Складываем, а не вычитаем. О тонкостях аддитивных технологий. Аддитивные технологии в машиностроении: транспортная отрасль Аддитивные технологии корея

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

Аддитивные технологии – что это такое?

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

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

Материалы, используемые в аддитивных технологиях:

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

Применение аддитивных технологий

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

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

Аддитивные 3d технологии

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

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

Аддитивные технологии в машиностроении

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

Аддитивные технологии в строительстве

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

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

Самые известные 3d строения:

Аддитивные технологии в медицине

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

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

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

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

Аддитивные технологии в фармакологии

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

Аддитивные технологии в образовании

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

– процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных трехмерных моделей, как правило, послойно, в отличие от субтрактивного метода и метода формовки. В разное время использовались такие термины, как аддитивное изготовление, аддитивные процессы, аддитивные методы, аддитивное послойное производство, послойное производство, изготовление твердотельных изделий произвольной формы и изготовление изделий произвольной формы.

В этой динамически развивающейся отрасли быстро появляются новые термины. 3D-печать , согласно стандарту ISO/ASTM 52900, - это изготовление объектов путем нанесения материала печатной головкой, с помощью сопла или другой технологии печати. В прошлом этот термин ассоциировался с недорогими станками невысокой производительности. Однако сейчас это не так: термины «аддитивное производство» и «3D-печать» означают одно и то же.

«Аддитивное производство» (Additive Manufacturing) - официальный отраслевой термин, утвержденный организациями по стандартизации ASTM и ISO, однако словосочетание « » более распространено и фактически стало стандартом. Особенно широко оно используется в СМИ, терминологии стартапов, инвесторов и других сообществ.

Одно из преимуществ аддитивных технологий – возможность создания объектов сложной формы и структуры с высокой точностью

К аддитивному производству (АП) относятся семь различных . Изделия можно создавать послойно путем:

экструзии,
разбрызгивания (струйного напыления),
УФ-отверждения,
ламинирования,
сплавления материалов.

Основные технологии , применяемые при создании изделий на аддитивных установках:

SLM/DMP (Selective Laser Melting / Direct Metal Printing) – металлического порошка по математическим CAD-моделям при помощи иттербиевого лазера;
SLA (Laser Stereolithography) – , основана на послойном отверждении жидкого материала под действием лазера;
SLS (Selective Laser Sintering) – под лучами лазера частиц порошкообразного материала до образования физического объекта по заданной CAD-модели;
FDM (Fused Deposition Modeling) – метод послойного наплавления с использованием пластиковой нити;
MJP (MultiJet Printing) – с помощью фотополимера или воска;
CJP (ColorJet Printing) – путем склеивания специального порошка на основе гипса.

Основные материалы , используемые в аддитивных процессах:

пастообразные пластики;
УФ- и фотоотверждаемые жидкие ;
керамонаполненные жидкие фотополимеры;
гипсовый порошок;
полистирол в виде порошка;
стеклонаполненные, угленаполненные и металлонаполненные полиамиды в виде порошка;
в виде порошка и др.

Аддитивные технологии используются для создания физических моделей, прототипов , образцов, инструментальной оснастки и производства пластиковых, металлических , керамических, стеклянных, композитных компонентов и компонентов из биоматериалов. Принцип действия аддитивных установок основан на построении тонких горизонтальных слоев из 3D-моделей, созданных с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) и 3D-сканеров .

Проектные и производственные предприятия используют АП для изготовления изделий потребительского, промышленного, медицинского и военного назначения, и это далеко не все. Камеры, мобильные телефоны, , внутренняя отделка автомобилей, детали и узлы самолетов , станки и медицинские имплантаты - лишь начало обширнейшего списка продуктов аддитивного производства.

АП упрощает и ускоряет процесс разработки продукции. Компании прибегают к аддитивным технологиям, стремясь сократить время производства, повысить качество продукции и сократить затраты. В качестве средства визуализации 3D-печать помогает предприятиям определить вероятность создания дефектной или неудовлетворительной продукции. Кроме того, разрабатываются методы, процессы и системы для изготовления оснастки. Первые попытки были направлены на быстрое создание оснастки, например, форм для литья под давлением, но они не были успешными.

В последнее время 3D-печать стали использовать для повышения качества оснастки для под давлением. В некоторых областях АП применяют для получения результатов, недостижимых при использовании обычных станков. В других производствах аддитивные технологии используются для создания таких инструментов для изготовления и сборки, как зажимные устройства, крепления, шаблоны и направляющие для сверления и резки.

3D-печать оказывает большое влияние на производство многих продуктов. Предприятия - крупные и малые - успешно применяют технологии для производства готовых изделий . По мнению экспертов, производство готовых изделий станет крупнейшей областью применения аддитивных технологий. Эта технология может повлиять на производство больше, чем другие, традиционные, методы.

Отрасль продолжает развиваться, возникают новые методы, технологии, материалы, прикладные задачи и бизнес-модели . Расширяется география и сфера промышленного применения АП. Аддитивные технологии уже оказали огромное влияние на развитие проектирования и производства; в будущем их роль будет все больше возрастать.

В России рынок 3D-технологий достаточно молод, но уже показывает динамичный рост (по данным Роснано , около 30% в год). Все больше компаний осознают потребность в применении аддитивных методов в производстве и научных исследованиях. Есть организации, которые активно занимаются сертификацией материалов и уже тестируют 3D-принтеры собственного производства. На предприятиях появляются лаборатории по разработке и внедрению 3D-решений на отдельных участках технологического цикла.

Аддитивные технологии - один из главных мировых трендов, упоминаемых в контексте новой промышленной революции. Ежегодный рост этого рынка, который на самом деле еще не сформирован и не имеет четких границ, варьируется в пределах 20-30%.

Так, ведущая консалтинговая компания в индустрии 3D-печати Wohlers Associates сообщила в своем очередном ежегодном отчете (Wohlers Report 2017), что индустрия аддитивного производства выросла в 2016 году на 17,4% (в 2015-м - на 25,9%) и составляет сейчас свыше $6 млрд. Если в 2014 году системы 3D-печати выпускали 49 компаний, то по итогам прошлого года число производителей увеличилось до 97. Эксперты дают самые оптимистичные прогнозы - по оценкам аналитической компании Context, рынок аддитивных технологий достигнет $17,8 млр уже к 2020 году. Аналитики The Boston Consulting Group посчитали: если к 2035 году компаниям удастся внедрить 3D-печать хотя бы на 1,5% от своих общих производственных мощностей, то объем рынка превысит к этому времени $350 млрд.

Ажиотаж вокруг этой темы вполне объясним. В отличие от традиционных технологий обработки металла, аддитивное производство построено не на вычитании, а на добавлении материала. На выходе получаются детали сложной геометрической формы, сделанные в короткие сроки. Когда скорость изготовления продукции сокращается в десятки раз и коренным образом меняются издержки, это меняет всю экономику машиностроения.

За счет чего происходит удешевление производства? Во-первых, снижается число комплектующих частей создаваемых деталей. Например, чтобы изготовить обычным методом топливную форсунку для реактивного двигателя, необходимо приобрести около 20 разных запчастей и соединить их с помощью сварки, что является трудоемким и затратным процессом. Применение же 3D-печати позволяет создавать форсунку из одного цельного куска.

Благодаря этому снижается и вес готовой детали, что особенно ценно для авиационной отрасли. Производители авиадвигателей уже научились создавать аддитивным способом различные кронштейны и втулки, которые на 40-50% легче своих «традиционных» аналогов и не теряют при этом прочностных характеристик. Почти вдвое удается снизить вес и отдельных деталей в вертолетостроении, например, связанных с управлением хвостовым винтом российского вертолета «Ансат». Уже появились и первые прототипы 3D-печатных четырехцилиндровых автомобильных двигателей, которые на 120 кг легче стандартных аналогов.

Другой важный момент - экономия исходного сырья и минимизация отходов. Собственно, сама суть аддитивных технологий заключается в том, чтобы использовать ровно столько материала, сколько требуется для создания той или иной детали. При традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 85%. Но наиболее, пожалуй, важное преимущество аддитивных технологий заключается в том, что трехмерные компьютерные модели деталей можно мгновенно передавать по сети на производственную площадку в любую точку мира. Таким образом, меняется сама парадигма промышленного производства - вместо огромного завода достаточно обладать локальным инжиниринговым центром с необходимым 3D-оборудованием.

Впрочем, так обстоят дела в теории. На практике же сфера аддитивного производства - это история про поливариативность, про то, как технологии опередили возможные сценарии их применения. Вся передовая промышленная общественность осознает, что в их руках находится крайне перспективная базовая технология, но что с ней делать - остается открытым вопросом.

На сегодняшнем этапе главной задачей является как раз поиск сфер применения аддитивных технологий, и пока эту проблему еще никто не решил. Не найден ответ и на другой фундаментально важный вопрос: где находится тот «водораздел», при котором применение аддитивных технологий становится экономически эффективнее традиционных, классических способов - штамповки и литья? К примеру, ни один из крупных мировых игроков по производству газовых турбин, в том числе и на российском рынке, пока не определился в том, какая из конкурирующих технологий будет применяться в будущем для производства лопаток для двигателя самолета - аддитивные технологии или традиционное литье.

Программы поддержки аддитивной промышленности в зарубежных странах сводятся в основном к двум направлениям - финансированию НИОКР и формированию консорциумов, объединяющих предприятия, исследовательские центры и университеты.

К примеру, в США в 2012 году был создан Национальный институт инноваций в области аддитивной промышленности («America Makes») с целью объединения усилий американских компаний и научных кругов, занимающихся передовыми производственными технологиями. Общая стоимость проекта составила $70 млн, из них $30 млн вложило правительство. Основным куратором Института выступает Министерство обороны США, поэтому созданный акселератор поддерживает инновационные разработки, связанные также с военной сферой. Такие, например, как напечатанный на 3D-принтере гранатомет RAMBO .

Практически каждый десятый 3D-принтер произведен в Китае, а местный рынок аддитивных технологий, согласно прогнозам, будет показывать ежегодный рост на 40% и превысит к 2018 году 20 млрд юаней . При помощи технологии 3D-печати цементными смесями китайцы даже печатают жилые дома и «офисы будущего» на берегу Персидского залива. Ключевой структурой в стране, объединяющей несколько десятков местных инновационных центров, является Индустриальный альянс Китая по технологиям 3D-печати.

Россия пока отстает от стран – технологических лидеров по вкладу в общий рынок аддитивных технологий. Но я бы не стал называть это отставание критичным. Просто потому, что глобальная конкурентная борьба ведется не на «поляне» создания непосредственно аддитивных машин, принтеров и порошков. Конкуренция состоит в поиске рыночных ниш применения аддитивных технологий. Выиграет в ней не тот, кто нарастит производство своих аддитивных установок или сырья, а тот, кто поймет, что именно нужно печатать, для чего, и в каких областях это принесет максимальный экономический эффект.

В оживленных дискуссиях, которые ведутся сейчас на тему развития аддитивных технологий, противопоставляются обычно две крайности. Одна из них - «мы напечатаем всё»: дома, самолеты, танки, ракеты. Другая крайность – «все аддитивные технологии экономически неэффективны». И это тоже одна из ключевых системных проблем.

На сегодняшний день можно четко очертить только такие направления применения аддитивных технологий, как прототипирование и создание деталей сверхсложной геометрии. Например, на рынке систем прототипирования присутствуют сегодня более 30 отечественных серийных производителей 3D-принтеров, использующих технологию печати пластиковой нитью. Они выпускают около 5 000 принтеров ежегодно. Причем доля российских комплектующих в этих изделиях составляет порядка 70%.

В этот небольшой круг направлений можно добавить также быстрое мелкосерийное производство изделий по индивидуальному заказу. Однако производство конечных продуктов и быстрое изготовление прототипов – это две разные производственные «философии». Аддитивные технологии призваны, скорее, дополнить традиционные методы металлообработки, нежели заменить их, как предрекают многие эксперты.

Что происходит сейчас с мировой индустрией? Из большой промышленности, нацеленной на достижение эффекта масштаба, она превращается в глобальную гибкую сеть индивидуализированных производств. Аддитивные технологии также позволяют современному производству мигрировать из продуктового в сервисный сегмент.

Простой пример, уже реализованный на практике, – беспилотный летательный аппарат для нужд обороны, полностью напечатанный на 3D-принтере. Так как при его проектировании и изготовлении все основные процессы были автоматизированы, нет никакой нужды держать на каком-то заводе большой запас запчастей для этой техники. Вместо того чтобы отправлять ремонтировать беспилотник на завод, необходимые элементы можно будет печатать прямо на месте. Рабочие лопатки двигателей пока не печатают, но уже осуществляют их ремонт методом лазерной порошковой наплавки.

Чисто гипотетически можно провести аналогичную параллель с авианосцем, находящемся в походе, или с поездом. Имеющийся в распоряжении ремонтников принтер помог бы доработать или отремонтировать определенные детали, например, те же лопатки. Таким образом, аддитивные технологии, вероятнее всего, займут свое место именно в сервисном сегменте, отражая один из главных трендов развития современных промышленных технологий – кастомизацию продукции под потребителя.

В этой связи государственная политика по развитию данной сферы в России, должна опираться на следующие основные направления. Во-первых, это создание условий для снижения рисков, связанных с пилотным внедрением аддитивных технологий. В частности, с недавних пор действует новый механизм субсидирования, когда государство компенсирует предприятию 50% расходов, понесенных им при производстве и реализации пилотных партий промышленной продукции. Во-вторых, поддержку проектам в сфере аддитивных технологий оказывает Фонд развития промышленности, выдавая компаниям целевые льготные займы от 50 до 500 млн рублей под 5% годовых. Кроме того, участники рынка могут претендовать на финансовую поддержку со стороны государства для погашения части понесенных затрат на НИОКР.

Стимулирование разработок в сфере аддитивного производства необходимо поддерживать, так как их применение в современной промышленности – это долгий поиск, путем проб и ошибок, оптимальных ниш для решения конкретных задач. Например, можно создать что-то вроде «открытой библиотеки» технологических решений, объясняющей, как на конкретном станке, используя конкретный порошок, можно изготовить определенную деталь.

Другая важная задача – формирование эффективных площадок для взаимодействия конечных заказчиков с производителями материалов и оборудования. Такой Центр аддитивных технологий уже создается Ростехом на базе производителя газотурбинных двигателей НПО «Сатурн», имеющего многолетний опыт работы в области аддитивных технологий. Идею создания центра поддержали крупнейшие представители российской авиационной отрасли: Роскосмос, ОАК, ОДК, «Вертолеты России», «Технодинамика», КРЭТ и др.

Кроме того, тема аддитивных технологий - это прерогатива стартапов. Сейчас они зачастую просто скупаются мировыми технологическими гигантами. И сложно определить истинный мотив принятия данных решений: является ли это искренним желанием вкладываться в перспективное аддитивное направление, или же это просто попытка повысить свою капитализацию за счет своевременного поддержания модного тренда.

Так, в прошлом году американский концерн General Electric приобрел за $1,4 млрд две европейские компании, специализирующиеся на 3D-печати, - шведскую Arcam AB и немецкую SLM Solutions Group AG. Корпорация Siemens увеличила до 85% долю в британской компании Materials Solutions, специализирующейся на аддитивных технологиях в газотурбостроении. В начале 2017 года BMW, Google и Lowe’s сообща инвестировали $45 млн в американский стартап Desktop Metal, занимающийся созданием инновационной технологии 3D-печати металлических изделий. В общей сумме инвесторы вложили в этот проект, состоящий из 75 инженеров и программистов, уже около $100 млн

В связи с этим важно не допустить ситуации, при которой мы могли бы потерять наши успешные российские стартапы в сфере аддитивного производства. Разумеется, нельзя обойтись и без подготовки соответствующих инженерных кадров, которые могли бы профессионально разбираться в том, что целесообразно печатать, а что эффективнее продолжать делать традиционным методом.

Таким образом, основная проблема на сегодня заключается не в том, чтобы разработать современный отечественный 3D-принтер или создать качественные порошки (технологии ради самой технологии – довольно бессмысленная вещь), а в том, чтобы в нужном месте правильно применить уже имеющиеся на рынке разработки. Для этого у нас должны быть российские компании-драйверы, которые активно работали бы с этими технологиями, и максимально рационально и эффективно применяли бы их на практике.

Это госкорпорация Росатом, которая делает сейчас особую ставку на развитие аддитивных технологий, формируя собственную базу оборудования, материалов и технологий для выхода на новые внешние рынки. Это передовые наши компании в авиационной и ракетно-космической отрасли, которые объединились на базе упомянутого мной центра аддитивных технологий. Это Ростех, в состав которого входит «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК) – один из главных российских драйверов внедрения аддитивных технологий. Кроме того, в регионах создаются инжиниринговые центры – «точки роста» для инновационных компаний, которые помогают коммерциализировать разработки и доводить лабораторные образцы продукции до ее серийного производства.

Подобные, по-своему прорывные, примеры уже есть. Аддитивные технологии были успешно применены при изготовлении деталей двигателя ПД-14 для гражданской авиации, а также в конструкции нового газотурбинного двигателя морского применения, начало серийного производства которого запланировано на 2017 год. В области промышленного дизайна и быстрого прототипирования у российских специалистов есть передовые разработки, связанные со стрелковым оружием и аэрокосмической отраслью.

Это примеры успешного нахождения сфер для применения аддитивных технологий. Уже сейчас очевидно, что стопроцентной такой нишей станет медицина. Эндопротезы, биопринтинг, зубные мосты, ортопедия… Здесь аддитивные технологии уже переживают расцвет. В числе других потенциальных отраслей – инструментальная промышленность (производство инструментов и их шаблонов), космическая и авиационная сферы (легкие детали со сложной геометрией, компоненты турбин).

Аддитивные технологии связаны с поиском конкретных ниш, но и традиционная металлообработка не сдаст своих позиций в ближайшие годы. Важно не пропустить возможное изменение производственной парадигмы в тех отраслях, где мы традиционно сильны, а также искать новые сферы применения аддитивных технологий. Ведь ключевой вопрос заключается не в том, чтобы догнать и перегнать конкурентов, а в самой целесообразности этого забега и понимании того, на правильном ли треке мы находимся в конкретный момент.

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!

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.

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).
Разбрызгивание материала. Например, в технологии Polyjet воск или фотополимер по многоструйной головке подается в точку построения. Эта аддитивная технология также называется Multi jetting Material.
Разбрызгивание связующего. К ним относятся струйные Ink-Jet-технологии впрыскивания в зону построения не модельного материала, а связующего реагента (технология аддитивного производства ExOne).
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.
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.
Плавка материала в заранее сформированном слое. Используется в SLS-технологиях, использующих в качестве источника энергии лазер или термоголовку (SHS компании Blueprinter).
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.