Применение новых технологий - главный тренд последних лет в любой сфере промышленного производства. Каждое предприятие в России и мире стремиться создавать более дешевую, надежную и качественную продукцию, использую самые совершенные методы и материалы. Использование аддитивных технологий - один из ярчайших примеров того, как новые разработки и оборудование могут существенно улучшать традиционное производство.

Что такое аддитивные технологии?

Аддитивные технологии производства позволяют изготавливать любое изделие послойно на основе компьютерной 3D-модели. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления. Если при традиционном производстве в начале мы имеем заготовку, от которой оптом отсекаем все лишнее, либо деформируем ее, то в случае с аддитивными технологиями из ничего (а точнее, из аморфного расходного материала) выстраивается новое изделие. В зависимости от технологии, объект может строиться снизу-вверх или наоборот, получать различные свойства.

Общую схему аддитивного производства можно изобразить в виде следующей последовательности:

Первые аддитивные системы производства работали главным образом с полимерными материалами . Сегодня 3D-принтеры , олицетворяющие аддитивное производство, способны работать не только с ними, но и с инженерными пластиками , композитными порошками , различными типами металлов , керамикой, песком . Аддитивные технологии активно используются в машиностроении, промышленности, науке, образовании, проектировании, медицине, литейном производстве и многих других сферах.

Наглядные примеры того, как аддитивные технологии применяются в промышленности - опыт BMW и General Electric:

Преимущества аддитивных технологий

• Улучшенные свойства готовой продукции. Благодаря послойному построению, изделия обладают уникальным набором свойств. Например, детали, созданные на металлическом 3D-принтере по своему механическому поведению, плотности, остаточному напряжении и другим свойствам превосходят аналоги, полученные с помощью литья или механической обработки.
• Большая экономия сырья. Аддитивные технологии используют практически то количество материала, которое нужно для производства вашего изделия. Тогда как при традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 80-85%.
• Возможность изготовления изделий со сложной геометрией. Оборудование для аддитивных технологий позволяет производить предметы, которые невозможно получить другим способом. Например, деталь внутри детали. Или очень сложные системы охлаждения на основе сетчатых конструкций (этого не получить ни литьем, ни штамповкой).
• Мобильность производства и ускорение обмена данными. Больше никаких чертежей, замеров и громоздких образцов. В основе аддитивных технологий лежит компьютерная модель будущего изделия, которую можно передать в считанные минуты на другой конец мира - и сразу начать производство.

Схематично различия в традиционном и аддитивном производстве можно изобразить следующей схемой:

Аддитивное производство: технологии и материалы

Под аддитивным производством понимают процесс выращивания изделий на 3D-принтере по CAD-модели. Этот процесс считается инновационным и противопоставляется традиционным способам промышленного производства.

Сегодня можно выделить следующие технологии аддитивного производства:

• FDM (Fused deposition modeling) - послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити. Это самый распространенный способ 3D-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3D-принтеров - от самых дешевых до промышленных систем трехмерной печати. FDM-принтеры работают с различными типами пластиков, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, гибкостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов. Крупнейшим в мире производителем пластиковых 3D-принтеров является американская компания Stratasys .
  .

• SLM (Selective laser melting) - селективное лазерное сплавление металлических порошков. Самый распространенный метод 3D-печати металлом. С помощью этой технологии можно быстро изготавливать сложные по геометрии металлические изделия, которые по своим качествам превосходят литейное и прокатное производство. Основные производители систем SLM-печати - немецкие компании SLM Solutions и Realizer .
  .

• SLS (Selective laser sintering) - селективное лазерное спекание полимерных порошков. С помощью этой технологии можно получать большие изделия с различными физическими свойствами (повышенная прочность, гибкость, термостойкость и др). Крупнейшим производителем SLS-принтеров является американский концерн 3D Systems .
  .

• SLA (сокращенно от Stereolithography) - лазерная стереолитография, отверждение жидкого фотополимерного материала под действием лазера. Эта технология аддитивного цифрового производства ориентирована на изготовление высокоточных изделий с различными свойствами. Крупнейшим производителем SLA-принтеров является американский концерн 3D Systems .
  .

В отдельную категорию стоит вынести технологии быстрого прототипирования . Это способы 3D-печати, предназначенные для получения образцов для визуальной оценки, тестирования или мастер-моделей для создания литейных форм.

• MJM (Multi-jet Modeling) - многоструйное моделирование с помощью фотополимерного или воскового материала. Эта технология позволяет изготавливать выжигаемые или выплавляемые мастер-модели для литья, а также - прототипы различной продукции. Используется в 3D-принтерах серии ProJet компании 3D Systems.
• PolyJet - отверждение жидкого фотополимера под воздействием ультрафиолетового излучения. Используется в линейке 3D-принтеров Objet американской компании Stratasys . Технология используется для получения прототипов и мастер-моделей с гладкими поверхностями.
• CJP (Color jet printing) - послойное распределение клеящего вещества по порошковому гипсовому материалу. Технология 3D-печати гипсом используется в 3D-принтерах серии ProJet x60 (ранее называлась ZPrinter). На сегодняшний день - это единственная промышленная технология полноцветной 3D-печати. С ее помощью изготавливают яркие красочные прототипы продукции для тестирования и презентаций, а также различные сувениры, архитектурные макеты.

Аддитивные технологии в России

Отечественные предприятия с каждым годом все более активно используют системы 3D-печати в производственных и научных целях. Оборудование для аддитивного производства, грамотно встроенное в производственную цепочку, позволяет не только сократить издержки и сэкономить время, но и начать выполнять более сложные задачи.

Компания Globatek.3D с 2010 года занимается поставкой в Россию новейших систем 3D-печати и 3D-сканирования. Оборудование, установленное нашими специалистами, работает в крупнейших университетах (МГТУ им. Баумана, МИФИ, МИСИС, Приволжском, СГАУ и других) и промышленных предприятиях, учреждениях ВПК и аэрокосмической отрасли.

Репортаж телеканала «Россия» об использовании SLM 280HL, установленном специалистами Globatek.3D в Самарском государственном аэрокосмическом университете:

Специалисты GLobatek.3D помогают профессионалам из различных областей подобрать 3D-оборудование, которое будет максимально эффективно решать задачи, стоящие перед предприятием. Если ваша компания планирует приобрести оборудование для аддитивного производства, позвоните по телефону +7 495 646-15-33 , и консультанты компании Globatek.3D помогут вам с выбором.

Globatek.3D - 3D-оборудование для профессионалов.

Среди технологий, постоянно появляющихся в жизни человека благодаря достижениям научного прогресса, существуют и такие, которые носят название «аддитивных». Это определение произошло от заимствованного слова «аддитивность», или, если быть точнее, от английского словосочетания «additive manufacturing» (сокращенно – AF), которое дословно переводится как «прибавляемое производство». Так что же это такое, и чем данный вид технологий может быть полезен обществу сегодня?

Сущность

Аддитивные технологии являются отраслью цифровой промышленности и представляют собой такой метод производства изделий и различных продуктов, при котором происходит наращение слоев объекта посредством использования компьютерных устройств для 3D-печати. Что же за материалы их заполняют? Обычно это воск, металлические и гипсовые порошки, полистирол (бесцветный и стеклообразный полимер, напоминающих пластик), полиамиды (пластмассы), жидкие фотополимеры (заготовки, затвердевающие под воздействием световых лучей, чаще всего ультрафиолетовых) и пр.

Возникновение: как это было

История аддитивных устройств началась в 1986 году, когда один из представителей компании «Ultraviolet Products» по имени Чарльз Халл (ныне исполнительный вице-президент и главный технический директор собственной организации «3D Systems») сконструировал первый в мире стереолитографический принтер для трехмерной печати. Механизм был произведен главным образом для обеспечения оборонного комплекса США своевременными поставками. Халл обратил внимание на то, что для создания отдельных деталей и их последующей сборки требуется большое количество времени и сил. Поэтому он решил не только прибегнуть к помощи ультрафиолетового излучения, но и осуществить задуманное максимально рационально. Так, мужчина сначала наложил друг на друга несколько тысяч слоев пластика, а уже потом закрепил их одной ультрафиолетовой обработкой.

Позднее Чарльз покинул обанкротившуюся фирму «UVP», но останавливаться на разработке собственного детища не пожелал, – он запатентовал техническое изобретение в 1983 году и лично основал компанию, которая затем разрослась до масштабов настоящей корпорации. Сегодня «3D Systems» является одним из ключевых участников рынка принтеров, изделий и программного софта для создания объемной продукции.

Последующее развитие аддитивные технологии получили благодаря товарищам-студентам из Массачусетского технологического института. В 1993 году Джим Бредт и Тим Андерсон решили качественно дополнить уже существующие наработки собственными идеями, а потому взяли и модифицировали обычный 2D принтер в устройство для 3D печати. В модернизированном устройстве применялись не листы бумаги, а похожий на клей специальный жидкий состав, который разбрызгивался по тонким слоям основного наполнителя (полимерного, металлического или гипсового порошка) и затвердевал. Бредт и Андерсон подарили AF мировую известность, ведь сделали их более ходовыми и универсальными. В 1995 году друзья организовали собственную организацию «Z Corporation», успехи которой не остались без внимания «3D Systems», – в 2012 году она приобрела более мелкую, но не менее перспективную компанию, и их передовые проекты начали выходить в свет под общим логотипом.

Назначение и применение

Все это означало только одно – вступление в новую эру, качественное изменение многих производственных сфер и упрощение организационных процессов! Например, в автомобильной промышленности значительно ускорился этап разработки прототипов, ведь почти все комплектующие, будь то мощные двигатели или обыкновенные кнопки и рычаги, начали создаваться с полным или частичным использованием технологии 3D печати.

Кроме того, компании стали существенно экономить, ведь теперь производство:

• больше не требовало наличия такого разнообразного инструментария, как прежде;
• могло осуществляться при контроле меньшего количества сотрудников. По сути, для правильного создания детали оказывается достаточного 1-2 инженеров. Главное, что от них требуется – это полные и всесторонние знания проектирования и дизайна технических конструкций, а также понимание особенностей работы с AF установками.

Активно применяются подобные принтеры и… в медицине! Это может показаться невозможным, но даже на современном этапе трехмерные изделия используются как заменяющие и реконструирующие элементы, например, когда речь идет о челюстно-лицевой хирургии. В марте 2018 года в Манчестере была открыта клиника, специализирующаяся на выпуске стержней, протезов и пластин на 3D принтерах, которые заполняются пластмассовыми или металлическими смесями. Несмотря на то, что одна только установка модели «PolyJet» обошлась больнице в $42000, согласно подсчетам руководства, вложение в собственную лабораторию объемной печати окупится быстрее, чем постоянное обращение к посредникам. Сотрудники клиники прогнозируют, что уже через 5 лет подобные центры станут обязательными при лечебных и реабилитационных заведениях, особенно если они занимаются онкологическими, ортопедическими, неврологическими и ревматологическими заболеваниями.

Интересный факт! AF используются и для изготовления искусственных конечностей.

Пробная программа, начатая в 2017 году в столице Иордании, не только продолжает набирать обороты, но и демонстрирует положительные результаты. В Аммане осуществляется лечение людей, бежавших от военных действий в Сирии, Йемене и Ираке. Так, уже 5 добровольцев обзавелись «напечатанными» протезами, которые, во-первых, обошлись им намного дешевле обычных (порядка $20 против сотен долларов), и, во-вторых, были произведены с учетом индивидуальных особенностей и параметров тела.

Аддитивные технологии покоряют и другие сферы: это архитектура, авиастроительство, производство спортивного снаряжения и товаров для детей… Спектр их применения расширяется, а эксперты в один голос прочат этому направлению перспективное и радужное будущее с притоком инвестиций, возрастанием спроса на компетентную рабочую силу и повышением зарплат.

Подробнее о некоторых типах АТ

Не лишним будет упомянуть и о том, как происходит создание объемного продукта в каждом конкретном случае. Самыми популярными методами в аддитивном производстве являются:

1. Fused deposition modeling, FDM – моделирование методом послойного наплавления. Объект конструируется согласно заложенной в программное обеспечение математической цифровой модели из специальной пластиковой нити (лески), которая расплавляется до определенной температуры, а потому становится достаточно гибкой для приобретения нужной формы. Вспомогательные конструкции удаляются вручную или благодаря растворению в специальной жидкости, а готовое изделие либо оставляется в напечатанном виде, либо подвергается пост-обработке (покраска, полировка, шлифовка, склеивание и пр.). Произведенные детали всегда отличаются хорошими характеристиками, такими как износоустойчивость и термостойкость.

1. ColorJetPrinting, CJP. Суть этой продвинутой технологии заключается в использовании композитного порошка на основе гипса и пластика, который не только подвергается послойному склеиванию, но и окрашиванию в самые разные цвета палитры CMYK, включающей до 390 000 оттенков! Пока возможность цветной печати предоставляет исключительно CJP. Кроме этого, данная АТ также делает возможным воспроизведение на поверхности продукции различных текстур в высоком разрешении. Несмотря на среднюю прочность и незначительную шероховатость конечных изделий, ColorJetPrinting, характеризующаяся низкой себестоимостью, активно применяется для создания архитектурных макетов, фигурок людей в миниатюре, презентационных образцов и других наглядных объектов.

1. SelectiveLaserStering, SLS – селективное лазерное спекание. Здесь порошковые материалы (пластики и полиамиды) спекаются лазерным лучом. Такой метод одновременно подходит и для крупных промышленных изделий, и для объектов со сложной геометрией и детальной структурой, и для партий, которые выпускаются за 1 печатную сессию. Технологию SLS нередко путают с SelectiveLaserMelting, или SLM. Разница между ними заключается в том, что в первом случае сплавление оказывается частичным и осуществляется лишь по поверхности частиц, в то время как во втором результат – это получение цельного монолита.

Конференции в России

Национальный рынок АТ в России развит еще недостаточно. Потенциал сферы не раскрывается из-за дефицита кадров, недостатка материала и оборудования и отсутствия должной программы государственной поддержки.

И все же некоторые учреждения стараются собственными силами способствовать знакомству российского общества с передовыми достижениями AF. Одной из таких организаций является Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ), представители которого ежегодно устраивают тематические конференции, посвященные аддитивным технологиям. Со своими докладами выступают отечественные и зарубежные ученые и работники промышленной сферы, заинтересованные в замене традиционных форм производства инновационными методами. В этом году мероприятие, состоявшееся 30 марта, стало уже 4 по счету. Принять участие в конференции, которая прошла под лозунгом «Настоящее и будущее», смогли участники, подавшие предварительные заявки.

Все чаще в современной прессе и в глобальной сети можно встретить многочисленные публикации на тему аддитивных технологий, таких как например трехмерная печать(стереопечать, 3d-печать). Что же это такое? Это ни много не мало настоящая революция в производстве и изготовлении различного рода продукции: начиная от простых бытовых вещей и заканчивая сложными технологическими деталями и даже жилыми помещениями! Звучит невероятно и фантастически? Возможно, но в настоящее время технологии трехмерной печати получают все большее распространение. Аддитивные технологии полностью перекраивают всю сущность производства.

Отличие аддитивных технологий от традиционных

Чтобы уяснить ключевое отличие аддитивных технологий от привычных нам способов производства различных изделий, нужно понимать, что изготовить например какую-либо металлическую деталь – тот же болт или саморез, можно двумя принципиально различными способами. Первый способ всем нам хорошо известен – это механическая обработка: отрезание, отбивание, сверление отверстий и т.д. Берется брусок стали, из неё вытачиваются металлические прутки, на что расходуется значительное количество энергии и материала, далее из прутков вытачиваются уже готовые болты. Огромный минусы такого ставшего уже привычным способа производства очевидны – при изготовлении конечного продукта(в данном случае болта) большая часть исходного материала(стальной брусок) перемалывается в металлическую стружку, образуя огромное количество производственных отходов, да и расход материала согласитесь не самый рациональный. Есть конечно и другие классические способы изготовления, к примеру штамповка и литьё, однако и они имеют массу недостатков — например для изготовления методом литья необходимо сначала изготовить саму форму для заполнения, что достаточно дорого и требует специалистов высокой квалификации. Все это негативно сказывается на производительности. Создание форм актуально, если например заводу-изготовителю нужно выпустить большую партию продукции, а если несколько небольших? В этом случае изготовление форм ведет к большим издержкам и экономически нецелесообразно.

Теперь рассмотрим второй способ производства конечного продукта – он основан не на удалении части материала в результате механической обработки, а напротив на добавлении материала и наслаивании, в результате и получается готовая продукция. Отсюда и название – аддативные технологии(от английского слова «add» — добавлять,Additive Fabrication(AF) ,Additive Manufacturing(AM) ). Трехмерная печать не подразумевает никакого отрезания, распиливания, сверления. Происходит в буквальном смысле построение объекта c помощью машины послойного синтеза, которая вполне укладывается в название «3D Принтер». Во всяком случае условно можно сказать, что машина «печатает» продукцию. Как это происходит? Что используется в качестве материала? Это уже зависит от конкретной технологии трехмерной печати. К примеру стереолитография(Stereolithography) подразумевает использование лазера, под воздействием которого затвердевает сырье – жидкий фотополимер. Селективное лазерное спекание(Selective Laser Sintering — SLS) использует специальные порошки, частички которых соединяются под воздействием лазера, так называемая «экструзионная печать» использует разного рода пластичный материал, подающийся через сопла на поверхность, где воспроизводится продукт. Технологию действительно можно сравнить с классической печатью, только вместо бумаги может выступать различная поверхность, а вместо тонера пластичный материал.

Процесс изготовления шестеренки с использованием традиционных технологий:

Процесс изготовления шестеренки аддативным способом(трехмерная печать):

Возможности аддитивных технологий

Трехмерные принтеры могут использовать для печати самые разнообразные исходные материалы – например такие как дерево, керамика и даже металл и бетон. Возможности и перспективы аддитивных технологий поистине огромны, а сфера применения – очень обширна. От создания домашней утвари и простых бытовых предметов до сложных деталей и технических изделий. Они могут использоваться в дизайне и моделировании, создании мебели и осветительных приборов, музыкальных инструментов, «печатания» одежды и обуви, создании скульптур, картин, орнаментов и т.д, в архитектуре могут активно применятся для создания домов, причем не только уменьшенных моделей, но и готовых зданий в натуральную величину. Найдет технология применение и в кинематографе, учитывая потребность режиссеров в реквизите. Широчайшие возможности открывает 3d –печать для медицины – печать точных копий моделей человеческих органов и тканей поможет квалифицированному обучению медиков, созданию протезов и т.д. В автомобилестроении эта технология ускорит создание сложных механизмов – например мостов, коробок передач, головок блока цилиндров.

медицинский протез для ноги, изготовленный с помощью трехмерной печати

Демонстрация работы 3D принтера и различные продукты, изготовленные с его помощью:

Вообще если брать именно сферу обучения, то возможности 3-d печать представляет просто неограниченные – создание макетов, наглядная демонстрация уменьшенных копий реальных деталей и механизмов. Пример – необходима демонстрация учащимся устройства двигателя внутреннего сгорания. Моментально можно загрузить файл модели и распечатать её уменьшенную копию. Таким образом, модели сложных технических систем будут на руках буквально у каждого учащегося. Возможна даже распечатка не просто макета, а реально работающей уменьшенной копии устройства.

Наглядная модель 8-циллиндрового двигателя, напечатанного на 3D принтере:

Применятся трехмерная печать может также в кулинарии(«печать» тортов и пирожных), робототехнике(производство роботов путем «печати» с нуля), машиностроении(изготовление сложных деталей) и авиакосмической промышленности(создание двигателей и корпусов космических кораблей например). Для живописи появится возможность рисования в пространстве. Уже сейчас существуют и продаются 3d-ручки, дающие такую возможность. Как видно из приведенных выше примеров, аддативные технологии затрагивают практически все сферы жизни, что говорит о подлинной революции и коренном преобразовании способа производства и изготовления вещей, деталей и механизмов. По сути вся основная сложность в изготовлении конечной детали аддативным способом заключается в проектировании и создании компьютерной модели, которая затем может быть легко воспроизведена с помощью трехмерной печати. Если ранее трехмерная печать применялась только лишь для быстрого создания прототипов изделий и продуктов, то уже сейчас речь идет о серийном производстве. Сложность изготавливаемого изделия по сути ограничивается только сложностью его компьютерной модели.

Обувь, напечатанная на 3D принтере, верхняя часть ботинка изготовлена из прочного хлопка

Пространственное рисование с помощью 3d-ручек – еще один пример реализации аддативных технологий:

Геометрия изделия практически не имеет значения, аддативный способ позволяет изготовить деталь или продукт любой сложности, конструктивные ограничения, в отличие от традиционного способа производства, отсутствуют, главное смоделировать образец в компьютерной программе. Это позволит изготовить невероятно красивые в плане дизайна и оформления товары, производство которых ранее было невозможным из-за естественных ограничений традиционной технологии. Аддативная технология производства позволяет получать легкие и в то же самое время, очень прочные детали конструкции, путем удаления из них избыточного материала, без которого нельзя обойтись при изготовлении обычными способами. При уменьшении веса в этом случае нисколько не будет страдать прочность и функциональность конечного изделия.

Существует не только возможность подготовить компьютерную модель и распечатать её, но и проделать обратный процесс – перенести уже готовое изделие в компьютерный CAD-файл, для последущего тиражирования или модификации. Для этого используется оптическое сканирование материального объекта

Замок Андрея Руденко — 3D принтер печатает бетоном замок в натуральную величину:


Результат:

Преимущества аддитивных технологий

Перечислим некоторые очевидные преимущества аддативных технологий.

1.Сокращение технологической цепочки и резкое уменьшение отходов от производства
Создание конечного продукта классическими способами как правило включает в себя несколько этапов. Вышеупомянутый простой пример с изготовлением болта(Стальной брусок -> Металлический пруток -> Готовый болт) включает в себя несколько этапов и подразумевает огромные усилия, расход энергии и материала. С помощью 3d-печати изготовление такого болта будет происходить существенно быстрее и с меньшими затратами.

2.Сильная индивидуализация производимого продукта
Поскольку внесение изменений в исходный файл для печати не требует длительных усилий, как переработка реальной модели, это позволит в сжатые сроки на основе имеющейся исходной модели создать индивидуальный уникальный продукт, изменив или дополнив оригинал. Таким образом можно создавать огромные множества различных вариаций одного и того же продукта.

3.Ускорение внедрения новых идей
Конструкторы смогут намного быстрее воплощать свои задумки в реальность. Разработав новый вариант двигателя и создав его модель в компьютерной программе например, можно будет в течении нескольких часов распечатать готовый пробный образец, внести изменения, оптимизировать, доработать и т.д.

4.Возможность изготовления деталей высокой сложности
Некоторые детали, которые затруднительно или вообще невозможно изготовить традиционной механической обработкой, могут быть легко «напечатаны», если предварительно создать готовую компьютерную модель.

5.Относительная легкость обучения персонала
Создание подробной трехмерной модели какого-либо изделия, конечно не самое простое занятие, но все же это существенно проще, чем воспроизвести подобную пробную деталь в реальности вручную. Обучить человека, имеющего пространственное воображение работе с компьютерной программой намного проще, чем осваивать несколько профессий для самостоятельного создания прототипа изделия в натуральную величину руками.

Пример 3D печати деревом:

Пример 3D печати металлом:

Заключение

Возможно, спустя какое-то время технологии трехмерной печати станут для нас чем то обыденным, точно так же как прочно в повседневную жизнь вошли компьютеры, интернет, планшеты, смартфоны и ноутбуки. Однако сейчас это все ещё выглядит как подлинный прорыв в науке. Глядя на возможности этих гигантских машин, воспроизводящих сложные детали и конструкции, невольно поражаешься. Иногда даже кажется, что все происходящее – это сюжет очередного футуристического фильма. Однако это не так, аддативные технологии существуют и развиваются. Мы наблюдаем настоящую революцию шестого экономического уклада на марше. По всей видимости, это очередной этап в научном развитии человечества и за подобными способами производства стоит большое будущее

Распечатать

Детали & Материалы

Аддитивные технологии в российской промышленности

AF-технологии – эффективное звено современного производства

Аддитивные технологии (AF – Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений "цифрового" производства. Они позволяют на порядок ускорить НИОКР и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции .

В недалеком прошлом, лет 10–15 назад, аддитивные технологии использовались преимущественно в традиционно технологически продвинутых отраслях – автомобильной, авиационной и аэрокосмической промышленностях, а также в приборостроении и медицине, где тандем "время – деньги" всегда имел особое значение.

В эпоху инновационной экономики время, затраченное на производство товара, является важнейшим фактором успеха или неуспеха бизнеса. Даже качественно произведенный товар может оказаться невостребованным, если рынок к моменту выхода новой продукции уже насыщен подобными товарами компаний-конкурентов. Поэтому все больше направлений промышленности активно осваивают AF-технологии. Все чаще их используют научно-исследовательские организации, архитектурные и конструкторские бюро, дизайн-студии и просто частные лица для творчества или в качестве хобби. Во многих колледжах и университетах аддитивные машины, или, как их часто называют, 3D-принтеры являются неотъемлемой частью учебного процесса для профессионального обучения инженерным специальностям.

Существует множество технологий, которые можно назвать аддитивными , объединяет их одно: построение модели происходит путем добавления материала (от англ. аdd – "добавлять") в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления "лишнего" материала.

Классической и наиболее точной технологией является SLA-технология (от Stereolithography Apparatus), или стереолитография, – послойное отверждение жидкого фотополимера лазером.

Существует много видов фотополимерных композиций, поэтому спектр применения прототипов, полученных по SLA-технологии, очень широк: макеты и масштабные модели для аэро- и гидродинамических испытаний, литейные и мастер-модели, дизайн-модели и прототипы, функциональные модели и т. д.

Селективное лазерное спекание – SLS-технология (Selective Laser Sintering), SelectiveLaserMelting) – еще одно важное направление аддитивных технологий.

Здесь строительным (модельным) материалом являются сыпучие, порошкообразные материалы, а лазер является не источником света, как в SLA-машинах, а источником тепла, посредством которого производится сплавление частичек порошка. В качестве модельных материалов используется большое количество как полимерных, так и металлических порошков.

Порошкообразный полиамид применяется в основном для функционального моделирования, макетирования и изготовления контрольных сборок. Полистирол используется для изготовления литейных выжигаемых моделей.

Отдельным направлением является послойное лазерное спекание (сплавление) металлопорошковых композиций. Развитие этого направления AF-технологий стимулировало и развитие технологий получения порошков металлов. На сегодняшний день номенклатура металлических композиций имеет широкий спектр материалов на основе Ni и Co (CoCrMO, Inconel, NiCrMo), на основе Fe (инструментальные стали: 18Ni300, H13; нержавеющая сталь: 316L), на основе Ti (Ti6-4, CpTigr1), на основе Al (AlSi10Mg, AlSi12). Производятся порошки бронз, специальных сплавов, а также драгметаллов – главным образом для нужд дентальной медицины.

Из металлических порошков "выращивают" заготовки пресс-форм, специальные инструменты, оригинальные детали сложной конфигурации, которые затруднительно или невозможно получить литьем или механообработкой, импланты и эндопротезы и многое другое. Уже сейчас при штучном и мелкосерийном производстве зачастую становится экономически выгодным "вырастить" небольшую партию деталей на SLS-машине, чем изготавливать литейную или штамповую оснастку. В сочетании с HIP (Hot Isostatic Pressing – горячее изостатическое прессование) и соответствующей термообработкой такие детали не только не уступают литым или кованым изделиям, но и превосходят их по прочности на 20–30%.

Очень широкие перспективы открываются для еще одной аддитивной технологии – технологии "струйной печати" – InkJet- или PolyJet-технологии. Эта технология предполагает нанесение модельного материала или связующего состава с помощью струйных головок. Особый интерес InkJet-технологии представляют для литейного дела.

Они позволяют "выращивать" непосредственно литейные формы, т. е. "негатив" детали, и исключить стадии изготовления формовочной оснастки – мастер-модели и литейной модели. Компания ExOne (и ее дочернее предприятие ProMetal GmbH) выпускает машины типа S-Max, которые позиционируются не как "прототипирующие машины", а как вполне "рядовое" технологическое индустриальное оборудование, устанавливаемое в общей технологической цепи производства не только опытной, но и серийной продукции. Практически все автомобильные компании мира обзавелись такими машинами. Оно и понятно – с их помощью стало возможным не в разы, а на порядок сократить время прохождения НИОКР по критически важным для автостроителей позициям – литейным деталям: блоки и головки цилиндров двигателей, мосты и коробки передач, деталям, на изготовление которых в традиционном опытном производстве тратились месяцы, а с учетом экспериментальной доводки и подготовки производства – многие месяцы. Теперь конструктор может увидеть свой новый двигатель на испытательном стенде не через полгода, а через две недели после завершения технического проекта.

Сегодня в России существует множество компаний, оказывающих услуги по прототипированию, однако в основном это небольшие предприятия, обладающие одним-двумя недорогими 3D-принтерами, способными выращивать несложные детали. Связано это с тем, что высокотехнологичное оборудование, способное обеспечить высокое качество изделий, стоит дорого и требует для работы и обслуживания квалифицированного, специально обученного персонала. Далеко не каждая компания может себе это позволить, ведь для покупки необходимо четко понимать, каким образом и насколько эффективно это оборудование будет использоваться, будет ли оно загружено работой. Слабостью таких компаний является отсутствие комплексности решения задач. В лучшем случае дело ограничивается оказанием достаточно простой услуги – изготовлением прототипа или модели тем или иным способом. Тогда как AF-технологии – это не только и не столько 3D-принтер, но важная часть 3D-среды, в которой происходит рождение нового продукта – от замысла конструктора до материализации его идей в серийном производстве. Среда, в которой новый продукт создается, "живет", эксплуатируется, ремонтируется вплоть до завершения "жизненного цикла" этого продукта.

Поэтому для полноценного использования AF-технологий нужно создать эту среду: освоить 3D-проектирование и моделирование, CAE- и САМ-технологии, технологии оцифровки и реинжениринга, сопутствующие технологии, включая и вполне традиционные, но переформатированные под 3D-среду. Причем освоить не в отдельно взятом университете или крупной заводе – такие есть промышленностью в целом на всех уровнях – этого нет даже в отдельно взятой, например, авиационной или автомобильной промышленности. Тогда и AF-технологии будут выглядеть не экзотическими изысками, а вполне естественным и эффективным звеном общей 3D-среды создания, производства и жизненного цикла изделия.

Существуют на рынке и крупные компании, обладающие оборудованием высокого уровня, которые, как правило, решают достаточно сложные производственные задачи и оказывают более широкий спектр полезных услуг, сопутствующих прототипированию, способных от начала до конца провести НИОКР и проконтролировать качество работ на каждом этапе. К таким предприятиям можно отнести ФГУП "НАМИ", АБ "Универсал", НПО "Салют", ОАО "НИАТ" (Москва), УМПО (Уфа), НИИ "Машиностроительные Технологии", (СПбГПУ), ОАО "Тушинский машиностроительный завод" и ряд других. Однако такой комплексный подход по силам далеко не каждому предприятию, особенно в условиях безучастной позиции со стороны государства.

В целом ситуация с внедрением AF-технологий в российскую промышленность остается крайне неблагополучной. Ученые, инженеры и технологи не нашли нужных слов, чтобы привлечь внимание государства к опасному отставанию в абсолютно необходимой для отечественной промышленности инновационной сфере. Не нашли аргументов, чтобы убедить власти в необходимости разработки национальной программы развития аддитивных технологий , создания отечественной индустрии AF-машин. Россия практически не участвует в международных организациях, оказывающих значительное влияние на развитие AF-технологий в мире.

Ключевыми проблемами при внедрении AF-технологий в первую очередь являются кадры, которые, как известно, решают все; собственно 3D-машины, высококлассное AF-оборудование, которое невозможно приобрести и невозможно создать без целевой поддержки со стороны правительства в той или иной форме (что, кстати, и делается за рубежом в подавляющем большинстве случаев); материалы – отдельная и сложная проблема междисциплинарного характера, решение которой опять-таки целиком и полностью зависит от качества управления процессом со стороны государства. Это неподъемные для отдельной отрасли задачи. Это проблема, которая может быть решена только при условии целенаправленного взаимодействия высшей школы, академической и отраслевой науки.

Прекрасным примером "рыночного вмешательства" государства в решение сложных технологических задач является литейный завод ACTech, построенный во Фрайбурге (недалеко от Дрездена) в конце 90-х годов в период ренессанса Восточных территорий. Завод совсем небольшой по нашим меркам – всего 6500 кв. метров общей площади, построен с иголочки, в чистом поле и был оснащен самым передовым технологическим оборудованием, главной фишкой которого были AF-машины для выращивания песчаных форм (от компании EOS, Мюнхен). Это был, пожалуй, первый пример комплексного подхода – завод был оснащен современным оборудованием для реальной работы в 3D-среде: AF-машины, измерительная техника, ЧПУ-станки, плавильное, литейное и термическое оборудование. В настоящее время там работают около 230 чел., 80% которых – ИТР и менеджмент. Теперь это один из самых известных заводов с мировым именем, клиентами которого являются практически все ведущие автомобильные компании Германии, многие европейские и американские авиационные фирмы. На завод достаточно передать 3D-файл будущего изделия и описать задачу: материал, количество, желательные сроки изготовления и что вы хотите получить – отливку или полностью обработанную деталь, от этого зависят сроки выполнения заказа – от 7 дней до 8 недель. Примечательно, что около 20% заказов – это единичные детали, около 40% составляют заказы на 2–5 деталей. Почти половина отливок – чугун; примерно треть – алюминий; остальное – сталь и другие сплавы. Специалисты завода активно сотрудничают с фирмами – изготовителями AF-оборудования, ведут совместные НИР с университетами, завод является и успешным коммерческим предприятием, и полигоном для отработки новых технологических процессов.

Жизненный цикл нового изделия.
Работа проведена для ЗАО НПО "Турботехника"

Рынок аддитивных технологий в России развивается, но происходит это очень медленно, поскольку, чтобы вывести эти технологии на должный уровень, необходима поддержка государства. При должном внимании к внедрению AF-технологий они могут значительно повысить скорость реагирования на потребности рынка и экономическую эффективность многих отраслей промышленности.

Кирилл Казмирчук, заместитель директора НИИ "Машиностроительные технологии", СПбГПУ
Вячеслав Довбыш, заведующий лабораторией вакуумного литья металлов и полимеров НИИ "НАМИ"

Фотографии и материалы предоставлены авторами

Аддитивные технологии находят активное применение в энергомашиностроении, приборостроении, авиационной промышленности , космической индустрии, там, где высока потребность в изделиях сложной геометрии. В России с аддитивными технологиями познакомилось уже немало предприятий. Предлагаем вашему вниманию материал из альманаха «Управление производством» , в котором описывается несколько примеров эффективного внедрения 3D-печати.

Аддитивные технологии открыли возможность изготовления деталей любой сложности и геометрии без технологических ограничений. Геометрию детали можно менять еще на стадии проектирования и испытания.

Подготовка файлов для печати осуществляется на компьютерах со стандартным программным обеспечением , в работу принимаются файлы формата STL. Это широко используемый сегодня формат хранения трехмерных объектов для стереолитографических 3D-принтеров. Инвестиции в проект составили порядка 60 млн рублей.

Александр Зданевич, ИТ-директор НПК «Объединенная Вагонная Компания»: «Технологии аддитивной печати прогрессируют, и, вероятнее всего, уже в ближайшем будущем они изменят лицо целого ряда индустрий. Главным образом это касается предприятий, на которых выпускаются штучные товары под конкретный заказ. С массовым производством дело обстоит сложнее, хотя разные типы 3D-принтеров уже сейчас находят применение в данной области.

Существует множество технологий объемного синтеза. Одной из перспективных для промышленного внедрения является . Процесс можно разделить на два этапа. На первом формируется слой построения в виде равномерно распределенного по поверхности рабочей платформы жидкого фотополимера . Затем происходит выборочное отверждение участков данного слоя в соответствии с текущим сечением построенной на компьютере 3D-модели.

Применительно к железнодорожному машиностроению данную технологию можно использовать на этапе подготовки литейного производства, в частности, при производстве комплекта литейной оснастки. Один и тот же комплект оснастки, уникальный под каждую отливку, используется на протяжении тысяч циклов производства соответствующих литейных форм.

От соблюденной в процессе изготовления комплекта оснастки точности всех предусмотренных конструкторами параметров напрямую зависит качество конечного изделия. Традиционный способ изготовления комплекта оснастки путем механической обработки материалов (металла, пластика, иногда и дерева) весьма трудоемок и длителен (подчас занимает до нескольких месяцев), при этом чувствителен к ошибкам.

В «отпечатанные» модели можно встроить и другие узлы и агрегаты. Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

Значительную работу по продвижению аддитивных технологий проводит Госкорпорация «Росатом» . Руководство уверено, что скоро в госкорпорации будут присутствовать все компоненты «цифрового производства» – от разработки материалов, оборудования, технологий до производства изделий. В отрасли реализуется программа по аддитивным технологиям, она состоит из подразделов: технология, сырье, оборудование, стандартизация. Разработкой технологий производства металлических порошков для 3D-печати в Росатоме занимаются три института: «Гиредмет», ВНИИХТ, ВНИИНМ. Одновременно ведется работа по созданию опытного образца 3D-принтера для трехмерной печати металлических и композитных изделий. Росатом планирует представить образец уже к концу 2017 года.

Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

«К началу 2018 года мы должны весь цикл по аддитивным технологиям внутри Росатома замкнуть. Нам нужен еще год, чтобы запустить свой собственный пилотный образец установки, и примерно столько же – для того, чтобы договориться со всеми сторонами, которые обеспечивают используемую нормативную составляющую», – рассказал Алексей Дуб.

Оригинал этого материала: Аддитивные технологии: возможности и перспективы 3D-печати. «Управление производством. Цифровое производство» , апрель 2017. Публикуется в сокращении.