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.
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:
Схематично различия в традиционном и аддитивном производстве можно изобразить следующей схемой:
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:
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.
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.
– процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных трехмерных моделей, как правило, послойно, в отличие от субтрактивного метода и метода формовки. В разное время использовались такие термины, как аддитивное изготовление, аддитивные процессы, аддитивные методы, аддитивное послойное производство, послойное производство, изготовление твердотельных изделий произвольной формы и изготовление изделий произвольной формы.
В этой динамически развивающейся отрасли быстро появляются новые термины. 3D-печать , согласно стандарту ISO/ASTM 52900, - это изготовление объектов путем нанесения материала печатной головкой, с помощью сопла или другой технологии печати. В прошлом этот термин ассоциировался с недорогими станками невысокой производительности. Однако сейчас это не так: термины «аддитивное производство» и «3D-печать» означают одно и то же.
«Аддитивное производство» (Additive Manufacturing) - официальный отраслевой термин, утвержденный организациями по стандартизации ASTM и ISO, однако словосочетание « » более распространено и фактически стало стандартом. Особенно широко оно используется в СМИ, терминологии стартапов, инвесторов и других сообществ.
Одно из преимуществ аддитивных технологий – возможность создания объектов сложной формы и структуры с высокой точностью
К аддитивному производству (АП) относятся семь различных . Изделия можно создавать послойно путем:
Основные технологии , применяемые при создании изделий на аддитивных установках:
Основные материалы , используемые в аддитивных процессах:
Аддитивные технологии используются для создания физических моделей, прототипов , образцов, инструментальной оснастки и производства пластиковых, металлических , керамических, стеклянных, композитных компонентов и компонентов из биоматериалов. Принцип действия аддитивных установок основан на построении тонких горизонтальных слоев из 3D-моделей, созданных с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) и 3D-сканеров .
Проектные и производственные предприятия используют АП для изготовления изделий потребительского, промышленного, медицинского и военного назначения, и это далеко не все. Камеры, мобильные телефоны, , внутренняя отделка автомобилей, детали и узлы самолетов , станки и медицинские имплантаты - лишь начало обширнейшего списка продуктов аддитивного производства.
АП упрощает и ускоряет процесс разработки продукции. Компании прибегают к аддитивным технологиям, стремясь сократить время производства, повысить качество продукции и сократить затраты. В качестве средства визуализации 3D-печать помогает предприятиям определить вероятность создания дефектной или неудовлетворительной продукции. Кроме того, разрабатываются методы, процессы и системы для изготовления оснастки. Первые попытки были направлены на быстрое создание оснастки, например, форм для литья под давлением, но они не были успешными.
В последнее время 3D-печать стали использовать для повышения качества оснастки для под давлением. В некоторых областях АП применяют для получения результатов, недостижимых при использовании обычных станков. В других производствах аддитивные технологии используются для создания таких инструментов для изготовления и сборки, как зажимные устройства, крепления, шаблоны и направляющие для сверления и резки.
3D-печать оказывает большое влияние на производство многих продуктов. Предприятия - крупные и малые - успешно применяют технологии для производства готовых изделий . По мнению экспертов, производство готовых изделий станет крупнейшей областью применения аддитивных технологий. Эта технология может повлиять на производство больше, чем другие, традиционные, методы.
Отрасль продолжает развиваться, возникают новые методы, технологии, материалы, прикладные задачи и бизнес-модели . Расширяется география и сфера промышленного применения АП. Аддитивные технологии уже оказали огромное влияние на развитие проектирования и производства; в будущем их роль будет все больше возрастать.
В России рынок 3D-технологий достаточно молод, но уже показывает динамичный рост (по данным Роснано , около 30% в год). Все больше компаний осознают потребность в применении аддитивных методов в производстве и научных исследованиях. Есть организации, которые активно занимаются сертификацией материалов и уже тестируют 3D-принтеры собственного производства. На предприятиях появляются лаборатории по разработке и внедрению 3D-решений на отдельных участках технологического цикла.
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?
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.
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.
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:
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.
Не лишним будет упомянуть и о том, как происходит создание объемного продукта в каждом конкретном случае. Самыми популярными методами в аддитивном производстве являются:
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.
Исследовательская группа «Инфомайн»
Основана в 1993 году. Специализируется на изучении рынков промышленной продукции в России и странах СНГ. Основными направлениями исследований являются: минеральное сырье, металлы и химические продукты. За прошедшие годы специалистами компании подготовлено свыше 1000 обзоров. Клиентами «Инфомайн» являются более 500 производственных, торговых, консалтинговых компаний, банков и научных организаций из 37 стран мира. Среди них: «Газпром», «Лукойл», ТНК-ВР, АФК «Система», ГМК «Норильский никель», «Евраз Груп С. А.», Объединенная компания «Русал» и др. Профессионализм компании подтверждается многочисленными публикациями в научных и научно-популярных журналах, а также выступлениями на конференциях различного уровня.
Металлические порошки обладают уникальными химико-металлургическими свойствами, что позволяет использовать их в различных областях. С появлением аддитивных технологий порошковая металлургия получила новые перспективы развития. Порошковая металлургия является наиболее экономичным методом изготовления изделий, она характеризуется низким уровнем отходов по сравнению с традиционными технологиями (литьем, механической обработкой, холодной и горячей обработкой давлением) и минимальным количеством операций для получения изделий с размерами, близкими к окончательным. Другая особенность порошковой металлургии - возможность производства материалов и изделий, которые невозможно получить традиционными металлургическими методами. С помощью аддитивных технологий упрощаются производственные процессы в авиационной промышленности, энергомашиностроении, приборостроении - везде, где есть потребность в изделиях сложной геометрии и «выращивании» металлических деталей. В настоящее время с точки зрения внедрения аддитивных технологий Россия отстает от ведущих стран мира. По-прежнему российские потребители зависят как от поставок импортных высококачественных металлических порошков, так и от импорта самих 3D-принтеров.
Состояние аддитивных технологий в мире
Технология трехмерной печати (3D) начала развиваться в конце 80-х годов прошлого века. Пионером в этой области является компания 3D Systems, которая в 1986 году разработала первый стереолитографический аппарат. Первые лазерные машины - стереолитографические (SLA) и затем порошковые (SLS-машины) - отличались очень высокой стоимостью, выбор материалов был достаточно узкий, и до середины 1990-х годов они использовались главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. В дальнейшем, после широкого распространения цифровых технологий в области проектирования, моделирования и механообработки, 3D-технологии начали бурно развиваться. Для 3D-технологий в настоящее время рекомендован термин Additive Manufacturing (AM). По данным Wohlers Associates, мировой рынок АМ-технологий в 2014 году составил около 3 млрд долларов при средних темпах роста на уровне 20–30%. Прогнозируется, что к 2020 году объем рынка может достичь 16 млрд долларов. Рынок аддитивных технологий стремительно меняется, происходит слияние и поглощение компаний-производителей машин, возникают новые центры оказания услуг в области AM-технологий, эти центры объединяются в европейскую, а теперь уже и в глобальную сеть. 63% всех аддитивных машин в мире производится в США. Наиболее заметно внедрение АМ-технологий в таких отраслях, как авиационная промышленность, судостроение, энергетическое машиностроение, а также стоматология и восстановительная хирургия. Главными заказчиками и потребителями AM-продукции являются авиационная и автомобильная отрасли США и Европы. Эти технологии привлекают крупные промышленные компании: Boeing, Mersedes, General Electric, Lockheed Martin, Mitsubishi, General Motors. Например, компания Boeing в последние годы значительно увеличила номенклатуру деталей, изготавливаемых по AM-технологиям. Сейчас таким образом изготавливается более 22 тысяч деталей 300 наименований для 10 типов военных и коммерческих самолетов, включая Dreamliner. Отказ от производства цельнометаллического листа в пользу спекания порошков при формировании каркасов ряда моделей Boeing позволил компании перейти на принципиально новый уровень производства. По мнению специалистов General Electric, через 10 лет примерно половина деталей энергетических турбин и авиационных двигателей будет изготавливаться с помощью AM-технологий. Активно применяются аддитивные технологии в бытовой электронике и медицине, в том числе в стоматологии. По словам представителей компании Arcam, произведенные ими устройства были использованы для создания более 30 000 титановых имплантатов для реконструкции тазобедренных суставов. Основным отличием АМ-технологий является то, что они применяются для формирования детали при помощи наращивания материала, в отличие от удаления в случае механической обработки. Использование аддитивных технологий позволяет изготавливать детали с характеристиками, недоступными для других методов обработки (например, с криволинейными отверстиями или внутренними пустотами). Послойный метод построения детали дает абсолютно новые возможности, например изготовление «деталь в детали», деталей с переменными по толщине свойствами материала (так называемые градиентные материалы), выпуск сетчатых конструкций, которые невозможно получить ни литьем, ни механообработкой. Значительные перспективы для 3D-технологий открываются в аэрокосмической отрасли. Это связано с тем, что с их помощью стало возможным кардинально уменьшить отношение массы материала, необходимого для выпуска детали, к массе конечной детали. Для большинства деталей, изготавливаемых традиционным способом, это соотношение может достигать 20:1, при использовании аддитивных технологий этот показатель составляет в худшем случае 2:1.
Рис. 1. Аппарат селективного лазерного сплавления SLM 280 компании SLM Solutions (Германия)
Почти все компании, использующие лазер, по-разному называют свои технологии. Это сделано для того, чтобы отличить себя от конкурентов, но по технической сути все они являются технологиями селективного лазерного сплавления - SLM-технологиями. Однако это название негласно закреплено за компанией SLM Solutions. Компания SLM Solutions (Германия) является одним из мировых лидеров в области технологий лазерного синтеза. SLM Solutions активно сотрудничает с компанией FILT. В результате этого сотрудничества появилась наиболее «продвинутая» на сегодняшний день машина SLM 280 (рис. 1). Этот аппарат отличается наличием двух лазеров: внешний контур детали и тонкие стенки обрабатывает первый лазер мощностью 400 Вт, основное тело детали - второй, более мощный лазер (1000 Вт). Сочетание двух лазеров разной мощности позволяет выпускать детали с толщиной отдельных фрагментов до 0,3 мм. Это также придает аппарату существенные преимущества: увеличивается скорость построения детали (до 5 раз), улучшается внутренняя структура материала и чистота внешней поверхности.
Виды аддитивных технологий
По методам формирования слоя принципиально отличаются два вида аддитивных технологий. Технология Bed Deposition предполагает на первом этапе формирование слоя порошка с последующей выборочной (селективной) обработкой сформированного слоя лазером или иным способом. Этой технологии достаточно точно соответствует термин «селективный синтез» или «селективное лазерное спекание» (SLS - Selective Laser Sintering), если «отверждающим» инструментом является лазер, который в данном случае, в отличие от лазерной стереолитографии (SLA-технологии), является источником тепла, а не ультрафиолетового излучения. Второй вид Direct Deposition - прямое, или непосредственное, осаждение материала, т. е. непосредственно в точку, куда подводится энергия и где в данный момент происходит построение фрагмента детали. Наиболее широко на рынке представлены модели группы Bed Deposition. Большая часть компаний - производителей таких аппаратов использует в своих машинах лазер в качестве источника энергии для соединения частиц металлопорошковых композиций. К ним относятся: Arcam (Швеция), Concept Laser (Германия), EOS (Германия), Phenix Systems (Франция), Realizes (Германия), Renishaw (Великобритания), SLM Solutions (Германия), Systems (США). В 2012 году в эту группу вошли китайские компании Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems и Trump Precision Machinery. Ко второй группе машин (Direct Deposition) относятся аппараты компаний POM Group, Optomec, Sciaky (США), Irepa Laser (Франция), InssTek (Ю. Корея). В России отсутствует серийное производство АМ-машин, которые используют в качестве материала металлические порошки. Вместе с тем целый ряд организаций занимается разработкой и созданием опытных образцов подобного типа аппаратов. Например, ОАО «Электромеханика» (Тверская область) в рамках совместной работы с ФГБОУ ВПО «МГТУ «СТАНКИН» изготовило автоматизированную 3D-установку для выращивания в вакууме точных титановых заготовок сложных деталей методом послойного синтеза электронным лучом из металлического мелкодисперсного порошка. ОАО «ТВЭЛ» совместно с научными организациями Уральского отделения РАН ведет разработку и организацию производства установок УрАМ-550 для селективного лазерного сплавления металлических порошков с размером рабочей камеры 500×500×500 мм. «Росатом» в кооперации с Минобрнауки планирует создать опытный образец 3D-принтера для изготовления металлических изделий на базе НПО «ЦНИИТМАШ». Специалистами ОАО «Национальный институт авиационных технологий» разработаны несколько типов экспериментальных лазерных установок послойного синтеза. Разработки аппаратов для лазерного послойного синтеза ведутся также Институтом проблем лазерных и информационных технологий (ИПЛИТ).
Рис. 2. АM-машина X line 1000R компании Concept Laser
До недавнего времени самой большой AM-машиной компании считалась X line 1000R (рис. 2) с размерами зоны построения 630×400×500 мм. Она была разработана совместно с Фраунхоферским институтом лазерных технологий (FILT) при участии Daimler AG и вышла на рынок в 2013 году. Первая такая машина установлена на Daimler AG для выращивания автомобильных компонентов из алюминия. К этой модели недавно была добавлена модификация X line 2000R, оснащенная двумя лазерами мощностью по 1000 Вт. Область построения увеличена до 800×400×500 мм. Компания пошла навстречу требованиям клиентов из аэрокосмической и автомобильной отраслей, повысив скорость построения изделий.
Рис. 3. Аппарат DMD IC106 компании POM
Компания POM (Precision Optical Manufacturing) является разработчиком DMD-технологии и держателем патентов на оригинальные технические решения по лазерным системам и системам управления с обратной связью с одновременным регулированием в режиме реального времени основных параметров построения детали: объема подачи материала, скорости перемещения головки и мощности лазера, которые обеспечивают стабильность и качество рабочего процесса (рис. 3). Эта технология позволяет производить параллельную или последовательную подачу двух видов материала с различными физико-химическими свойствами и таким образом создавать биметаллические компоненты, например формы для литья пластмасс (тело формы из меди, рабочая часть - из инструментальной стали), или наносить специальные покрытия, например на гильзы цилиндров, поршневые кольца, кулачковые валы, седла клапанов.
Технологии производства металлических порошков
В настоящее время не существует общих требований к металлопорошковым композициям, применяемым в AM-технологиях. Разные компании - производители AM-машин предписывают работу с определенным перечнем материалов, обычно поставляемых самой этой компанией. Общим требованием к порошкам для AM-машин является сферическая форма частиц. Это связано с необходимостью компактного укладывания в определенный объем и обеспечения «текучести» порошковой композиции в системах подачи материала с минимальным сопротивлением. На рынке представлены десятки видов разнообразных композиций: от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. Сфера их применения уже в настоящее время крайне разнообразна - от стоматологии до ювелирной промышленности. Основными технологиями получения порошков для AM-машин являются газовая атомизация, вакуумная атомизация и центробежная атомизация. Согласно технологии газовой атомизации металл расплавляют в плавильной камере (обычно в вакууме или инертной среде) и затем сливают в управляемом режиме через специальное устройство-распылитель, где производится разрушение потока жидкого металла струей инертного газа под давлением. В Европе три компании - ALD (Голландия), PSI - Phoenix Scientific Industries Ltd. (Великобритания) и Atomising Systems (Великобритания) - производят атомайзеры в качестве товарной продукции. При вакуумной атомизации процесс происходит за счет растворенного в расплаве газа. Атомайзер состоит из двух камер - плавильной и распылительной. В плавильной камере создают избыточное давление газа (водород, гелий, азот), который растворяется в расплаве. Во время атомизации металл под действием давления в плавильной камере поступает вверх к сопловому аппарату, выходящему в распылительную камеру, где создают вакуум. Возникающий перепад давлений побуждает растворенный газ к выходу на поверхность капель расплава и «взрывает» капли изнутри, обеспечивая при этом сферическую форму и мелкодисперсную структуру порошка. Технологии центробежной атомизации весьма разнообразны, но наибольший интерес представляют те, которые позволяют получать порошки наиболее ценных для аддитивных технологий сплавов - реактивных и тугоплавких металлов. Единственным сдерживающим фактором развития аддитивных технологий является высокая стоимость расходных материалов (металлических порошков). В настоящее время рядом компаний ведутся работы по внедрению менее затратных технологий производства порошков (в том числе титановых). Прорыв в этом направлении приведет к значительному росту спроса на 3D-устройства, способные воспроизводить металлические модели.
Рис. 4. Атомайзер EIGA 50 компании ALD (Голландия)
Мировым лидером в производстве оборудования для газовой атомизации является компания ALD (в настоящее время входит в группу AMG Advanced Metallurgical Group). Она имеет в своей производственной линейке атомайзеры как лабораторного (объем тигля 1,0–2,0 л), так и индустриального назначения с производительностью до 500 кг за одну плавку и более. Компания ALD является также изготовителем атомайзеров для получения порошковых композиций по технологии EIGA - индукционная плавка с распылением инертным газом. Базовые модели EIGA 50 и EIGA 100 отличаются размерами применяемого фидстока - прутка соответственно 50 и 100 мм. Машины EIGA (рис. 4) имеют невысокую скорость распыления - около 0,5 кг/с, однако позволяют распылять достаточно большой объем материала в течение одной плавки - от единиц до десятков килограммов.
Рис. 5. Установка центробежного распыления расплава ООО «Сферамет»
В России имеется опыт получения порошковых материалов методом центробежного распыления с торца прутковой заготовки, оплавляемой плазменной дугой. Метод был разработан в 1970-х годах в ВИЛСе. В последние годы этот метод получил дальнейшее развитие в работах OOO «Сферамет» (Московская область). ООО «Сферамет» является разработчиком оборудования и технологий нового поколения для получения сферических гранул металлов и сплавов методом центробежного распыления расплава. Исходным материалом для получения гранул на разработанной установке УЦР-6 (рис. 5) служат литые цилиндрические заготовки диаметром 76-80 мм и длиной 700 мм. На этой установке были получены гранулы дисперсностью 50 мкм.
Выпуск металлических порошков для аддитивных технологий в России
Интенсивное использование аддитивных технологий в России сдерживается как отсутствием АМ-машин, так и отсутствием мелкодисперсных металлических порошков. В настоящее время российские предприятия используют импортные порошки, поставляемые в основном компаниями - производителями установок. Серийное производство металлических порошков для аддитивных технологий в России отсутствует. ФГУП «Всероссийский институт авиационных материалов» (ВИАМ, Москва) производит в относительно небольших количествах металлопорошковые композиции для аддитивных технологий. В ближайшее время здесь планируются запуск современного промышленного оборудования и коммерческий выпуск порошков. По мнению генерального директора ВИАМ академика Е.Н. Каблова, для имеющегося российского парка установок аддитивного производства необходимо около 20 тонн порошков в год. По оценкам компании «Инфомайн», этот объем завышен, и общая емкость рынка порошков для работающих установок аддитивных технологий в России составляет на начало 2016 года не более 6–7 тонн. Целый ряд российских компаний занимаются в настоящее время вопросами производства металлических порошков для аддитивных технологий. По оценкам экспертов, уже в 2016 году на отечественном рынке могут появиться прошедшие сертификацию коммерческие металлопорошковые композиции различных марок. В настоящее время ВИАМ самостоятельно обеспечивает себя порошками, однако мощности небольшие (до 2 тонн в год). Движение ВИАМ к производству порошков для аддитивных технологий началось с организации производства припоев для высокотемпературной вакуумной пайки. Требования к порошковым припоям близки к аналогичным требованиям, предъявляемым к металлопорошковым композициям, используемым при аддитивных технологиях, в том числе по сочетанию фракций разного размера. С 2010 года ВИАМ активно ведет работы по созданию производства мелкодисперсных металлических порошков распылением расплава инертным газом на установке ERMIGA10/100VI. Разработаны и освоены технологии получения порошков более 10 марок никелевых и титановых припоев (10–200 мкм). Были начаты серийные поставки припоев моторным заводам. Ведутся работы по получению мелкодисперсных порошков для аддитивных технологий. Порошки для лазерной LMD-наплавки (40–80 мкм) поставляются в ОАО «Авиадвигатель», на котором проводятся работы по отработке технологий наплавки бородок бандажных полок лопаток ТВД. Ведутся работы по получению порошков для селективного лазерного сплавления (20–40, 10–50 мкм).
Рис. 6. Установка послойного лазерного сплавления M2 Cusing компании Concept Laser
В 2014 году ВИАМ приобрел установку для селективного лазерного сплавления металлических порошков Concept Laser M2 Cusing (рис. 6), позволяющую получать детали практически любой сложности внутреннего строения напрямую из металлических порошков без использования оснастки. Начаты исследования в области получения деталей по полному циклу, что обеспечит в дальнейшем ускорение внедрения аддитивных технологий в производство. Также в ФГУП «ВИАМ» методом послойного лазерного сплавления на установке M2 Cusing фирмы Concept Laser из порошка ЭП648-ВИ (ВХ4Л) начато изготовление завихрителей для двигателей 100-07, 100-08, 100-09. В рамках НИР по заказу Федерального космического агентства проведены работы, показавшие возможность получения порошков (гранул) на основе никеля и титана для проведения селективного лазерного сплавления.
Аддитивные технологии в «росатоме»: цикл от порошков до применения
Рис. 7. Дорожная карта развития аддитивных технологий «Росатома»
Импорт в Россию аппаратов для аддитивных технологий
Россия удовлетворяет потребности в 3D-принтерах, работающих на металлических порошках, за счет импорта этой продукции. По данным «Инфомайн», Россия импортировала в 2009–2015 годах 29 установок для аддитивных технологий на металлических порошках на сумму около 12 млн долларов. При этом характерным является тренд на рост импортных поставок (рис. 10). Как видно, 2014 и 2015 годы характеризовались наивысшим уровнем поставок на сумму свыше 200 тыс. долларов.
Рис. 8. Атомайзер ALD VIGA-2B
Научный центр порошкового материаловедения (НЦПМ) при Пермском научно-исследовательском политехническом университете (ПНИПУ) приобрел в 2011 году атомайзер ALD VIGA-2B (рис. 8). В апреле 2014 года АМ-машина была запущена. Установка предназначена для исследований и получения небольших экспериментальных партий порошков. Она позволяет распылять все нетугоплавкие металлы и сплавы с температурой плавления до 1700 °C. По словам специалистов Научного центра, порошки получаются сферические, но неоднород-ные - крупностью от 0,5 до 100 мкм.
Рис. 9. Структура поставки в РФ 3D-принтеров основными зарубежными производителями в 2009–2015 гг., %
Ведущие страны мира активно включаются в 3D-гонку. Так, в 2012 г. в Янгстоуне, Огайо, открылся Национальный инновационный институт аддитивного производства NAMII - первый центр аддитивных технологий из пятнадцати создаваемых в США. Машинный парк института уже насчитывает 10 аддитивных машин, три из которых являются самыми современными машинами для создания металлических деталей.
Суть аддитивных технологий заключается в соединении материалов для создания объектов из данных 3D-модели слой за слоем. Этим они отличаются от обычных субтрактивных технологий производства, подразумевающих механическую обработку - удаление вещества из заготовки.
Аддитивные технологии классифицируют:
Есть два способа формирования слоя. Первый заключается в том, что сначала насыпают на платформу порошковый материал, распределяют его роликом или ножом для создания ровного слоя материала заданной толщины. Происходит селективная обработка порошка лазером или другим способом соединения частиц порошка (плавкой или склеиванием) согласно текущему сечению CAD-модели. Плоскость построения неизменна, а часть порошка остаётся нетронутой. Этот способ называют селективным синтезом, а также селективным лазерным спеканием, если инструментом соединения является лазер. Второй способ состоит в непосредственном осаждении материала в точку подведения энергии.
Организация ASTM, занимающаяся разработкой отраслевых стандартов, разделяет 3D-аддитивные технологии на 7 категорий.
Эта классификация гораздо больше говорит о тонкостях аддитивных технологий, чем предыдущие.
Рынок аддитивных технологий в динамике развития опережает остальные отрасли производства. Его средний ежегодный рост оценивается в 27% и, по оценке компании IDC, к 2019 г. составит 26,7 млрд долларов США по сравнению с 11 млрд в 2015 г.
Однако АТ-рынку ещё предстоит раскрыть неиспользованный потенциал в сфере производства товаров широкого потребления. До 10% средств компаний от стоимости производства товара расходуется на его прототипирование. И много компаний уже заняли данный сегмент рынка. Но остальные 90% идут в производство, поэтому создание приложений для быстрого изготовления товаров станет основным направлением развития этой отрасли в будущем.
В 2014 г. доля быстрого прототипирования на рынке аддитивных технологий хотя и уменьшилась, оставалась наибольшей - 35%, доля быстрого производства росла и достигла 31%, доля в создании инструментов оставалась осталась на уровне 25%, остальное приходилось на исследования и образование.
По отраслям экономики применение АТ-технологий распределилось так:
Рынок АТ-технологий разделяется на любительский и профессиональный. Любительский рынок включает 3D-принтеры и их обслуживание, которое включает сервис, расходные материалы, программное обеспечение, и рассчитан на отдельных энтузиастов, сферу образования и визуализацию идей и облегчения коммуникации на начальной стадии развития нового бизнеса.
Профессиональные 3D-принтеры дорогостоящи и подходят для расширенного воспроизводства. У них большая зона построения, производительность, точность, надёжность, расширен ассортимент модельных материалов. Эти машины на порядок сложнее и требуют освоения особых навыков работы с самими устройствами, с модельными материалами и программным обеспечением. Как правило, оператором профессиональной машины становится специалист по аддитивным технологиям с высшим техническим образованием.
Согласно отчёту Wohlers Report 2015, с 1988 по 2014 г. в мире было установлено 79 602 промышленных 3D-принтера. При этом 38,1% устройств стоимостью более 5 тыс. долларов США приходится на США, 9,3% - на Японию, 9,2% - на Китай, и 8,7% - на Германию. Остальные страны мира находятся в значительном отрыве от лидеров. С 2007 по 2014 годовой объём продаж настольных принтеров вырос с 66 до 139 584 устройств. В 2014 г. 91,6% продаж приходился на настольные 3D-принтеры и 8,4% - на промышленные установки аддитивного производства, прибыль от которых, однако, составила 86,6% от общего объёма, или 1,12 млрд долларов США в абсолютном выражении. Настольные машины довольствовались 173,2 млн долларов США и 13,4%. В 2016 г. ожидается рост продаж до 7,3 млрд долларов США, в 2018 г. - 12,7 млрд, в 2020 г. рынок достигнет 21,2 млрд долларов.
Согласно Wohlers, FDM-технология превалирует, насчитывая около 300 брендов по всему миру, ежедневно пополняясь новыми модификациями. Некоторые из них продаются только локально, поэтому очень сложно, если вообще возможно, найти информацию о количестве брендов выпускаемых 3D-принтеров. С уверенностью можно сказать, что их количество на рынке увеличивается с каждым днём. Наблюдается большое разнообразие в размерах и применяемых технологиях. Например, берлинская компания BigRep производит огромный FDM-принтер под названием BigRep ONE.2 по цене 36 тыс. евро, способный печатать объекты размером до 900 х 1055 х 1100 мм с разрешением 100-1000 микрон, двумя экструдерами и возможностью использовать разные материалы.
Авиационная промышленность усиленно инвестирует в аддитивное производство. Применение аддитивных технологий позволит снизить расход материалов, затрачиваемых на изготовление деталей, в 10 раз. Ожидается, что компания GE Aviation будет ежегодно печатать 40 тыс. форсунок. А компания Airbus к 2018 г. собирается печатать до 30 т деталей ежемесячно. Компания отмечает значительный прогресс в характеристиках произведённых таким способом деталей по сравнению с традиционным. Оказалось, что кронштейн, который был рассчитан на 2,3 т нагрузки, в действительности может выдерживать нагрузку до 14 т при снижении его веса вдвое. Кроме того, компания печатает детали из алюминиевого листа и топливные коннекторы. В самолётах Airbus насчитывается 60 тыс. частей, напечатанных на 3D-принтерах Fortus компании Stratasys. Другие компании авиакосмической индустрии также используют технологии аддитивного производства. Среди них: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce и SpaceX.
Цифровые аддитивные технологии уже используются в производстве разнообразных потребительских товаров. Компания Materialise, предоставляющая услуги аддитивного производства, сотрудничает с компанией Hoet Eyeware в изготовлении очков для коррекции зрения и солнечных очков. 3D-модели предоставляются множеством облачных сервисов. Только компании 3D Warehouse и Sketchup предлагают 2,7 млн образцов. Не остаётся в стороне и индустрия моды. RS Print использует систему, измеряющую давление подошвы, для печати индивидуальных стелек. Дизайнеры экспериментируют с бикини, обувью и платьями.
Под быстрым прототипированием понимают создание прототипа изделия за максимально короткий срок. Оно входит в число основных применений технологий аддитивного производства. Прототип - это прообраз изделия, необходимый для оптимизации формы детали, оценки её эргономики, проверки возможности сборки и правильности компоновочных решений. Вот почему сокращение срока изготовления детали позволяет значительно сократить время разработки. Также прототип может являться моделью, предназначенной для проведения аэро- и гидродинамических испытаний или проверки функциональности деталей корпуса бытовой и медицинской техники. Много прототипов создаётся в качестве поисковых дизайнерских моделей с нюансами в конфигурации, цветовой гамме раскраски и т. д. Для быстрого прототипирования используются недорогие 3D-принтеры.
Аддитивные технологии в промышленности имеют большие перспективы. Малосерийное производство изделий со сложной геометрией и из специфических материалов распространено в судостроении, энергетическом машиностроении, восстановительной хирургии и дентальной медицине, аэрокосмической промышленности. Непосредственное выращивание изделий из металла здесь мотивировано экономической целесообразностью, так как этот оказался менее затратным. С использованием аддитивных технологий производят рабочие органы турбин и валов, импланты и эндопротезы, запасные части для автомобилей и самолётов.
Развитию быстрого производства способствовало и значительное расширение числа доступных металлопорошковых материалов. Если в 2000 годах насчитывалось 5-6 видов порошков, то сейчас предлагается широкая номенклатура, исчисляемая десятками композиций от конструкционных сталей до драгоценных металлов и жаропрочных сплавов.
Перспективны и аддитивные технологии в машиностроении, где их можно использовать при изготовлении инструментов иприспособлений для серийного производства - вставок для термопласт-автоматов, пресс-форм, шаблонов.
По мнению журнала CHIP, который провёл тестирование и сравнил характеристики бытовых 3D-принтеров, лучшими принтерами 2016 года являются модели Ultimaker 2 компании Ultimaker, Reniforce RF1000 компании Conrad и Replicator Desktop 3D Printer компании MakerBot.
Ultimaker 2+ в его улучшенной модели использует технологию моделирования методом наплавления. 3D-принтер отличается наименьшей толщиной слоя, равной 0,02 мм, небольшим временем расчёта, низкой стоимостью печати (2600 руб за 1 кг материала). Основные характеристики:
По отзывам покупателей, принтер лёгок в установке и использовании. Отмечают высокое разрешение, саморегулирующееся ложе, большое разнообразие используемого материала, использование открытого программного обеспечения. К недостаткам принтера относят открытую конструкцию принтера, которая может привести к ожогу горячим материалом.
В обзоре журнала PC Magazine Ultimaker 2 и Replicator Desktop 3D Printer также вошли в тройку лучших, но здесь на первом месте оказался принтер LulzBot Mini 3D Printer. Его спецификации таковы:
Одной из лучших промышленных машин аддитивного производства является EBAM 300 компании Sciaky. Электронно-лучевая пушка наносит слои металла со скоростью до 9 кг в час.
Машины промышленного класса в России не выпускаются. Пока только ведутся разработки в "Росатоме", лазерном центре МГТУ им. Баумана, университете «Станкин», политехническом университете Петербурга, Уральском федеральном университете. «Воронежсельиммаш», выпускающий учебно-бытовые 3D-принтеры «Альфа», разрабатывает промышленную аддитивную установку.
Такая же ситуация и с расходными материалами. Лидером разработки порошков и порошковых композиций в России является ВИАМ. Им производится порошок для аддитивных технологий, использующийся при восстановлении лопаток турбин, по заказу пермского «Авиадвигателя». Прогресс есть и у Всероссийского института лёгких сплавов (ВИЛС). Разработки ведутся различными инжиниринговыми центрами по всей Российской Федерации. "Ростех", Уральское отделение РАН, УрФУ ведут свои разработки. Но все они не способны удовлетворить даже небольшой спрос в 20 т порошка в год.
В связи с этим правительство поручило Минобрнауке, Минэкономразвитию, Минпромторгу, Минкомсвязи, РАН, ФАНО, "Роскосмосу", "Росатому", "Росстандарту", институтам развития создать согласованную программу разработок и исследований. Для этого предлагается выделить дополнительные бюджетные ассигнования, а также рассмотреть возможности софинансирования за счёт средств ФНБ и других источников. Рекомендовано поддержать новые в т. ч. аддитивные, РВК, "Роснано", фонду «Сколково», экспортному агентству "ЭКСАР", "Внешэкономбанку". Также правительство в лице Минпромторга подготовит раздел государственной программы по развитию и повышению конкурентоспособности промышленности.
