Будущее из порошков: технологии 3D-печати в промышленности

В феврале компания CIRCOR Energy представила цапфовые шаровые краны с цельносварным корпусом серии WB-CIRCOR и в целях лучшего ознакомления заказчиков с элементами конструкции отпечатала модель крана при помощи 3D-печати. А в августе пришла новость о том, что международный концерн Danfoss A/S открыл первый центр по изготовлению продукции по технологии 3D-печати в городе Норборг в Дании. Мы видим, что аддитивные технологии уже в течение нескольких лет проникают в отрасль арматуростроения. Обзор, который вы держите в руках, посвящен технологии 3D-печати в мировой и российской промышленности. Мы расскажем о технологиях, которые сегодня используются для выполнения различных задач — от формирования простейших пластиковых деталей до создания уникальных образцов продукции машиностроения, в том числе трубопроводной арматуры.

Кажется, нам обещают уже в ближайшие десятилетия просто потрясающие по своим масштабам возможности. Речь идет — ни много, ни мало — о том, чтобы распечатать инструменты, диски для автомобилей, промышленные изделия, двигатели для ракет, дома и внутренние органы. Более того, новая технология должна ускорить и удешевить процесс создания этих объектов.

Да, возможно, что в будущем аддитивные технологии достигнут таких высот. Но на данный момент их возможности гораздо скромнее. Чтобы говорить об этом предметно, давайте сначала разберем «азы», которые важно знать об аддитивных технологиях.

КАК ЭТО РАБОТАЕТ, ИЛИ ПРОИЗВОДСТВО С ПОМОЩЬЮ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Существует несколько методов 3D-печати, тем не менее каждый из них является производной именно аддитивной технологии. Вне зависимости от вида 3D-принтера построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Давайте разберемся, какие технологии 3D-печати существуют и наиболее распространены сегодня:

Стереолитография (SLA) считается наиболее точной технологией. Это поэтапное послойное отверждение жидкого фотополимера лазером. SLA-принтеры чаще всего применяются для объектов с высоким уровнем детализации.

FDM-технология позволяет создавать трехмерные объекты путем послойного наплавления материала. Принтеры, работающие по этой технологии, являются самыми дешевыми среди 3D-принтеров. Отметим, что сегодня FDM-принтеры наиболее распространены среди обычных пользователей.

Селективное лазерное спекание (SLS) усовершенствованный метод отверждения жидкого фотополимера, который позволяет в качестве чернил использовать порошкообразные материалы.

В течение долгого времени основным приложением для аддитивных технологий в машиностроении было создание прототипов, опытных образцов (rapid prototyping). Однако технологическое развитие не стоит на месте: освоена новая важная способность аддитивных машин — быстрое изготовление технологической оснастки (rapid tooling), то есть производство форм и трафаретов для будущих деталей. Наконец, постепенно наступает время и для третьей функции 3D-печати — rapid manufacturing — изготовления самого продукта, а не его образцов или средств формовки. Да, сегодня это становится реальностью.

Практически все 3D-принтеры управляются с помощью G-кода. Так назывался в 60-х годах язык для станков с ЧПУ. G-код представляет собой структуру и синтаксис написания команд для обрабатывающего станка, он имеет международную базовую структурную основу, утвержденную американской и европейской системами
стандартизации. Стоит учесть, что существует множество специфических дополнений и модификаций, которые локально используют производители оборудования.

РАЗВИТИЕ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ В РОССИИ

В России вокруг технологий 3D-печати сегодня много шума. За примерами далеко ходить не надо, перечислим несколько событий только этого лета.

В июне появилась информация о том, что Тульский завод порошковой металлургии «Полема» займется производством легированных металлических порошков для напыления и использования в аддитивном производстве. Размер инвестиций оценивается в 450 млн рублей. Скорее всего, предприятие станет первым изготовителем сырья для аддитивного производства в нашей стране.

Далее, в июле после выставки «Иннопром-2017» министр промышленности и торговли РФ Денис Мантуров в интервью ТАСС упомянул о планах министерства: «Сейчас активно развиваются технологии 3D-печати, и для этого необходимо производство целой номенклатуры порошков для принтеров. Мы будем развивать
производство алюминиевых порошков вокруг основных алюминиевых гигантов».

В середине августа пресс-служба Госкорпорации «Ростех» сообщила о создании центра аддитивных технологий. Новая организация под названием «Инжиниринговый центр аддитивных технологий» (ИЦАТ) будет работать на базе Всероссийского института легких сплавов. Специалисты ИЦАТ будут координировать все работы, связанные с внедрением аддитивных технологий в производство, и заниматься внедрением методов 3D-моделирования и 3D-печати в металлургическую промышленность России.

Заместитель генерального директора «Ростеха» Александр Назаров назвал создание центра необходимым, чтобы не отставать от глобальных тенденций. В будущем благодаря деятельности ИЦАТ «Ростех» планирует полностью уйти от импорта в сфере аддитивных технологий.

И наконец совсем недавно стало известно о том, что Россия и Беларусь готовят программу Союзного государства по аддитивным технологиям, в том числе и по развитию 3D-печати.

ОЖИДАНИЕ VS РЕАЛЬНОСТЬ. ЧТО ЖЕ БУДЕТ НА САМОМ ДЕЛЕ?

Опираясь на информацию специализированного портала make-3d.ru, выделим основные преимущества аддитивных технологий для промышленности в целом:

1. Возможность существенным образом снизить себестоимость продукции.

2. Кастомизация готовых изделий, т. е. адаптация массового продукта под запросы конкретного потребителя посредством частичного изменения продукции под конкретный запрос, доукомплектования товара дополнительными элементами или принадлежностями.

3. Открытость для совершенствования изделий.

Согласно материалам статьи «Аддитивное производство — прорыв в арматуростроении?» (опубликованной на русском языке в журнале «Арматуростроение» № 3 (96) 2015, в переводе Т. С. Скляровой), основное преимущество аддитивного производства трубопроводной арматуры заключается в том, что при изготовлении ряда деталей можно избавиться от некоторых технологических процессов. Можно, например, изготовить клапан целиком, так что отпадет необходимость в сборке. Это становится возможным, поскольку 3D-печать позволяет изготавливать очень точные детали со сложной геометрией и сложными проходными сечениями.

Другим преимуществом является то, что на выходе получается законченная модель, а значит, можно отказаться от пресс-форм и дальнейшей обработки. Таким образом, экономится время, и снижаются производственные затраты.

Далее, аддитивные технологии существенно помогут, если некая редкая деталь нужна где-то далеко. Можно просто переслать электронный файл с моделью, и деталь будет изготовлена непосредственно на месте, без долгой пересылки. Технология позволяет объединить изготовление деталей или сократить расходы при
производстве небольших партий, одиночных деталей или запасных частей.

Тем не менее у такой перспективной технологии, как 3D-печать все же есть ряд достаточно обширных проблемных зон, которые, на наш взгляд, вряд ли позволят ей в ближайшие годы набрать в России повсеместную популярность. Безусловно, их наличие объясняется уникальностью и «молодостью» идеи, однако это не делает вопросы, которые стоят перед зарождающейся отраслью, более легкими.

Во-первых, отсутствует нормативная документация и стандарты, которые бы регламентировали применение деталей, полученных при помощи аддитивных технологий, в конструкции того или иного промышленного объекта.

Например, есть ряд важнейших характеристик филамента для 3D-печати: это состав, физические и прочностные свойства, температура, химические свойства, диаметр, условия хранения. В то время как в этом вопросе нет унификации, и нет единой нормы, согласно которой производители должны определенным образом указывать эти критерии.

Во-вторых, отсутствие достаточного количества видов металлических и неметаллических порошков, то есть сырья для создания деталей. Сюда же можно отнести невероятную сложность расчета состава порошков и условий спекания.

В-третьих, проблема кадров. В России очень мало специалистов, которые умеют рассчитывать детали для 3D-печати.

В заключение хотим сказать, что производители, которые сегодня начинают хотя бы интересоваться аддитивными технологиями, делают вклад в будущее своего предприятия. Это — инвестиции в развитие и повышение эффективности производства. Однако важно не очаровываться и четко осознавать пределы возможностей 3D-печати, держать в памяти все ее плюсы и минусы.

А теперь давайте отвлечемся и немного помечтаем. Дело в том, что если в сроках «захвата мира» аддитивной технологией эксперты не сходятся, они согласны в том, что изменения, которые произойдут в мире, будут просто невероятными. Например, может статься, что с внедрением аддитивных технологий производство станет
универсальным, и в будущем конструкторы заказчика будут создавать 3D-модель, указывать ее свойства и отправлять на производство. Представляете?

Станем ли мы свидетелями этих удивительных метаморфоз — покажет время.

armavest.ru