d-made.com1021.60Средняя стоимость983.17  На рис. 8 представлены массово-центровочные характеристики модели МЦХ детали «рычаг». Согласно данным рис. 8 объём детали равен 680 см3. Исходя из стоимости 3D печати (табл. 3) и объёма модели, не сложно посчитать, что стоимость изготовления детали «рычаг», будет составлять 668553 руб. Очевидно, что изготовление детали «рычаг», экономически не обосновано с использованием технологий аддитивной печати металлом. Для снижения стоимости 3D печати, производят оптимизацию стоимости формы изделия применяя генеративный дизайн [25]. Генеративный дизайн позволяет убрать часть материала из модели формы, который не задействуется в работе изделия и передаче нагрузок. Тем не менее даже оптимизация формы изделия путём генеративного дизайна не позволяет существенно снизить объём материала, что сказывается и на цене изготавливаемой детали. Обычно, 3D печать используется для изготовления деталей сложной формы, когда изготовление детали другими методами, не представляется возможным или существуют строгие временные ограничения. 3D печать позволяет изготовить деталь без организации сложной подготовки производства и разработки технологического обеспечения, что сокращает время изготовления. Рис. 8. Массово-центровочные характеристики детали «рычаг»Изготовление композитной детали в соответствии с схемой технологического процесса представленного на рис.7, предполагает аддитивное изготовление пустотелой оболочки и заполнение её металлополимером.Металлическая оболочка изготавливается путём её печати на 3D принтере и служит не только для придания формы изделия, но и несет функциональное назначение. Так как не смотря на заполнение тела изделия металлополимером для придания ему прочностных свойств, необходимо обеспечить требуемые свойства рабочих поверхностей, например, поверхностей под посадку подшипников, плоскостей примыкания детали к другим сборочным единицам и т.д. Другими словами необходимо обеспечить требуемые размерные и качественные (шероховатость поверхности) свойства детали. Прочностные свойства рабочих поверхностей при этом будут задаваться материалом 3D печати.Стоимость 1 см3 металлополимера наполненного нержавеющей сталью [26], по данным производителя составляет 6.61 руб.На рис. 9 показан разрез тонкостенной модели рычага и её МЦХ. Тонкостенная модель рычага, с толщиной стенки 1 мм, имеет объём равный 140 см3, что на 540 см3 меньше чем у полнотелой детали. В стоимостном выражении аддитивного производства, это на 530911 руб. меньше аддитивное производства полнотелой детали. Стоимость аддитивного изготовления оболочки из металла равняется 137620 руб.При этом как для полностью напечатанной детали на 3D принтере из металла, так и для композитной детали, требуется финишная обработка рабочих поверхностей, для придания им требуемых качественных и размерных характеристик. В целом из-за достигаемого 3D печатью качества поверхности [27], соответствующего допуску размерной точности 20-150 мкм и шероховатости поверхности Ra 3.8-15 мкм, требуется постобработка. При изготовлении композитной детали рис. 7 постобработка включает операции плоского и внутреннего шлифования.Стоимость механической обработки для композитной детали (операции шлифования), будут включать только стоимость фонда заработной платы и накладных расходов, а также понижающего коэффициента 0.2. Стоимость шлифовальной обработки детали «рычаг» будет равняться 950 руб.Полная стоимость изготовления композитной детали «рычаг» будет состоять из стоимости изготовления оболочки равной 137620 руб., стоимости шлифовальной обработки 950 руб., кроме того в стоимость изготовления входит стоимость операции заливки металлополимера. Стоимость операции заливки металлополимером тонкостенной оболочки включает стоимость фонза заработной платы на операцию, равного 46 руб. А также стоимость металлополимерной композиции. Для детали рычаг потребуется 540 см3 металлополимера, по стоимости 6.61 руб/см3, то есть на всю деталь 3569.4 руб.Рис. 9. Массово-центровочные характеристики пустотелой детали «рычаг» с толщиной стенки 1 мм Выводы. В исследовании представлены расчёты стоимости изготовления детали «рычаг» по 3 технологическим процессам. Расчёты показывают, что изготовление детали путём механической обработки металлической заготовки по стоимости соответствует 20157.4 руб. за 1 единицу изделия. При этом стоимость изготовления существенно зависит от размера партии, а также объёма механической обработки.Усреднив значения размера стоимости оплаты труда по различным операциям и поставив стоимость механической обработки в зависимость от штучного времени, можно рассчитать зависимость технологической себестоимости детали Ст , от штучного времени изготовления детали.Технологическая себестоимость изделия, полностью напечатанного на 3D принтере из металла, будет зависеть от объёма печати. Кроме того, для выбора технологии аддитивного производства при изготовлении детали, немаловажным будет фактор технологического времени на процесс 3D печати. По данным [28] время изготовления детали «рычаг» на 3D принтере в зависимости от объёма печати составило бы 1440 мин., а изготовление пустотелой оболочки 296 мин.Время изготовления и технологическая себестоимость изготовления композитной детали, с учётом постобработки, составляют 402 мин и 142186 руб.На рис. 10 показаны области эффективного использования различных технологий получения детали по критерию технологической себестоимости.Рис. 10. Сопоставление стоимости изготовления детали по различным технологиям: технология механической обработки, печать цельной детали на 3D принтере, изготовление композитной детали.Для принятия решения об использовании той или иной технологии изготовления детали, инженеру технологу необходимо учитывать не только технологическую себестоимость (рис. 10), но и другие параметры. К таким параметрам относится следующие параметры:прочность детали, которая будет различной для каждой детали, изготовленной по той или иной технологии. В зависимости от служебного назначения, необходимо производить прочностные расчёты (например, с использованием метода конечных элементов МКЭ), для определения запаса прочности детали, изготовленной по различным технологиям;имеющееся технологическое обеспечение и оборудование. К такому оборудованию относится доступ к парку станочного оборудования, имеющаяся технологическая оснастка и инструмент;размер партии и серийность производства. Серийность производства оказывает сильное влияние на стоимость подготовки производства, стоимость технологичекого обеспечения, а также технологических приспособлений;допустимое время производства. Если говорить о производстве новых деталей, то влияние времени производства выражается в большей степени на фонде заработной платы. Но что делать, когда время производства детали влияет на работоспособность машины или комплекса машин, как в случае ремонтного производства. В случае, когда необходимо произвести деталь для ремонта технологического оборудования, иногда стоимость производства детали имеет второстепенную роль, нежели скорость производства, так как простой оборудования может нанести куда более существенный негативный экономический эффект, нежели потери от увеличения стоимости изготовления детали необходимой для ремонта этого оборудования;сложность геометрической формы детали. Служебное назначение детали, требования к её массе, форме, эргономике так же оказывают существенное влияние на выбор технологии производства. Например, применение аддитивных технологий, часто используют в случаях, когда форма детали имеет сложную структуру и геометрию. Наличие криволинейных полостей, внутренних каналов, тонких стенок и пр. Кроме того акцент к применению аддитивных технологий смещается, если происходит восстановление детали по цифровой модели, полученной 3D сканированием, то есть когда отсутствует чертёж детали.Полученные данные и приведенная расчётная методика позволяет в комплексе с учётом других параметров, принять решение об эффективности использования той или иной технологии получения детали.Приведенные расчётные данные не отражают расчёта получения композитной детали, где в качестве материала оболочки использовался бы пластик, а заполнение её производилось бы металлополимерным составом. Такая композитная деталь пластик – металлополимер, была бы очень дешёвой, так как стоимость 3D печати пластиком не высока, как и материал заполнения – металлополимер. Однако эта технология ограничена в сферах применения в первую очередь прочностными свойствами как самой детали, так и рабочих поверхностей. Кроме того, связь реологических свойств металлополимера при заполнении тонкостенной формы и её геометрии так же накладывает ряд ограничений на изготовление такой композитной детали и требует дополнительных научно-экспериментальных изысканий в области технологического обеспечения.