Аддитивная технология: описание, определение, особенности применения и отзывы. Аддитивные технологии в промышленности. Аддитивное производство (АП)Additive Manufacturing (AM) Аддиктивное производство

Развитие аддитивной индустрии, начинавшееся с небольших 3D-принтеров, на которых можно было изготовить пластиковые детали, шагнуло далеко вперед. И сегодня эти технологии экспериментально осваивают такие промышленные гиганты, как General Electric и Siemens, а различные страны мира наперегонки запускают соответствующие госпрограммы и открывают исследовательские центры. В России применение 3D-печати в промышленности находится пока в зачаточном состоянии, но и в ОПК, и в атомной отрасли об этом всерьез задумываются.

Казалось бы, что можно распечатать с помощью 3D-принтера? Маленькие сувениры, незатейливые игрушки, различные всевозможные бытовые приспособления - выбор ограничен лишь вашей фантазией и знанием программы CAD. Но немногие знают, что сегодня технология 3D-печати уже перешагнула все немыслимые границы: архитекторы из Шанхая и Амстердама печатают целые жилые дома, молодые модельеры экспериментируют с 3D-принтерами при создании одежды и обуви, а медики уже не только печатают протезы и имплантаты, но и работают над созданием искусственных органов и тканей человека. Серьезной заявкой на занятие уверенных позиций в промышленности и вызовом традиционным методам изготовления деталей стал тот факт, что такие отраслевые гиганты, как General Electric и Siemens, уже применяют аддитивные технологии, правда, пока в качестве эксперимента.

Протез руки двенадцатилетнего Леона Маккарти изготовлен из частей, напечатанных на 3D-принтере MakerBot (Фото: Brian Snyder/Reuters)

По данным американской консалтинговой компании Wohlers Associates, наибольший спрос на аддитивные технологии наблюдается в потребительском секторе товаров и электроники (22% выручки индустрии 3D-печати по итогам 2012 года), автомобильной промышленности (19%), медицине и стоматологии (16%), на производстве (13%), в авиакосмической отрасли (10%).

Термин, которым в мировой практике обозначается применение 3D-печати в промышленности, - «аддитивные технологии» (Additive manufacturing), что означает изготовление изделия путем добавления. Аддитивные технологии отличаются друг от друга выбором материалов и способа их нанесения, однако во всех случаях создание модели основывается на послойном наращивании. Расходными материалами может послужить пластик, бетон, гипс, деревянное волокно, поликарбонат, металл и даже живые клетки и шоколад. Способов нанесения существует два: струйный и лазерный. К струйному способу относятся такие технологии, как моделирование методом наплавления (Fused deposition modeling) и Polyjet, а к лазерному - послойное ламинирование (Laminated object manufacturing), селективное лазерное плавление (Selective laser melting), селективное лазерное спекание (Selective laser sintering), лазерная наплавка металла (Laser metal deposition) и лазерная стереолитография (Laser stereolithography).

Комментарий эксперта:

Евгений Каблов , генеральный директор ВИАМ: На данный момент предприятия авиационной отрасли закупают и используют порошки сплавов зарубежного производства, поставляемые фирмами - производителями установок. При этом имеется острая потребность в металлических порошках отечественных сплавов. Серийного производства порошковых материалов для данных технологий в России нет. Потребность существующего парка установок для аддитивного производства в РФ в порошковых материалах составляет примерно 20 тонн в год.

Для решения данной проблемы в ВИАМ организован замкнутый цикл аддитивного производства деталей газотурбинных двигателей, включающий производство расходуемой шихтовой заготовки, получение мелкодисперсных металлических порошков отечественных сплавов и разработку технологий селективного лазерного спекания деталей из этих порошков с последующей газостатической обработкой. Возможность проведения полного цикла исследований и обеспечения выпускаемой продукции необходимой научно-технической документацией открывает также перспективу организации в ВИАМ серийного производства металлических порошков с последующей их сертификацией для ведущих моторостроительных предприятий.

ИСТОРИЯ ИНДУСТРИИ

Несмотря на то что о 3D-принтерах стали активно говорить только в последние годы, история развития трехмерной печати насчитывает около 30 лет: первое применение было зафиксировано в 1980-х годах. Родоначальником аддитивных технологий принято считать Чарльза Халла, который в 1986 году запатентовал такой способ, как стереолитография. В этом же году американец основал компанию 3D Systems и разработал первый 3D-принтер Stereolithography Apparatus. А в 1988 году, усовершенствовав прежнюю модель, компания начала первое серийное производство 3D-принтеров SLA-250. Второй вехой развития 3D-печати стало открытие в 1988 году технологии послойного наплавления FDМ Скоттом Крампом и основание им же компании Stratasys.

Изначально термина «3D-печать» не существовало, и инновационные технологии назывались «быстрое прототипирование». Новый термин появился в 1995 году благодаря двум студентам Массачусетского технологического института - Джиму Бредту и Тиму Андерсону. Они придумали перестроить работу обычного струйного принтера так, чтобы он делал объемное изображение в специальной емкости, после чего запатентовали идею и открыли компанию Z Corporation. Эта технология, в основе которой лежит послойное склеивание порошка, до сих пор используется для промышленного моделирования.

Прототипы держателей для авиационных двигателей, напечатанные на 3D-принтере (изображение GE)

Неудивительно, что компании, созданные прародителями технологии, являются в современном мире лидерами индустрии. К числу основных игроков рынка также относятся компании Arcam, ExOne, Voxeljet, SLM Solutions, Shapeways. Их стремится догнать Hewlett-Packard, активно работающая на рынке традиционных принтеров. Руководитель HP Мег Уитмен недавно заявила, что компания намерена решить две основные проблемы, сдерживающие развитие 3D-принтеров, увеличив скорость печати и улучшив качество. HP обещает представить свои разработки в июне 2014 года, а пока лишь остается гадать, что это будет: новая технология или новый 3D-принтер.

КАК И ГДЕ ЭТО РАБОТАЕТ

Наиболее распространенное применение 3D-печати - это создание прототипов изделия. Модели реальных размеров помогают оценить функциональность и исключить возможность различных ошибок перед серийным производством изделия. Одним из популярных методов прототипирования является лазерная стереолитография, в которой в качестве исходного материала используется жидкий фотополимер. Лазерный луч формирует на поверхности жидкости рисунок будущей модели, затем опускается внутрь фотополимера на один слой. Под лазерным излучением исходный материал затвердевает, а лазер продолжает рисовать еще один слой с последующим погружением.

Пластик по-прежнему является самым распространенным материалом для аддитивной печати. Но существует и масса технологий для металлической 3D-печати. Например, селективное лазерное плавление. Действуют эти принтеры так: на рабочую поверхность распыляется равномерный слой металлического порошка, после чего включается лазер, который плавит области в соответствии с заданной моделью. После этого рабочая поверхность опускается на уровень одного слоя, и операция повторяется вновь. Благодаря тому что процесс происходит в бескислородной среде, полученная модель не окисляется. Технология позволяет создавать геометрически сложные предметы из различных видов стали и титана.

На том же принципе основано селективное лазерное спекание, только в качестве расходного материала используются полимерные порошки. Еще одна технология - лазерная наплавка металла, ее применяют как для создания новых деталей, так и для восстановления изношенных поверхностей. Например, при ремонте детали с трещиной на место плавления подается порошок, который плавится под лазерным излучением, а образовавшийся сплав заполняет промежуток между краями разрыва. Операцию нужно повторять вновь и вновь, пока трещина послойно не зарастет.

Производитель спортивной обуви New Balance представляет кроссовки, в которых используется произведенная на 3D-принтере пластина, которая, будучи вставлена в подошву, повышает эффективность каждого шага (Фото: New Balance/AP)

Металлическая 3D-печать привлекла внимание промышленных производителей благодаря тому, что позволяет создавать сложные изделия из различных материалов без использования дополнительного обрабатывающего оборудования и с небольшим количеством отходов: это значительно экономит время и денежные средства. За счет использования 3D-печати уменьшается вес изделия, а также исключается возможность дефектов, которые могут появиться при традиционных методах изготовления. Уже доказано, что металлические изделия, напечатанные на 3D-принтерах, по своим свойствам - плотности, остаточному напряжению, механическому поведению, неравновесной микроструктуре, кристаллографической текстуре - в лучшую сторону отличаются от изделий, созданных литейным и другими деформируемыми методами.

Исходным материалом для промышленной 3D-печати служат композиции различных мелкодисперсных металлических порошков на основе титана, алюминия, никеля, кобальта и других металлов. Как правило, они должны обладать сферичностью, определенным гранулометрическим составом с высоким выходом годного, высокой химической однородностью, пониженным содержанием газовых примесей - кислорода и азота.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОТОТИПОВ

Такого рода прототипы пользуются спросом у ученых в самых разных сферах, в том числе в атомной и ядерной физике. Так, национальная лаборатория в Ок-Ридже, входящая в американскую команду разработчиков ИТЭР, в целях экономии бюджета предложила использовать 3D-печать для проектирования деталей реактора. По словам американских инженеров, изучение физической модели поможет избежать ошибок, обнаружить возможность экономии материала и сделать конструкцию более функциональной. В процессе проектирования крупных деталей реактора, например 60-футового центрального соленоида, разработчики создают «игрушечные» макеты. Что касается более мелких деталей, например быстрого газового клапана для системы смягчения последствий сбоев в реакторе, их печатают в масштабе один к одному.

Специалисты ЦЕРН в аддитивных технологиях увидели решение вопроса о замене вышедших из строя сложных и уникальных компонентов, которая при традиционном производстве является длительным и дорогостоящим процессом.

Лаборатория полимеров ЦЕРН приобрела принтер с технологией стереолитографии, чтобы изучать, как новые смолы на эпоксидной, кремниевой и полиуретановой основе будут реагировать на различные процессы, такие как склеивание, литье, электрическая изоляция, и вести себя при криогенных температурах и радиации. Главным преимуществом нового аппарата является возможность производства функциональных частей с жесткими механическими свойствами. Лаборатория имеет и другой трехмерный принтер, способный склеивать тонкие слои полимерного порошка. Однако такая технология печати подходит для изучения формы определенных прототипов, но не для производства функциональных деталей.

ГЕОГРАФИЯ: ОТ ВАШИНГТОНА ДО ТОКИО

По данным Wohlers Associates, 38% мировой индустрии аддитивных технологий приходится на США, на втором месте Япония с 9,7%, за ней следует Германия с 9,4% и Китай с 8,7%. США никому не хотят уступать свои лидерские позиции в 3D-печати. Для ускорения процесса развития инновационных технологий пять ведомств - Минобороны, Минэнерго, Министерство торговли, Научный национальный фонд и NASA - выступили инициаторами создания в 2012 году Национального института инновационного производства, который позже был переименован в America Makes. Эта организация способствует сотрудничеству лидеров бизнеса и научных учреждений, помогая продвижению инновационных разработок в аддитивных технологиях на мировом рынке. В работе института участвуют около 100 компаний, некоммерческих организаций и государственных учреждений.

Вторым серьезным шагом стало начало строительства Digital Lab for Manufacturing в Чикаго. На этот проект Минобороны уже выделило $ 70 млн, еще $ 250 млн поступлений ожидается от представителей индустрии, образовательных учреждений, правительства и общественных партнеров. Digital Lab будет иметь общих партнеров с America Makes, это такие промышленные гиганты, как Rolls-Royce, Dow Chemical, Procter & Gamble, General Electric, General Dynamics, Lockheed Martin, Honeywell, Rockwell Collins, Microsoft, Boeing, Autodesk и 3D Systems. В настоящее время Digital Lab запускает открытую онлайн-платформу программного обеспечения для проектирования и сотрудничества в режиме реального времени.

Siemens с января 2014 года будет использовать 3D-принтеры для печати элементов газовых турбин. Этот смелый шаг переводит Siemens в разряд пионеров в использовании металлической 3D-печати в промышленных масштабах

А президент США Барак Обама анонсировал создание Института производственных инноваций в легких и современных металлах в Детройте - на этот проект Минобороны также выделит $ 70 млн.

Европа оказалась «штаб-квартирой» для крупнейших производителей промышленных 3D-принтеров: Voxeljet, SLM Solutions, EOS GmbH, Concept Laser, Realizes (все пять - Германия), Arcam (Швеция), Phenix Systems (Франция), Renishaw (Великобритания). Европейские страны также понимают перспективность аддитивных технологий и оказывают поддержку развитию отрасли. Так, Минфин Великобритании готов выделить около $ 25 млн на создание к 2015 году Центра аддитивных технологий. Новый центр расположится рядом с Центром технологического производства в Ковентри и будет заниматься разработкой изделий для реактивных двигателей, автопрома и медицины. А вот в Германии инициатива исходит от индустрии (при поддержке федеральных земель): Boeing, EOS GmbH, Evonik Industries, MCP HEK Tooling совместно с университетом в Падерборне еще в 2008 году открыли исследовательский центр DMRC, в котором в 2012 году было реализовано уже девять проектов в этом направлении.

Другой крупной инициативой является пятилетний проект AMAZE, о запуске которого сообщило в 2013 году Европейское космическое агентство. Бюджет проекта, участниками которого являются 28 компаний, в том числе Airbus, Astrium, Norsk Titanium, Университет Кренфилда и EADS, составил около 20 млн евро. Одной из целей проекта является создание металлических изделий высокого качества, способных работать при экстремально высокой температуре, которая достигается, например, при термоядерной реакции или в соплах ракет.

Китай, используя всю мощь своей индустрии, намерен пошатнуть лидерские позиции США. Профильный промышленный союз КНР прогнозирует, что к 2016 году китайский рынок 3D-печати достигнет $ 1,65 млрд, что в 10 раз больше по сравнению с 2012 годом. Для достижения амбициозной цели в конце 2012 года был образован Индустриальный альянс Китая по технологиям 3D-печати, состоящий из 30 китайских научно-исследовательских институтов и ведущих компаний отрасли. Эта организация планирует построить 10 инновационных центров и инвестировать в каждый по $ 3,3 млн. Тем временем успехи китайских инженеров по значимости не уступают европейским и американским. В Китае прошли первые испытания истребителя с несущей конструкцией, напечатанной из порошка титана. А компания Southern Fan представила крупнейший в мире 3D-принтер (28 метров в длину, 23 метра в ширину и 9,5 метра в высоту), способный производить металлические компоненты с максимальным диаметром до 6 метров и весом до 300 тонн. Изделия планируется применять в ядерной, нефтехимической, металлургической отрасли.

Япония также оценивала перспективы трехмерной печати и в начале 2014 года создала научно-исследовательскую ассоциацию по разработке промышленных 3D-принтеров, предназначенных для изготовления сложных деталей из металла с целью применения в авиации и медицине. Министерство экономики, торговли и промышленности Японии намерено выделить на реализацию проекта около $ 37 млн. По ожиданиям властей, первые устройства появятся к 2015 году, а в конце 2019 года стартует массовая продажа 3D-принтеров. Членами ассоциации стали национальные университеты и 27 технологических компаний, в том числе Panasonic, Mitsubishi Heavy Industries, IHI, Kawasaki Heavy Industries, Komatsu и Nissan Motor. Ежегодный членский взнос для каждой организации будет равняться $ 5 тыс.

ПРИМЕНЕНИЕ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ

General Electric, судя по всему, как никто другой близка к запуску в коммерческое производство деталей, изготовленных с помощью аддитивных технологий. Во-первых, GE Aviation объявила о планах печатать в 3D инжекторы для своей новинки - реактивного двигателя нового поколения LEAP-1A. Первые лабораторные эксперименты GE показали, что если напечатать - слой за слоем - инжектор из кобальт-хромового порошка, изделие будет легче и долговечнее. Во-вторых, инженеры GE придумали использовать технологию лазерного спекания для изготовления кромки лопасти двигателя из титанового порошка. Обе детали должны были постепенно начать применяться в двигателях с 2013 года, а интегрировать их в полномасштабный производственный цикл планируется в 2016 году. Переход на аддитивные технологии сэкономит компании порядка $ 25 тыс. на каждом двигателе. Вскоре инженеры GE Aviation намерены включить в производство новые материалы, такие как титан, алюминий и никель-хромовые сплавы, рассчитывая добиться лучших характеристик деталей, недостижимых при использовании технологии литья. В-третьих, другое подразделение GE планирует во второй половине 2014 года запустить опытное производство металлических топливных форсунок для газовых турбин. На сегодня GE производит около 10% продукции с использованием 3D-печати, и в планах корпорации нарастить производство до 25% и 50% в течение 10 лет и 20 лет соответственно.

Логотип Nestle делается на 3D-принтере во время открытия технологического центра компании 25 марта 2013 г. (Фото: REUTERS/Denis Balibouse)

По тому же пути идет немецкий концерн Siemens, заявивший о переходе с традиционных методов производства деталей для горелок газовых турбин на технологию селективного лазерного плавления. Единственное но в новом производстве инженеры концерна видят в скорости работы 3D-принтеров.

Американское космическое ведомство NASA также объявило об успешном испытании на огнеупорность инжектора ракетного двигателя, изготовленного с помощью селективного лазерного плавления. А в августе 2014 года ведомство намерено отправить на МКС 3D-принтер для изучения возможности печати инструментов и запасных деталей в условиях микрогравитации.

ПЕРСПЕКТИВЫ И ПРОГНОЗЫ

Еще более активное развитие аддитивных технологий и применение их в промышленности пока сдерживается рядом факторов. Например, дороговизна материалов не является проблемой при использовании аддитивных технологий для производства мелких деталей. Но при выходе изделия на более крупные масштабы высокая цена - это не просто проблема, а непреодолимое препятствие.

Например, цена титанового порошка, которая обусловлена единственным пока способом его изготовления - дорогостоящим процессом Кролла, - колеблется от $ 200 до $ 400 за килограмм. Здесь ветер перемен подул с Британских островов: компания Metalysis разработала новую, менее затратную технологию производства титанового порошка и ведет переговоры по постройке фабрики для его изготовления в Йоркшире (Великобритания). Стоимость проекта оценивается в $ 500 млн. Технология заключается в получении порошка из рутила (оксида титана) с помощью электролиза. Новый метод позволяет получать порошок разных фракций, разной чистоты, морфологии и на основе разных легирующих элементов. Размеры гранул порошка могут варьироваться от 1 - 2 мм до 100 мкм. По мнению авторов технологии, себестоимость производства порошка может снизиться на 75%.

Вторым мощным импульсом развития промышленной 3D-печати может стать окончание в мае 2014 года срока действия патентов на технологию селективного лазерного спекания, принадлежащих Техасскому университету в Остине. Эксперты прогнозируют удешевление 3D-принтеров, печатающих по этой технологии, а вслед за этим - и расходных материалов. Такие ожидания основаны на событиях, имевших место в прошлом: несколько лет назад закончилось действие патентов на технологию моделирования методом наплавления, что сопровождалось резким падением цен на принтеры: с нескольких тысяч долларов до $ 200.

Также ценовая конъюнктура на этом рынке может измениться за счет конкуренции, которую в перспективе могут составить промышленные принтеры из Китая.

По прогнозам аналитической компании Canalys, объем мирового рынка 3D-печати в 2014 году может вырасти на 50% по сравнению с 2013 годом - до $ 3,8 млрд, а в 2018 году достигнет $ 16,2 млрд. Рост объема будет обусловлен расширением использования аддитивных технологий в области архитектуры, медицины, авиационно-космической, оборонной и ядерной отрасли.

WAKE UP, РОССИЯ!

У России же цифры, как это часто бывает, скромнее. Пока российский рынок составляет менее 0,5 % мирового, и в течение следующих пяти лет его темпы роста не увеличатся, отмечают в Research.Techart. Неудивительно, ведь развитие аддитивных технологий в России находится в зачаточном состоянии, основной причиной ситуации, по мнению экспертов, является отсутствие поддержки со стороны государства.

Чтобы развивать технологию, необходима работа сразу в нескольких направлениях: и подготовка квалифицированного персонала, и формирование новых стандартов, и принятие новых нормативных документов. Не менее важной проблемой является отсутствие в России серийного производства порошков. Тем не менее какие-то точечные действия в этом направлении предпринимаются как отдельными чиновниками, так и учеными.

В частности, вице-премьер РФ Дмитрий Рогозин, отвечающий в правительстве за ВПК, предлагает развивать концепцию «цифровой фабрики» с полным циклом производства, от проектирования до получения готового изделия. Такие фабрики могли бы включать в себя аддитивные технологии, высокопроизводительные автоматизированные линии для быстрого изготовления электронной компонентной базы, роботизированное управление производством, национальные CAD-, CAE-, CAM-системы, новые технологии сборочного производства, системы управления жизненным циклом изделия. По его мнению, для внедрения концепции «цифровой фабрики», а в частности развития аддитивных технологий, необходимы совместные усилия со стороны Военно-промышленной комиссии, Минпромторга РФ и Фонда перспективных исследований.

Причем в России, по словам Д. Рогозина, есть компании и научные центры, за счет которых может происходить развитие аддитивных технологий: МЦЛТ, ЗАО «НИИ ЭСТО», ЗАО «НТ-МДТ», ГК «Промтехнология», МГТУ им. Баумана, МГТУ «СТАНКИН», МИСИС, МАИ. В их арсенале есть оборудование высокого уровня, способное провести НИОКР и проконтролировать качество работ на каждом этапе. Также при поддержке федерального бюджета открываются региональные инжиниринговые центры. Помимо этого, в России работают небольшие компании, предлагающие оборудование зарубежных производителей. Однако, по убеждению вице-премьера, «слабостью и тех и других является отсутствие комплексного подхода и несогласованность действий по освоению и внедрению цифровых технологий».

Не исключено, что порошок, полученный в стенах ОАО «ВНИИХТ», станет тем самым катализатором, который даст старт серийному производству расходных материалов в России. Институт разработал новый способ получения ультрадисперсных порошков металлов с помощью металлотермического восстановления хлоридов металлов в расплаве солей. Как рассказала журналу заведующая лабораторией № 1 отдела ядерно чистых конструкционных материалов ВНИИХТ Оксана Аржаткина, этот процесс заключает в себе сразу две операции в одной - получение металла и его диспергирование. «По количеству применяемых операций наш метод значительно короче широко известного и применяемого в промышленном масштабе метода атомизации (распыливания расплава металла в струе инертного газа) и центробежного распыливания, основанного на получении металлов и последующем их диспергировании», - объясняет эксперт.

Эта технология обладает рядом достоинств: низкая температура процесса, высокий выход годного (не менее 98%), исключительно высокая однородность порошков по содержанию примесей (отклонение содержания примесей не более 0,1%), малооперационность (благодаря получению порошка металла непосредственно на операции восстановления).

Новый способ получения поликомпонентных порошков, как ожидают во ВНИИХТ, повлияет на их потребительские качества (коррозионную стойкость, высокую прочность, жаропрочность и жаростойкость, радиационную стойкость и прочие) вследствие увеличения гомогенности химического и фазового состава порошков в 10 - 50 раз по сравнению с мировым уровнем - отклонение химического состава порошков не превышает 0,1% вместо 1 - 100%). А за счет упрощения технологического процесса себестоимость порошков может снизиться на 30%, ожидает О. Аржаткина. По ее мнению, благодаря этим преимуществам и отсутствию подобных технологических решений в России и за рубежом новый способ получения порошков может составить конкуренцию мировым аналогам.

Новая разработка ВНИИХТ уже увидела свет, правда, в ограниченном масштабе: институт сотрудничал с предприятиями ядерно-оборонного комплекса по проекту получения металлического порошка гафния, а для ОАО «ЧМЗ» разработал способ получения металлического порошка циркония. Теперь же ВНИИХТ рассчитывает на более широкий круг потребителей. Так, институт уже представил новую технологию Росатому, и, по словам О. Аржаткиной, в 2014 году топ-менеджеры Росатома - руководитель дирекции ЯОК Иван Каменских и глава блока по управлению инновациями Вячеслав Першуков - в письменной форме пообещали поддержать направления по получению поликомпонентных порошков металлов в расплаве солей. По ее информации, ЗАО «Наука и инновации» планирует открыть большой проект по 3D-печати и получению расходных материалов для нее, куда планируется включить соответствующее направление ВНИИХТ.

«В первую очередь мы ориентируемся на применение нашей технологии для нужд ЯОК, но рассчитываем и на другие отрасли: атомную энергетику, авиационно-космическую промышленность, радиоэлектронику и так далее», - заключает завлабораторией ВНИИХТ.

Екатерина ВЕРШИНИНА

Аддитивные технологии - один из главных мировых трендов, упоминаемых в контексте новой промышленной революции. Ежегодный рост этого рынка, который на самом деле еще не сформирован и не имеет четких границ, варьируется в пределах 20-30%.

Так, ведущая консалтинговая компания в индустрии 3D-печати Wohlers Associates сообщила в своем очередном ежегодном отчете ( Wohlers Report 2017), что индустрия аддитивного производства выросла в 2016 году на 17,4% (в 2015-м - на 25,9%) и составляет сейчас свыше $6 млрд. Если в 2014 году системы 3D-печати выпускали 49 компаний, то по итогам прошлого года число производителей увеличилось до 97. Эксперты дают самые оптимистичные прогнозы - по оценкам аналитической компании Context, рынок аддитивных технологий достигнет $17,8 млр уже к 2020 году. Аналитики The Boston Consulting Group посчитали: если к 2035 году компаниям удастся внедрить 3D-печать хотя бы на 1,5% от своих общих производственных мощностей, то объем рынка превысит к этому времени $350 млрд.

Ажиотаж вокруг этой темы вполне объясним. В отличие от традиционных технологий обработки металла, аддитивное производство построено не на вычитании, а на добавлении материала. На выходе получаются детали сложной геометрической формы, сделанные в короткие сроки. Когда скорость изготовления продукции сокращается в десятки раз и коренным образом меняются издержки, это меняет всю экономику машиностроения.

За счет чего происходит удешевление производства? Во-первых, снижается число комплектующих частей создаваемых деталей. Например, чтобы изготовить обычным методом топливную форсунку для реактивного двигателя, необходимо приобрести около 20 разных запчастей и соединить их с помощью сварки, что является трудоемким и затратным процессом. Применение же 3D-печати позволяет создавать форсунку из одного цельного куска.

Благодаря этому снижается и вес готовой детали, что особенно ценно для авиационной отрасли. Производители авиадвигателей уже научились создавать аддитивным способом различные кронштейны и втулки, которые на 40-50% легче своих «традиционных» аналогов и не теряют при этом прочностных характеристик. Почти вдвое удается снизить вес и отдельных деталей в вертолетостроении, например, связанных с управлением хвостовым винтом российского вертолета «Ансат». Уже появились и первые прототипы 3D-печатных четырехцилиндровых автомобильных двигателей, которые на 120 кг легче стандартных аналогов.

Другой важный момент - экономия исходного сырья и минимизация отходов. Собственно, сама суть аддитивных технологий заключается в том, чтобы использовать ровно столько материала, сколько требуется для создания той или иной детали. При традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 85%. Но наиболее, пожалуй, важное преимущество аддитивных технологий заключается в том, что трехмерные компьютерные модели деталей можно мгновенно передавать по сети на производственную площадку в любую точку мира. Таким образом, меняется сама парадигма промышленного производства - вместо огромного завода достаточно обладать локальным инжиниринговым центром с необходимым 3D-оборудованием.

Впрочем, так обстоят дела в теории. На практике же сфера аддитивного производства - это история про поливариативность, про то, как технологии опередили возможные сценарии их применения. Вся передовая промышленная общественность осознает, что в их руках находится крайне перспективная базовая технология, но что с ней делать - остается открытым вопросом.

На сегодняшнем этапе главной задачей является как раз поиск сфер применения аддитивных технологий, и пока эту проблему еще никто не решил. Не найден ответ и на другой фундаментально важный вопрос: где находится тот «водораздел», при котором применение аддитивных технологий становится экономически эффективнее традиционных, классических способов - штамповки и литья? К примеру, ни один из крупных мировых игроков по производству газовых турбин, в том числе и на российском рынке, пока не определился в том, какая из конкурирующих технологий будет применяться в будущем для производства лопаток для двигателя самолета - аддитивные технологии или традиционное литье.

Программы поддержки аддитивной промышленности в зарубежных странах сводятся в основном к двум направлениям - финансированию НИОКР и формированию консорциумов, объединяющих предприятия, исследовательские центры и университеты.

К примеру, в США в 2012 году был создан Национальный институт инноваций в области аддитивной промышленности («America Makes») с целью объединения усилий американских компаний и научных кругов, занимающихся передовыми производственными технологиями. Общая стоимость проекта составила $70 млн, из них $30 млн вложило правительство. Основным куратором Института выступает Министерство обороны США, поэтому созданный акселератор поддерживает инновационные разработки, связанные также с военной сферой. Такие, например, как напечатанный на 3D-принтере гранатомет RAMBO .

Практически каждый десятый 3D-принтер произведен в Китае, а местный рынок аддитивных технологий, согласно прогнозам, будет показывать ежегодный рост на 40% и превысит к 2018 году 20 млрд юаней . При помощи технологии 3D-печати цементными смесями китайцы даже печатают жилые дома и «офисы будущего» на берегу Персидского залива. Ключевой структурой в стране, объединяющей несколько десятков местных инновационных центров, является Индустриальный альянс Китая по технологиям 3D-печати.

Россия пока отстает от стран – технологических лидеров по вкладу в общий рынок аддитивных технологий. Но я бы не стал называть это отставание критичным. Просто потому, что глобальная конкурентная борьба ведется не на «поляне» создания непосредственно аддитивных машин, принтеров и порошков. Конкуренция состоит в поиске рыночных ниш применения аддитивных технологий. Выиграет в ней не тот, кто нарастит производство своих аддитивных установок или сырья, а тот, кто поймет, что именно нужно печатать, для чего, и в каких областях это принесет максимальный экономический эффект.

В оживленных дискуссиях, которые ведутся сейчас на тему развития аддитивных технологий, противопоставляются обычно две крайности. Одна из них - «мы напечатаем всё»: дома, самолеты, танки, ракеты. Другая крайность – «все аддитивные технологии экономически неэффективны». И это тоже одна из ключевых системных проблем.

На сегодняшний день можно четко очертить только такие направления применения аддитивных технологий, как прототипирование и создание деталей сверхсложной геометрии. Например, на рынке систем прототипирования присутствуют сегодня более 30 отечественных серийных производителей 3D-принтеров, использующих технологию печати пластиковой нитью. Они выпускают около 5 000 принтеров ежегодно. Причем доля российских комплектующих в этих изделиях составляет порядка 70%.

В этот небольшой круг направлений можно добавить также быстрое мелкосерийное производство изделий по индивидуальному заказу. Однако производство конечных продуктов и быстрое изготовление прототипов – это две разные производственные «философии». Аддитивные технологии призваны, скорее, дополнить традиционные методы металлообработки, нежели заменить их, как предрекают многие эксперты.

Что происходит сейчас с мировой индустрией? Из большой промышленности, нацеленной на достижение эффекта масштаба, она превращается в глобальную гибкую сеть индивидуализированных производств. Аддитивные технологии также позволяют современному производству мигрировать из продуктового в сервисный сегмент.

Простой пример, уже реализованный на практике, – беспилотный летательный аппарат для нужд обороны, полностью напечатанный на 3D-принтере. Так как при его проектировании и изготовлении все основные процессы были автоматизированы, нет никакой нужды держать на каком-то заводе большой запас запчастей для этой техники. Вместо того чтобы отправлять ремонтировать беспилотник на завод, необходимые элементы можно будет печатать прямо на месте. Рабочие лопатки двигателей пока не печатают, но уже осуществляют их ремонт методом лазерной порошковой наплавки.

Чисто гипотетически можно провести аналогичную параллель с авианосцем, находящемся в походе, или с поездом. Имеющийся в распоряжении ремонтников принтер помог бы доработать или отремонтировать определенные детали, например, те же лопатки. Таким образом, аддитивные технологии, вероятнее всего, займут свое место именно в сервисном сегменте, отражая один из главных трендов развития современных промышленных технологий – кастомизацию продукции под потребителя.

В этой связи государственная политика по развитию данной сферы в России, должна опираться на следующие основные направления. Во-первых, это создание условий для снижения рисков, связанных с пилотным внедрением аддитивных технологий. В частности, с недавних пор действует новый механизм субсидирования, когда государство компенсирует предприятию 50% расходов, понесенных им при производстве и реализации пилотных партий промышленной продукции. Во-вторых, поддержку проектам в сфере аддитивных технологий оказывает Фонд развития промышленности, выдавая компаниям целевые льготные займы от 50 до 500 млн рублей под 5% годовых. Кроме того, участники рынка могут претендовать на финансовую поддержку со стороны государства для погашения части понесенных затрат на НИОКР.

Стимулирование разработок в сфере аддитивного производства необходимо поддерживать, так как их применение в современной промышленности – это долгий поиск, путем проб и ошибок, оптимальных ниш для решения конкретных задач. Например, можно создать что-то вроде «открытой библиотеки» технологических решений, объясняющей, как на конкретном станке, используя конкретный порошок, можно изготовить определенную деталь.

Другая важная задача – формирование эффективных площадок для взаимодействия конечных заказчиков с производителями материалов и оборудования. Такой Центр аддитивных технологий уже создается Ростехом на базе производителя газотурбинных двигателей НПО «Сатурн», имеющего многолетний опыт работы в области аддитивных технологий. Идею создания центра поддержали крупнейшие представители российской авиационной отрасли: Роскосмос, ОАК, ОДК, «Вертолеты России», «Технодинамика», КРЭТ и др.

Кроме того, тема аддитивных технологий - это прерогатива стартапов. Сейчас они зачастую просто скупаются мировыми технологическими гигантами. И сложно определить истинный мотив принятия данных решений: является ли это искренним желанием вкладываться в перспективное аддитивное направление, или же это просто попытка повысить свою капитализацию за счет своевременного поддержания модного тренда.

Так, в прошлом году американский концерн General Electric приобрел за $1,4 млрд две европейские компании, специализирующиеся на 3D-печати, - шведскую Arcam AB и немецкую SLM Solutions Group AG. Корпорация Siemens увеличила до 85% долю в британской компании Materials Solutions, специализирующейся на аддитивных технологиях в газотурбостроении. В начале 2017 года BMW, Google и Lowe’s сообща инвестировали $45 млн в американский стартап Desktop Metal, занимающийся созданием инновационной технологии 3D-печати металлических изделий. В общей сумме инвесторы вложили в этот проект, состоящий из 75 инженеров и программистов, уже около $100 млн

В связи с этим важно не допустить ситуации, при которой мы могли бы потерять наши успешные российские стартапы в сфере аддитивного производства. Разумеется, нельзя обойтись и без подготовки соответствующих инженерных кадров, которые могли бы профессионально разбираться в том, что целесообразно печатать, а что эффективнее продолжать делать традиционным методом.

Таким образом, основная проблема на сегодня заключается не в том, чтобы разработать современный отечественный 3D-принтер или создать качественные порошки (технологии ради самой технологии – довольно бессмысленная вещь), а в том, чтобы в нужном месте правильно применить уже имеющиеся на рынке разработки. Для этого у нас должны быть российские компании-драйверы, которые активно работали бы с этими технологиями, и максимально рационально и эффективно применяли бы их на практике.

Это госкорпорация Росатом, которая делает сейчас особую ставку на развитие аддитивных технологий, формируя собственную базу оборудования, материалов и технологий для выхода на новые внешние рынки. Это передовые наши компании в авиационной и ракетно-космической отрасли, которые объединились на базе упомянутого мной центра аддитивных технологий. Это Ростех, в состав которого входит «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК) – один из главных российских драйверов внедрения аддитивных технологий. Кроме того, в регионах создаются инжиниринговые центры – «точки роста» для инновационных компаний, которые помогают коммерциализировать разработки и доводить лабораторные образцы продукции до ее серийного производства.

Подобные, по-своему прорывные, примеры уже есть. Аддитивные технологии были успешно применены при изготовлении деталей двигателя ПД-14 для гражданской авиации, а также в конструкции нового газотурбинного двигателя морского применения, начало серийного производства которого запланировано на 2017 год. В области промышленного дизайна и быстрого прототипирования у российских специалистов есть передовые разработки, связанные со стрелковым оружием и аэрокосмической отраслью.

Это примеры успешного нахождения сфер для применения аддитивных технологий. Уже сейчас очевидно, что стопроцентной такой нишей станет медицина. Эндопротезы, биопринтинг, зубные мосты, ортопедия… Здесь аддитивные технологии уже переживают расцвет. В числе других потенциальных отраслей – инструментальная промышленность (производство инструментов и их шаблонов), космическая и авиационная сферы (легкие детали со сложной геометрией, компоненты турбин).

Аддитивные технологии связаны с поиском конкретных ниш, но и традиционная металлообработка не сдаст своих позиций в ближайшие годы. Важно не пропустить возможное изменение производственной парадигмы в тех отраслях, где мы традиционно сильны, а также искать новые сферы применения аддитивных технологий. Ведь ключевой вопрос заключается не в том, чтобы догнать и перегнать конкурентов, а в самой целесообразности этого забега и понимании того, на правильном ли треке мы находимся в конкретный момент.

8-11 июля в МВЦ «Екатеринбург-Экспо» состоится международная промышленная выставка металлообработки. Это крупнейшая в России площадка для презентации новых производственных технологий и оборудования отечественных и зарубежных производителей. Выставку посетят не только топ-менеджеры и инженеры крупнейших промышленных предприятий, но и представители высшего руководства страны и регионов.

В рамках выставки металлообработки откроется тематический раздел «Аддитивные технологии», который обещает стать одним из самых посещаемых разделов мероприятия. Технологии 3D-печати металлических изделий - это один из примеров, того, как промышленная революция происходит прямо на наших глазах, а технологии будущего из фантастических фильмов становятся реальностью.

Получить билет для посещения выставки

Если для большинства обывателей трехмерная печать объемных изделий все еще остается фантастикой, то дальновидные инвесторы и руководители промышленных производств уже оценили перспективы, которые открывает применение данных технологий. Быстрое проектирование и качественное производство становится ключевым фактором успеха на активно развивающихся и высококонкурентных промышленных рынках - нужно успеть выпустить на рынок новый продукт до того, как это сделают конкуренты. Поэтому все более востребованы технические решения, повышающие скорость и эффективность подготовки производственного цикла и выпуска готовой продукции.

Сферы применения аддитивных технологий:

• Машиностроение и судостроение;
• Авиационное производство и авиакосмическая промышленность;
• Энергетика и атомная индустрия;
• Электроника;
• Военно-промышленный комплекс;
• Медицина и стоматология;
• Архитектура и дизайн;
• Приборостроение и станкостроение;
• Макетирование и прототипирование;
• Ювелирное производство.

Стенды аддитивных технологий на ИННОПРОМ в Екатеринбурге - это место, в котором можно будет увидеть новейшие образцы 3D-оборудования и самые интересные разработки в данной отрасли. К примеру, в 2016 году в рамках выставки ИННОПРОМ корпорация «Росатом» представила первый российский промышленный 3D-принтер для метала с камерой 550×550, не уступающий западным аналогам по техническим характеристикам. Премьера отечественного образца, созданного в результате совместного проекта Научного Дивизиона Росатома с Государственным научным центром РФ АО «ЦНИИТМАШ» привлекла внимание СМИ, потенциальных покупателей и широкой общественности.

Что такое аддитивные технологии

Аддитивные технологии или Additive Manufacturing - это принципиально новый способ производства, который основан на принципе послойного синтеза. Если при традиционных способах производства деталь или объект нужной формы создается путем удаления лишнего материала из цельной заготовки, то новая технология трехмерной печати предполагает создание детали «с нуля» путем последовательного добавления слоев материала. Отсюда термин «аддитивный», происходящий от английского слова «add» (добавлять).

Виды технологий лазерной 3D печати:

• SLS (selective laser sintering) - селективное лазерное спекание;
• SLA (laser stereolithography) - лазерная стереолитография;
• SLM (selective laser melting) - селективное лазерное плавление;
• LOM (laminated object manufacturing) - послойное лазерное ламинирование;
• LMD (laser metal deposition) - лазерная наплавка металлов;

Виды технологий струйной 3D печати:

• FDM (fused deposition modeling) - моделирование наплавлением;
• Polyjet - струйная печать путем отверждения жидких фотополимеров под ультрафиолетом.,/li>

Принцип работы 3Д принтеров по металлу

Работа промышленного 3D принтера не слишком отличается от привычной для нас печати на домашних или офисных устройствах для лазерной или струйной печати - разница в габаритах и в том, что печать идет в трех плоскостях. В остальном принцип похож - металлический порошковый материал подается на печатающую головку, нагревается лазерным лучом до высоких температур и послойно «спекается» в нужной последовательности до получения нужного размера и формы.

Процесс производства с помощью промышленных технологий 3D-печати:

• Создание CAD-модели (моделирование объемной детали с помощью специального ПО;
• Создание STL-файла и разделение на слои;
• Подготовка принтера к работе и запуск нагревающего элемента;
• Установка формы для детали на рабочую поверхность;
• Заполнение питающей коробки металлическим порошком;
• Печатающие головки с нагревающим элементом движутся по заданной программой траектории, спекая металлическую пудру и связывающее вещество, которое подается по трубкам;
• Слой в форме высушивается специальными нагревателями;
• Процедура повторяется для следующих слоев до полного заполнения формы;
• Форма с деталью помещается в специальную печь, где под температурой 1800С происходит укладочный процесс;
• Примерно через 24 часа связывающее вещество затвердевает, а жидкость испаряется, после чего с помощью обдува удаляются остатки металлической пудры на поверхности изделия.

При необходимости производятся другие процедуры финишной обработки, которые варьируются в зависимости от типа, состава и характеристик металла.

Что производят с помощью 3D принтеров по металлу:

Аддитивные технологии производства используются для создания изделий сложной формы и конфигурации, к примеру, деталей с полостями и скрытыми внутренними элементами, сетчатыми конструкциями и оригинальным рельефом. Все больше производств переходят на трехмерную печать для объектов, которые сложно или экономически невыгодно производить с помощью прессовки, штамповки, литья либо механической металлообработки.

Виды объектов, получаемых 3D-печатью:

• Изделия штучного либо мелкосерийного производства;
• Детали для автомобилей;
• Инструменты из металла и металлических сплавов;
• Комплектующие для приборов и станков;
• Детали авиалайнеров, беспилотников и подводных лодок;
• Детали и элементы ракет и спутников;
• Эндопротезы и импланты.

Преимущества промышленных аддитивных технологий

Аддитивные технологии в машиностроении применяются более 20 лет, и уже прошли проверку временем и сложными условиями эксплуатации. Другие сферы, активно внедряющие трехмерную печать, также регулярно предоставляют статистические данные о выгодах и преимуществах этого направления производства. Поэтому эксперты отрасли имеют обширную базу для сравнения и могут делать выводы, основанные на длительном наблюдении и реальном опыте, а нижеуказанные преимущества носят отнюдь не теоретический характер.

1. Экономия сырья. Трехмерная печать подразумевает «выращивание» изделия с нуля, поэтому расход материала значительно уменьшается за счет отсутствия стружек и обрезков. Безотходное производство не только минимизирует затраты на сырье, но и исключает необходимость выделения дополнительных ресурсов на утилизацию отходов. При этом консервативные технологии металлообработки могут сопровождаться потерей до 80–85% материала заготовок.

2. Качество и надежность готовой продукции. Механические и технические характеристики, остаточное напряжение, плотность, прочность и прочие свойства изделий, синтезированных с помощью трехмерной печати или послойного 3D-наплавления, не только не уступают свойствам аналогов, созданных традиционным путем, но и превосходят их. Их прочность обычно на 20–30% выше, чем у кованых или литых изделий.

3. Ускорение производственного цикла. Моментальный обмен данными, быстрое проектирование и настройка производственного процесса - это то, что поможет выиграть гонку с конкурентами за счет ускорения цикла от проекта до выпуска новой линии продукции. Нет необходимости в многочисленных чертежах и расчетах - компьютерная модель изделия может присылаться из головного офиса или от сторонних подрядчиков и сразу отправляться в работу в считанные минуты.

4. Мобильность и гибкость производства. Для запуска новой серии изделий производителю не нужно закупать громоздкое оборудование для комплекса задач по резке, литью, штамповке и финишной обработке. Достаточно приобрести комплект из программного обеспечения для создания CAD-модели и сравнительно компактного 3D-принтера. Налицо экономия во всем - от аренды производственных площадей и необходимости в большом штате сотрудников до амортизации и обслуживания больших станков, конвейеров и агрегатов.

Узнайте больше о новых технологиях в России и в мире на выставке металлообработки в рамках ИННОПРОМ в июле 2019 года. Зарегистрируйтесь прямо сейчас и получите бесплатный электронный билет , действующий в течение 4-х дней мероприятия!

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.

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

Предыдущая статья: Какие документы нужны для оформления опекунства? Следующая статья: Порядок оформления детских пособий через мфц