Статьи по аддитивным технологиям. Сферы применения аддитивных технологий. Современные аддитивные технологии

Как известно, существует несколько методов 3D печати, однако все они являются производными аддитивной технологии производства изделий. Вне зависимости от того, какой 3D принтер вы используете, построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Несмотря на то, что термин Additive Manufacturing используется отечественными инженерами очень редко, технологии послойного синтеза фактически оккупировали современную промышленность.

Экскурс в прошлое Additive Manufacturing

Цифровое производство нашло свое применение в медицине, космонавтике, производстве готовой продукции и прототипировании. Хотя 3D печать принято считать одним из главных открытий двадцать первого века, в действительности аддитивные технологии появились на несколько десятилетий раньше.

Родоначальником отрасли стал Чарльз Халл, основатель компании 3D Systems. В 1986 году инженер собрал первый в мире стереолитографический 3D-принтер, благодаря чему цифровые технологии сделали огромный рывок вперед. Приблизительно в то же время Скотт Крамп, позже основавший компанию Stratasys, выпустил первый в мире FDМ-аппарат. С тех пор, рынок трехмерной печати стал стремительно расти и пополняться новыми моделями уникального печатного оборудования.

Первое время обе технологии SLA и FDM развивались бок обок исключительно в направлении промышленного производства, однако в 1995 году назрел перелом, сделавший аддитивные методы изготовления продукции общедоступными. Студенты Массачусетского технологического института, Джим Бредт и Тим Андерсон, внедрили технологию послойного синтеза материала в корпус обычного настольного принтера. Именно так была основана компания Z Corporation, долгое время считавшаяся лидером в сфере бытовой печати объемных фигур.

Технология аддитивного производства — Эпоха инноваций

В наши дни AF-технологии используются повсеместно: научно-исследовательские организации с их помощью создают уникальные материалы и ткани, промышленные гиганты используют 3D принтеры для ускорения прототипирования новой продукции, архитектурные и конструкторские бюро нашли в 3D печати нескончаемый строительный потенциал, в то время как дизайн-студии буквально вдохнули новую жизнь в дизайнерский бизнес благодаря аддитивным машинам.

Наиболее точной аддитивной технологией считается стереолитография – методом поэтапного послойного отверждения жидкого фотополимера лазером. SLA принтеры используются преимущественно для изготовления прототипов, макетов и дизайнерских компонентов повышенной точности с высоким уровнем детализации.

Селективное лазерное спекание изначально появилось, как усовершенствованный метод отверждения жидкого фотополимера. SLS-технология позволяет в качестве чернил использовать порошкообразные материалы. Современные SLS-принтеры способны работать с керамической глиной, металлическим порошком, цементом и сложными полимерами.

В литейной отрасли недавно появились PolyJet-аппараты, работающие по классической AF-технологии. Они оборудованы струйными печатными головками, заправленными быстро-застывающим материалом. На сегодняшний день InkJet 3D принтеры нешироко распространены, однако не исключено, что уже через несколько лет трехмерная струйная печать станет столь же распространена, как и классические печатные устройства. Первопроходцем в данной отрасли стала компания ExOne с ее прототипирующей машиной S-Max.

Самыми дешевыми по-прежнему остаются FDM-принтеры – устройства, создающие трехмерные объекты путем послойного наплавления филамента. Наиболее распространенными принтерами данного типа остаются аппараты, печатающие расплавленной пластиковой нитью. Они могут оснащаться одной или несколькими печатными головками, внутри которых находится нагревательный элемент.

Большинство аддитивных принтеров, печатающих пластиком, способны создавать только одноцветные фигуры, однако в последнее время на рынке трехмерной печати появились машины, использующие одновременно несколько видов филамента. Данное новшество позволяет создать цветные объекты.

Перспективы AF-технологии

На данный момент рынок трехмерной печати далек от перенасыщения. Аналитики отрасли сходятся во мнении, что аддитивные технологии ждет радужное будущее. Уже сегодня научно-исследовательские центры, занижающиеся AF-разработками, получают огромные финансовые вливания от оборонного комплекса и медицинских государственных институтов, что не дает усомниться в точности экспертных прогнозов!

Аддитивные технологии (производства) (далее АТ и АП) за последние 20 лет образовали интенсивно развивающийся инновационный сегмент технологии машиностроения: достигнуты впечатляющие практические результаты, сформирован мировой рынок технологий, оборудования и услуг, развернут широкий фронт научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, начата подготовка квалифицированных кадров, появилась предметно ориентированная научная и учебно-методическая литература . Развивается понятийный аппарат этой области технологических знаний, проводятся интенсивные работы по стандартизации и сертификации продукции . Приведенный ниже материал основан на определении аддитивных технологий, предложенном American Society for Testing and Materials - организацией, которая занимается разработкой технических стандартов для материалов, изделий, систем и услуг (стандарт ASTM F2792.1549323–1).

Два основных признака определяют этот сегмент технологий:

Признак аддитивности - конечная конфигурация изделия получается путем целенаправленного добавления дозированных объемов (масс) материала к исходной конфигурации или к подложке;

Признак виртуальности - в основе создания изделия лежит его цифровая модель.

В литературе представлены многочисленные классификационные модели аддитивных технологий. Так, по классификации ASTM аддитивные технологии разделены на 7 групп (русский перевод и пояснения М. А. Зленко ):

1. Material Extrusion - выдавливание материала или послойное нанесение расплавленного строительного материала через экструдер;

2. Material Jetting - разбрызгивание (строительного) материала или послойное струйное нанесение строительного материала;

3. Binder Jetting - разбрызгивание связующего или послойное струйное нанесение связующего материала;

4. Sheet Lamination - соединение листовых материалов или послойное формирование изделия из листовых строительных материалов;

5. Vat Photopolymerization - фотополимеризация в ванне или послойное отверждение фотополимерных смол;

6. Powder Bed Fusion - расплавление материала в заранее сформированном слое или последовательное формирование слоев порошковых строительных материалов и выборочное (селективное) спекание частиц строительного материала;

7. Directed energy deposition - прямой подвод энергии и материала непосредственно в место построения или послойное формирование изделия методом внесения строительного материала непосредственно в место подвода энергии.

Приведенный в работе материал касается, преимущественно, технологий шестой и седьмой групп, относящихся к производству изделий из металлов и сплавов. Этот сегмент АП развивается наиболее интенсивно, ориентирован на производство конечной продукции и представляет наибольший интерес для машиностроения .

Сравнительная характеристика аддитивных и субтрактивных технологий размерного форомообразования

Согласно классификатору методов размерного формообразования , по характеру трансформации исходного объема заготовки в объем детали все существующие методы и технологии на их основе разделяют на четыре класса (табл. 1).

Таблица 1. Классы методов обработки по характеру трансформации исходного объема заготовки

Класс Описание класса Название Примеры технологий
1 В процессе обработки объем заготовки не изменяется по величине, но перераспределяется в пространстве. Методы перераспределения объема.
Redistributive methods.
Ковка, штамповка, гибка.
2 Объем изделия поучают путем удаления «лишнего» объема заготовки. Методы удаления части объема заготовки.
Subtractive methods.
Обработка резанием лезвийным или абразивным инструментом, химическое растворение.
3 Объем изделия получают добавлением материала к исходной заготовке или нанесением материала на технологическую подложку. Методы наращивания объема изделия.
Additive methods.
Гальваника, газотермическое напыление, селективное лазерное спекание или плавление, лазерная стереолитография. лазерное осаждение металла из порошка.
4 Изделие получают одновременным или последовательным удалением материала с одной части заготовки и нанесением его на другую. Комбинированные (интегрированные) методы формирования объема изделия.
Combined (integrated) methods.
Некоторые способы электрохимической обработки, модификации метода химических транспортных реакций, интеграция металлорежущих станков с ЧПУ с лазерной головкой и пр.

Наибольшее распространение получили методы формообразования второго и третьего классов, на которых основаны так называемые субтрактивные и аддитивные технологии.

Технологии второго класса превалировали и будут превалировать в обозримом будущем в машиностроительном производстве. Однако в 80–90-х годах прошлого века в связи с развитием и удешевлением цифровых технологий, появлением прецизионных мехатронных приводов, совершенствованием лазерной техники и другими факторами аддитивные методы и технологии размерного формообразования совершили качественный скачок и стали конкурентоспособными с классическими технологиями обработки со снятием стружки (табл. 2).

Таблица 2. Сравнительная характеристика технологий второго и третьего классов

Свойства (характеристики) технологии класс по табл. 1
2 3
1 Возможность достижения высокой точности (10^(−7) м) методом последовательных приближений. Выше + Ниже
2 Возможность формирования специальных свойств поверхностного слоя. Выше + Ниже
3 Производительность и низкая себестоимость в условиях крупносерийного и массового производства. Выше + Ниже
4 Развитый парк технологического оборудования. Есть + Нет
5 Высокий уровень унификации и стандартизации изделий и средств технологического оснащения. Есть + Нет
6 Возможность применения развитого и апробированного теоретического аппарата технологии машиностроения. Выше + Ниже
7 Уровень развития программного обеспечения (CAD/CAM/CAE). Выше + Ниже
8 Номенклатура методов, способов и технологических операций. Шире + Уже
9 Наличие развитой нормативно-справочной базы. Есть + Нет
10 Развитая система производства и поставки исходных материалов (за- готовок). Есть + Нет
11 Количество единиц технологического оборудования в ТП. Больше Меньше +
12 Затраты на логистику, складские и транспортные работы. Выше Ниже +
13 Затраты на оснастку и инструменты. Больше Меньше +
14 Занимаемые производственные площади. Больше Меньше +
15 Затраты на сборку-разборку отдельных сборочных единиц. Выше Ниже +
16 Длительность цикла и стоимость технологической подготовки производства новых изделий. Выше Ниже +
17 Технологическая надежность (вероятность отказа (брака), как правило, снижается с уменьшением числа операций в ТП). Ниже Выше +
18 Затраты трудовых ресурсов. Выше Ниже +
19 Коэффициент использования материалов. Ниже Выше +
20 Возможность получения изделий с градиентным составом и свойствами. Ниже Выше +
21 Степень сложности изготавливаемых изделий. Ниже Выше +
22 Технологическая возможность минимизации массы изделия при заданных показателях прочности и жесткости. Ниже Выше +
23 Возможность сокращения номенклатуры деталей в изделии. Ниже Выше +
24 Функциональная надежность конструкции. Ниже Выше +
25 Количество (номенклатура) операций ТП. Больше Меньше +
26 Степень гибкости производства. Ниже Выше +

Как видно, АТ обладают рядом достоинств и недостатков по отношению к классическим субтрактивным технологиям. Математическим инструментом для выявления области их эффективного практического применения является аппарат и численные средства многопараметрической оптимизации .

Определяющими факторами применения АТ, выступающими в качестве главных критериев их выбора, являются существенное сокращение длительности технологической подготовки производства новых изделий, сокращение цикла их изготовления, возможность использования принципиально новых конструкторско-технологических решений, снижение, в конечном счете, трудоемкости и себестоимости изготовления ответственной продукции. Степень гибкости аддитивных технологий достигает уровня кастомизации, то есть, способности удовлетворять индивидуальные требования потребителей продукции.

Статистический анализ развития аддитивных технологий

Наиболее авторитетным источником информации о состоянии и развитии АТ, признанным мировым технологическим сообществом, является консалтинговая компания Wohlers Associates Inc. (WAI), издающая c 1996 года ежегодные статистические отчеты (Wohlers Report) (www.wohlerassociatrs.com). Согласно Wohlers Report-2014, мировой объем рынка продукции и услуг к 2013 году достиг 3 млрд долл. (рис. 1). Среднегодовой прирост рынка ∆р за 26 лет составил 27 %. Прогнозируется увеличение объема рынка от 3,07 в 2013 до 21 млрд долл. в 2020 году. В предыдущем отчете (2013 г.) объем рынка в 2012 оценивался в 2,26 млрд долл. с прогнозом объема рынка 10,8 млрд долл. на 2021 году (рис. 2).

Рис. 1. Динамика мирового объем продукции АП в 1993–2013 годах

Рис. 2. Прогноз развития мирового объема АП продукции и услуг (млд. Долл.)

Около 40 % рынка продукции и услуг в 2013 году приходилось на оборудование и материалы и 60 % - на услуги и производство продукта (рис. 3).

Рис. 3. Прогноз динамики структурных составляющих мирового рынка продукции и услуг АП (млд. долл.)

Статистические данные WAI приводятся во многих работах, посвященных АТ , однако методика прогнозирования нигде не обсуждается, хотя ее влияние на достоверность прогнозов является определяющим. На основе имеющихся статистических данных возможны два основных подхода к краткосрочному прогнозированию.

Первый из них основан на гипотезе об относительной устойчивости величины среднегодового прироста ∆р мирового рынка продукции и услуг АП. Принимая на ближайшие 10 лет ∆р = const, прогнозируемый объем рынка Р можно описать выражением вида

Р = Р0 (1 + ∆р)^(n–1) = Р0 1,27^(n–1), (1)

где Р0 - объем рынка в 2013г., n - порядковый номер последующего года, начиная с 2013 (2013 г. принят за 1). Расчет дает 20,3 млрд долл. в 2021 году. По данным Wohlers Report-2014, прогнозируется увеличение рынка до 21 млрд долл. (рис. 2), что близко к значению, полученному по выражению (1). По данным некоторых других источников эта цифра значительно выше. Это означает, что в этих источниках прогнозируется увеличение не только объема рынка АП на указанный период, но и среднегодового прироста этого объема.

Второй подход базируется на гипотезе, широко используемой в наукометрии и заключающейся в том, что скорость увеличения объема знаний в некоторой новой быстро развивающейся области науки и техники пропорциональна текущему значению этого объема , то есть

где V - текущий объем знаний, k - коэффициент пропорциональности.

Решение уравнения (2) имеет вид

V =V0exp kt, (3)

где V0 - объем знаний в начальный момент времени t.

В первом приближении без учета инерционных процессов можно считать, что объем рынка изменяется подобно объему знаний.

Анализируя с этой точки зрения статистические данные (рис. 1) (без учета 2013 г.) и принимая в качестве точки отсчета 1993 г. (объем рынка V0 принят 0,09 млрд долл.), находим k = 0,17 и выражение (3) преобразуем к виду

V = 0,09 · 1,19^(n–1). (4)

Таким образом, выражение (1) является частным случаем (3). Однако, среднегодовой прирост в нашем расчете 19 %, что заметно ниже 27 %. Расчет дает для 2020 года 9,86 млрд долл., что хорошо согласуется с предыдущим прогнозом WAI (рис. 2).

Из рис. 3 видно, что соотношение долей отдельных компонентов мирового рынка АП перераспределяется в сторону увеличения доли реализуемой продукции. Заметна тенденция ускоренного развития сегмента рынка АП, связанного с непосредственным изготовлением изделий из металлов и сплавов (рис. 4), быстро растет спрос на соответствующее оборудование. Отмечается тенденция к увеличению доли конечного продукта в товарной продукции АП (рис. 5).

Рис. 4. Динамика продаж оборудования для АП металлических изделий

Рис. 5. Динамика доли конечной продукции (%) на рынке АП

Рис. 6. Использование оборудования для АТ мировым технологическим сообществом

Уровень развития АТ в различных странах мира характеризуется количеством установленных единиц соответствующего оборудования (рис. 6). Видно, что на долю США приходится (2013 г.) 38 % мирового парка машин, в то время, как на долю России - 1,4 % (преимущественно машины для лазерной стереолитографии).

Статистические данные WAI раскрывают основные технологические задачи, для решения которых используют АТ:

  •  визуализация – 10,4 % (16,8 % в 2004 г.);
  • презентационные модели - 9,5 % (в 2004 г.);
  • контрольные сборки - 17,5 % (11,4 % в 2004 г.);
  • мастер-модели для изготовления оснастки - 11,3 % (10,6 %);
  • мастер-модели для литья металлов - 10,8 % (8,1 %);
  • компоненты инструментальной оснастки - 4,8 % (6,9 %);
  • функциональные детали - 28,1 % (16,4 %) в том числе - конечное изделие - 19,2 % (8,2 % в 2004 г.);
  • в обучении и исследованиях - 6,4 %;
  • другие задачи - 1,3 %.

Совершенно очевидно, что промышленные успехи в области АП связаны и определяются созданием и быстрым развитием соответствующей области знаний. На рис. 7 показана динамика расширения числа научных публикаций и числа цитирований в этой области знаний. Данные приведены в Wohlers Report-2014, поэтому 2014 год отражен не полностью.

Рис. 7. Динамика числа публикаций (слева) и числа цитирований за двадцать лет

Статистика получена путем поиска публикаций и цитирований с ключевой фразой additive manufacturing. Несмотря на то, что далеко не все публикации по рассматриваемой тематике были учтены, приведенную статистику следует рассматривать, как достоверную выборку в связи с распространенностью ключевого термина. Можно показать, что развитие научных знаний в области АТ соответствует экспоненциальному закону и количество новых знаний прогрессивно нарастает.

Отметим, что количество российских публикаций по вопросам АП составляет всего 0,76 % от общемирового. Россия занимает 26-е место в мире, разделяя его с Грецией, Израилем, Финляндией и Польшей. За последние 15 лет в России был выдан 131 патент по различным аспектам АП (0,14 % от мирового количества), причем 14 из них получены российскими заявителями, а 117 - иностранными. Для сравнения, Южная Корея, США, Япония и Китай совместно владеют 90 % патентов в этой сфере.

Аддитивные технологии в производстве авиакосмической техники

В производстве авиакосмической техники аддитивные технологии обеспечивают следующие основные преимущества:

1. Стоимость вывода 1 кг массы на орбиту Земли составляет от 12 до 25 тыс. долл. Поэтому возможность снижения массы изделия за счет повышения его конструктивной сложности является весьма актуальной для ракетно-космического машиностроения.

Анализ, проведенный в рамках проекта ATIKINS, показал, что снижение массы магистрального самолета на 100 кг на протяжении всего жизненного цикла влечет за собой экономию $2,5 млн на топливных расходах и сокращает выбросы углекислого газа на 1,3 млн  тонн.

Однако степень усложнения конструкции изделия ограничивается возможностями существующих методов, технологий на их основе и средств технологического оснащения. Так, аддитивные технологии обеспечивают получение системы полостей произвольной формы в теле детали, а субтрактивные - нет. Поэтому в последнем случае приходится использовать дорогостоящие заготовительные технологии с относительно низким уровнем технологической надежности и удорожанием производства из-за брака. В качестве примера рассмотрим одну из основных, лимитирующих деталей газотурбинного двигателя - лопатку турбины (рис. 8).

Рис. 8. Сечения лопатки турбины ГТД

Лопатку с сечениями, формирующими магистраль подачи охлаждающего воздуха, получают литьем по выплавляемым моделям. Отверстия для входа воздуха на передней кромке лопатки изготовляют малопроизводительным электроэрозионным прошиванием с последующей доводкой абразивной суспензией. К настоящему времени созданы опытно-экспериментальные образцы лопаток с применением SLS и SLM - технологий. Обсуждается вопрос о ремонте лопаток турбин с применением АТ.

2. Коэффициент использования материала (КИМ) при традиционном производстве основных деталей двигателей авиакосмической техники составляет 0,05–0,2. Применение АТ позволяет повысить этот коэффициент до 0,7–0,9, что обеспечит значительное сокращение затрат на дорогостоящие материалы. Значение КИМ при изготовлении металлических деталей с применение АТ определяется, главным образом, массой поддержек, подлежащих удалению (рис. 9).

Рис. 9. Вариант конструкции поддержек соединительного блока

3. Сокращение длительности цикла и стоимости технологической подготовки производства новых изделий имеет первостепенное значение, особенно в опытно-экспериментальном производстве. С развитием АТ опытно-конструкторские организации могут не только осуществлять быстрое натурное моделирование составных частей опытного изделия, но и значительно ускорить как изготовление сложных деталей, так и введение изменений в их конструкции в процессе доводки и испытаний изделия. Так, по данным ОАО КБХА применение АТ при изготовлении 5 основных деталей двигателя позволяет в среднем сократить цикл изготовления в 5 раз.

4. Замена сборочной единицы деталью одного наименования повысит надежность составной части изделия и также сократит цикл ее изготовления. Так, на рис. 9 показан соединительный блок, который при традиционном исполнении представляет собой сборочную единицу, состоящую из 8 наименований деталей.

АП смесительной головки позволяет сократить число наименований деталей с 138 при классической технологии до 1–3 при АП.

5. Основные детали горячей части двигателей современных летательных аппаратов, работающие, как правило, в экстремальных условиях, изготавливают из материалов с низкой обрабатываемостью резанием, поэтому понятен интерес создателей ГТД и ЖРД к АТ, позволяющим в ряде случаев снизить трудоемкость и себестоимость технологии. Так, компания GE Aviation часть деталей нового двигателя LEAP производит с применением АТ (рис. 10).

Рис. 10. Двигатель LEAP компании GE Aviation

Производство авиакосмической техники характеризуется, как правило, единичным и серийным (мелко- и среднесерийное) типами производств. Поэтому при выборе альтернативных технологий следует учитывать степень их гибкости. Гибкость технологий аддитивного формообразования выше, чем традиционных, поскольку при переходе на новую деталь нет необходимости подготавливать новую заготовку и средства технологического оснащения. АТ-технологии эффективны при обработке относительно малых партий изделий, когда высокая стоимость материалов компенсируется снижением постоянных затрат, связанных с традиционными технологиями (рис. 11). Как видно, 42 единицы - тот размер партии самолетных шасси, при котором себестоимость изготовления методом литья под давлением и селективного лазерного спекания одинакова .

Рис. 11. Критический размер партии деталей, определяющий рентабельность АТ

Доля аэрокосмической отрасли на мировом рынке аддитивных технологий составляет около 12 % (2013 г.) и имеет тенденцию к росту . Некоторые детали авиационно-космической техники, изготовленные с привлечением АТ, показаны на рис. 12.

а) крыльчатка

б) лопаточный ротор

в) охлаждающий элемент

г) лопатка турбины

д) топливная форсунка

е) элементы СПТ

Рис. 12. Изделия авиационно-космической техники, полученные с применением АТ

Рассмотрим состояние дел с практическим внедрением АП в авиационно-космическую индустрию промышленно развитых странах мира .

Впервые о полномасштабном внедрении АТ сообщила корпорация General Electric (GE). Это привело к возрастанию в 2012 году стоимости ее акций с 19.87 до 23 долл. за акцию. Такая реакция рынка привела к вовлечению в инновационный процесс АП ряда других компаний (Siemens, Mitsubishi и др.).

В 2013 году в подразделении GE Aviation была создана лаборатория Additive Lean Lab, которая занялась внедрением аддитивного производства в АПК. К 2016 году лабораторией подготовлены условия для промышленного изготовления топливных форсунок двигателей нового поколения LEAP самолетов Airbus A320 NEO, Boeing 737MAX и COMAC C919 (www.voxelfab.com). Используя АП, GE может производить до 25 000 форсунок в год (комплект форсунок на двигатель - 19 шт.). Согласно прогнозу специалистов GE Aviation, в ближайшем будущем половина всех деталей современных авиадвигателей будет изготавливаться с применением АТ.

При помощи SLM-технологии изготовлен и успешно протестирован инжектор двигателя для ракеты RL-10. Центр космических полетов им. Дж. Маршалла (Хантсвилл) и компания Directed Manufacturing провели огневые испытания инжектора, разработанного по государственной американской программе сверхтяжелого ракетоносителя (РН) для пилотируемых полетов Space Launch System (SLS). Был представлен самый большой компонент РД, изготовленный средствами АП, состоящий из двух частей, в то время как похожие инжекторы включают в себя 115 деталей. При экстремальных условиях были проверены свойства материала инжектора (сплав никеля и хрома).

Другим инновационным подходом создания АТ-технологий является метод прямого лазерного спекания металла (DMLS), разработанный крупнейшей компанией EOS. С его помощью компания Space Exploration Technologies Corp. (SpaceX) изготовила методом послойного синтеза камеру сгорания двигателя SuperDraco (рис. 13) многоразового космического корабля (КК) Dragon, что позволило получить тягу 7257 кГ.

Рис. 13. Испытания двигателя с КС (компания SpaceX)

Камера сгорания (КС) является ключевым лимитирующим элементом ЖРД. Поэтому ряд компаний проводят интенсивные работы по внедрению аддитивных технологий в производство КС. Так, европейский аэрокосмический концерн Airbus Group подтверждает возможность снижения себестоимости при использовании технологии DMLS для производства конструкций сложной геометрической формы типа КС в условиях единичного или мелкосерийного производства.

Снижение массы и улучшение аэродинамического качества деталей летательных аппаратов, характерные для применения АП, приводят к экономному расходу топлива (на 15%) и снижению уровня загрязнения окружающей среды (на 3%) (по данным компаний Snecma и GE Aviation). Специалисты Института физики атмосферы космического агентства Германии (IAP DLR) показали, что подобное сокращение выбросов в атмосферу сэкономит авиакомпаниям до 1 млн долл. ежегодно. Помимо этого, в АТ деталей планируется использовать новый керамический композиционный материал, который позволит работать при более высоких температурах.

Метод DMSL активно используется при изготовлении спутников. Инженеры Airbus Defence and Space (подразделения Airbus Group) применили метод для оптимизации конструкции кронштейнов, связывающих корпус спутника с солнечными батареями и радиоантеннами. Созданные на установке EOSINT M 280 детали соответствовали требуемым техническим условиям: выдерживать силовую нагрузку до 20 кН в температурном диапазоне от –180 °C до +150 °C. В дополнении к техническим характеристикам АП позволило на 20 % сократить расходы на производство и трудоемкость изготовления кронштейнов.

Компанией RedEye этим же методом изготовлены топливные баки для спутников Lockheed Martin Space Systems с двухкратным снижением расходов на их производство.

Развитием инновационных аддитивных технологий интересуются не только отдельно взятые компании. Как показывает практика, интерес к 3D-печати получил статус государственного значения в мире, поэтому каждое космическое агентство считает стратегически необходимым использовать его в производстве космической техники (КТ). Европейское космическое агентство (ESA) объявило о запуске проекта AMAZE, целью которого является АП металлических частей для космических кораблей, двигателей самолетов и ракет. Проводятся работы по созданию и доводке космического спутника, собранного полностью из таких частей.

В 2014 году 3D-принтер компании Made In Space доставлен на Международную космическую станцию (МКС) для создания деталей КТ в условиях невесомости. По мнению специалистов есть реальная возможность изготавливать на орбите до 30% запчастей.

С 2016 года на орбите функционирует спутник российского производства, изготовленный с применением АТ специалистами Томского научного центра.

В январе 2014 года совершил первый полет истребитель Tornado GR4 военно-воздушных сил Великобритании, при изготовлении которого использованы металлические детали, изготовленные компанией Rolls-Royce с привлечением АТ. На основе успешных испытаний принято решение о серийном производстве части запчастей для британских истребителей с применением АТ. Показано, что это позволит экономить до 0,3 млн фунтов стерлингов в год.

Технологии послойного наложения расплавленной полимерной нити (Fused Deposition Modeling - FDM) позволяет использовать материалы производственного класса для изготовления деталей, работающих в условиях воздействия агрессивной среды и высоких температур. Среди продукции, созданной по данной технологии, особо важной для ОПК считается изготовление боевых беспилотных летательных аппаратов (БЛА) и учебных «дронов». К конкретным примерам относятся кронштейны видеокамер для наступательных БЛА Taranis компании BAE Systems (www.defensetech.org), антенны и «дроны» двойного назначения RDASS 4 компании Leptron. В 2014 году БЛА, построенный по технологии FDM, представлен специалистами Шеффилдского университета (рис. 14, а).

Рис. 14. Беспилотный летательный аппарат, созданный на основе АТ

Подобные работы проводятся и в нашей стране. ОАО «КБ «Луч», входящим в состав государственной корпорации «Ростех», создан экспериментальный образец беспилотного летательного аппарата, планер которого изготовлен с использованием аддитивных технологий (рис. 14, б). Возможности аддитивного производства обеспечили значительную экономию финансовых средств и времени на создание финального образца беспилотной авиационной техники, а также перспективы изготовления (восстановления повреждений) непосредственно в районе боевых действий.

Следует отметить, что в авиакосмической промышленности широко используются и в ряде случаев являются критическими технологии, аддитивные по своей сути, которые практически не обсуждаются и не рассматриваются в работах по аддитивной тематике. Это технологии, связанные с намоткой изделий из углеродного, стеклянного, полимерного волокна на многошпулечных намоточных машинах с пропиткой связующим веществом и последующим отвердеванием .

Заключение

В производстве авиационнокосмической техники проявляется повышенный интерес к применению АТ. Ведущие компании мира проводят широкий круг НИОКР в этой области, появились промышленные образцы изделий АП, начат серийный выпуск ряда наименований деталей, прогнозируется расширение сферы их эффективного применения. Сдерживающими факторами являются высокие цены на материалы, оборудование, сложная и длительная процедура сертификации продукции.

Моргунов Ю. А., Саушкин Б. П., Московский политехнический университет

Литература:

1. Зленко М. А., Попович А. А., Мутылина И. М. Аддитивные технологии в машиностроении. - С.-Пб.: Издательство С.-Пб. политехнического университета. 2013. - 222 с.
2. Шишковский И. В. Основы аддитивных технологий высокого разрешения. - СПб.: Изд-во Питер, 2015. - 348 с.
3. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Пер. с англ. Под ред. И. В. Шишковского - М.: Техносфера, 2016. - 656 с.
4. Additive fabrication terminology unraveled. www.additive3d.com\nm_01.htm.
5. ASTM Additive manufacturing committee approves terminology standard. Электронный ресурс: www.astmnewstroom.org/default.aspx?pageid=1944.
6. W. E. Frazier, Metal Additive Manufacturing: A Review, J. Mater. Eng. Performance, 23 , 1917–1928 (2014).
7. Наукоемкие технологии машиностроительного производства. Физико-химические методы и технологии/Под ред. Б. П. Саушкина. - М.: Форум. 2013. - 920 с.
8. Публичный аналитический доклад по развитию новых производственных технологий/Сколковский Институт науки и технологий, 2014. - 202 с.
9. Михайлов Ю М. Перспективы использования аддитивных технологий в ОПК. 2015. Электронный ресурс: federal book.ru/OPK-11/111/Mihaylov. pdf.
10. Новый справочник химика и технолога/Под ред. А. В. Москвина/Раздел 8. Саушкин Б. П. Основы технологии. - СПб.: НПО «Профессионал», 2006. - 1464 с.
11. E. Atzeni and A. Salmi, Economics of Additive Manufacturing For End-Usable Metal Parts, Int. J. Adv. Manuf. Tech., 62 , 1147–1155 (2012).
12. Сироткин О. С. Современное состояние и перспективы развития аддитивных технологий/Авиационная промышленность. 2015, 2. - С. 22–25.
13. Чумаков Д. М. Перспективы использования аддитивных технологий при создании авиационной и ракетно-космической техники/Электронный журнал «Труды МАИ». Выпуск № 78 www.mai.ru/science/trudy/.
14. Исаченко В. А., Астахов Ю. П., Саушкин Б. П. Технологии ракетно-космического машиностроения - проблемы и перспективы/Технология машиностроения, 2016, № 1. - С. - 10–14.
15. Панов Д. В., Саушкин Б. П. Коротков А. Н. Композиты и станки для их обработки/Ритм, 2014, 7. - С. 32–36

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.

Ведущие страны мира активно включаются в 3D-гонку. Так, в 2012 г. в Янгстоуне, Огайо, открылся Национальный инновационный институт аддитивного производства NAMII - первый центр аддитивных технологий из пятнадцати создаваемых в США. Машинный парк института уже насчитывает 10 аддитивных машин, три из которых являются самыми современными машинами для создания металлических деталей.

Терминология и классификация

Суть аддитивных технологий заключается в соединении материалов для создания объектов из данных 3D-модели слой за слоем. Этим они отличаются от обычных субтрактивных технологий производства, подразумевающих механическую обработку - удаление вещества из заготовки.

Аддитивные технологии классифицируют:

  • по используемым материалам (жидким, сыпучим, полимерным, металлопорошковым);
  • по наличию лазера;
  • по способу фиксирования слоя построения (тепловое воздействие, облучение ультрафиолетом или видимым светом, связующим составом);
  • по способу образования слоя.

Есть два способа формирования слоя. Первый заключается в том, что сначала насыпают на платформу порошковый материал, распределяют его роликом или ножом для создания ровного слоя материала заданной толщины. Происходит селективная обработка порошка лазером или другим способом соединения частиц порошка (плавкой или склеиванием) согласно текущему сечению CAD-модели. Плоскость построения неизменна, а часть порошка остаётся нетронутой. Этот способ называют селективным синтезом, а также селективным лазерным спеканием, если инструментом соединения является лазер. Второй способ состоит в непосредственном осаждении материала в точку подведения энергии.

Организация ASTM, занимающаяся разработкой отраслевых стандартов, разделяет 3D-аддитивные технологии на 7 категорий.

  1. Выдавливание материала. В точку построения по подогретому экструдеру подаётся пастообразный материал, представляющий собой смесь связующего и металлического порошка. Построенная сырая модель помещается в печь для того, чтобы удалить связующее и спечь порошок - так же, как это происходит в традиционных технологиях. Эта аддитивная технология реализована под марками MJS (Multiphase Jet Solidification, многофазное отверждение струи), FDM (Fused Deposition Modeling, моделирование методом послойного наплавления), FFF (Fused Filament Fabrication, производство способом наплавления нитей).
  2. Разбрызгивание материала. Например, в технологии Polyjet воск или фотополимер по многоструйной головке подается в точку построения. Эта аддитивная технология также называется Multi jetting Material.
  3. Разбрызгивание связующего. К ним относятся струйные Ink-Jet-технологии впрыскивания в зону построения не модельного материала, а связующего реагента (технология аддитивного производства ExOne).
  4. Соединение листовых представляет собой полимерную плёнку, металлическую фольгу, листы бумаги и др. Используется, например, в технологии ультразвукового аддитивного производства Fabrisonic. Тонкие пластины из металла свариваются ультразвуком, после чего излишки металла удаляются фрезерованием. Аддитивная технология здесь применяется в сочетании с субстрактивной.
  5. Фотополимеризация в ванне. Технология использует жидкие модельные материалы - фотополимерные смолы. Примером могут служить SLA-технология компании 3D Systems и DLP-технология компаний Envisiontec, Digital Light Procession.
  6. Плавка материала в заранее сформированном слое. Используется в SLS-технологиях, использующих в качестве источника энергии лазер или термоголовку (SHS компании Blueprinter).
  7. Прямое подведение энергии в место построения. Материал и энергия для его плавления поступают в точку построения одновременно. В качестве рабочего органа используется головка, оснащённая системой подвода энергии и материала. Энергия поступает в виде сконцентрированного пучка электронов (Sciaky) или луча лазера (POM, Optomec,). Иногда головка устанавливается на «руке» робота.

Эта классификация гораздо больше говорит о тонкостях аддитивных технологий, чем предыдущие.

Сферы применения

Рынок аддитивных технологий в динамике развития опережает остальные отрасли производства. Его средний ежегодный рост оценивается в 27% и, по оценке компании IDC, к 2019 г. составит 26,7 млрд долларов США по сравнению с 11 млрд в 2015 г.

Однако АТ-рынку ещё предстоит раскрыть неиспользованный потенциал в сфере производства товаров широкого потребления. До 10% средств компаний от стоимости производства товара расходуется на его прототипирование. И много компаний уже заняли данный сегмент рынка. Но остальные 90% идут в производство, поэтому создание приложений для быстрого изготовления товаров станет основным направлением развития этой отрасли в будущем.

В 2014 г. доля быстрого прототипирования на рынке аддитивных технологий хотя и уменьшилась, оставалась наибольшей - 35%, доля быстрого производства росла и достигла 31%, доля в создании инструментов оставалась осталась на уровне 25%, остальное приходилось на исследования и образование.

По отраслям экономики применение АТ-технологий распределилось так:

  • 21% - производство потребительских товаров и электроники;
  • 20% - автомобилестроение;
  • 15% - медицина, включая стоматологию;
  • 12% - авиастроение и космическая отрасль производства;
  • 11% - производство средств производства;
  • 8% - военная техника;
  • 8% - образование;
  • 3% - строительство.

Любители и профессионалы

Рынок АТ-технологий разделяется на любительский и профессиональный. Любительский рынок включает 3D-принтеры и их обслуживание, которое включает сервис, расходные материалы, программное обеспечение, и рассчитан на отдельных энтузиастов, сферу образования и визуализацию идей и облегчения коммуникации на начальной стадии развития нового бизнеса.

Профессиональные 3D-принтеры дорогостоящи и подходят для расширенного воспроизводства. У них большая зона построения, производительность, точность, надёжность, расширен ассортимент модельных материалов. Эти машины на порядок сложнее и требуют освоения особых навыков работы с самими устройствами, с модельными материалами и программным обеспечением. Как правило, оператором профессиональной машины становится специалист по аддитивным технологиям с высшим техническим образованием.

Аддитивные технологии в 2015 году

Согласно отчёту Wohlers Report 2015, с 1988 по 2014 г. в мире было установлено 79 602 промышленных 3D-принтера. При этом 38,1% устройств стоимостью более 5 тыс. долларов США приходится на США, 9,3% - на Японию, 9,2% - на Китай, и 8,7% - на Германию. Остальные страны мира находятся в значительном отрыве от лидеров. С 2007 по 2014 годовой объём продаж настольных принтеров вырос с 66 до 139 584 устройств. В 2014 г. 91,6% продаж приходился на настольные 3D-принтеры и 8,4% - на промышленные установки аддитивного производства, прибыль от которых, однако, составила 86,6% от общего объёма, или 1,12 млрд долларов США в абсолютном выражении. Настольные машины довольствовались 173,2 млн долларов США и 13,4%. В 2016 г. ожидается рост продаж до 7,3 млрд долларов США, в 2018 г. - 12,7 млрд, в 2020 г. рынок достигнет 21,2 млрд долларов.

Согласно Wohlers, FDM-технология превалирует, насчитывая около 300 брендов по всему миру, ежедневно пополняясь новыми модификациями. Некоторые из них продаются только локально, поэтому очень сложно, если вообще возможно, найти информацию о количестве брендов выпускаемых 3D-принтеров. С уверенностью можно сказать, что их количество на рынке увеличивается с каждым днём. Наблюдается большое разнообразие в размерах и применяемых технологиях. Например, берлинская компания BigRep производит огромный FDM-принтер под названием BigRep ONE.2 по цене 36 тыс. евро, способный печатать объекты размером до 900 х 1055 х 1100 мм с разрешением 100-1000 микрон, двумя экструдерами и возможностью использовать разные материалы.

Промышленность - за

Авиационная промышленность усиленно инвестирует в аддитивное производство. Применение аддитивных технологий позволит снизить расход материалов, затрачиваемых на изготовление деталей, в 10 раз. Ожидается, что компания GE Aviation будет ежегодно печатать 40 тыс. форсунок. А компания Airbus к 2018 г. собирается печатать до 30 т деталей ежемесячно. Компания отмечает значительный прогресс в характеристиках произведённых таким способом деталей по сравнению с традиционным. Оказалось, что кронштейн, который был рассчитан на 2,3 т нагрузки, в действительности может выдерживать нагрузку до 14 т при снижении его веса вдвое. Кроме того, компания печатает детали из алюминиевого листа и топливные коннекторы. В самолётах Airbus насчитывается 60 тыс. частей, напечатанных на 3D-принтерах Fortus компании Stratasys. Другие компании авиакосмической индустрии также используют технологии аддитивного производства. Среди них: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce и SpaceX.

Цифровые аддитивные технологии уже используются в производстве разнообразных потребительских товаров. Компания Materialise, предоставляющая услуги аддитивного производства, сотрудничает с компанией Hoet Eyeware в изготовлении очков для коррекции зрения и солнечных очков. 3D-модели предоставляются множеством облачных сервисов. Только компании 3D Warehouse и Sketchup предлагают 2,7 млн образцов. Не остаётся в стороне и индустрия моды. RS Print использует систему, измеряющую давление подошвы, для печати индивидуальных стелек. Дизайнеры экспериментируют с бикини, обувью и платьями.

Быстрое прототипирование

Под быстрым прототипированием понимают создание прототипа изделия за максимально короткий срок. Оно входит в число основных применений технологий аддитивного производства. Прототип - это прообраз изделия, необходимый для оптимизации формы детали, оценки её эргономики, проверки возможности сборки и правильности компоновочных решений. Вот почему сокращение срока изготовления детали позволяет значительно сократить время разработки. Также прототип может являться моделью, предназначенной для проведения аэро- и гидродинамических испытаний или проверки функциональности деталей корпуса бытовой и медицинской техники. Много прототипов создаётся в качестве поисковых дизайнерских моделей с нюансами в конфигурации, цветовой гамме раскраски и т. д. Для быстрого прототипирования используются недорогие 3D-принтеры.

Быстрое производство

Аддитивные технологии в промышленности имеют большие перспективы. Малосерийное производство изделий со сложной геометрией и из специфических материалов распространено в судостроении, энергетическом машиностроении, восстановительной хирургии и дентальной медицине, аэрокосмической промышленности. Непосредственное выращивание изделий из металла здесь мотивировано экономической целесообразностью, так как этот оказался менее затратным. С использованием аддитивных технологий производят рабочие органы турбин и валов, импланты и эндопротезы, запасные части для автомобилей и самолётов.

Развитию быстрого производства способствовало и значительное расширение числа доступных металлопорошковых материалов. Если в 2000 годах насчитывалось 5-6 видов порошков, то сейчас предлагается широкая номенклатура, исчисляемая десятками композиций от конструкционных сталей до драгоценных металлов и жаропрочных сплавов.

Перспективны и аддитивные технологии в машиностроении, где их можно использовать при изготовлении инструментов иприспособлений для серийного производства - вставок для термопласт-автоматов, пресс-форм, шаблонов.

Ultimaker 2 - лучший 3D-принтер 2016 года

По мнению журнала CHIP, который провёл тестирование и сравнил характеристики бытовых 3D-принтеров, лучшими принтерами 2016 года являются модели Ultimaker 2 компании Ultimaker, Reniforce RF1000 компании Conrad и Replicator Desktop 3D Printer компании MakerBot.

Ultimaker 2+ в его улучшенной модели использует технологию моделирования методом наплавления. 3D-принтер отличается наименьшей толщиной слоя, равной 0,02 мм, небольшим временем расчёта, низкой стоимостью печати (2600 руб за 1 кг материала). Основные характеристики:

  • размер рабочей камеры - 223 х 223 х 305 мм;
  • вес - 12,3 кг;
  • размер головки - 0,25/0,4/0,6/0,8 мм;
  • температура головки - 180-260°C;
  • разрешение слоя - 150-60/200-20/400-20/600-20 микрон;
  • скорость печати - 8-24 мм 3 /с;
  • точность XYZ - 12,5-12,55 микрон;
  • материал - PLA, ABS, CPE диаметром 2,85 мм;
  • программное обеспечение - Cura;
  • поддерживаемые типы файлов - STL, OBJ, AMF;
  • - 221 Вт;
  • цена - 1 895 евро базовая модель и 2 495 евро расширенная.

По отзывам покупателей, принтер лёгок в установке и использовании. Отмечают высокое разрешение, саморегулирующееся ложе, большое разнообразие используемого материала, использование открытого программного обеспечения. К недостаткам принтера относят открытую конструкцию принтера, которая может привести к ожогу горячим материалом.

LulzBot Mini 3D Printer

В обзоре журнала PC Magazine Ultimaker 2 и Replicator Desktop 3D Printer также вошли в тройку лучших, но здесь на первом месте оказался принтер LulzBot Mini 3D Printer. Его спецификации таковы:

  • размер рабочей камеры - 152 х 152 х 158 мм;
  • вес - 8,55 кг;
  • температура головки - 300°C;
  • толщина слоя - 0,05-0,5 мм;
  • скорость печати - 275 мм/с при высоте слоя 0,18 мм;
  • материал - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, полиэстер, нейлон, поликарбонат, PETG, PCTE, PC-ABS, и др. диаметром 3 мм;
  • программное обеспечение - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl и др.;
  • потребляемая мощность - 300 Вт;
  • цена - 1 250 долларов США.

Sciaky EBAM 300

Одной из лучших промышленных машин аддитивного производства является EBAM 300 компании Sciaky. Электронно-лучевая пушка наносит слои металла со скоростью до 9 кг в час.

  • размер рабочей камеры - 5791 х 1219 х 1219 мм;
  • давление вакуумной камеры - 1х10 -4 Тор;
  • потребляемая мощность - до 42 кВт при напряжении 60 кВ;
  • технология - экструзия;
  • материал - титан и сплавы титана, тантал, инконель, вольфрам, ниобий, нержавеющая сталь, алюминий, сталь, сплав меди с никелем (70/30 и 30/70);
  • максимальный объём - 8605,2 л;
  • цена - 250 тыс. долларов США.

Аддитивные технологии в России

Машины промышленного класса в России не выпускаются. Пока только ведутся разработки в "Росатоме", лазерном центре МГТУ им. Баумана, университете «Станкин», политехническом университете Петербурга, Уральском федеральном университете. «Воронежсельиммаш», выпускающий учебно-бытовые 3D-принтеры «Альфа», разрабатывает промышленную аддитивную установку.

Такая же ситуация и с расходными материалами. Лидером разработки порошков и порошковых композиций в России является ВИАМ. Им производится порошок для аддитивных технологий, использующийся при восстановлении лопаток турбин, по заказу пермского «Авиадвигателя». Прогресс есть и у Всероссийского института лёгких сплавов (ВИЛС). Разработки ведутся различными инжиниринговыми центрами по всей Российской Федерации. "Ростех", Уральское отделение РАН, УрФУ ведут свои разработки. Но все они не способны удовлетворить даже небольшой спрос в 20 т порошка в год.

В связи с этим правительство поручило Минобрнауке, Минэкономразвитию, Минпромторгу, Минкомсвязи, РАН, ФАНО, "Роскосмосу", "Росатому", "Росстандарту", институтам развития создать согласованную программу разработок и исследований. Для этого предлагается выделить дополнительные бюджетные ассигнования, а также рассмотреть возможности софинансирования за счёт средств ФНБ и других источников. Рекомендовано поддержать новые в т. ч. аддитивные, РВК, "Роснано", фонду «Сколково», экспортному агентству "ЭКСАР", "Внешэкономбанку". Также правительство в лице Минпромторга подготовит раздел государственной программы по развитию и повышению конкурентоспособности промышленности.

Аддитивные технологии (AF) без преувеличения считают инновационным прорывом, новым мировым трендом.

Их проникновение в ключевые сферы жизнедеятельности неразрывно связано с развитием наукоемких отраслей, высоких технологий.

Под AF-технологиями понимают процесс послойного синтеза объекта из трехмерной модели. Главный плюс технологий — ресурсосбережение, при котором потери полезного вещества устремляются к нулю.

Где используют аддитивные технологии

AF-технологии находят применение практически повсеместно. Их используют в автомобильной промышленности, энергетике, пищевой промышленности , архитектуре/дизайне , машиностроении , процессе создания сувениров, игрушек, потребительских товаров и так далее.

Аддитивные технологии в промышленности задействуют при разработке заготовок пресс-форм, специнструмента, деталей со сложной геометрией, эндопротезов, имплантатов. Готовые детали прочнее получаемых традиционным путем на 20-30%. Технологии применимы там, где невозможно/нецелесообразно использовать метод литья, механическую обработку. Их развитию в промышленности способствует увеличение ассортимента металлопорошковых материалов . Если в начале 2000-х гг насчитывалось не более 5 наименований, то сегодня их количество измеряется десятками.

В машиностроении аддитивные технологии внедряются не менее активно. В частности, автомобильные концерны с их помощью на порядок сокращают период прохождения НИОКР по литейным деталям (головки цилиндров моторов, КПП, мосты). Внедряя AF, конструкторы получают наглядную модель двигателя спустя две недели с момента завершения работы над техническим проектом. Ранее на это требовались месяцы.

Преимущества аддитивных технологий

Аддитивные технологии, успешно используемые в машиностроении и других сферах последние 20 лет, дают очевидные выгоды:

    Экономия ресурсов. Готовые изделия «выращивают» с нуля, благодаря чему можно говорить о безотходном производстве. Кроме того, исключаются расходы на утилизацию отходов. Для сравнения, потери материала на заготовках при использовании консервативных методов металлообработки могут доходить до 85%.


    Ускорение процесса производства. Сокращение цикла от момента разработки проекта до выпуска готовых изделий дает конкурентные преимущества. Компьютерное моделирование не требует долгих расчетов и многочисленных чертежей. При этом скорость не вредит качеству.


    Точность параметров . При послойном синтезе удается достигать максимального соответствия по плотности, остаточному напряжению, техническим показателям. Прочность изделий на 20―30% выше, чем у литых/кованых.


    Мобильность . Запуск производства новой серии изделий не требует длительной подготовки, закупки громоздкого оборудования. Процесс гибкий, что позволяет адаптироваться к меняющимся условиям рынка. Модели можно передавать посредством компьютерной техники в любой уголок планеты в считанные секунды.


Для таких отраслей как авиастроение, важное преимущество — снижение веса изделий, получаемых за счет внедрения аддитивных технологий. Отдельные детали удается сделать легче на 40―50% без потерь в прочности.

Мировой опыт


Ежегодно мировой рынок аддитивных технологий демонстрирует рост в пределах 27―28%. Лидером по их внедрению считаются США ― доля AF-оборудования достигает 38%. В тройке передовиков также значатся Япония и Германия. NASA тестирует созданный посредством аддитивных технологий ракетный двигатель с инжектором,


Google и 3D Systems работают над полноцветным автоматизированным 3D-принтером, который сможет изготавливать тысячи модулей для смартфонов.

Государственную программу Японии по внедрению аддитивного оборудования поддерживают 27 компаний, включая Panasonic, Mitsubishi, Nissan. Планируется, что к 2020 году здесь удастся создать совершенный промышленный 3D-сканер. Параллельно, страна финансирует мероприятия по разработке программного обеспечения , НИОКР в области сверхточной печати.

Аддитивные технологии в России


Национальный рынок AF-технологий отстает от мирового. Его развитие тормозится:

    дефицитом кадров;

    недостатком оборудования/материалов;

    нехваткой господдержки.

Сегодня в России функционируют компании, занимающиеся прототипированием. Большинство из них — небольшие, без дорогостоящего оборудования. Установками достаточно высокого уровня располагают ФГУП «НАМИ», НПО «Салют», АБ «Универсал», НИИ «Машиностроительные Технологии». Их мощностей достаточно для того, чтобы провести НИОКР. ВИАМ лидирует в производстве порошков. Они используются, например, для реконструкции лопаток турбин. В УрФУ Ельцина готовят кадры для 3D-печати, сканирования, твердотельного моделирования, реверс-инжиниринга.

Государственная политика, направленная на стимулирование развития отрасли, должна быть ориентирована на субсидирование. Действенный механизм — компенсация части расходов, которые несут компании при изготовлении и реализации пилотных серий промышленной продукции. Внедрению AF-технологий также должен способствовать Фонд развития промышленности, предоставляя целевые ссуды на льготных условиях.

Похожие статьи