Аддитивное производство

«Железная» логика: тренды «Металлообработки-2021»

«Выставка все так же популярна у посетителей, среди игроков 3D-рынка присутствуют почти все главные участники, – делится своими впечатлениями Илья Крупенников. – Заметно увеличилось количество роботов-манипуляторов на стендах: теперь эта тенденция перерастает из модного атрибута в обязательный элемент демонстраций возможностей компаний, в рамках движения к Индустрии 4.0».

Проанализировать последние тренды по итогам выставки мы попросили директора по стратегическому планированию iQB Technologies Андрея Трофимова.

– Какие основные тенденции развития 3D-технологий в металлообработке Вы наблюдаете?

– Центральное событие года в отрасли, состоявшееся в очном формате впервые за два года, в значительной степени отразило общие тенденции в российской промышленности. Секция «Аддитивные технологии», представляющая на выставке инновационные разработки, то есть область наиболее чувствительную к технологической и технической зрелости промышленности, явилась наглядной иллюстрацией этих тенденций.

На стенде фонда «Сколково»

В целом современный тренд как российских предприятий, производящих аддитивное оборудование, так и компаний, предпринимающих усилия по внедрению аддитивных технологий в собственное производство, можно охарактеризовать как «осознание собственных возможностей и стремление жить по средствам».

Богатый и по большей части негативный опыт попыток внедрения прямого металлического производства с применением 3D-печати в реальном производстве привел к пониманию не только барьеров системы стандартизации, но и ограничений, связанных с недостаточным уровнем компетенций собственных специалистов.

– Как преодолеваются проблемы с внедрением 3D-печати в России?

– Логичным путем преодоления связанных с этими граничными условиями проблем стал интерес производителей к возможности изготовления полуфабрикатов аддитивным способом для последующей точной мехобработки. То есть речь идет о том, чтобы вывести область аддитивного производства из сферы обязательной проверки на соответствие ГОСТам, но получить при этом преимущества, которые дает новый способ производства.

Super Discovery 3D Printer Workstation – идеальная комбинация крупноформатного промышленного FDM-принтера и системы фрезерной обработки. Установка предназначена для производства больших партий деталей, прототипов, литейных мастер-моделей

– То есть компании наконец-то научились просчитывать экономику?

– Переход от обсуждения только технологических аспектов производства и потребительских свойств предлагаемого оборудования к привязке разрабатываемого оборудования и ПО к решению экономических задач конечных потребителей переводит идею внедрения аддитивного производства в практическое русло, открывая возможности осознанного и рационального планирования внедрения инноваций на основе экономического моделирования. Не вызывает сомнения, что такой подход приведет к росту успешных внедрений современных технологий и позитивного опыта у российских производственных предприятий.

Благодарим Илью Крупенникова и Андрея Трофимова за помощь в подготовке материала

Статья опубликована 03.06.2021 , обновлена 10.09.2021

Хотелось бы сравнить прочность изделий при использовании SLM и классических технологий.

Прочностные характеристики изделий зависят от самих изделий, точнее от их геометрии, от поставленных задач, нагрузки, условий применения (морская среда, космос и т.д.).

SLM-печать дает возможность добиться прочностных показателей, сопоставимых с традиционными технологиями. Но примерно в 50% случаев отлитое или отфрезерованное изделие из идеального блока материала прочнее в сравнении с результатом 3D-печати. Причина – в пористости, которая получается по аддитивной технологии. Но при этом напечатанные объекты становятся более упругими и выдерживают более высокие нагрузки, особенно если мы говорим о таких материалах, как титан, сталь и даже различные сплавы алюминия. Алюминий – достаточно мягкий материал, пористость добавляет ему упругости.

Необходимо сделать 3D-модель, прочитать все синтетически, провести анализ и получить предварительные данные по изделию, а затем задуматься о возможности его изготовления и тестирования в лаборатории. Такой подход поможет оптимизировать производство и не будет слишком затратным.

Проект Самарского университета: сопловый аппарат 2 ступени газотурбинного двигателя  iQB Technologies

Изготовление соплового аппарата 1 и 2 ступеней ГТД из порошка сплава Inconel 738

Но есть такие технологии, как горячее изостатическое прессование (ГИП), которые позволяют вывести эти изделия на тот же уровень механических свойств. На титановых сплавах фактически можно получить 80-90% от прочности даже не литых, а кованых изделий. За счет ГИП удается устранить внутренние дефекты, возникающие из-за неоднородности гранулометрического состава порошка, и достичь практически стопроцентной плотности.

Часто задают вопрос, может ли 3D-печать обеспечить более высокую прочность по сравнению с классическими способами. Скажем, за счет поверхностного легирования порошков можно получить структуры, действительно обладающие повышенными механическими свойствами. Это могут быть суперинварные сплавы, например, – то есть те технологии, которые могут обеспечить уникальные свойства, в том числе механические и теплофизические.

Физико-механические свойства основных сплавов приведены в брошюре: Металлы для 3D-печати

Какое программное обеспечение выбрать для подготовки модели к печати?

Очень важно иметь представление о ПО для аддитивного производства методом FDM. В большинстве других технологий 3D-печати используются закрытые системы настроек и собственное ПО

В FDM мы можем «поиграться» с параметрами и подобрать именно то, что нам нужно.

Вот три программы, которые я рекомендую использовать.

1. Simplify3D

Универсальное ПО, позволяющее разбивать печать на подпроцессы. К примеру, нижние 5 мм модели можно печатать со скоростью 60 мм/с, а верхние – со скоростью 30 мм/с. Это дает возможность где-то сэкономить время, где-то поменять температуру. Я успешно применял Simplify3D в своей практике.

2. Cura 4.2

Также универсальная программа, предлагает самое большое число настроек профилей. Несомненный плюс – ПО бесплатное.

3. KISSlicer

Программное обеспечение для продвинутых пользователей. Имеет не самый удобный интерфейс, множество настроек – на английском. Я бы рекомендовал использовать его для художественных объектов, так как есть много настроек для максимально качественной детализации внешней стенки.

Энергетические источники

Если в уже ставших классических аддитивных технологиях используется преимущественно лазер средней и высокой мощности, то в проволочной наплавке наибольшее распространение получили электродуговые источники энергии. Это сварочные аппараты известных производителей, например, Fronius International GmbH (использует Gefertec GmbH), чуть реже – лазерные (волоконные, дисковые, диодные) мощностью до 4 кВт (использует Fraunhofer Institute for Material and Beam Technology IWS, Германия) и плазменные (использует Norsk Titanium AS, Норвегия). Заканчивают список электроннолучевые установки мощностью до 42 кВт (использует Sciaky Inc., США), а также комбинированные источники (например, плазма и плавящийся электрод с плазмотроном обратной полярности, как у российской компании «Гибридное аддитивное производство»).

При технологии WAAM в анодной области температура доходит до 4000°С, а в дуговом промежутке – 7000-10000°С (рис. 5). При использовании плазмы и электронного луча в сварочной ванне может достигаться температура 12000°С. Более высокая температура увеличивает текучесть расплавляемого металла, что является определенным плюсом технологий EBF3 и RPD

Однако важно понимать, что для охлаждения может потребоваться более длительное время. Если изделие не очень большое, то наплавленный слой может не успеть охладиться для нанесения нового слоя, чего требует любая технология проволочной наплавки

В итоге все преимущества от более высокой скорости могут быть уравновешены процессом охлаждения.

Рабочая зона

В отличие от лазерных и электроннолучевых аддитивных технологий, работающих с металлическим порошком, РТК и станки для проволочной наплавки заметно выигрывают в размерах получаемых деталей. Обычно полезный рабочий объем превышает 1 м³, что не может не воодушевлять как активных пользователей, так и потенциальных потребителей аддитивных технологий. Среди серийно выпускаемого оборудования «гигантскими» размерами рабочей камеры может похвастаться компания Sciaky Inc. с установкой EBAM 300 с рабочей зоной 5791×1219×1219 мм. Компания Gefertec GmbH в 3-осевой версии предлагает установку arc603 с размерами зоны построения 1200×1500×1600 мм и весом изделия до 3000 кг (в 5-осевой версии максимальный размер изделий составляет Ø900×700 мм). Однако по требованию заказчика компания может изготовить оборудование с любыми размерами. РТК обычно не имеют ограничений особенно для 3-осевого исполнения (рис.6), но в этом случае робот должен перемещаться по направляющим с ухудшением точностных характеристик (рис. 7). Использование 5-осевой обработки возможно только с применением глобусных поворотных столов, и это сильно уменьшает рабочий объем.

Российский рынок 3D-печати

Сегодня Россию никак нельзя назвать лидером в этой сфере. Доля России составляет всего 2%, страна находится на 11 месте в мире по производству и внедрению АТ. Однако рынок 3D-печати в России за последние 8 лет вырос в 10 раз, совокупные продажи оборудования, материалов и услуг в области аддитивного производства (включая НИОКР) выросли до 4,5 млрд руб. в год ($69 млн, оценка 2018 г.). На закупку оборудования, допоборудования и материалов приходится около 80% объемов рынка. В целом, в настоящее время на российском рынке аддитивных технологий отечественное оборудование занимает порядка 42%, иностранное оборудование – около 60%. Таким образом, в данной сфере снизилась импортозависимость с 96% до 60%. (рис. 11).

Рис. 11. Доля российского оборудования для аддитивного производства, %

По состоянию на конец 2019 года для аддитивных технологий Росстандарт утвердил 12 ГОСТов, ввел в действие 10 ГОСТов из 39 планируемых.

Сегментация рынка аддитивных технологий в РФ

Сегментация рынка АТ в России происходит в соответствии с мировыми трендами. Тем не менее, процесс внедрения аддитивного производства в сферу электроники в отличие от европейских стран имеет низкие темпы. В наибольшей степени аддитивные технологии внедряются в авиакосмическую и автомобильную отрасли, в частности, аддитивное производство связано с печатью деталей металлическими порошками. По данным Минпромторга РФ, на авиакосмическую отрасль приходится порядка 30% всего производства с применением аддитивных технологий (рис. 12).

Рис. 12. Отраслевая структура российского рынка технологий аддитивного производства в 2020 г.

Ведущие игроки российского рынка 3D-печати

Среди наиболее известных 3D принтеров от российских производителей представлены в основном принтеры, не предполагающие промышленного использования, такого как печать ответственных деталей и узлов (PICASO 3D, ZENIT, VORTEX IMPRINTA). Однако в последние годы анонсируются достижения в этой сфере.

Следует перечислить компании, которые уже находятся в высокой стадии готовности промышленных установок и готовы к переходу от опытных установок к серийным поставкам (либо уже начали их). По металлопорошковой SLM-печати – это «Лазерные системы», МЦЛТ МГТУ, 3DSLA.RU, ЦНИИТМАШ («Росатом»); по лазерной наплавке (DMD) – ИЛИСТ СПбГМТУ и МЦЛТ МГТУ. Имеется целый ряд других компаний, которые также представили свои предсерийные образцы.

Из промышленных установок для печати пластиками/композитами стоит упомянуть Total Z, а также песчано-полимерные принтеры компании «Аддитивные технологии» (печать форм для отливок). Один из ярких успешных примеров изготовления российского оборудования – производство 3D-принтеров для строительной отрасли, где российский бизнес опередил Европу и имеет шанс закрепиться на мировом рынке («Спецавиа», Apis Cor). Отдельно следует сказать о российской компании Anisoprint, которая занимается разработкой технологии печати непрерывно армирующим углеродным волокном. Что касается массового сегмента, то, по оценкам Минпромторга (ценовой диапазон до 3–4 тыс. долл.), в этой области более 30 производителей настольных принтеров.

Крупнейшие потребители АТ в России

Среди крупнейших потребителей порошковых материалов на российском рынке можно назвать такие предприятия, как ПАО «Авиадвигатель» и ПАО «НПО «Сатурн» (в обоих случаях – разработка газотурбинных технологий и двигателей), а также ЗАО «Новомет-Пермь» (производство погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти).

Наиболее крупными потребителями 3D являются государственные компании: Роскосмос, Ростех, Росатом. Так, Роскосмос в 2017 году приобрел уникальный отечественный 3D-принтер «роутер 3131» с большим печатным полем, изготовленный специально для нужд аэрокосмической отрасли. Государственная корпорация Ростех готова инвестировать до 3 млрд руб. в развитие аддитивных технологий на предприятиях корпорации, в первую очередь в секторах двигателестроения, вертолетостроения, автомобилестроения.

Инновации и гибкость выходят на первое место

Аддитивное производство отвечает растущему спросу на персонализацию и кастомизацию. Каждая пятая организация, использующая 3D-принтеры, выпускает персонализированные продукты и лимитированные серии. Согласно исследованию, 3D-печать имеет преимущество перед традиционными методами при работе со сложной геометрией (так считает 69% опрошенных), а также сокращает число итераций (такое мнение разделяют 52% респондентов – на 7% больше, чем в 2020 году). 41% участников исследования (в сравнении с 32% в прошлом году) применяют 3D-печать для массовой кастомизации. Более того, технология находит все большее применение в изготовлении обуви, спортивных аксессуаров и медицинских приспособлений. Гибкость и возможность внедрения инноваций, которые обеспечивают принтеры, могут по-настоящему изменить производство.

Sculpteo

Аддитивные технологии: основа промышленной революции

Аддитивное производство (Additive Manufacturing) – это создание изделий, основанное на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки. В самом термине «аддитивность» (от лат. additivus – прибавляемый) заложен основной принцип этого процесса. Такой способ изготовления также называют «выращиванием» из-за послойного создания изделия.

Таким образом, суть аддитивного производства – в сложении, а не вычитании. Если при традиционном производстве вначале имеется заготовка, от которой потом отсекается все лишнее, то в случае с аддитивными технологиями новое изделие создается из ничего, а точнее, из расходного материала. Например, в домашних 3D-принтерах – это специальная пластмассовая проволока. Но, как известно, из пластика можно печатать только не слишком прочные детали и предметы. Относительно недавно в 3D-сфере началась новая эра – печать из металлических материалов. Именно данная технология аддитивного производства является основой происходящей сейчас промышленной революции.

В чем же преимущество и революционность этой новой идеи? Наиболее, пожалуй, важное достоинство аддитивных технологий заключается в том, что компьютерные модели деталей можно мгновенно передавать по сети на производственную площадку в любую точку мира. Таким образом, меняется сам привычный уклад производства – 3D-принтер не только добавляет производству мобильности, но и может заменить огромное количество оборудования на обычном заводе.. Среди других ключевых преимуществ – это снижение числа комплектующих частей создаваемых деталей

Например, изготовление обычным методом топливной форсунки для реактивного двигателя требует около 20 разных запчастей, которых нужно соединить с помощью сварки. Применение же 3D-печати позволяет создавать форсунку намного быстрее из специального материала.

Среди других ключевых преимуществ – это снижение числа комплектующих частей создаваемых деталей. Например, изготовление обычным методом топливной форсунки для реактивного двигателя требует около 20 разных запчастей, которых нужно соединить с помощью сварки. Применение же 3D-печати позволяет создавать форсунку намного быстрее из специального материала.

Отсюда следует еще один важный момент – экономия исходного сырья и минимизация отходов. Аддитивные технологии позволяют в производстве использовать ровно столько материала, сколько требуется для конкретной детали. При традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 85%.

Благодаря этому снижается и вес готовой детали, что особенно актуально для авиационной промышленности. Производители авиадвигателей уже научились создавать аддитивным способом различные кронштейны и втулки, которые при сохранении всех прочностных характеристик на 40-50% легче своих «традиционных» аналогов.

Еще одна сильная сторона аддитивного производства – штучное изготовление изделия любой формы. Этим объясняется особый интерес к аддитивным технологиям медицины и авиационно-космической промышленности – отраслей, которые довольно часто требуют мелкосерийного производства. Например, Boeing уже произвел методом аддитивных технологий более 20 тыс. деталей для военных и гражданских самолетов компании. 

Вам также понадобится 3D-сканирование

3D-сканер и программное обеспечение для обработки полученных данных – необходимые инструменты для современного предприятия. 3D-сканирование может использоваться на любом этапе управления жизненным циклом продукта, позволяет сократить время и расходы на этапе разработки и ускорить выпуск продукта на рынок.

Разметчик модельного цеха Тихвинского вагоностроительного завода Даниил Жидков создает трехмерную модель отливки при помощи 3D-сканера Creaform HandySCAN 3D. Этот портативный 3D-сканер позволяет создать модель детали, когда под рукой нет размеров и чертежей, что значительно облегчает работу конструкторов / Фото: tvsz.ru

С помощью 3D-сканера и специализированного ПО вы сможете гораздо эффективнее решать следующие задачи:

• контроль геометрии изделий и оснастки, входной и выходной контроль;
• реверс-инжиниринг для модернизации, ремонта, восстановления деталей;
• получение CAD-модели.

Устройства 3D-сканирования обеспечивают точность в диапазоне 20-50 микрон на метр. Если такие параметры точности вас не устраивают, продолжайте использовать координатно-измерительные машины. Однако в плане скорости измерений, портативности и стоимости трехмерные сканеры оставляют КИМ далеко позади.

Преимущества 3D печати

1. Аддитивные технологии не нуждаются в разработке чертежей и технологических карт, тем самым сокращая время и затраты на проектирование.
2. Малое количество отходов. Если при механической обработке с заготовки снимают лишний материал, который превращается в отходы, то при аддитивной 3D печати наплавляется ровно столько материала, сколько нужно.
3. Возможность создавать детали сложной геометрии на относительно недорогом оборудовании. Для сложных форм при механообработке нужны сложные станки с числовым программным управлением, которые очень дороги. Для аддитивного производства может использоваться более дешевое оборудование.

Однако данная технология обладает и рядом недостатков. Основным из них является нестабильность материала. Наплавленный слоями он не обладает изотропными свойствами (т.е. свойства различны в разных направлениях). Данный недостаток является основным ограничивающим применение технологии. Из этого следует и еще один недостаток: при остывании материала наружные слои остывают быстрее, что приводит к искажению формы и неравномерным усадкам.

Существуют различные виды аддитивных технологий, в которых так или иначе решены недостатки данного способа. Основные из них:

• FDM (fused deposition modeling, метод послойного наплавления) — самый простой и распространенный способ, изделие формируется путем наплавления пластиковой нити слой за слоем на основание. Данный метод обладает всеми перечисленными недостатками и в дополнение к этому имеет ограничения по форме изготавливаемой детали, т.к. не может наплавлять слой если под ним нет материала. Это заставляет создавать дополнительные поддержки в навесных элементах, что приводит к увеличению отходом, времени печати и вынуждает дополнительно обрабатывать изделие после печати. FDM технология распространена благодаря дешевизне оборудования т широкому выбору материалов для печати. Текстура изделия получается слоистой.
• CJP (color jet printing, цветная струйная печать) — единственная технология позволяющая получить цветную модель. Технология заключается в склеивании специального порошка, который наносится ровным слоем по всему периметру печати. В итоге получается полностью заполненный порошком объем принтера, в котором находится послойно склеенная деталь. Такая аддитивная технология имеет ряд преимуществ — геометрия может быть любой, поддержки не нужны. Нет искажений формы и усадки т.к. материал не нагревается. Есть возможность в клеющую головку добавить принтер и окрашивать деталь в разные цвета.
• MJM (MultiJet Modelling, многоструйное моделирование) — аддитивная печать, при которой нанесение материала происходит с помощью многочисленных сопел в печатающей головке. Печатает такой принтер фотополимером, в этом случае отверждение материала происходит за счет воздействия на него ультрафиолета. Либо термопластиками (отверждение за счет охлаждения). Для нависающих элементов печатаются поддержки из воска, которые легко удалить. Такая технология более сложна, чем простое наплавление, но изделия получаются гораздо более высокого качества с низкой слоистостью.

SLA (Stereolithography apparatus, устройство для стереолитографии) — печать из жидких фотополимерных смол. Технология включает в себя преимущества других видов печати, заключается в том, что в емкости с жидкой смолой луч лазера проходя послойно отверждает необходимую часть. Изделие как бы вытягивается из жидкости. Это позволяет обеспечить очень маленькую толщину слоя, и гладкую поверхность модели. SLA достаточно дорогая технология, поэтому применяется в основном для печати маленьких изделий в высоком качестве, поэтому ей часто пользуются для создания прототипов ювелирных изделий и стоматологических протезов.
SLS (Selective Laser Sintering, выборочное лазерное спекание) — аддитивный способ получения модели, аналогичный технологии CJP, только порошок не склеивается, а спекается лазерным лучом. Печать может происходить из разным материалов, в том числе и из металла, что позволяет получать рабочие модели, способные выдерживать большие нагрузки. Также возможна печать из полистирола, нейлона, композитов и песчаных смесей.

Лазерное выращивание

Лазерные технологии для печати металлом на сегодняшний день являются наиболее быстро развивающимся методом аддитивного производства. Как упоминалось выше, их можно разделить на две группы: селективное лазерное плавление и прямое лазерное выращивание.

Селективное лазерное плавление (SLS) – технология изготовления сложных по форме и структуре изделий из металлических порошков. Сначала формируется равномерный слой порошка на подложке, а затем происходит плавление порошка при помощи мощного лазерного излучения.

Данная технология 3D-печати металлом способна с успехом заменить классические производственные процессы. К примеру, на пермском моторном заводе «Авиадвигатель» (входит в ОДК) технологию селективного лазерного спекания впервые применили еще в 2010 году для изготовления литых деталей из титановых, никелевых, кобальт-хромовых порошков.

«Сейчас конструкторы разрабатывают детали, геометрию которых традиционными методами – точением или литьем – выполнить крайне сложно или вообще технически невозможно,– а на «выращивание» одной детали, к примеру, завихрителя, кронштейна, гребенки, уходит от 6 до 40 часов», – комментирует начальник отдела разработки перспективных технологий ремонта завода «Авиадвигатель» Александр Ермолаев.

Второй вид лазерной технологии аддитивного производства настолько новый, что пока не имеет устоявшегося названия: «прямое лазерное выращивание» (DMLS) или «гетерофазная лазерная порошковая металлургия». Суть его заключается в том, что металлический порошок подается через специальное сопло непосредственно в ту же область, куда подводится лазерный луч, образуя локальную ванну жидкого расплава. Этот процесс можно образно сравнить с работой струйного принтера для бумаги.

Технология дает возможность подачи нескольких видов металлических порошков в зону выращивания. Таким образом можно создавать изделия с градиентными свойствами, например, одна часть детали может быть коррозионностойкой, а другая – жаростойкой.

Прямое лазерное выращивание позволяет значительно увеличить производительность производства. Например, корпус камеры сгорания для небольшого газотурбинного двигателя можно вырастить с нуля за три часа. Для сравнения – при использовании традиционных технологий на это уходит около двух недель. При этом результаты конструирования видны моментально, и вносить в них изменения можно сразу же. Благодаря этому в десятки раз ускоряется процесс проектирования и создания новой техники.

Данная технология уже нашла свое применение в различных наукоемких отраслях промышленности, в числе которых и двигателестроение. Номенклатура деталей, которые изготавливаются с помощью установки прямого лазерного выращивания, широкая – от гребных винтов до небольших фрагментов современных и перспективных двигателей.

Недавно ОДК ввела в эксплуатацию самую большую в России установку прямого лазерного выращивания из порошковых металлических материалов. Этот 3D-принтер крупногабаритных деталей для промышленных газотурбинных двигателей позволяет производить изделия размером до 2,5 метров в диаметре. К 2021 году на базе ПАО «Кузнецов» данным методом планируется изготавливать более 50 элементов для современных газотурбинных двигателей.

Похожие записи:

Перевозка животных с аэрофлот Как преодолеть волнение перед выступлением Ищем вдохновение вместе с дизайнерами smmashing media: 5 источников классных референсов Личный кабинет hh.ru: регистрация соискателя и работодателя, возможности аккаунта Как раскрутить твиттер: кейсы, сервисы, советы по продвижению в twitter Ребрендинг: что это простыми словами, примеры ребрендинга в россии и в мире