Технологический процесс не стоит на месте, с каждым днем происходит усовершенствование цифровых технологий, что позволяет использовать новшества в различных сферах жизни человека. Аддитивные технологии - одни из самых передовых и востребованных во всем мире.

Аддитивные технологии – что это такое?

Аддитивные технологии (Additive Manufacturing – от слова аддитивность – прибавляемый) – это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3d технологий. Изобретение принадлежит Чарльзу Халлу, в 1986 г. сконструировавшему первый стереолитографический трехмерный принтер. Что значит аддитивный процесс послойного создания модели и как он происходит? В современной промышленности это несколько разных процессов, в результате которых моделируется 3d объект:

• UV-облучение;
• экструзия;
• струйное напыление;
• сплавление;
• ламинирование.

Материалы, используемые в аддитивных технологиях:

• воск;
• гипсовый порошок;
• жидкие фотополимеры;
• металлические порошки;
• разного рода полиамиды;
• полистирол.

Применение аддитивных технологий

Технологический прогресс способствует производству множества полезных вещей для быта, здоровья и безопасности человека, например аддитивные технологии в авиастроении помогают создавать более высокоэкономичный и легкий по весу авиатранспорт, при этом его аэродинамические свойства сохраняются в полном объеме. Это стало возможным в результате применения принципов строения костей птичьего крыла в проектировании крыльев самолета. Другие сферы применения аддитивных технологий:

• строительство;
• сельскохозяйственная промышленность;
• машиностроение;
• судостроение;
• космонавтика;
• медицина и фармакология.

Аддитивные 3d технологии

Динамически развивающиеся быстрыми темпами аддитивные технологии 3d печати используются в прогрессивных производствах. Существует несколько инновационных видов аддитивных технологий:

1. FDM (Fused deposition modeling) – изделие формируется послойно из расплавленной пластиковой нити.
2. CJP (ColorJet printing) – единственная в мире 3d полноцветная печать с принципом склеивания порошка, состоящего из гипса.
3. SLS (Selective Laser Sintering) – технология лазерного запекания, при которой образуются особо прочные объекты любых размеров.
4. MJM (MultiJet Modeling) многоструйное 3d моделирование с использованием фотополимеров и воска.
5. SLA (Laser Stereolithography) – с помощью лазера происходит послойное отвердевание жидкого полимера.

Аддитивные технологии в машиностроении

Джим Корр, американский инженер использует аддитивное производство в машиностроении уже в течении 15 лет. Проект Urbee, компании Kor Ecologic – это создание первого прототипа 3d автомобиля со скоростью 112 км/ч, его кузов и некоторые детали напечатаны на 3d принтере. Другая компания Local Motors в ноябре 2015 г. представила «умный и безопасный» автомобиль LMSD Swim – 75% деталей которого, выполнены с помощью трехмерной печати используя АБС-пластик и углеволокно.

Аддитивные технологии в строительстве

Аддитивное производство зданий и различных сооружений существенно сокращает время застройки. Строительная 3D печать в тренде по всему миру. Эксперименты, производимые на лазерных 3d-принтерах для обывателей выглядят на грани фантастичных. Аддитивные 3D технологии – положительные аспекты в строительстве:

• экономия времени и финансовых затрат (скорость возведения в считанные дни снижение затрат на логистику, расходные материалы, наем большого количества персонала);
• воплощение в жизнь любых дизайнерских решений и сложных геометрических форм (средневековые замки, дома в форме астероидов и галактик);
• возможность строить дома с учетом сейсмоустойчивости в зонах, склонным к землетрясениям и ураганам.

Самые известные 3d строения:

Аддитивные технологии в медицине

В 2016 г. для медицины стал прорывом благодаря аддитивным 3d технологиям. Качество медицинских услуг возросло в разы. Аддитивный процесс затронул несколько сфер здравоохранения и это снизило смертность среди пациентов, нуждающихся в качественных и срочных медицинских услугах. Преимущества использования аддитивной 3d печати в медицине:

1. С помощью томографических снимков стала возможной в высокой точностью печать органа с патологией для изучения тонкостей и нюансов предстоящей операции.
2. Трансплантология шагнула далеко вперед. Аддитивные технологии здесь решают сразу несколько задач – морально-этическую и сокращение времени ожидания, известный факт, что люди по нескольку лет ждут донорские органы, но иногда счет идет не на года, а на дни и даже часы. В скором времени пересадка искусственно выращенных человеческих органов станет реальностью.
3. Печать стерильного инструментария. В эпоху тяжелых и неизлечимых вирусных инфекций, одноразовые стерильные инструменты сводят на нет заражение во время медицинских манипуляций.

На сегодняшний день, в медицине успешно применяются следующие продукты аддитивных технологий:

• искусственно выращенная человеческая кожа (актуальна для пересадки людям с высокой площадью ожогов);
• биосовместимая костная и хрящевая ткань;
• печать органов с онкологическим процессом и изучения влияния лекарств на опухоли;
• стоматологические импланты, протезы, коронки;
• индивидуальные слуховые аппараты;
• ортопедические протезы.

Аддитивные технологии в фармакологии

При обилии современных медикаментов, для врача важно знать, что такое аддитивный эффект в лекарствах, от этого зависит успех лечения. Совокупное действие принятых препаратов во время лечения должно быть синергичным (взаимодополняющим и усиливающим), но не всегда это так. Все зависит от индивидуальной непереносимости, состояния организма. Аддитивные технологии приходят на помощь и здесь. Уже тестируются напечатанные 3d таблетки Spritam от эпилепсии, в которых заложена информация о пациенте: пол, вес, возраст, состояние печени, индивидуальная дозировка.

Аддитивные технологии в образовании

Аддитивные технологии в школе уже активно внедряются, если еще недавно школьники изучали 3d моделирование в специализированных компьютерных программах, то сейчас уже стала возможной печать смоделированного изображения в объеме. Учащиеся наглядно видят свои изобретения, допущенные ошибки и как механизм работает. К 2018 году Министерство образования планирует обучить аддитивным технологиям в учебных заведениях 3000 педагогов.

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

Сущность

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

Возникновение: как это было

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

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

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

Назначение и применение

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

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

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

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

Интересный факт! AF используются и для изготовления искусственных конечностей.

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

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

Подробнее о некоторых типах АТ

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

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

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

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

Конференции в России

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

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

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

Распечатать

Детали & Материалы

Аддитивные технологии в российской промышленности

AF-технологии – эффективное звено современного производства

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Фотографии и материалы предоставлены авторами

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

Что такое аддитивные технологии?

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

Общую схему аддитивного производства можно изобразить в виде следующей последовательности:

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

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

Преимущества аддитивных технологий

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

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

Аддитивное производство: технологии и материалы

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

Сегодня можно выделить следующие технологии аддитивного производства:

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

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

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

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

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

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

Аддитивные технологии в России

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

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

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

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

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