Аддитивные технологии
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ. КАК ПРАВИЛО «СЛОЙ ЗА СЛОЕМ»
Освоение новой технологии следует начинать со знакомства с её определением.
«Аддитивные технологии» — это процесс объединения материала с целью создания
объекта из данных 3D модели, как правило слой за слоем, в отличие от
традиционных вычитающих технологий. В данном определении следует выделить
два ключевых момента, понимание которых является основополагающим для
дальнейшего понимания материала.
Во-первых, следует отметить, что в определении указанно «как правило слой за
слоем». Данная формулировка указывает на то, что даже сейчас у специалистов по
стандартизации нет полной уверенности в том, что аддитивные технологии — это
послойное выращивание или же послойное построение объекта. В качестве примера
можно рассмотреть процесс восстановления поверхности шара с лункой. Для
заполнения данной лунки материалом, элемент подающий материал должен быть
подведен по нормали к участку восстанавливаемой поверхности шара. Тем не менее,
нормаль для данного участка может не совпадать с глобальной вертикальной осью в
пространстве, а быть, например, под углом 45 0 к данной оси. В данном случае, вести
речь о послойном построении сложно, поскольку если смотреть снизу-вверх, то
наносимые слои будут пересекаться. Также существуют примеры того, как
происходит построение деталей не послойно, а посредством перекрытия слоев:
сначала нижний, а затем верхний слой, после чего заново – нижний и верхний.
Во-вторых, следует отметить, что зачастую используются так называемые
«гибридные машины». К группе «гибридных» следует относить оборудование,
которое сочетает в себе как аддитивные технологии, так и субтрактивные методы, в
частности фрезерование. Под фрезерованием следует понимать процесс удаления
лишнего материала заготовки посредством рабочего инструмента – фрезы. Фреза в
некотором роде похожа на сверло для дрели. Вращаясь с большой скоростью и
соприкасаясь режущей стороной с внешними поверхностями заготовки, фреза
срезает какое-то количество, какой-то определенный слой лишнего материала. Таким
образом, гибридные машины содержат в себе два вида технологий, которые
позволяют сначала выращивать деталь, а затем обрабатывать её поверхности.
Например, данной обработке должны подвергаться важные участки детали, такие как:
места соединений с другими деталями или же ответственные поверхности с
требуемым высоким качеством обработки. Идея использования гибридных машин
активно поддерживается и развивается. В частности, существует комплексное
оборудование, позволяющее создавать и обрабатывать крупные детали. На данный
момент известно о том, что ведутся разработки по созданию гибридных систем с
длиной порядка 6 метров. Конструкция данной «гибридной» машины подразумевает
выделение двух отдельных участков – один для послойного выращивания, а второй
для фрезерной пост-обработки. По этой причине, говоря об аддитивных технологиях
на современном этапе их развития, следует понимать не только процесс
выращивания объекта слой за слоем, но и возможность осуществления
параллельного процесса механообработки отдельных слоев. Второй момент,
связанный с определением «аддитивных технологий» связан с фразой «в отличие от
традиционных вычитающих технологий или формообразующих процессов». Даная
формулировка означает, что «аддитивные технологии» изначально
противопоставляются классическим вычитающим технологиям. В частности,
обработка фрезерованием является примером вычитающих технологий, поскольку
процесс подразумевает удаление лишнего материала. Также 3Dпечать
противопоставляется формообразующим процессам, которые подразумевают
наличие некой первоначальной формы (оснастки), использование которой совместно
с приложением к заготовке различных нагрузок позволяет изготовить детали со
сложной геометрией. К таким технологиям можно отнести различные виды
штамповки, а также различные виды литья.
Аддитивные технологии противопоставляются традиционным подходам по причине
отсутствия вначале как оснастки, так и первоначальной заготовки. 3D печать
основывается именно что на добавлении материала, а не изменении формы и
размеров первоначальной заготовки. Так в начале существует только пустая
платформа 3D принтера, на которой в последствии слой за слоем появляется новое
изделие. Данные комментарии к определению необходимо учитывать при
дальнейшем ознакомлениями с материалами курса. История же аддитивных
технологий берет свое начало в 1980-х годах с запуска первой технологии 3D печати
– технология, основанная на принципе стереолитографии (SLA технология).
Технический комитет по стандартизации ASTM появился в США в 2008 году, в то
время как в России схожий комитет (технический комитет 182) появился лишь 15
сентября 2015 года. Данная разница наглядно демонстрирует отставание нашей
странны по данной группе технологий. В действительности все исследования,
направленные на изучение и развитие аддитивных технологий в нашей стране,
направленны на минимизацию данного отставания, с целью достижения лидерства в
данном направлении.
Следует также отметить под какими другими названиями могут скрываться
аддитивные технологии. В рамках данного курса будут встречаться сокращения АТ –
от слова (аддитивные технологии). На данный момент, в мире чаще всего
используется термин «3D печать» (3D printing). Данный термин получил широкое
распространение поскольку легок к восприятию и способен в общих чертах описать
сам процесс создания объекта. Можно представить, как имея обычный лазерный
принтер можно распечатать несколько листов бумаги формата А-4. Наложив данные
распечатанные объекты друг на друга можно получить стопку бумаги –
пространственный 3D объект. Именно отсюда пошло такое широкое распространение
термина «3D печать». В англоязычных источниках информации аддитивные
технологии упоминаются под названием «additive manufacturing», то есть аддитивное
производство, а также 3D printing. Также можно встретить название «послойное
выращивание», «послойная наплавка», «послойное лазерное спекание». Все эти
названия относятся к аддитивным технологиям.
2. О БЫСТРОМ ПРОТОТИПИРОВАНИИ. КУДА ДВИЖЕТСЯ РЫНОК АТ
Следует отметить, что зачастую встречается и такое название как «быстрое
прототипирование» или же Rapid Prototyping. Данным термином зачастую обозначают
термин «аддитивные технологии» и связанно это в первую очередь с тем, что у кого-
то 3D печать все ещё ассоциируется с созданием макетов и прототипов.
Действительно, в самом начале своего развития и примерно до 2005-2007 годов
аддитивные технологии использовались лишь как возможность создания наглядных
макетов. Отсюда и название – «быстрое прототипирование», как способ быстрого
получения прототипа будущего изделия. Первая технология, а именно
стереолитография, идеально подходила для данных целей, поскольку позволяла
создавать наглядные образцы. Данные макеты нельзя было использовать
функционально, в частности из-за хрупкости используемых отвержденных
фотополимеров. Однако они давали представление об общей конструкции и
геометрии проектируемого изделия.
На последующих этапах развития аддитивных технологий начали появляться другие
методы 3D печати. В частности, появилась технология экструзионной печати
(Fused Deposition Modeling), получившая наибольшее признание на сегодняшний
день. Данная технология позволила использовать 3D печать для целей создания
вспомогательной оснастки, кронштейнов, шестеренок и других деталей, которые
работают без больших нагрузок.
Появившиеся новые технологии 3D печати позволяют выращивать объекты не только
из фотополимеров, но и используя металлические сплавы, такие как сталь,
алюминий, титан, или же материалы армированные непрерывным углеволокном.
Использование данных конструкционных материалов позволяет создавать не только
прототипы, но и полуфункциональные образцы, способные выполнять некую работу.
Таким образом, если раньше можно было ставить знак равенства между
аддитивными технологиями и быстрым прототипированием, то сейчас аддитивные
технологии могут применяться и как для быстрого создания макетов, так и для
изготовления полуфункциональных образцов и готовых изделий.
Рассмотрим то, куда же движется рынок аддитивных технологий и какие современные
тренды ему присущи. В первую очередь следует выделить направление, связанное с
поиском новых применений 3D печати. Данный поиск тесно связан с исследованием
возможности применения новых материалов для послойного выращивания. Не так
давно был разработан метод печати изделий из керамики. Стало возможным
напечатать изделие из композитов, посредством ранее упомянутой FDM технологии.
Для создания изделий из композитов, в качестве материала для печати используется
пруток с непрерывным углеволокном. Данная технология легла в основу создания
принтера Mark Forge производства США. Создаваемые при помощи данных
технологий изделия очень хорошо работают на растяжение, за счет устойчивости
углеволокна данному виду деформации.
В качестве другого направления можно выделить эксперименты с количеством
материала. На конференции по аддитивным технологиям, которая прошла в марте
2016 года, «Объединенная двигателестроительная корпорация» выставила
требования, пожелания участникам рынка аддитивных технологий. Она просила
предоставить 22 сплава, которые могут быть изготовлены в виде порошка и выданы
предприятиям внутри «Объединенная двигателестроительная корпорация», чтобы
они могли экспериментировать с данными расходными материалами на своих
принтерах. Следует учесть, что на тот момент, когда проходила конференция, было
доступно всего лишь 7 наименований данных сплавов, когда для экспериментов
требовалось 22. Таким образом поиск большего числа материалов и как результат
большая вариативность 3D печати является одним из ключевых трендов.
Третий тренд рынка аддитивных технологий – снижение недостатков, о которых
поговорим чуть позже. Но уже сейчас можно отметить, что одним из таких
недостатков является шероховатость, которая в действительности является
средством самой технологии. Один небольшой пример. Для печати металлами на
широко распространенных принтерах компании EOS и SLMSolutions используется
порошок с размером от 40 до 80 микрон. Средний размер 60 микрон. Одно из
направлений развития – уменьшение диаметра порошка. Если будет использоваться
порошок диаметром 10 или же 5 микрон, то и финальная шероховатость изделия
будет значительно меньше, а само изделие станет более гладким и точным.
Соответственно большее количество отраслей и предприятий смогут применять
напечатанные изделия в качестве конечных изделий без дополнительных затрат на
пост-обработку или же с минимальными затратами.
Перспективность аддитивных технологий оценена большим количеством крупных
компаний. Так компания General Electric заявила, что она прогнозирует через 10 лет
снижение на 50% количества деталей, изготовленных традиционными способами в
области газотурбинных двигателей. Другим примером является компания Airbus,
которая уже активно использует аддитивные технологии и в частности установила на
свои самолеты порядка 22 000 изделий, произведенных аддитивным способом.
Данные изделия изготавливаются компанией из полиамида посредством применения
технологии выборочного лазерного спекания (Selective Laser Sintering (SLS)).
Компания Lockheed Martin заявляет о практически 50% снижении трудозатрат при
изготовлении своих деталей в перспективе 10 лет.
Отдельно следует выделить тот факт, что альянс NASA прогнозирует через 5-10 лет
возможность изготовления печатным способом космического спутника целиком. А
учитывая последние новости, связанные с тем, что им уже доступна технология
печати электроники на выпуклых поверхностях, то производство спутников целиком
может случиться и гораздо раньше.
Следует понимать, что большая часть мирового аддитивного производства
сконцентрирована в Германии и США. Ключевыми компаниями являются –
3D Systems, Stratasys, EOS, SLM, Arcam Renishaw. Германии производятся одни из
лучших 3D принтеров по металлу. А металл сейчас занимает лидирующие позиции
среди аддитивных технологий, поскольку такие изделия проще всего могут быть
внедрены в реальное производство.
Рассмотрим принципиальную схему 3D печати, а также преимущества и недостатки
аддитивных технологий. В начале должна быть CAD модель печатаемого объекта или
другими словами его 3D модель. Для осуществления печати, данная виртуальная
модель передается на 3Dпринтер в формате STL. Данный формат дефакто на
данный момент является стандартом для аддитивных технологий. Уже на этом этапе
аддитивные технологии отличаются от традиционных подходов. При передачи какой-
то модели на станок с числовым программным управлением (ЧПУ), необходимо
написать программу, описывающую движение режущего инструмента и параметры
при котором будет сниматься лишний материал. Подобная программа может быть
получена в полуавтоматическом режиме благодаря современным цифровым
технологиям или же быть полностью написана вручную инженером-технологом при
помощи так называемого G-кода. В случае 3D печати любое программное
обеспечение (ПО) принтера позволяет просто загрузить или открыть модель в
формате STL и нажать на кнопку «печать». Все что необходимо от пользователя –
задать некоторые настройки печати, такие как скорость печати, толщина слоя печати
и т.д. В случаях с металлической печатью нужно установить скорость движения
лазера или температуру нагрева. Таким образом, с точки зрения трудоемкости
подготовки производства, аддитивные технологии значительно превосходят
традиционные производственные технологии.
После получения 3D модели и запуска процесса печати остается только ждать, когда
изделие будет готово. После получения напечатанного объекта, наступает этап
производства, при котором аддитивные технологии значительно проигрывают
традиционным подходам. Таким этапом является – пост-обработка изделия. В случае
с аддитивными технологиями, необходимость осуществления пост-обработки
связанна с наличием различных неточностей, таких как высокая шероховатость
поверхности или же наличие лишнего материала используемого в процессе печати в
качестве так называемой «поддержки». В случае, когда деталь имеет простую
геометрическую форму, без каких-либо пустот или же нависающих элементов, то при
3D печати нет необходимости использовать различные вспомогательные
«поддержки». В случаях сложной геометрии, использование вспомогательных
построений является необходимым условием создания качественной детали. При
завершении печати, необходимость в подобных «поддержках» отсутствует и как
следствие их необходимо удалить. Данный этап и называется пост-обработкой. Для
традиционных вычитающих технологий данный этап отсутствует полностью,
поскольку сами технологии изначально связанны с удалением лишнего материала.
3. ПРЕИМУЩЕСТВА АТ
Сравнение с традиционными технологиями позволяют наиболее полно оценить
сильные и слабые стороны аддитивных технологий. В качестве сильной стороны уже
было выделена простота запуска изготовления детали. Однако главным
достоинством 3D печати является возможность кастомизации или персонализации
изделий. Для понимания того, что же такое кастомизация, рассмотрим следующий
пример. В машиностроении применяется такая деталь как кронштейн. Если возникает
необходимость создания нескольких кронштейнов, каждый из которых отличается
друг от друга, то стоимость создания одной такой детали будет значительной.
Связанно это с тем, что перед началом изготовления каждого из них, необходимо
изготовить соответствующую оснастку для закрепления исходной болванки на
оборудовании. Также для каждой конфигурации необходимо написать программу
обработки. Данный G-код должен быть написан отталкиваясь как от изготавливаемой
конструкции, так и от возможностей используемого станка с ЧПУ. Все перечисленные
этапы должны быть выполнены для каждой конструкции кронштейнов.
Если же применяются аддитивные технологии, то изменению подлежит
исключительно 3D модель детали в программе компьютерного моделирования
(Computer Aided Design (CAD) Systems). Измененная CADмодель в дальнейшем
просто отправляется на печать и оборудование само изготавливает изделие с
требуемой конфигурацией. В данном случае нет необходимости создавать оснастку
для закрепления обрабатываемого изделия.
Возможность более легкого выпуска кастомизированных изделий позволило
аддитивным технологиям найти свое применение в медицинской отрасли. В тех
ситуациях, когда требуется изготовить имплантат, протез или, например, ушной
аппарат, аддитивные технологии являются тем инструментом, который позволяет
изготовить разные изделия для разных людей. Альтернативой является
использование стандартизированных протезов с определенными типоразмерами. Но
данный размер и общая конфигурация могут не подойти конкретному человеку.
3D печать же позволяет изготовить протез под каждого конкретного пациента с
меньшими затратами времени и средств. Кастомизация и персонализация изделий
характерна не только для медицины, но и для других отраслей. В действительности
это общемировой тренд, поддерживаемый всеми мировыми компаниями.
Ещё одним преимуществом аддитивных технологий является снижение веса,
достигаемое благодаря возможности изготовления сложных форм. Возможным
является изготовление изделий с разной толщиной стенок, причем толщина может
быть изменена как для наружных, так и внутренних элементов детали. Также
существует возможность создания внутренних каналов и полостей, которые в
принципе невозможно изготовить с помощью традиционных технологий. Так,
например, при помощи фрезерования или же сверления не удастся создать
внутренний спиралеобразный канал. Помимо этого, аддитивные технологии
позволяют использовать ячеистые структуры или по-простому «сеток» (lattice
структуре). Данные структуры позволяют значительно сократить общий вес детали,
при этом не снижая прочностные характеристики изделия. Связанно это с тем, что
данная структура обладает достаточной прочностью и жесткостью для применения в
машиностроении и других отраслях. Таким образом, создание сложных
геометрических форм и пространственных структур позволяет использовать только
нужное количество материала и в нужных участках изделия. В результате данного
подхода, аддитивные технологии позволяют получать более легкие изделия, которые
все так же удовлетворяют требованиям, предъявляемым с учетом условий их работы.
Третье преимущество заключается в возможности снижения общего числа деталей.
Для примера в инжиниринговом центре СПбПУ были выполнены работы по снижению
числа деталей изделия с 47 до 7 штук, а также с 52 до 8 деталей. Подобное
сокращение во многом достигается за счет возможности создания изделия целиком
методами 3D печати. В первую очередь такое сокращение приводит к снижению
трудоемкости изготовления и сборки изделия. Во-вторых, меньшее количество
деталей приводит к снижению вероятности возникновения брака. Ну и конечно же,
сокращение количества деталей приводит к уменьшению номенклатуры компонентов
для сборки изделия и как следствие уменьшение числа деталей, хранящихся на
складе. В результате подобной оптимизации, с учетом быстроты процесса запуска
3D печати, приводит к значительному снижению трудоемкости изготовления изделий,
что является сильным преимуществом аддитивных технологий.
Последним достоинством аддитивного построения деталей является экологичность
самого процесса. Если в традиционных технологиях при фрезеровании требуется
исходный кусок материала (заготовка), из которого в последствии убирается все
лишнее, то в аддитивных технологиях наоборот используется только то количество
материала, которое в действительности необходимо. В случаях, когда построение
детали не требует вспомогательных поддержек, коэффициент использования
материала, известный всем как КИМ, может приближаться к 100%. Но даже в тех
случаях, когда используются поддержки, коэффициент использования материала
значительно выше, чем в случаях применения традиционных подходов. Если из
бруска металла удалять лишний материал посредством фрезерной обработки, то
финальный объем детали и количество оставшегося материала может составить 5%
от первоначального объема заготовки. При аддитивном производстве процент может
доходить до 100% и обычно не опускается ниже чем 50%.
4. НЕДОСТАТОК АТ
Следует понимать, что 3D печать это такая же технология, как и другие
производственные технологии. Это значит, что, как и другие технологии, аддитивный
подход также обладает своими недостатками и ограничениями. Следует рассмотреть
данные недостатки, чтобы иметь представления о правильном применении
технологии и понимать, когда её использование является действительно выгодным.
Первый недостаток аддитивных технологий связан с высокой стоимость. Здесь
следует понимать, что именно подразумевается под высокой стоимостью. Речь в
первую очередь будет идти о возможности применения 3D печати для серийного
производства изделий. Если речь идет о серии из 100 000 одинаковых металлических
изделий, то аддитивными технологиями изготовить все 100 000 изделий будет всегда
дороже. Именно поэтому, аддитивные технологии никогда не смогут вытеснить
классические традиционные вычитающие технологии с рынка. Вычитающие и
формообразующие технологии всегда будут находить и занимать свое место. Другой
вопрос – сколько в процентах от общего объема работ смогут заместить аддитивные
технологии. По разным оценкам данное число может составить от 50% и выше.
Когда же речь идет об изготовлении первых нескольких образцов, аддитивные
технологии всегда позволяют сократить общую стоимость. Как упоминалось ранее,
для изготовления одного металлического образца, необходимо изготовить оснастку и
написать программу. Если же необходимо изготовить 2 или 10 одинаковых изделий,
то стоимость для разных видов аддитивных технологий может совпадать с
традиционными.
Следующим недостатком является качество поверхности. Напечатанные детали
обладают высокой шероховатостью, а также на поверхности могут присутствовать
различные неровности, обусловленные в первую очередь толщиной слоя. Если
печать происходит слой за слоем, то у каждого слоя есть некая величина толщины, а
также общие границы детали. На границе в простом примере при экструзионной
печати будет наблюдаться шероховатость, определяемая половиной диаметра нити,
используемой для печати. Если же речь идет о верхней поверхности, то здесь все во
многом зависит от вида применяемой аддитивной технологии. Так для экструзионной
печати поверхность достаточно шероховата. В случае же печати металлом, качество
поверхности может уменьшаться до шероховатости в технических терминах Ra 20 –
30. Меньше она не может быть из-за того, что порошок, применяемый для печати
обладает размерами частиц от 40 до 80 микрометров (в среднем 60 мкм).
Ранее уже упоминалось, что существует фиксированный список материалов,
применяемых для 3D печати на сегодняшний день. Расширение данного списка
является одним из основных требований со стороны заказчиков к рынку аддитивных
технологий. И это одно из сильнейших направлений развития. Увеличение числа
материалов является одним из главных направлений развития аддитивных
технологий, так ка помимо классических материалов индустрия нуждается в новых
материалах и других сплавах. На сегодняшний день существует печать
экструзионным методом с
использованием ABS пластика, PLA пластика, PETG пластиком и другими
полимерами, но от пользователя идет запрос на предоставления пластика, который
дает меньшую усадку и при этом имеет характеристики как ABS пластика и т.д.
И последний недостаток аддитивных технологий – ограничение размеров
изготавливаемых деталей объемом рабочей камеры 3D принтера. Если вести речь о
фрезерной обработке, то станки могут быть, условно, бесконечной длины. В
аддитивных технологиях, фактически до последнего времени, большого рабочего
пространства не было. 3D принтер всегда подразумевает наличие рабочей камеры с
ограниченным размером, который начинается от 10х10х10 см, если говорить о
стереолитографии, и заканчиваются камерами 500х500х500 см, характерными для
металлической печати. Также известны принтеры для экструзионной печати с
размерами камеры 2 метра на 2 метра.
Следует отметить, что 2 года назад появились 3D принтеры, которые могут печатать
архитектурные сооружения. Они способны изготовить небольшие дома или же
изготовить блоки, из которых в дальнейшем можно собрать сооружение. Главное
отличие данных принтеров заключается в отсутствии закрытых рабочих камер. Они
печатают в незакрытой камере, используя руку-манипулятор таких производителей
как Kuka, Fanuc, ABB и других. Когда имеется некое позиционирующее устройство и
оно свободно перемещается, то данные манипуляторы способны осуществить работу
схожую с работой 3D принтеров. Но тем не менее, даже у таких систем область
построения ограничена тем, куда рука-манипулятор может дотянутся. Данная область
в среднем составляет не более 5-6 метров.
Таким образом были перечислены все недостатки, которые на данный момент
присущи аддитивным технологиям. Следует сразу отметить, что по каждому
недостатку выполняются исследования и разработки, направленные на преодоление
данных ограничений. Так стоимость постепенно снижается за счет увеличения числа
пользователей, что приводит к удешевлению расходных материалов. Качество
поверхности улучшается благодаря изменению расходных материалов, в частности
благодаря уменьшению диаметра частиц порошков, применяемых для печати. Также
качество поверхности значительно улучшается за счет применения гибридных
подходов. Самые известные гибридные установки это DMG Mori, Lasertech 65. Так же
и список материалов все время растет и дополняется. Для увеличения области
печати ведутся разработки новых конструкций аддитивного оборудования. Так,
например, совсем недавно было анонсировано появление машины с бесконечной
областью печати. Это означает, что так же используется устройство перемещения
или другими словами транспортер, позволяющий 3D принтеру работать непрерывно
вдоль некоторой области построения. В данном случае нет необходимости в
закрытой рабочей камере.
5. ПРИМЕНЕНИЕ АТ
В данной части курса, следует рассмотреть основные области применения
аддитивных технологий. Выделим основные из них:
— изготовление индивидуальных макетов;
— изготовление оснастки, различных приспособлений, а также мастер моделей под
последующее литье по выплавляемым или выжигаемым моделям;
— изготовление функциональных прототипов;
— серийное изготовление изделий с применением аддитивных технологий, в качестве
того направления, к которому стремятся малые и крупные компании, а также
корпорации.
Начнем обзор с изготовления визуальных макетов. Макеты и прототипы могут быть
одноцветными, двух, трех и многоцветными. Также макеты могут быть и
полноцветными, когда есть градиент – переход от одного цвета к другому. Данную
возможность в полной мере оценили дизайнеры, как те специалисты, которые
должны не просто придумать концепт, но продемонстрировать его заказчику.
Основоположником данной технологии была компания «Z Corporation».
Предложенное данной компанией решение основывалось на использовании
принтера, который печатает порошком из гипса. Сам процесс подразумевает
нанесение порошка и склеивание его в тех участках, где это необходимо. Связующее
вещество вводилось через экструдер, способный перемещаться в области рабочей
камеры. Если требовалось создание одноцветного образца, то применяется просто
порошок, без покраски. В случае же изготовления многоцветного макета —
использовался окрашенный порошок. Причем, для окрашивания использовались те
же цветные картриджи, которые используются в обычных 2D принтерах HP.
Также следует отметить стоимость изготовления таких образцов. На данный момент
стоимость макета составляет от 100 до 150 рублей за см 3 . Следует понимать, что при
изготовлении визуальных макетов, модель заполняется не полностью. Обычно
печатается стенка толщинок от 1,5 до 5 мм, а в остальном модель является полой.
В качестве ещё одного направления рассматривается применение аддитивных
технологий при изготовлении оснасток и мастер моделей.
Под оснасткой подразумеваются различные приспособления, упоры, кронштейны и
другие инструменты, которые являются вспомогательными при изготовлении других
изделий. Например, это могут быть зажимы, удерживающие деталь в процессе
фрезерной обработки. 3D печать является именно той технологией, которая способна
может помочь изготовить подобные элементы.
Так с использованием 3D принтеров можно напечатать достаточно большое изделие,
разделив его на части, которые укладываются в область печати каждого отдельного
принтера. Так в рамках работ, выполняемых инжиниринговым центром СПбПУ,
выполнялись работы по изготовлению макета держателя коробки передач
посредством экструзионной (FDM) печати. Данный макет печатался из 7 частей на
трех 3D принтерах одновременно. Затраты времени на создания данного макета
составили 2 дня. После получения визуальной модели, с неё была снята форма,
которая в дальнейшем применялась в качестве оснастки для процесса литья.
Наличие подобной литьевой формы позволило в дальнейшем быстро и дешево
отлить из металла требуемую конструкцию. Если бы для создания литьевой формы
использовались традиционные вычитающие технологии, то процесс её изготовления
занял бы месяц. Аддитивные же технологии позволили создать мастер-модель всего
лишь за 2 дня после начала работ.
Ещё одним примером является изготовление моделей для восковок. Восковки это
стандартный термин, который используется при ювелирном литье. Так для получения
ювелирного украшения, такого как кольцо, требуется изготовить копию будущего
изделия, но из воска. Чтобы получить копию из воска, в первую очередь необходимо
создать форму, изготовление которой может быть использована 3D печать. Для
данного примера неплохо подойдет стереолитографический принтер. На данном
оборудовании печатают мастер-модель для будущего ювелирного изделия, но не из
воска, а из выплавляемого или выжигаемого полимера. С полученной мастер-модели
снимается слепок. Слепок может быть получен, например, в силиконовой форме,
либо же используя гипс. Силиконовую или же гипсовую форму, с находящейся внутри
мастер-моделью, подвергают термическому воздействию. В частности, нагрев
осуществляется с целью выплавления модели и получения внутренней полости куда
может быть залит воск. В результате получается восковка.
На сегодняшний день, мастеру приходиться вручную изготовить восковку. В случае
же применения 3D принтера существует возможность создания таких мастер
моделей, например, до 20 одновременно, за 12-16 часов. Таким образом за 1 сутки
возможно получить 16 восковок, на изготовление одной из которых у мастера уходит
примерно 1-3 дня, в зависимости от сложности геометрии.
6. ПОЧЕМУ АТ ХОРОШИ ДЛЯ ВИЗУАЛЬНЫХ МАКЕТОВ И
ИНДИВИДУАЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Следует выделить для каких случаев применяется 3D печать. В первую очередь – это
штучное производство. Аддитивные технологии позволяют изготавливать одно или
несколько изделий без заоблачной стоимости как в случае применения традиционных
подходов. Визуальные макеты обычно ограничиваются количеством 1 — 2 макета.
Если же для создания макетов используется ручной труд мастера, то получаемые
макеты могут отличаться друг от друга. С одной стороны, это ручной труд, который
должен высоко оплачиваться. С другой стороны, если уже сейчас 3D принтер может
без лишних затрат сделать 3 абсолютно одинаковых макета, например, для
демонстрации проектируемого жилого района, то конечно аддитивные технологии
являются более предпочтительной технологией.
Ведя речь о создании оснасток и мастер-моделей, следует также понимать, что это
штучное производство. В случае необходимости изготовления трех различных по
форме крепежей традиционным способом, мастер выполняющий работу в первую
очередь поинтересуется размером выпускаемой партии. Данная технология окупаема
и целесообразна при выпуске 1000 шт, 10 000 шт, 500 000 шт, но никак не для
изготовления 1 или 2 изделий. Для аддитивных технологий изготовление 1 — 3
изделий является нормальной практикой. В качестве примера можно привести
ситуацию, связанную с проектированием различных деталей, таких как шестерни. По
завершению проектирования элемент необходимо проверить на соответствие общей
конструкции изделия в котором он будет использоваться. В результате проверки
может оказаться, что полученная деталь не попадает в размер, и данный размер
допустим превышает требуемый на 1,2 мм. Данное отклонение требует внесение
изменений и исправлений. Внесения вносятся посредством CAD программ.
Полученное новое решение может быть сразу отправлено на 3D принтер для оценки
успешности нового решения. Например, для печати таких 2 шестерен суммарно уйдет
2 часа времени, по часу на каждую. Также следует учесть время проверки,
перепроектирования, перемасштабирования. Суммарно весь процесс займет порядка
4-5 часов. Это значительно меньше, чем время изготовления такой же шестеренки по
классическому варианту. Именно поэтому аддитивные технологии особенно хороши
там, где нужна персонализация, кастомизация, штучное производство.
Рассмотрим применение аддитивных технологий для изготовления функциональных
прототипов и серийного производства.
Когда речь заходит о функциональных прототипах, конечно на первое место выходят
характеристики материалов. Следует отметить, что особенно популярными являются
такие материалы как: сплавы (сталь, титан, алюминий и другие), полимеры
(полиамид, ABS и др.), композиционные материалы, позволяющие получить
достаточно уникальные изделия, которые могут быть использованы либо как
инструмент, либо как элемент оснастки каких-то поддерживающих устройств.
Зачастую для 3D печати используют обычный АБС пластик. Для многих принтеров,
работающих по методу экструзионной (FDM) печати, данный материал является
основным. FDM печать является наиболее широко распространённым способом
послойного выращивания изделий. FDMпринтеры применяются в малых фирмах, в
школах, а также в домашних условиях. Даже данный метод, как простейший способ
3D печати, может быть использован для изготовления функциональных прототипов,
работающих в различных устройствах при условии работы без высоких нагрузок.
Также следует отдельно выделить стерео-литографию. Принтеры, работающие по
данному принципу, используют расходный материал, который в отверждённом
состоянии имеет высокую твердость. В качестве примера можно рассмотреть процесс
изготовления методом стерео-литографии небольших муфт, габаритные размеры
которой составляют порядка 5 мм в диаметре и 10 мм в высоту. Данная муфта
должна вращаться со скоростью порядка 10 000 оборотов в минуту. Подобные муфты
создавались инжиниринговым центром СПбПУ, а также прошли испытания и
работают при требуемых режимах.
Наибольший интерес представляет возможность использования аддитивных
технологий для серийного производства. Очень многие компании ищут области, в
которых 3D печать может быть применена для данных целей (applications of additive
manufacturing).
В первую очередь, серийное использование аддитивных технологий возможно для
медицинских применений. Связанно это с тем, что аддитивные технологии, как
отмечалось ранее, особенно хороши, когда необходима кастомизация и
персонализация готового изделия, что особенно важно при изготовлении имплантов и
протезов. В медицине лучшим изделием является — индивидуальное изделие, то
которое подходит конкретному человеку. Именно поэтому аддитивные технологии в
рамках медицинского направления имеют огромные преимущества перед всеми
другими технологиями.
Ещё одним примером использования аддитивных технологий для серийного
производства является изготовление из полиамида элементов и деталей самолетов.
Аддитивные технологии хороши там, где нужна малая серия. Серия даже до 100
одинаковых элементов, позволяет использовать преимущества аддитивных
технологий. Именно поэтому компания Боинг выпустила 22 000 изделий по 300
наименованиям, которые напечатаны на 3D принтере. Гораздо дешевле оказывается
напечатать изделие, которое возможно вообще не требует постобработки, чем
вырезать его из куска материала. Таким образом, 3D печать применяется для
изготовления серийных изделий лишь в том случае, когда максимально
задействуются преимущества аддитивных технологий.
7. ПРИМЕНЕНИЕ АТ НА КОНКРЕТНЫХ ПРИМЕРАХ В МИРЕ
Рассмотрим наиболее встречающиеся в СМИ примерах использования аддитивных
технологий. Зачастую это самые первые примеры использования 3D печати. Одно из
первых применений это печать беспилотных летательных аппаратов вблизи тех мест,
где они непосредственно будут использоваться. Данный подход применяется не
только для военных, но и для гражданских целей. В случае гражданского применения,
речь идет о создании каркаса беспилотника рядом с местом стихийного бедствия или
же какой-то катастрофы. Такой метод позволяет изготавливать кастомизированные,
т.е. штучные и уникальные изделия вдали от большого производства.
Другим примером является использование 3D принтера на кораблях, для
изготовления запасных частей, то есть тех частей, которые необходимы для ремонта
прямо сейчас. На кораблях уже сейчас используются и токарные, и фрезерные
станки. Однако если есть какая-то деталь со сложной геометрией, аддитивные
технологии позволяют значительно быстрее и проще изготовить данные изделия. В
первую очередь речь идёт об использовании металлических 3D принтеров, т.е. тех
принтеров, которые изготавливают изделия из нержавеющей стали, из титана,
алюминия и других металлов. Если сравнить стоимость установки и последующей
амортизации 3D принтера со стоимостью доставки деталей со склада на корабль в
случае его поломки, и учесть наличие штрафов за недоставку груза, то именно здесь
и проявляются основные преимущества аддитивных технологий.
Логичным развитием данной идеи, является установка 3D принтера на
международной космической станции, куда доставить какие-то запасные детали, либо
какую-то оснастку, довольно проблематично. В действительности 3D принтер уже
действует на борту МКС. Первый принтер был создан американской компанией и на
данный момент записи курса российская компания уже также занимается разработкой
оборудования для отправки на МКС.
Ещё одним широко разрекламированным примером, который привел в 2013-2014
годах к росту интереса к аддитивным технологиям, стало изготовление оружия. Это
пример, который показывает, что с помощью достаточно простого 3D принтера,
который печатает полеамидом или ABS-пластиком, изготовить сложное техническое
устройство, которое раньше было практически невозможно изготовить в таких же
условиях.
Существуют различные проекты и попытки корпораций изготавливать, например,
части авиационных двигателей, уменьшая общее число деталей. Например, если на
данный момент какой-то элемент состоит из 500 деталей, то предпринимаются
попытки уменьшить число этих деталей до 50-ти. Во многом это связанно с
возможностью совместного выращивания нескольких деталей сразу как единую
деталь. Кроме этого, провода и вспомогательные шланги, которые используются в
авиационных двигателях, можно вмонтировать в деталь и печатать вместе с
внутренними каналами. Кроме этого, аддитивные технологии позволяют делать
внутренние каналы для улучшения системы охлаждения. Ярким примером является
попытка напечатать реактивный двигатель. Предпринимаются попытки изготовить
данное сложное изделие по частям, и рано или поздно получится изготовить и
полный двигатель. Следует отметить, что уже сейчас существует возможность
чередования металлических сплавов при печати. Например, какая-то часть
печатается одним металлом, начиная с какого-то слоя используется другой металл.
Помимо прочего, используя технологию прямой подачи металла, можно строить
изделия, в которых металл будет чередоваться не вдоль оси построения, а даже
внутри самого изделия. Так внешнюю стенку можно изготавливать одним
материалом, после чего в блок подачи материала добавить другой металлический
порошок, и осуществить построение внутренних поверхностей уже другим
материалом.
Ещё один пример, это заявление компании Lockheed Martin, о том, что в обозримом
будущем они ожидают снижения трудозатрат примерно на 50% относительно
текущего производства. Оценки могут меняться, но смысл в том, что компания
ожидает снижения трудозатрат на изготовление различных изделий, используя
возможности аддитивных технологий. В первую очередь речь идет о возможности
объединения различных деталей в одну, штучном производстве, а также об
изготовлении деталей сложной геометрической формы.
Ещё одним применением является изготовление деталей для старой техники, для
которой сейчас детали уже не изготавливаются. Например, для изготовления деталей
к старым автомобилям. Если есть автомобиль, который произведён, допустим в 80-х
годах, то на сегодняшний день поиск комплектующих является довольно
проблематичным процессом. В этом случае даже применение простой FDM-
технологии, позволяет произвести комплектующие быстро и дешево.
Другим примером является изготовление таких же частей, но для военной техники,
которая была произведена 50 лет назад. Могут быть утеряны чертежи или же
требуется сложная оснастка для изготовления комплектующих. В этом случае,
благодаря аддитивным технологиям возможно либо ускорить процесс производства
оснастки, либо же непосредственно вырастить деталь с последующей
постобработкой ответственных элементов.
8. ДРУГИЕ ПРИМЕРЫ И НЕСТАНДАРТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Следует отметить несколько примеров использования в качестве расходных
материалов — стандартных материалов. Во-первых, это изготовление еды.
Существует шоколадный принтер, который позволяет печатать шоколадом. Для
создания подобного оборудования подойдёт любой комплект для сборки FDM-
принтера. Тем не менее, некоторые элементы должны быть заменены. Так вместо
стандартного экструдера можно поставить специальный экструдер с обычным
шприцом, на который накидывается ремень. Данная конструкция способна
выдавливать шоколад. Также существуют примеры использования 3D принтера при
печати еды для военных. Данный подход позволял точно дозировать различные
составляющие, в зависимости от требуемого рациона служащих. В данных примерах,
3D печать используется не для создания геометрической формы, а для точной
дозировки ингредиентов еды.
Другой пример, это изготовление зданий. В Китае, а затем в Дубае уже были
напечатаны целые дома. Официально заявлялось, что напечатан дом вместе с
внутренней обстановкой. Но в этот дом нельзя было зайти. Также же известны
примеры печати первого этажа, многоэтажного здания. Современный уровень
развития аддитивных технологий позволяет осуществить как печать отдельных
блоков, так и построение всей конструкции. И всё идёт к тому, чтобы создавалось
оборудование, которое печатает сразу несколькими материалами, причём,
достаточно разными. Это может быть принтер у которого стоит базовый экструдер
для печати стен из бетона, а также имеется манипулятор, способный наносить краску
или проводить постобработку помещений. В недалёком будущем, NASA прогнозирует
возможность печати спутника целиком, вместе с электроникой. И пример печати
дома, это на самом деле точно такое же движение в мультиматериальную печать.
Можно отметить изготовление мебели с помощью 3D принтера. Впервые данный
процесс был продемонстрирован на принтере Beagle. Данное оборудование начало
печатать объекты размером до 1х1х1 метр. Отдельной особенностью такого
принтера, являлась возможность использования исходного АВS-пластика, т.е. не
адаптированного прутка, а АВS-пластика в гранулах, который дешевле примерно в
десять раз. Если сейчас на рынке можно купить пруток, порядка за 1000 — 1500
рублей, то исходный материал, АВS-пластик в гранулах, продаётся по цене порядка
100-120 рублей за килограмм. Конструкция данного принтера позволила вести речь о
возможности использования переработанной пластмассы. Таким образом можно
собрать различные пластиковые бутылки и после их переработки получить материал
для 3D печати.
Таким образом сфера применения аддитивных технологий довольно разнообразна.
Тем не менее, в действительности данная группа технологий должна применяться в
тех направлениях, которые максимально выгодны для аддитивных технологий.
9. ДВА МИФА ОБ АТ
Существует ряд мифов, связанных с применением аддитивных технологий. Во-
первых, речь идет о заблуждении, что изготовление деталей аддитивным способом,
всегда дороже, чем изготовление деталей с помощью традиционного производства.
Существует такое выражение: "Заводы производят не изделия, заводы производят
стружку". Оно касается такого понятия как КИМ (коэффициент использования
материала). В случаях изготовления достаточно сложных изделий, может быть
использована заготовка весом, например, 100 кг. После создания деталей
посредством вычитающих методов, сама деталь может весить, например, 5 кг. В
результате получается, что коэффициент использования материала всего лишь 5%, а
затраты связанны с приобретением всего материала. Если же используется
аддитивное производство, то для выращивания деталей используется ровно столько
материала, сколько в действительности необходимо. Если необходима деталь весом
5 кг, то необходимо израсходовать в количестве примерно 5 кг. Даже на таком
простом примере, видна разница в затратах на сырье.
Другое заблуждение — титан всегда дороже стали. Когда речь заходит об
изготовлении различных изделий из титана, всегда предполагается, что их
изготовление дороже, чем изготовление деталей, например, из нержавеющей стали.
Но это не всегда так. В случаях формирования поддержки для деталей, которые
выполнены из стали, вспомогательные поверхности идут с самой платформы. В
результате количество материала, который уходит на эти поддержки достаточно
велико. С другой стороны, деталь, которая выращена на машинах Arcam из титана,
строится с поддержками, которые опираются не на саму платформу. Данные
поддержки приплавляются друг к другу и поэтому количество таких поддержек, т.е.
тот материал, который требуется для этих поддержек, значительно меньше, чем если
бы они шли до самой платформы. Это означает, что, во-первых, титан не всегда
значительно дороже стали, во-вторых, то, что могут быть детали такой
геометрической формы, на которых такие же детали из титана могут оказаться по
сравнимой цене или даже дешевле, чем аналогичные детали из стали.