Аддитивные технологии в машиностроении: транспортная отрасль. Аддитивные технологии в российской промышленности Аддитивные технологии для детей

08.06.2016

Перспективы применения аддитивных технологий при производстве дорожно-строительных машин

Основными направлениями развития машиностроения в настоящее время являются: применение новых полимерных, композиционных, интеллектуальных материалов при производстве деталей машин; разработка новых технологических методов, оборудования и процессов производства изделий машиностроения.

Первым шагом на пути создания машины является пространственное проектирование изделий машиностроения с применением компьютерных виртуальных цифровых трехмерных моделей, что стало возможно благодаря внедрению современного программного обеспечения (CAD-программы), моделирования и расчетов (CAE).

Внедрение технологий «трехмерной печати» (3D-печать) обеспечивает возможность создания детали машины или изделия в целом на основе разработанной 3D-модели в кратчайшие сроки и с минимальными потерями материалов. Методы изготовления изделий, основанные на процессе объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели, получили обобщающее название «аддитивные технологии» (additive).

В этом контексте традиционные машиностроительные технологии, основанные на механической обработке заготовки, при которой происходит удаление части материала (точение, фрезерование), являются «отнимающими» (subtractive).

В основе современных аддитивных технологий лежит метод формирования детали из полимерного композиционного материала путем постепенного наращивания с помощью термического или какого-либо иного воздействия, в результате которого получается деталь необходимой формы с заданными размерами. В настоящее время существует уже более 30 различных типов аддитивных технологических процессов.

Основными преимуществами аддитивных технологий перед традиционными являются:

Сокращение трудоемкости изготовления;
сокращение сроков проектирования и изготовления детали;
снижение себестоимости проектирования и изготовления детали;
экономия машиностроительных материалов. Время возникновения аддитивных
технологий относится к концу 80-х годов прошлого века. Пионером в этой области является компания 3D Systems (США).

Первая классификация аддитивных технологических методов производства деталей была приведена в стандарте ASTM F2792.1549323-1 (США), в значительной степени устаревшая за последние двадцать лет в связи с бурным развитием технологического оборудования.

1 сентября 2015 года приказом Рос-стандарта создан технический комитет «Аддитивные технологии» для разработки терминов, определений и стандартов, относящихся к ним.

Разработка классификации аддитивных технологий с учетом разнообразия применяемых методов, материалов и оборудования является непростой задачей.

Во-первых, следует выделить два направления развития аддитивных технологий по принципу формирования детали

Направления развития аддитивных технологий по принципу формирования детали

Первое направление предусматривает формирование детали путем объединения материала, распределенного на рабочей поверхности платформы технологического оборудования (Bed deposition). После окончания процесса изготовления остается некоторый объём материала, который может использоваться для формирования следующей детали.

Процессы объединения материала, распределенного на платформе, заложены в основу различных видов технологического оборудования для производства деталей методами аддитивных технологий:

SLA – Steriolithography Apparatus;
SLM – Selective Laser Melting;
DMLS – Direct metal laser sintering;
EBM – Electron Beam Melting;
SHS – Selective Heat Sintering;
MIM – Metal Injection Molding;
Ink-Jet или Binder jetting;
UAM – Ultrasonic additive manufacturing;
LOM – Laminated Object Manufacturing.

Второе направление формирования деталей – путем прямого осаждения материала (Direct deposition). В этом случае изделие формируется послойно непосредственно из разогретого до необходимой температуры материала, поступающего на рабочую платформу из специального распределяющего устройства.

На принципе прямого осаждения материала построены следующие виды технологического оборудования для производства деталей методами аддитивных технологий:

CLAD – Construction Laser Additive Di-recte;
EBDM – Electron beam Direct Manufacturing;
MJS – Multiphase Jet Solidification;
BPM – Ballistic particle manufacturing;
MJM – Multi jetting Material.

Классификация аддитивных технологий по агрегатному состоянию материала, используемого при формировании
детали

Классификация аддитивных технологий по агрегатному состоянию материала, используемого при формировании детали

Классификация аддитивных технологий по виду используемого материала

Классификация аддитивных технологий по виду используемого материала

В зависимости от вида и исходной формы материала, используемого для изготовления деталей, различают виды аддитивных технологий

Классификация аддитивных технологий по виду и форме материала, используемого для изготовления деталей

Фидсток (Feedstock) – международное название гранулированной смеси порошка и связующего материала.

Очевидно, что для производства исходных материалов, используемых при формировании деталей с помощью аддитивных технологий, применяются различные виды специального технологического оборудования, перечисление и описание которых не предусмотрено рамками данной статьи.

Процесс создания изделия с применением аддитивных технологий можно представить в виде последовательности действий

Структура аддитивного технологического процесса производства изделий машиностроения

В соответствии с представленным на рис. 5 алгоритмом на первом этапе создания изделия осуществляется разработка 3D-модели с использованием CAD-программы в соответствии с техническим заданием и требованиями стандартов.

После этого необходимо экспортировать данные файла программы твердотельного моделирования в формат, воспринимаемый программой управляющей машины аддитивного производства (например, «STL»).
Перед следующим этапом проводится выявление возможных дефектов модели. Модель, предназначенная для 3D-печати, должна быть герметичной, монолитной и не содержать полых стенок, что обеспечивается с помощью специальных программ.

Далее осуществляется преобразование информации из STL-файла в команды, следуя которым 3D-принтер производит изделие, это так называемый G-код. Во время этой процедуры следует выбрать нужный масштаб детали, правильное положение в пространстве, а также точно позиционировать модель на рабочей поверхности. От этого зависит результат всего процесса, прочность, шероховатость поверхности детали и расход материала.

После выполнения настроек происходит разделение модели на слои материала, «укладываемые» в тело детали за один рабочий цикл аддитивной машины. Этот процесс получил название нарезка (slicing – англ.). Нарезка производится с помощью программного обеспечения, поставляемого с машиной, или с помощью специальных средств (Skein-forge, Slic3r, KISSlicer, MakerWare и др.).

Полученный на предыдущей стадии G-код передается на 3D-принтер через флеш-память или через USB-кабель.
В процессе подготовки и настройки аддитивной машины выполняются калибровка, предварительный нагрев рабочих органов, выбор модельного материала и задание зависящих от него параметров режимов работы оборудования.

На устройствах профессионального уровня этот этап может быть совмещен с процедурами процесса нарезки.

После того как выполнены все подготовительные операции, запускается процесс печати, то есть послойного объединения материалов. Его продолжи тельность зависит от типа технологии и выбранных параметров точности и качества изготовления детали.

Созданную деталь при необходимости подвергают дополнительным технологическим воздействиям: удаление поддерживающих опор, химическая или термическая обработка, финишная доводка рабочих поверхностей.
На заключительной стадии производства проводится контроль качества изготовления детали, включающий проверку соответствия нормативным требованиям геометрических размеров, показателей физико-механических свойств и других параметров, влияющих на потребительские свойства изделия.

Для строительных и транспортно-технологических машин перспективы применения аддитивных технологий в первую очередь очевидны при производстве следующих видов деталей:

Пластиковые корпусные детали электрических приборов;
комплектующие гидравлического оборудования (уплотнения направляющих поршней и поршни гидроцилиндров, разъемные соединения, элементы распределителей, насосов и гидромоторов);
изготовление патрубков систем охлаждения и питания двигателя;
детали отделки кабины оператора: рукояти рычагов, панели, переключатели, джойстики и др.;
корпусные, предохранительные, шарнирные и другие детали навесного рабочего оборудования;
втулки шарниров подвижных соединений, работающие в качестве подшипника скольжения рабочего оборудования.

Особый интерес представляет возможность применения аддитивных технологий для быстрого прототипирования при разработке рабочего оборудования строительных машин.

Разработка прототипа (макета) рабочего органа является важнейшим этапом создания машины. Прототип готового изделия не только дает представление о его внешнем виде и габаритно-массовых характеристиках, но также позволяет провести оценку соответствия достигнутых эксплуатационных свойств требованиям технического задания.

Рассмотрим процедуру прототипирования с применением аддитивных технологий на примере ковша экскаватора.
Быстрое прототипирование при проектировании новых модификаций ковшей обеспечивает:

Визуализацию внешнего вида ковша;
подтверждение совместимости кинематических параметров с базовой машиной;
возможность оценки заполнения ковша грунтом и его последующей разгрузки, что играет немаловажную роль при разработке грунтов, обладающих высокой липкостью или примерзаемостью;
возможность изучения процесса стружкообразования при резании грунта ковшом;
выявление зон, подверженных наибольшему абразивному износу при работе;
проработку технологических процессов сборки, сварки, механической обработки и покраски;
обучение сотрудников. Широкие возможности предоставляет
разнообразие типов и свойств модельных материалов, применяемых для прототипирования. Например, модель, созданная из прозрачного полимера, позволяет исследовать не только взаимодействие поверхностей рабочего органа экскаватора с грунтом при заполнении, но также и процессы, происходящие в разрабатываемом грунте. Это позволяет подобрать оптимальную форму ковша, обеспечивающую наименьшие сопротивление при копании грунта.

Цифровая модель прототипа ковша эксковатора

Анализ модели с помощью метода конечных элементов позволяет оценить распределение напряжений, возникающих в конструкции в процессе копания

Распределение внутренних напряжений в конструкции ковша экскаватора в процессе разработки грунта

Создание и испытание прототипа ковша обеспечивает:

Экономию средств на натурные испытания;
предотвращение ошибок при проектировании и сборке изделия;
снижение массы ковша;
повышение эффективности разработки грунта ковшом, что, в свою очередь, обеспечивает снижение расхода топлива;
повышение безотказности и долговечности рабочего оборудования;
возможность оценки срока службы ковша и интенсивности изнашивания зубьев в процессе разработки грунтов различных категорий. Процесс создания ковша экскаватора
с применением макета состоит из следующих этапов:
разработка цифровой 3D-модели ковша, проведение расчетов с помощью специализированных программных продуктов.
изготовление прототипа с помощью аддитивных технологий: подготовка модели к прототипированию, обоснование масштаба для макета и формирование ковша из термопластичного материала.
проведение испытаний и экспериментальных исследований прототипа ковша.
обработка и анализ результатов исследований, внесение необходимых изменений в конструкцию ковша, доработка конструкторской документации, согласование и начало производства.

Ковш экскаватора, изготовленный с учетом результатов исследований прототипа

При ремонте транспортно-технологических машин возможно использование аддитивных технологий для восстановления изношенных и поврежденных металлических деталей методами LENS, CLAD, DMD, что позволяет минимизировать применение ручного труда, повысить производительность и качество ремонта.

А вот изготовление деталей из полимерных материалов для ремонта может быть полезно следующим:

Взамен металлических – мера, снижающая простой техники из-за внезапного
отказа (временная замена). Что особенно актуально в компаниях, не проводящих мероприятия ППР. Для малого бизнеса, эксплуатирующего несколько единиц машин различного назначения, бюджет которого не позволяет содержать сотрудников для закупок запчастей или иметь запас деталей для замены;
вместо пластиковых позволит печатать детали индивидуального ремонтного размера;
применение композитных материалов по свойствам, превосходящим параметры исходной детали;
производство малого количества деталей в электротехнике и гидроприводе;
мобильность принтеров: возможно размещение в автомобиле;
относительно низкое энергопотребление.

Немаловажным фактором является и то, что при аддитивном производстве и восстановлении деталей разработчик может находиться на любом удалении от объекта (машины) благодаря широкому использованию компьютерных сетей.

Сканирование поврежденных комплектующих сборочных единиц при помощи 3D-сканера (реинжиниринг) с последующей компьютерной обработкой и печатью открывает перспективы создания универсальных многофункциональных производственно-ремонтных комплексов.
Сканирование существенно увеличивает скорость и точность производства детали, а также снижает расходы на измерительный инструмент. В настоящее время 3D-сканер уже применяется при проведении контроля качества изготовленных деталей на передовых предприятиях.

На сегодняшний день основными проблемами, сдерживающими внедрение аддитивных технологий в производство, являются ограниченный выбор используемых материалов и их высокая стоимость, ограниченность габаритных размеров создаваемых изделий и невысокая производительность оборудования. Но с учетом сложившейся динамики развития аддитивных технологий преодоление этих проблем в ближайшее время вполне реально.
Приведенные в статье результаты получены при разработке проекта № Б1124214, выполняемого в рамках проектной части Государственного задания в сфере научной деятельности за 2016 г.

Список использованной литературы
1. Слюсар, В.И. Фабрика в каждый дом. Вокруг света. — № 1 (2808).
2. Довбыш В.М., Забеднов П.В., Зленко М.А. Статья «Аддитивные технологии и изделия из металла» ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».
3. Зорин В.А. Баурова Н.И., Шакурова А.М. Применение капсулированных материалов при сборке и ремонте резьбовых соединений // Механизация строительства. 2014. № 8(842).
4. Зорин В.А. Баурова Н.И., Шакурова А.М. Исследование структуры капсулированного анаэробного клея // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 5.
5. Баурова Н.И., Зорин В.А., Приходько В.М. Описание сценариев перехода материала из работоспособного состояния в неработоспособное с использованием уравнения теории катастроф «складка» // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 8.
6. Баурова Н.И., Зорин В.А., Приходько В.М. Описание процессов деградации свойств материалов с использованием аппарата теории катастроф // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2014. № 11.
Баурова Н.И., Сергеев А.Ю. Структурные исследования механизма разрушения клевых соединений после испытаний методом pull-out // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 4.

Цифровое производство с использованием аддитивного метода заключается в послойном создании объекта любой сложности. Аддитивные технологии принципиально отличаются от тех, которыми пользовались до недавнего времени. Их главное отличие в том, что они являются не вычитающими, как, к примеру, метод ЧПУ обработки, а собирательными. Иными словами, происходит собирание изделия из изготовленных порошковой композицией деталей. По сравнению с техникой литья, штамповки или обработки ЧПУ данная технология повышает производительность до тридцати раз, но самое главное, что она дает возможность получить детали, которые традиционными способами было невозможно создать.

Инновационные 3D-аддитивные технологии позволяют создавать модели любых форм и размеров, так как послойной процесс синтеза происходит слой за слоем. Данный способ производства пользуется таким методом, как прототипирование. Этодает возможность создавать не готовый объект, который можно использовать для конкретных целей, а его прототип, позволяющий оценивать возможности и характеристики модели, ее внешние данные и т. д.

Прототипы можно представлять заказчикам, а такжеиспользовать в маркетинговых целях. К примеру, на автомобильных выставках часто используются модели, созданные с помощью быстрого прототипирования, для того чтобы представить их потенциальным заказчикам. Данная технология позволяет производить прототипы быстро,а главное - недорого по сравнению со стандартными методами производства.

Технологии аддитивного производства широко используются для уменьшения затрат при проектировании за счет определения возможных ошибок на ранних стадиях проектирования. Кроме того, данная технология сокращает время выхода продукта на рынок за счет усиления связи между заказчиком и проектировщиком. Она практически полностью исключает трудоемкий и длительный этап изготовления опытных образцов.

История развития и сфера применения 3D-аддитивных технологий

Многие считают объемную печать изобретением 21 столетия, однако техника аддитивной печати зародилась еще в восьмидесятых годах прошлого века. И ее отцом считают Ч. Халла - человека, сконструировавшего первый стереолитографический 3D-принтер, работающий на SLA-технологии. Вскоре другой инженер - С. Крамп смог спроектировать и создать FDМ-принтер. И, несмотря на то, что данные технологии печати немного отличаются друг от друга, их объединяет один принцип - послойное выращивание трехмерной модели. К концу девяностых годов обе технологии стали применяться в промышленности. Чуть позже 3D-технология была внедрена двумя студентами Массачусетского института в настольные принтеры, и сегодня аддитивные технологии, технологии 3D-моделирования широко используют не только в производстве, но и в быту.

На данный момент современные технологии цифрового производства применяются в строительстве, архитектуре, медицине, космонавтике, машиностроении и других сферах деятельности. Так, например, аддитивные технологии в машиностроении позволяют создавать качественные прототипы моделей, помогающих изучить все характеристики будущего изделия или агрегата. При создании прототипов чаще всего применяется стереолитографический метод AF-печати, при котором слои жидкого полимера отвердевают благодаря использованию лазера. Методика позволяет получать прототипы сложнейших объектов с множеством мелких элементов, в том числе нестандартной формы.

Какие задачи решает применение аддитивных технологий на цифровом производстве?

Интегрированная компьютерная цифровая система управления производством включает в себя применение средств численного моделирования, трехмерной (3D) визуализации, инженерного анализа и совместной работы, предназначенных для разработки конструкции изделий и технологических процессов их изготовления.

Проектирование цифрового производства- это концепция технологической подготовки производства в единой виртуальной среде с помощью инструментов планирования, проверки и моделирования производственных процессов. Технологии цифрового производства - это, прежде всего, процессы перевода цифрового дизайна в физический объект.

Применение аддитивных технологий решает такие задачи цифровых производств, какмодернизация и автоматизация действующих и проектирование новых эффективных машиностроительных производств различного назначения, средств и систем их оснащения, а также производственных и технологических процессов с использованием автоматизированных систем технологической подготовки производства.

Аддитивные технологии с полным основанием относят к технологиям XXI века. Они имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции. Степень их использования в промышленном производстве является верным индикатором индустриальной мощи государства и его инновационного развития. На данный момент российские предприятия используют импортные металлические порошки. Серийного производства порошковых материалов для аддитивных технологий в России нет.

Исследовательская группа «Инфомайн»
Основана в 1993 году. Специализируется на изучении рынков промышленной продукции в России и странах СНГ. Основными направлениями исследований являются: минеральное сырье, металлы и химические продукты. За прошедшие годы специалистами компании подготовлено свыше 1000 обзоров. Клиентами «Инфомайн» являются более 500 производственных, торговых, консалтинговых компаний, банков и научных организаций из 37 стран мира. Среди них: «Газпром», «Лукойл», ТНК-ВР, АФК «Система», ГМК «Норильский никель», «Евраз Груп С. А.», Объединенная компания «Русал» и др. Профессионализм компании подтверждается многочисленными публикациями в научных и научно-популярных журналах, а также выступлениями на конференциях различного уровня.

Металлические порошки обладают уникальными химико-металлургическими свойствами, что позволяет использовать их в различных областях. С появлением аддитивных технологий порошковая металлургия получила новые перспективы развития. Порошковая металлургия является наиболее экономичным методом изготовления изделий, она характеризуется низким уровнем отходов по сравнению с традиционными технологиями (литьем, механической обработкой, холодной и горячей обработкой давлением) и минимальным количеством операций для получения изделий с размерами, близкими к окончательным. Другая особенность порошковой металлургии - возможность производства материалов и изделий, которые невозможно получить традиционными металлургическими методами. С помощью аддитивных технологий упрощаются производственные процессы в авиационной промышленности, энергомашиностроении, приборостроении - везде, где есть потребность в изделиях сложной геометрии и «выращивании» металлических деталей. В настоящее время с точки зрения внедрения аддитивных технологий Россия отстает от ведущих стран мира. По-прежнему российские потребители зависят как от поставок импортных высококачественных металлических порошков, так и от импорта самих 3D-принтеров.

Состояние аддитивных технологий в мире
Технология трехмерной печати (3D) начала развиваться в конце 80-х годов прошлого века. Пионером в этой области является компания 3D Systems, которая в 1986 году разработала первый стереолитографический аппарат. Первые лазерные машины - стереолитографические (SLA) и затем порошковые (SLS-машины) - отличались очень высокой стоимостью, выбор материалов был достаточно узкий, и до середины 1990-х годов они использовались главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. В дальнейшем, после широкого распространения цифровых технологий в области проектирования, моделирования и механообработки, 3D-технологии начали бурно развиваться. Для 3D-технологий в настоящее время рекомендован термин Additive Manufacturing (AM). По данным Wohlers Associates, мировой рынок АМ-технологий в 2014 году составил около 3 млрд долларов при средних темпах роста на уровне 20–30%. Прогнозируется, что к 2020 году объем рынка может достичь 16 млрд долларов. Рынок аддитивных технологий стремительно меняется, происходит слияние и поглощение компаний-производителей машин, возникают новые центры оказания услуг в области AM-технологий, эти центры объединяются в европейскую, а теперь уже и в глобальную сеть. 63% всех аддитивных машин в мире производится в США. Наиболее заметно внедрение АМ-технологий в таких отраслях, как авиационная промышленность, судостроение, энергетическое машиностроение, а также стоматология и восстановительная хирургия. Главными заказчиками и потребителями AM-продукции являются авиационная и автомобильная отрасли США и Европы. Эти технологии привлекают крупные промышленные компании: Boeing, Mersedes, General Electric, Lockheed Martin, Mitsubishi, General Motors. Например, компания Boeing в последние годы значительно увеличила номенклатуру деталей, изготавливаемых по AM-технологиям. Сейчас таким образом изготавливается более 22 тысяч деталей 300 наименований для 10 типов военных и коммерческих самолетов, включая Dreamliner. Отказ от производства цельнометаллического листа в пользу спекания порошков при формировании каркасов ряда моделей Boeing позволил компании перейти на принципиально новый уровень производства. По мнению специалистов General Electric, через 10 лет примерно половина деталей энергетических турбин и авиационных двигателей будет изготавливаться с помощью AM-технологий. Активно применяются аддитивные технологии в бытовой электронике и медицине, в том числе в стоматологии. По словам представителей компании Arcam, произведенные ими устройства были использованы для создания более 30 000 титановых имплантатов для реконструкции тазобедренных суставов. Основным отличием АМ-технологий является то, что они применяются для формирования детали при помощи наращивания материала, в отличие от удаления в случае механической обработки. Использование аддитивных технологий позволяет изготавливать детали с характеристиками, недоступными для других методов обработки (например, с криволинейными отверстиями или внутренними пустотами). Послойный метод построения детали дает абсолютно новые возможности, например изготовление «деталь в детали», деталей с переменными по толщине свойствами материала (так называемые градиентные материалы), выпуск сетчатых конструкций, которые невозможно получить ни литьем, ни механообработкой. Значительные перспективы для 3D-технологий открываются в аэрокосмической отрасли. Это связано с тем, что с их помощью стало возможным кардинально уменьшить отношение массы материала, необходимого для выпуска детали, к массе конечной детали. Для большинства деталей, изготавливаемых традиционным способом, это соотношение может достигать 20:1, при использовании аддитивных технологий этот показатель составляет в худшем случае 2:1.

Рис. 1. Аппарат селективного лазерного сплавления SLM 280 компании SLM Solutions (Германия)

Почти все компании, использующие лазер, по-разному называют свои технологии. Это сделано для того, чтобы отличить себя от конкурентов, но по технической сути все они являются технологиями селективного лазерного сплавления - SLM-технологиями. Однако это название негласно закреплено за компанией SLM Solutions. Компания SLM Solutions (Германия) является одним из мировых лидеров в области технологий лазерного синтеза. SLM Solutions активно сотрудничает с компанией FILT. В результате этого сотрудничества появилась наиболее «продвинутая» на сегодняшний день машина SLM 280 (рис. 1). Этот аппарат отличается наличием двух лазеров: внешний контур детали и тонкие стенки обрабатывает первый лазер мощностью 400 Вт, основное тело детали - второй, более мощный лазер (1000 Вт). Сочетание двух лазеров разной мощности позволяет выпускать детали с толщиной отдельных фрагментов до 0,3 мм. Это также придает аппарату существенные преимущества: увеличивается скорость построения детали (до 5 раз), улучшается внутренняя структура материала и чистота внешней поверхности.

Виды аддитивных технологий
По методам формирования слоя принципиально отличаются два вида аддитивных технологий. Технология Bed Deposition предполагает на первом этапе формирование слоя порошка с последующей выборочной (селективной) обработкой сформированного слоя лазером или иным способом. Этой технологии достаточно точно соответствует термин «селективный синтез» или «селективное лазерное спекание» (SLS - Selective Laser Sintering), если «отверждающим» инструментом является лазер, который в данном случае, в отличие от лазерной стереолитографии (SLA-технологии), является источником тепла, а не ультрафиолетового излучения. Второй вид Direct Deposition - прямое, или непосредственное, осаждение материала, т. е. непосредственно в точку, куда подводится энергия и где в данный момент происходит построение фрагмента детали. Наиболее широко на рынке представлены модели группы Bed Deposition. Большая часть компаний - производителей таких аппаратов использует в своих машинах лазер в качестве источника энергии для соединения частиц металлопорошковых композиций. К ним относятся: Arcam (Швеция), Concept Laser (Германия), EOS (Германия), Phenix Systems (Франция), Realizes (Германия), Renishaw (Великобритания), SLM Solutions (Германия), Systems (США). В 2012 году в эту группу вошли китайские компании Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems и Trump Precision Machinery. Ко второй группе машин (Direct Deposition) относятся аппараты компаний POM Group, Optomec, Sciaky (США), Irepa Laser (Франция), InssTek (Ю. Корея). В России отсутствует серийное производство АМ-машин, которые используют в качестве материала металлические порошки. Вместе с тем целый ряд организаций занимается разработкой и созданием опытных образцов подобного типа аппаратов. Например, ОАО «Электромеханика» (Тверская область) в рамках совместной работы с ФГБОУ ВПО «МГТУ «СТАНКИН» изготовило автоматизированную 3D-установку для выращивания в вакууме точных титановых заготовок сложных деталей методом послойного синтеза электронным лучом из металлического мелкодисперсного порошка. ОАО «ТВЭЛ» совместно с научными организациями Уральского отделения РАН ведет разработку и организацию производства установок УрАМ-550 для селективного лазерного сплавления металлических порошков с размером рабочей камеры 500×500×500 мм. «Росатом» в кооперации с Минобрнауки планирует создать опытный образец 3D-принтера для изготовления металлических изделий на базе НПО «ЦНИИТМАШ». Специалистами ОАО «Национальный институт авиационных технологий» разработаны несколько типов экспериментальных лазерных установок послойного синтеза. Разработки аппаратов для лазерного послойного синтеза ведутся также Институтом проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ).

Рис. 2. АM-машина X line 1000R компании Concept Laser

До недавнего времени самой большой AM-машиной компании считалась X line 1000R (рис. 2) с размерами зоны построения 630×400×500 мм. Она была разработана совместно с Фраунхоферским институтом лазерных технологий (FILT) при участии Daimler AG и вышла на рынок в 2013 году. Первая такая машина установлена на Daimler AG для выращивания автомобильных компонентов из алюминия. К этой модели недавно была добавлена модификация X line 2000R, оснащенная двумя лазерами мощностью по 1000 Вт. Область построения увеличена до 800×400×500 мм. Компания пошла навстречу требованиям клиентов из аэрокосмической и автомобильной отраслей, повысив скорость построения изделий.

Рис. 3. Аппарат DMD IC106 компании POM

Компания POM (Precision Optical Manufacturing) является разработчиком DMD-технологии и держателем патентов на оригинальные технические решения по лазерным системам и системам управления с обратной связью с одновременным регулированием в режиме реального времени основных параметров построения детали: объема подачи материала, скорости перемещения головки и мощности лазера, которые обеспечивают стабильность и качество рабочего процесса (рис. 3). Эта технология позволяет производить параллельную или последовательную подачу двух видов материала с различными физико-химическими свойствами и таким образом создавать биметаллические компоненты, например формы для литья пластмасс (тело формы из меди, рабочая часть - из инструментальной стали), или наносить специальные покрытия, например на гильзы цилиндров, поршневые кольца, кулачковые валы, седла клапанов.

Технологии производства металлических порошков
В настоящее время не существует общих требований к металлопорошковым композициям, применяемым в AM-технологиях. Разные компании - производители AM-машин предписывают работу с определенным перечнем материалов, обычно поставляемых самой этой компанией. Общим требованием к порошкам для AM-машин является сферическая форма частиц. Это связано с необходимостью компактного укладывания в определенный объем и обеспечения «текучести» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. На рынке представлены десятки видов разнообразных композиций: от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. Сфера их применения уже в настоящее время крайне разнообразна - от стоматологии до ювелирной промышленности. Основными технологиями получения порошков для AM-машин являются газовая атомизация, вакуумная атомизация и центробежная атомизация. Согласно технологии газовой атомизации металл расплавляют в плавильной камере (обычно в вакууме или инертной среде) и затем сливают в управляемом режиме через специальное устройство-распылитель, где производится разрушение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением. В Европе три компании - ALD (Голландия), PSI - Phoenix Scientific Industries Ltd. (Великобритания) и Atomising Systems (Великобритания) - производят атомайзеры в качестве товарной продукции. При вакуумной атомизации процесс происходит за счет растворенного в расплаве газа. Атомайзер состоит из двух камер - плавильной и распылительной. В плавильной камере создают избыточное давление газа (водород, гелий, азот), который растворяется в расплаве. Во время атомизации металл под действием давления в плавильной камере поступает вверх к сопловому аппарату, выходящему в распылительную камеру, где создают вакуум. Возникающий перепад давлений побуждает растворенный газ к выходу на поверхность капель расплава и «взрывает» капли изнутри, обеспечивая при этом сферическую форму и мелкодисперсную структуру порошка. Технологии центробежной атомизации весьма разнообразны, но наибольший интерес представляют те, которые позволяют получать порошки наиболее ценных для аддитивных технологий сплавов - реактивных и тугоплавких металлов. Единственным сдерживающим фактором развития аддитивных технологий является высокая стоимость расходных материалов (металлических порошков). В настоящее время рядом компаний ведутся работы по внедрению менее затратных технологий производства порошков (в том числе титановых). Прорыв в этом направлении приведет к значительному росту спроса на 3D-устройства, способные воспроизводить металлические модели.




Рис. 4. Атомайзер EIGA 50 компании ALD (Голландия)

Мировым лидером в производстве оборудования для газовой атомизации является компания ALD (в настоящее время входит в группу AMG Advanced Metallurgical Group). Она имеет в своей производственной линейке атомайзеры как лабораторного (объем тигля 1,0–2,0 л), так и индустриального назначения с производительностью до 500 кг за одну плавку и более. Компания ALD является также изготовителем атомайзеров для получения порошковых композиций по технологии EIGA - индукционная плавка с распылением инертным газом. Базовые модели EIGA 50 и EIGA 100 отличаются размерами применяемого фидстока - прутка соответственно 50 и 100 мм. Машины EIGA (рис. 4) имеют невысокую скорость распыления - около 0,5 кг/с, однако позволяют распылять достаточно большой объем материала в течение одной плавки - от единиц до десятков килограммов.

Рис. 5. Установка центробежного распыления расплава ООО «Сферамет»

В России имеется опыт получения порошковых материалов методом центробежного распыления с торца прутковой заготовки, оплавляемой плазменной дугой. Метод был разработан в 1970-х годах в ВИЛСе. В последние годы этот метод получил дальнейшее развитие в работах OOO «Сферамет» (Московская область). ООО «Сферамет» является разработчиком оборудования и технологий нового поколения для получения сферических гранул металлов и сплавов методом центробежного распыления расплава. Исходным материалом для получения гранул на разработанной установке УЦР-6 (рис. 5) служат литые цилиндрические заготовки диаметром 76-80 мм и длиной 700 мм. На этой установке были получены гранулы дисперсностью 50 мкм.

Выпуск металлических порошков для аддитивных технологий в России
Интенсивное использование аддитивных технологий в России сдерживается как отсутствием АМ-машин, так и отсутствием мелкодисперсных металлических порошков. В настоящее время российские предприятия используют импортные порошки, поставляемые в основном компаниями - производителями установок. Серийное производство металлических порошков для аддитивных технологий в России отсутствует. ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов» (ВИАМ, Москва) производит в относительно небольших количествах металлопорошковые композиции для аддитивных технологий. В ближайшее время здесь планируются запуск современного промышленного оборудования и коммерческий выпуск порошков. По мнению генерального директора ВИАМ академика Е.Н. Каблова, для имеющегося российского парка установок аддитивного производства необходимо около 20 тонн порошков в год. По оценкам компании «Инфомайн», этот объем завышен, и общая емкость рынка порошков для работающих установок аддитивных технологий в России составляет на начало 2016 года не более 6–7 тонн. Целый ряд российских компаний занимаются в настоящее время вопросами производства металлических порошков для аддитивных технологий. По оценкам экспертов, уже в 2016 году на отечественном рынке могут появиться прошедшие сертификацию коммерческие металлопорошковые композиции различных марок. В настоящее время ВИАМ самостоятельно обеспечивает себя порошками, однако мощности небольшие (до 2 тонн в год). Движение ВИАМ к производству порошков для аддитивных технологий началось с организации производства припоев для высокотемпературной вакуумной пайки. Требования к порошковым припоям близки к аналогичным требованиям, предъявляемым к металлопорошковым композициям, используемым при аддитивных технологиях, в том числе по сочетанию фракций разного размера. С 2010 года ВИАМ активно ведет работы по созданию производства мелкодисперсных металлических порошков распылением расплава инертным газом на установке ERMIGA10/100VI. Разработаны и освоены технологии получения порошков более 10 марок никелевых и титановых припоев (10–200 мкм). Были начаты серийные поставки припоев моторным заводам. Ведутся работы по получению мелкодисперсных порошков для аддитивных технологий. Порошки для лазерной LMD-наплавки (40–80 мкм) поставляются в ОАО «Авиадвигатель», на котором проводятся работы по отработке технологий наплавки бородок бандажных полок лопаток ТВД. Ведутся работы по получению порошков для селективного лазерного сплавления (20–40, 10–50 мкм).

Рис. 6. Установка послойного лазерного сплавления M2 Cusing компании Concept Laser

В 2014 году ВИАМ приобрел установку для селективного лазерного сплавления металлических порошков Concept Laser M2 Cusing (рис. 6), позволяющую получать детали практически любой сложности внутреннего строения напрямую из металлических порошков без использования оснастки. Начаты исследования в области получения деталей по полному циклу, что обеспечит в дальнейшем ускорение внедрения аддитивных технологий в производство. Также в ФГУП «ВИАМ» методом послойного лазерного сплавления на установке M2 Cusing фирмы Concept Laser из порошка ЭП648-ВИ (ВХ4Л) начато изготовление завихрителей для двигателей 100-07, 100-08, 100-09. В рамках НИР по заказу Федерального космического агентства проведены работы, показавшие возможность получения порошков (гранул) на основе никеля и титана для проведения селективного лазерного сплавления.

Аддитивные технологии в «росатоме»: цикл от порошков до применения

Рис. 7. Дорожная карта развития аддитивных технологий «Росатома»

Импорт в Россию аппаратов для аддитивных технологий
Россия удовлетворяет потребности в 3D-принтерах, работающих на металлических порошках, за счет импорта этой продукции. По данным «Инфомайн», Россия импортировала в 2009–2015 годах 29 установок для аддитивных технологий на металлических порошках на сумму около 12 млн долларов. При этом характерным является тренд на рост импортных поставок (рис. 10). Как видно, 2014 и 2015 годы характеризовались наивысшим уровнем поставок на сумму свыше 200 тыс. долларов.

Рис. 8. Атомайзер ALD VIGA-2B

Научный центр порошкового материаловедения (НЦПМ) при Пермском научно-исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) приобрел в 2011 году атомайзер ALD VIGA-2B (рис. 8). В апреле 2014 года АМ-машина была запущена. Установка предназначена для исследований и получения небольших экспериментальных партий порошков. Она позволяет распылять все нетугоплавкие металлы и сплавы с температурой плавления до 1700 °C. По словам специалистов Научного центра, порошки получаются сферические, но неоднород-ные - крупностью от 0,5 до 100 мкм.

Рис. 9. Структура поставки в РФ 3D-принтеров основными зарубежными производителями в 2009–2015 гг., %

Жизнь заставила государство вплотную заняться отечественным производством. Наконец-то! Нам светит национальная технологическая инициатива «Новые производственные», разработка которой уже началась силами институтов развития и научно-технического общества России. Хорошо бы в пылу погони за новыми производственными технологиями не забыть о классических и традиционных, которые, собственно, и обеспечивают нашу промышленность необходимым сырьем и материалами. Но при ближайшем рассмотрении новое зачастую оказывается хорошо забытым старым.

Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) уже внес свой вклад в разработку проекта. Его группа по научной и промышленной политике выпустила в конце октября публичный аналитический доклад по новым производственным технологиям. Ирина Дежина, руководитель рабочей группы, привлекла к работе экспертов из разных областей науки и техники. Получилось объемно (400 страниц) и вполне убедительно. Особенно - раздел «Аддитивные технологии». Вот о них мы и хотим сегодня поговорить.

Аддитивные технологии: что это?

Человечество любит сходить с ума, был бы повод. Но мода всегда его находит. И тон тут задают не только дизайнеры. Вот и нобелевский лауреат Роалд Хофман считает, что миром правит мода. По его мнению, химию переименовали в нанотехнологии, чтобы увлечь молодежь новым модным словом, дать ей понять, что она работает в авангарде науки, на прорывном направлении.

Конечно, название очень важно само по себе. В нем должны быть интрига, некий парадокс и, конечно, английское звучание. Ну кто бы стал сходить с ума по стереолитографии? Громоздко, непонятно, слишком специально, а для специалистов - старо. Другое дело - 3D-принтинг, в считанные годы овладевший умами людей, даже далеких от технологического мира. Ведь принтер есть во всех офисах и во многих домах. И как же с его помощью напечатать не документ на бумаге, а объемную фигурку? Загадка. Хотя 3D-принтинг и стереолитография, по сути, одно и то же.

Мы не раз писали о том и о другом (см. «Химию и жизнь», 2000, №8, 2002, №10, 2006, №5 и др.). Но технологии развиваются. Не то чтобы вглубь - здесь наши желания упираются в границы применимости методов, но вширь - это точно. Множество вариаций этих методов, их различные применения теперь собраны под одной крышей с названием «Аддитивное производство», или «Аддитивные технологии». С интригой в словах здесь не очень получилось, но звучит тем не менее вполне весомо, даже с претензией.

Так на что же претендуют аддитивное производство (additive manufacturing ) и его технологии? Суть аддитивного производства - в сложении, а не вычитании, в таком способе создания детали сложной формы, когда материал наносится последовательно, как правило, слой за слоем, поэтому расходуется его столько, сколько необходимо, не больше и не меньше. Процессом управляет компьютер, в чьей памяти заложена трехмерная модель будущей детали, нарезанная на тонкие слои-сечения. Устройство, подающее материал, скажем экструдер, движется по траекториям, заданным компьютером, слой за слоем конструируя будущее изделие. В общем - очередной виток автоматизации производства. Предполагается, что готовая деталь не нуждается в традиционной механической обработке. Так что аддитивное производство - это еще один способ изготовления деталей и предметов из разных материалов наряду с литьем, прокатом, штамповкой и резкой.

Аддитивное производство - понятие очень широкое, которое охватывает и многие классические технологии. Среди них создание полупроводниковых гетероструктур методами молекулярно-лучевой эпитаксии и CVD - химического осаждения из газовой фазы (1960-е годы), офсетная печать (ведет свою историю с XVIII века), нанесение многослойных покрытий на изделия разными способами, возведение кирпичной стены - «камень на камень, кирпич на кирпич», даже украшение торта кремовыми розочками, которые кулинар выдавливает из кулька или специального шприца, да и сам многослойный торт тоже. Гигантская скульптура «Рабочий и колхозница» В. И. Мухиной и Б. М. Иофана (1937) - пример аддитивного производства. Метровую модель скульптуры разрезали на слои, тщательно их измерили, затем размеры пропорционально увеличили и по ним изготовили деревянные формы, по которым, в свою очередь, выгнули стальные листы для каждого слоя, а их уже сварили в готовую скульптуру. Но сейчас мы говорим о новейших аддитивных технологиях, где главная роль отведена компьютерному моделированию трехмерных деталей любой сложности и их воссозданию слой за слоем с помощью автоматических систем.

Ничто не возникает на пустом месте, у всего в науке и технологиях есть предшественники. И хотя на протяжении последних 20 лет аддитивные технологии рассматриваются как нечто новое, их история насчитывает 150 лет, уходя корнями в такие области, как картография и фотоскульптура. Именно в этих областях деятельности впервые придумали разделить исходную модель на слои или фрагменты, а затем с их помощью воссоздать цельный объемный объект. В 1860 году французский скульптор Франсуа Виллем впервые сделал фотоскульптуру. Он оборудовал специальную круглую комнату, в которой был обозначен точный геометрический центр. В этот центр ставили или сажали в кресло человека, чью скульптуру предстояло сделать, и его одновременно фотографировали 24 камеры, встроенные в стены на равной высоте и равном расстоянии друг от друга. Так скульптор получал исчерпывающую информацию о модели со всех сторон и мог воссоздать ее в материале. Руками, конечно. В 1890 году Йозеф Блантер придумал послойный метод изготовления пресс-форм для печати рельефных топографических карт, на которых видны возвышенности, низменности и горы в строгом соответствии с топографическими линиями.

У истоков современного аддитивного производства стояла стереолитография. Она использовала подход, который придумал Отто Джон Мюнц в 1951 году. В установке Мюнца поршень в цилиндре смещался на маленькое расстояние и освобождал пространство для слоя, которое заполняли светочувствительным полимером. Затем полимер облучали светом так, что он застывал только на определенном участке. Следующее движение поршня - еще один слой, еще один цикл отверждения... В результате из многих слоев получалась объемная полимерная модель.

Это был ключевой принцип, который лег в основу современной стереолитографии (SL). Дальнейшие усовершенствования касались технических деталей - методов сканирования модели, способов формирования слоев из разных материалов, проецирования изображения и технологий отверждения (ультрафиолет, лазерный луч, электронный пучок и т. п.). В 1984 году Чарльз Халл запатентовал технологию и основал компанию 3D Systems, которая в 1986 году начала промышленное использование стереолитографии.

После изобретения принципа и его первого успешного практического использования события всегда развиваются по нарастающей. В 1985 году появляется технология ламинирования LOM (Laminated Object Manufacturing), в 1986 году - технология послойного наплавления FDM (Fused Deposition Modeling). Уже в 1990-х аддитивные технологии с использованием нагрева лазерным и электронным лучом для получения металлических объектов стали частью мирового производственного ландшафта.

Поначалу технологии создания трехмерных объектов называли «быстрым прототипированием». Название никакое. Но тут постарались студенты Массачусетского технологического института и в 1995 году предложили броский короткий термин «3D-Printing». Название понравилось, прижилось, стало модным. Хотя даже из этого названия следует, что 3D-печать лишь часть большой группы технологий, используемых в аддитивном производстве.

Завышенные ожидания

Всплеск в развитии аддитивных технологий пришелся на 2009 год. По мнению Королевской инженерной академии Великобритании, он связан с окончанием срока действия одного из ключевых патентов, который описывал метод FDM с использованием плавкой пластиковой нити. В результате цены на системы 3D-печати снизились в несколько раз, а инвесторы и производители немедленно обнаружили множество достоинств в аддитивных технологиях применительно к авиационной и автомобильной промышленности, к архитектуре и строительству.

Достоинства и преимущества, конечно, есть. Сам принцип сложения, а не вычитания подразумевает, что мы экономим исходные материалы. Не надо, подобно скульпторам, брать глыбу мрамора и отсекать все лишнее. Суть аддитивных технологий - использовать ровно столько материала, сколько требуется для создания объекта. Экономия материала в каждом конкретном случае будет различной, от небольшой до значительной. Если, например, у какой-то детали сплошные элементы заменить на ажурные без потери прочности (вспомним башни Шухова), то выигрыш будет очень большим. Ажурные детали сложно формовать штамповкой и литьем. А вот аддитивные технологии с этим справляются легко. И тогда создание шарнирного уголка гондолы для самолета, по оценкам European Aeronautic Defense and Space Company (Бристоль, Великобритания) и EOS Innovation Center (Уорвик, Великобритания), сэкономит до 75% исходного материала. Не говоря уже о том, что облегченные детали без потери прочности очень уместны в самолетах.

Вообще, аддитивные технологии теоретически позволяют изготавливать детали любой произвольной формы и любой сложности, например - изделия с внутренними каналами охлаждения. На токарном станке сделать это, мягко говоря, затруднительно. И конечно же трехмерные компьютерные модели деталей можно мгновенно передавать с помощью Интернета в любую точку мира - туда, где они требуются в данную минуту, на любое локальное производство. Поэтому стоимость и сроки запуска в производство какой-нибудь важной штуки заметно сократятся. Немаловажно и то, что детали можно делать только под заказ, штучно, и не накапливать их на складе. Так что плюсы, безусловно, есть.

Любая новая технология, прежде чем она займет свое место на рынке, проходит вполне стандартный путь «созревания», на котором, впрочем, может и умереть, не добравшись до финиша. Первые успешные попытки применения того или иного нового принципа на уровне прототипов порождают бум исследований и разработок и завышенные ожидания общества, достигающие пика. Затем разработчики, промышленники и общество «прозревают», осознают суровую реальность и начинают расставаться с иллюзиями. И только потом, скатившись с горы массового восторга, технология начинает медленно подниматься на плато, чтобы занять свое место на рынке. Точно такой путь проходят нанотехнологии. Они уже преодолели пик завышенных ожиданий в конце первого десятилетия XXI века, скатились в долину разочарования и теперь потихоньку, методично и без лишнего треска начинают взбираться на плато.

По оценкам компании Gartner, ожидания общества от технологии 3D-печати - соответствующий прибор в каждом доме, который позволит «печатать» самим все, что душе угодно, и не ходить в магазин, - сейчас находятся на пике. Это значит, что в ближайшие несколько лет она начнет скатываться с этой самой горы и лишь через 5–10 лет определит свое реальное место на рынке.

Пока что присутствие аддитивных технологий на мировом рынке более чем скромное - 2,2 млрд. долларов в 2012 году. Причем лишь 54% этой суммы приходилось собственно на продукцию технологий (26% - на производство оборудования, 19% - на производство исходных материалов). Но, как и любая новая технологическая отрасль, она характеризуется очень высокими темпами развития: среднегодовые темпы прироста в 2010–2012 годах составили 27%. Тем не менее Wohlers Associates оценивают рынок аддитивных технологий к 2021 году в размере всего лишь 10,8 млрд. долларов. Для сравнения: рынок продукции нанотехнологий в 2013 году превысил один триллион долларов (по данным Национальной нанотехнологической инициативы США).

Трезвый взгляд Сколтеха

Конечно, аддитивные технологии не универсальны. И конечно же любая технология имеет недостатки, ограничивающие и сдерживающие ее применение. В таблице представлен перечень технологий для аддитивного производства и материалы, которые они используют.

Давайте посмотрим, где здесь таятся подводные камни.

Стереолитография - один из самых старых и заслуженных процессов, дающий наибольшую точность в изготовлении объекта и позволяющий контролировать его параметры. Схема процесса хорошо отлажена. Сначала создают компьютерную модель объекта, затем нарезают модель в STL-формате, чтобы получить набор сечений. Этот набор передают в стереолитографический аппарат, который управляет процессом послойного формирования детали в ванне со специальным полимером. Аргоновый лазер очерчивает двумерные сечения и заставляет полимер затвердевать. Если степень полимеризации недостаточна, то готовые детали помещают в УФ-печи, чтобы уж затвердело наверняка.

Стереолитографию сегодня применяют для быстрого прототипирования, когда нужно изготовить пробный образец чего-либо, для изготовления пресс-форм и форм для литья. Но есть проблемы. В ванне после процесса всегда остается неизрасходованный материал, который, впрочем, функционален - он поддерживает изготавливаемую деталь «на весу». Но его придется отделять, а это время и лишний расход материала. Кроме того, сами изделия из полимера, полученные таким способом, не отличаются долговременной стабильностью, поэтому технологию не используют для серийного производства деталей.

Метод послойной наплавки (FDM) тоже хорош для быстрого прототипирования. Из сопла-дозатора, движениями которого управляет компьютер, расплавленный материал (чаще всего - полилактид или акрилонитрилбутадиенстирол, то есть АВС-пластик) наносится последовательными слоями и быстро затвердевает, поскольку исходно он был нагрет всего лишь на градус выше, чем его температура плавления. При такой технологии точность изготовления детали не может быть высокой (не меньше 0,05 мм), она ограничивается размером сопла и другими факторами. Качество поверхности сильно уступает тому, что получается при литье. И, что очень важно, механическая прочность изделий оставляет желать лучшего. Дело не только в остаточных термических напряжениях, которые вызывают последующую деформацию, но и в ярко выраженной анизотропии, когда механические свойства детали разные по разным направлениям внутри материала.

Струйная печать (IJP, Inkjet Printing) наносит светоотверждаемые полимерные слои (как правило, на основе акрила) при помощи печатающих головок с множеством сопел. Поэтому скорость печати довольно высока. К тому же полимер отверждается ультрафиолетовым излучением непосредственно при печати. Технология дает относительно высокую точность и хорошее разрешение. Все вроде хорошо. Но изделия по своим характеристикам все равно проигрывают тем, что получены традиционным литьем. Они хрупкие! С материалами для этой технологии тоже проблема - выбора практически нет. Так что ее область применения ограничивается прототипированием и точным литьем единичных изделий.

У технологий лазерного спекания (SLS, DMLS) свои трудности, хотя суть та же самая. Создается трехмерная компьютерная модель и нарезается на тонкие сечения. Специальный валик наносит на подложку слой (100 мкм) порошка (полимер, керамика, металл). Лазерный луч (мощность 25–100 Вт, длительность импульса 0,5–25 мс) очерчивает контур и спекает эту часть слоя. Затем валик наносит следующий слой порошка, и все повторяется. В чем проблемы? Проблемы в том, что в этих условиях трудно рассчитывать на полное плавление всех частиц порошка в слое, особенно если это легированный порошок. В результате получается неоднородная микроструктура материала, его механические свойства становятся хуже. Значит, деталь придется дополнительно нагревать, чтобы все там расплавилось. И зачем такая морока, если есть литье и прокат?

Так, может, сделать слой потоньше, а лазер помощнее, чтобы все уж заведомо расплавилось и спеклось? Именно так и поступают при селективном лазерном спекании (SLM, Selective Laser Melting), когда работают с порошками цветных металлов - титана, алюминия и меди: толщина порошкового слоя 20–40 мкм, мощность лазера до 1 кВт. Но чем тоньше слой, тем больше слоев, значит, время изготовления, и без того не маленькое, сильно увеличивается. А более мощный лазер, да еще с большим количеством слоев, съедает больше энергии. Однако, пожалуй, самое главное заключается в том, что при этой технологии детали склонны давать сильную усадку, вызывая значительные остаточные напряжения в изготовленных изделиях, которые, в свою очередь, могут вызвать деформацию и даже расслоение конечного продукта.

С электронно-лучевой плавкой - своя головная боль. Здесь круг используемых материалов ограничен проводящими электрический ток металлическими порошками. Сам процесс EBM выполняется в камере с глубоким вакуумом, что делает его довольно затратным, но, с другой стороны, облегчает работу с материалами, чувствительными к окислению.

Пожалуй, самый неоднозначный в этом ряду - это процесс послойного изготовления объектов из листового материала (LOM). Суть его в том, что изделие собирают из отдельных листов, вырезанных лазером, которые должны быть скреплены между собой. Здесь без ручной доводки, когда нужно убирать лишний материал и зачищать хвосты, не обойтись. Плюс ограниченная точность формирования изделий, неоднородность свойств материала, проблемы с долговечностью... На первый взгляд главная область его приложения - это прототипирование. Хотя у технологии, безусловно, есть потенциал, который еще предстоит раскрыть.

Подводя итог беглому экскурсу по основным аддитивным технологиям, следует признать, что количество факторов, сдерживающих распространение аддитивного производства, велико. Оборудование дорогое, материалы тоже, скорость изготовления маленькая, качество поверхности деталей таково, что необходима последующая механическая обработка, внутри детали наблюдается неоднородность свойств материала. Но главное, чего не приемлет серийное производство, - это плохая воспроизводимость, причем многоуровневая. На одной и той же установке получаются изделия с неодинаковыми характеристиками. Отличия усиливаются, если одну и ту же модель изготавливают на двух вроде бы одинаковых аппаратах одного производителя. А уж если взять оборудование от разных производителей и сделать на них модели по одному «чертежу», то различия будут еще более явными. Эта неустойчивость характеристик оборудования и продукции чрезвычайно затрудняет аттестацию и сертификацию, без которых никакое серийное производство сегодня немыслимо. Вообще, стандартизация новых технологий - глобальная проблема, которую сегодня решают уполномоченные государственные учреждения в содружестве с промышленными компаниями. Все это требует времени, усилий и ресурсов

Об этих проблемах в докладе Сколтеха написано довольно обстоятельно. Спасибо авторам за трезвый взгляд, которого сегодня частенько не хватает миру новых технологий. Однако перечисленные проблемы отнюдь не ставят крест на аддитивном производстве. Просто надо понимать, что у любой технологии есть границы применимости. А проблемы на то и проблемы, чтобы их решать.

Сегодня и завтра

Как-то пару лет назад представители современной модной молодежи, далекие, впрочем, от мира технологий, небрежно объясняли мне, что завтра никакие старые производства не понадобятся и все их закроют, потому что буквально всё будут печатать на 3D-принтерах. «И рельсы тоже будут печатать?» - спросила я. «И рельсы тоже», - получила я уверенный ответ. «А где будут брать материал для печати?» - решила я все-таки уточнить. «Да в магазинах купят!» - ответили мне собеседники совершенно серьезно.

Экономическая целесообразность и здравый смысл - вот что сдерживает распространение любых технологий. Зачем нам «аддитивные рельсы» и «аддитивные балки», если они дороже чугунного моста и в любой момент могут лопнуть? Зачем нам пластиковые бутылки и кружки, напечатанные на 3D-принтерах, если каждую надо печатать не меньше часа и стоит она соответственно гораздо больше тех, что производят серийно литьем и штамповкой?

Тем не менее у аддитивного производства со всей очевидностью есть ниша, которую можно описать так: производство единичных изделий и мелких партий уникальных деталей из дорогих материалов и в тех случаях, когда стоимость станочной обработки высока. На самом деле это очень большая ниша, начиная от ремонта и восстановления деталей сложных агрегатов и индивидуальных протезов до создания уникальных деталей сложной конфигурации.

Одна из сильных сторон аддитивного производства - штучное изготовление изделия любой формы. Как же это важно в медицине! И здесь аддитивное производство продвинулось довольно далеко. Сегодня методом стереолитографии успешно изготовлены и испытаны персональные сердечные клапаны, искусственные челюсти, части коленного сустава, акриловые краниопластические имплантаты (попросту - части черепа). Причем все эти детали сугубо индивидуальные, в точности повторяющие те, что приходится заменять. Два ведущих производителя слуховых аппаратов, Siemens и Phonak, применяют аддитивные технологии для изготовления индивидуальных устройств, точно соответствующих уху пациента. Компании могут сделать такие устройства за один день!

Так что медицина - обширное поле для аддитивного производства, начиная с изготовления специального хирургического инструмента, индивидуальных протезов, имплантатов и заканчивая тканями и органами из клеток человека.

Особый интерес к технологиям аддитивного производства проявляет авиационно-космическая промышленность. В общем-то, оно и понятно. Эти отрасли требуют мелкосерийного производства высококачественных деталей, то есть штучного товара. Другое дело, что сертификационные требования здесь очень жесткие. Самолет - это не шутки, из-за поломки одной детали могут погибнуть люди. Да и на космическом корабле тоже. Тем не менее некоторые сертификаты уже выданы. Компания General Electric заявила, что готова к относительно массовому производству топливных форсунок для своего нового турбовинтового двигателя LEAP с помощью процесса DMLS из кобальтохромового порошка. Компания отметила, что может выпускать по меньшей мере 25 000 форсунок в год (одному двигателю требуется 19 форсунок).

Журналисты утверждают, что компания Boeing произвела методами аддитивных технологий более 20 000 деталей, которые уже используют в военных и гражданских самолетах компании. Множество SLS-деталей установлено на нескольких версиях военных самолетов, таких, как самолет дальнего воздушного радиолокационного обнаружения и управления, модели C-40, AWACS и P-8.

Аддитивные технологии оказались чрезвычайно востребованными для ремонта и восстановления деталей больших механизмов, скажем - турбинных лопаток. Расчеты показывают, что если в авиационном двигателе AV8B, сделанном из сплава титана, алюминия и ванадия, восстанавливать лопатки по технологии LENS, то можно сэкономить 715 000 долларов в год. Вообще, в литературе на эту тему много примеров.

Скажем, авиакомпания может сэкономить 2,5 млн долларов только за счет того, что уменьшит на 50–80% вес металлических креплений в салоне. Именно это и позволяют сделать аддитивные технологии.

Компания Daimler AG (Штутгарт, Германия) в партнерстве с Concept Laser и Фраунгоферовским институтом лазерных технологий перешла на изготовление крупных функциональных металлических частей с помощью аддитивных технологий. Они позволили оптимизировать геометрию деталей и добиться снижения веса. Компания Local Motors с помощью 3D-печати изготовила первый пригодный для поездок автомобиль под названием Strati. Этот двухместный электрокар официально представили публике в сентябре 2014 года в Чикаго. Strati состоит всего из 49 деталей, включая напечатанный на 3D-принтере корпус, в то время как типичный промышленный автомобиль имеет в своем составе несколько тысяч деталей. Печать автомобиля из термопластика, усиленного углеродными волокнами, с помощью лазерной системы заняла примерно 44 часа. Автомобиль способен разгоняться до скорости 40 миль в час и проезжать на одной зарядке до 120 миль. Продажи Strati могут начаться в 2016 году, а его цена составит 18 000–34 000 долларов. Другим пригодным для эксплуатации электромобилем, изготовленным с помощью 3D-печати, станет Urbee 2, который будут делать с помощью технологии FDM.

Но пожалуй, самая просторная ниша для аддитивного производства - это товары широкого потребления. Компания FOC (Нидерланды) моделирует предметы обстановки (абажуры, стулья и другие декоративные элементы) и производит их из нейлонового порошка с помощью технологии LS по мере получения заказов через Интернет.

Аддитивное производство дает больше свободы дизайнеру. В сущности - твори, что хочешь, все возможно. Поэтому неудивительно, что на подиум уже выходят модели в одежде из тканей, вышедших из 3D-печати, и в замысловатой пластиковой обуви того же происхождения.

Свобода проектирования распространяется и на клиентов, которые могут через Интернет самостоятельно управлять дизайном продукта. Компания Figureprints предлагает клиентам создать собственного персонажа игры World of Warcraft с помощью программы на сайте и отправить свой заказ производителю. Фигурку персонажа изготавливают на централизованном производстве и высылают заказчику. В игровой индустрии уже существуют сотни миллионов виртуальных персонажей, которых покупатели вполне могут захотеть превратить в физические объекты. По этой причине игровая индустрия может стать одной из самых привлекательных рыночных ниш для аддитивного производства.

Что же касается архитектуры и прикладного искусства, то здесь аддитивные технологии утвердились, видимо, навсегда. А как иначе создавать макеты новых зданий, сооружений и городов. Да и скульптуру проще «отпечатать» по модели (можно ведь и тиражировать), чем лепить руками или отливать из бронзы, - дорого!

В мире и в России

Аддитивное производство требует оборудования. Сегодня рынок соответствующих установок делится на три сегмента. Быстрее всего растет сегмент дешевых 3D-принтеров для офисов, ориентированных на изготовление концептуальных макетов. Второй сегмент - оборудование средней стоимости для создания прототипов деталей с различной степенью точности и/или функциональности. Дешевые и средние по стоимости установки обычно работают с полимерным материалом. Третий сегмент - установки высокого класса, которые стоят от двухсот тысяч до двух миллионов долларов. Они работают с полимерами, металлическими и керамическими порошками, с их помощью можно делать вполне крупногабаритные детали. Ведущие изготовители установок - американские компании 3D Systems и ExOne, израильская Stratasys, шведская Arcam, а также немецкие EOS и Voxejet.

К 2013 году производством и продажей установок занимались шестнадцать компаний в Европе, семь - в Китае, пять - в США и две - в Японии. По числу смонтированных систем с большим отрывом лидируют США, собравшие у себя 38% промышленных установок. Значительное количество установок эксплуатируется также в Японии (9,7%), Германии (9,4%) и Китае (8,7%).

Доля России составляет 1,4%, что и понятно - научный задел России в этой области весьма невелик, всего 0,76% от мирового объема научных публикаций в этой области. За последние 15 лет в России был выдан 131 патент по различным аспектам аддитивного производства (0,14% от мирового количества), причем 14 из них получили российские заявители, а 117 - иностранные. Для сравнения: Южная Корея, США, Япония и Китай совместно владеют 90% патентов в этой сфере.

Что касается производства, то в России используют и внедряют аддитивные технологии считанное количество промышленных компаний и исследовательских центров в Москве, Санкт-Петербурге, Воронеже, Самаре, Ставрополе и Казани. Правда, в основном они продают западное оборудование и в лучшем случае занимаются прототипированием. Опять мы оказались в отстающих. Конечно, все объяснимо: оборудование дорогое, кадры надо готовить, производство соответствующих исходных материалов налаживать, стимулировать фундаментальные исследования и НИОКР.

Но есть и другой важнейший системный фактор. Применение аддитивного производства оправданно лишь тогда, когда четко и эффективно налажено управление всем жизненным циклом продукции - то, что в российской промышленности практически отсутствует. Иными словами, нужна развитая, хорошо скоординированная промышленность-от добывающей к перерабатывающей и производящей. Именно с этим столкнулась российская Нанотехнологическая инициатива, объявленная в 2007 году. В результате РОСНАНО пришлось заниматься созданием системы подготовки кадров и инфраструктуры, стандартизацией, сертификацией и строительством предприятий.

Ничего не поделаешь, придется работать с тем, что есть. Главное, не ставить задачу «догнать и перегнать» и «занять n% мирового рынка». Хотя и на мировом рынке Россия могла бы найти свою нишу, если бы разработала и предложила подходящие материалы для аддитивного производства - металлические или керамические порошки, например. Однако гораздо важнее подумать о внутреннем рынке. А чтобы его создать и обеспечить, необходима общенациональная программа развития аддитивного производства.

Подготовлено по материалам «Публичного аналитического доклада по развитию новых производственных технологий», выпущенного Сколковским институтом науки и технологий 22 октября 2014 года.

– процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных трехмерных моделей, как правило, послойно, в отличие от субтрактивного метода и метода формовки. В разное время использовались такие термины, как аддитивное изготовление, аддитивные процессы, аддитивные методы, аддитивное послойное производство, послойное производство, изготовление твердотельных изделий произвольной формы и изготовление изделий произвольной формы.

В этой динамически развивающейся отрасли быстро появляются новые термины. 3D-печать , согласно стандарту ISO/ASTM 52900, - это изготовление объектов путем нанесения материала печатной головкой, с помощью сопла или другой технологии печати. В прошлом этот термин ассоциировался с недорогими станками невысокой производительности. Однако сейчас это не так: термины «аддитивное производство» и «3D-печать» означают одно и то же.

«Аддитивное производство» (Additive Manufacturing) - официальный отраслевой термин, утвержденный организациями по стандартизации ASTM и ISO, однако словосочетание « » более распространено и фактически стало стандартом. Особенно широко оно используется в СМИ, терминологии стартапов, инвесторов и других сообществ.

Одно из преимуществ аддитивных технологий – возможность создания объектов сложной формы и структуры с высокой точностью

К аддитивному производству (АП) относятся семь различных . Изделия можно создавать послойно путем:

• экструзии,
• разбрызгивания (струйного напыления),
• УФ-отверждения,
• ламинирования,
• сплавления материалов.

Основные технологии , применяемые при создании изделий на аддитивных установках:

• SLM/DMP (Selective Laser Melting / Direct Metal Printing) – металлического порошка по математическим CAD-моделям при помощи иттербиевого лазера;
• SLA (Laser Stereolithography) – , основана на послойном отверждении жидкого материала под действием лазера;
• SLS (Selective Laser Sintering) – под лучами лазера частиц порошкообразного материала до образования физического объекта по заданной CAD-модели;
• FDM (Fused Deposition Modeling) – метод послойного наплавления с использованием пластиковой нити;
• MJP (MultiJet Printing) – с помощью фотополимера или воска;
• CJP (ColorJet Printing) – путем склеивания специального порошка на основе гипса.

Основные материалы , используемые в аддитивных процессах:

• пастообразные пластики;
• УФ- и фотоотверждаемые жидкие ;
• керамонаполненные жидкие фотополимеры;
• гипсовый порошок;
• полистирол в виде порошка;
• стеклонаполненные, угленаполненные и металлонаполненные полиамиды в виде порошка;
• в виде порошка и др.

Аддитивные технологии используются для создания физических моделей, прототипов , образцов, инструментальной оснастки и производства пластиковых, металлических , керамических, стеклянных, композитных компонентов и компонентов из биоматериалов. Принцип действия аддитивных установок основан на построении тонких горизонтальных слоев из 3D-моделей, созданных с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) и 3D-сканеров .

Проектные и производственные предприятия используют АП для изготовления изделий потребительского, промышленного, медицинского и военного назначения, и это далеко не все. Камеры, мобильные телефоны, , внутренняя отделка автомобилей, детали и узлы самолетов , станки и медицинские имплантаты - лишь начало обширнейшего списка продуктов аддитивного производства.

АП упрощает и ускоряет процесс разработки продукции. Компании прибегают к аддитивным технологиям, стремясь сократить время производства, повысить качество продукции и сократить затраты. В качестве средства визуализации 3D-печать помогает предприятиям определить вероятность создания дефектной или неудовлетворительной продукции. Кроме того, разрабатываются методы, процессы и системы для изготовления оснастки. Первые попытки были направлены на быстрое создание оснастки, например, форм для литья под давлением, но они не были успешными.

В последнее время 3D-печать стали использовать для повышения качества оснастки для под давлением. В некоторых областях АП применяют для получения результатов, недостижимых при использовании обычных станков. В других производствах аддитивные технологии используются для создания таких инструментов для изготовления и сборки, как зажимные устройства, крепления, шаблоны и направляющие для сверления и резки.

3D-печать оказывает большое влияние на производство многих продуктов. Предприятия - крупные и малые - успешно применяют технологии для производства готовых изделий . По мнению экспертов, производство готовых изделий станет крупнейшей областью применения аддитивных технологий. Эта технология может повлиять на производство больше, чем другие, традиционные, методы.

Отрасль продолжает развиваться, возникают новые методы, технологии, материалы, прикладные задачи и бизнес-модели . Расширяется география и сфера промышленного применения АП. Аддитивные технологии уже оказали огромное влияние на развитие проектирования и производства; в будущем их роль будет все больше возрастать.

В России рынок 3D-технологий достаточно молод, но уже показывает динамичный рост (по данным Роснано , около 30% в год). Все больше компаний осознают потребность в применении аддитивных методов в производстве и научных исследованиях. Есть организации, которые активно занимаются сертификацией материалов и уже тестируют 3D-принтеры собственного производства. На предприятиях появляются лаборатории по разработке и внедрению 3D-решений на отдельных участках технологического цикла.