Общий обзор способов аддитивных технологий. Сферы применения аддитивных технологий. Аддитивные технологии в образовании

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.

Аддитивная технология - сравнительно молодое, но очень популярное явление. Название этой технологии происходит от англоязычного термина Additive Manufacturing, что в буквальном переводе означает “производство через добавление”. Аддитивная технология означает метод изготовления путем послойного наращивания сырья.

Самый известный пример применения аддитивных технологий - популярные 3D-принтеры. Все виды данных устройств работают по технологии послойного синтеза.

Аддитивные технологии производства совершили революционный прорыв во многих отраслях - медицинской, строительной, конструкторской, машиностроительной, дизайнерской.

Экскурс в историю

Технологии 3D-печати считают главным открытием XXI века, но история этих инновационных устройств началась еще в XX веке. Изобретателем технологии и основателем новой отрасли стал инженер Чарльз Халл, основатель и владелец компании 3D-Systems.

В 1986 году Чарльз собрал первый в истории стереолитографический 3D-принтер. Примерно в тот же период другой инженер - Скотт Трамп - создал первый в своем классе FDM-аппарат. Два этих знаковых изобретения положили начало стремительного развития рынка трехмерной печати.

Новый этап развития

Следующим шагом в эволюции 3D-печати стало внедрение технологии послойного синтеза в корпус обычного настольного 3D-принтера, которое осуществили студенты Массачусетского технологического университета Тим Андерсон и Джимми Бредт. Впоследствии ими была основана компания Z Corporation, долгое время остававшаяся лидером отрасли.

Современные аддитивные технологии

Сейчас аддитивные технологии переживают период мощнейшего развития и повсеместной популяризации.

Исторически самая первая и точная аддитивная технология - стереолитография. Это метод поэтапного отверждения полимера при помощи лазера. Данную технологию применяют в прототипировании, при изготовлении макетов и элементов дизайна с высоким уровнем детализации.

Селективное лазерное спекание - инновационный метод отверждения жидкого фотополимера. Данная технология позволяет работать с цементом, керамической глиной, сложными полимерами, металлическим порошком.

Наиболее востребованными в бытовом смысле остаются FDM-принтеры, воссоздающие объекты путем наслоения пластиковой нити. Ранее принтеры были способны создавать объекты в одном цветовом решении, но сейчас на рынке появились устройства, использующие несколько видов цветных пластиковых нитей.

Центр аддитивных технологий

На российском рынке существует молодая компания, которая специализируется на применении аддитивных технологий. ОАО «Центр аддитивных технологий» работает на стыке компетенций дизайна, проектирования и расчетов, оптимизации технических решений и производства.

Компания располагает большим парком 3D-принтеров промышленного масштаба ведущих мировых производителей: MK Technology GmbH, EOS GmbH, 3D Systems, Stratasys, Envisiontec.

Основное направление работы центра - сотрудничество с предприятиями с целью разработки и реализации новой продукции и уникальных технологий. Также центр специализируется на разработке и производстве настольных портативных 3D-принтеров и сканеров. Данные 3D-устройства способны воплотить технологии прототипирования в бытовых условиях и идеально подходят для первого знакомства с аддитивными технологиями и основами 3D-печати.

Аддитивные технологии в машиностроении

Аддитивные технологии активно применяются в автомобильной отрасли. Команда американского инженера Джима Корра, основателя Kor Ecologic, более 15 лет работает над проектом Urbee - первым прототипом 3D-автомобиля. Следует сказать, что на принтере напечатан лишь кузов и некоторые детали - каркас авто металлический.

Данный автомобиль развивает небольшую максимальную скорость в 112 километров, но обладает низким лобовым сопротивлением благодаря дизайну корпуса и способен проезжать на электродвигателе порядка 65 километров.

Аддитивная технология используется и в прототипе американской компании Local Motors, которая готовит к массовому производству свои электрокары. Прототипы компании обладают современным дизайным, большим запасом хода и искусственным интеллектом.

Аддитивные технологии: применение

В современно мире аддитивные технологии применяются во многих отраслях и потенциально могут использоваться в каждой. Мировые таблоиды периодически потрясают новости о том, как на 3D-принтере напечатали оружие, человеческий орган, одежду, дом, автомобиль.

Потенциал развития данных технологий действительно высок и способен на порядок ускорить развитие научного-технического прогресса - научные лаборатории при помощи 3D-принтеров создают инновационные материалы и ткани. Применение аддитивных технологий в промышленности позволяет производителям ускорить прототипирование новых образцов и сократить путь от идеи до реализации. Архитектурная и строительная отрасли пытаются использовать потенциал аддитивных технологий на 100 %. Дизайнерский бизнес переживает новый этап развития благодаря аддитивному оборудованию.

Перспективы развития отрасли крайне благоприятны. Финансовые аналитики предсказывают рынку 3D-печати стремительный рост. Научно-исследовательские центры, которые занимаются аддитивными разработками, финансируются оборонным комплексом и медицинскими государственными институтами

Аддитивные технологии находят активное применение в энергомашиностроении, приборостроении, авиационной промышленности , космической индустрии, там, где высока потребность в изделиях сложной геометрии. В России с аддитивными технологиями познакомилось уже немало предприятий. Предлагаем вашему вниманию материал из альманаха «Управление производством» , в котором описывается несколько примеров эффективного внедрения 3D-печати.

Аддитивные технологии открыли возможность изготовления деталей любой сложности и геометрии без технологических ограничений. Геометрию детали можно менять еще на стадии проектирования и испытания.

Подготовка файлов для печати осуществляется на компьютерах со стандартным программным обеспечением , в работу принимаются файлы формата STL. Это широко используемый сегодня формат хранения трехмерных объектов для стереолитографических 3D-принтеров. Инвестиции в проект составили порядка 60 млн рублей.

Александр Зданевич, ИТ-директор НПК «Объединенная Вагонная Компания»: «Технологии аддитивной печати прогрессируют, и, вероятнее всего, уже в ближайшем будущем они изменят лицо целого ряда индустрий. Главным образом это касается предприятий, на которых выпускаются штучные товары под конкретный заказ. С массовым производством дело обстоит сложнее, хотя разные типы 3D-принтеров уже сейчас находят применение в данной области.

Существует множество технологий объемного синтеза. Одной из перспективных для промышленного внедрения является . Процесс можно разделить на два этапа. На первом формируется слой построения в виде равномерно распределенного по поверхности рабочей платформы жидкого фотополимера . Затем происходит выборочное отверждение участков данного слоя в соответствии с текущим сечением построенной на компьютере 3D-модели.

Применительно к железнодорожному машиностроению данную технологию можно использовать на этапе подготовки литейного производства, в частности, при производстве комплекта литейной оснастки. Один и тот же комплект оснастки, уникальный под каждую отливку, используется на протяжении тысяч циклов производства соответствующих литейных форм.

От соблюденной в процессе изготовления комплекта оснастки точности всех предусмотренных конструкторами параметров напрямую зависит качество конечного изделия. Традиционный способ изготовления комплекта оснастки путем механической обработки материалов (металла, пластика, иногда и дерева) весьма трудоемок и длителен (подчас занимает до нескольких месяцев), при этом чувствителен к ошибкам.

В «отпечатанные» модели можно встроить и другие узлы и агрегаты. Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

Значительную работу по продвижению аддитивных технологий проводит Госкорпорация «Росатом» . Руководство уверено, что скоро в госкорпорации будут присутствовать все компоненты «цифрового производства» – от разработки материалов, оборудования, технологий до производства изделий. В отрасли реализуется программа по аддитивным технологиям, она состоит из подразделов: технология, сырье, оборудование, стандартизация. Разработкой технологий производства металлических порошков для 3D-печати в Росатоме занимаются три института: «Гиредмет», ВНИИХТ, ВНИИНМ. Одновременно ведется работа по созданию опытного образца 3D-принтера для трехмерной печати металлических и композитных изделий. Росатом планирует представить образец уже к концу 2017 года.

Трехмерная печать полностью окупается за счет высокой скорости изготовления прототипов, а также за счет «доработки на столе» прямо в ОГК, которая экономит уйму времени и денег, нежели изготовление натурных образцов в «железе» на производстве.

«К началу 2018 года мы должны весь цикл по аддитивным технологиям внутри Росатома замкнуть. Нам нужен еще год, чтобы запустить свой собственный пилотный образец установки, и примерно столько же – для того, чтобы договориться со всеми сторонами, которые обеспечивают используемую нормативную составляющую», – рассказал Алексей Дуб.

В структуре Росатома аддитивные технологии развиваются в топливной компании «ТВЭЛ», которая активно сотрудничает с созданным при УрФУ региональным инжиниринговым центром, работая над созданием российского 3D-принтера. Для Уральского электрохимического комбината и его предприятий порошковая металлургия не новинка. Например, на заводе электрохимических преобразователей порошки применялись при производстве фильтров для газовой диффузии урана при разделении изотопов, также для припоев и поверхностного напыления.

В научно-образовательном центре «Современные производственные технологии» Томского политеха

Одним из первопроходцев в области лазерных принтеров можно назвать научно-образовательный центр «Современные производственные технологии» Томского политехнического университета . Он укомплектован принтером электронно-лучевого сплавления (электронно-лучевым), лазерным принтером, принтерами, печатающими армированными композитами, а также ультразвуковым томографом, осуществляющим здесь же, «у станка», неразрушающий контроль готовых изделий. Специалисты центра изготавливают АМ-установки, разрабатывают программное обеспечение к ним и намерены продвинуться дальше «лаборатории».

В центре аддитивных технологий ТПУ настроен весь производственный цикл – от идеи до реализации готового изделия. Можно произвести и протестировать детали для обшивки космических кораблей, импланты для черепно-лицевой хирургии, изделия сложной формы для и многое другое, а также создать новые цифровые установки, например, для печати инструментов на МКС. «С помощью наших уникальных технологий мы можем создавать импортозамещающую продукцию, которая в разы дешевле импортных аналогов, при этом по качеству не хуже», – уверен директор центра Василий Федоров.

У развития аддитивных технологий есть и сдерживающие факторы.

Во-первых, высокая стоимость технологии (оборудования и материала), впрочем в процессе развития технологий цена постепенно снижается.
Во-вторых, нехватка квалифицированных, знающих технологию кадров.
В-третьих, недостаточная освоенность, отсутствие метрологического обеспечения вызывает опасения при производстве деталей высокой важности.
АМ-процессы (Additive Manufacturing) пока не интегрированы в технологию изготовления изделий. «Понятно, что любой ответственный конструктор не поставит в ответственное изделие деталь, не зная при этом, сколько она прослужит», – прокомментировал Алексей Дуб.
Важной задачей является необходимость разработки системы сертификации и стандартизации аддитивных изделий, технологических процессов, порошков и композиций. Для решения этих вопросов при Росстандарте был сформирован технический комитет, который ведет работу по созданию нормативной документации в сфере аддитивных технологий.

3D-принтинг начинает распространяться в мире, и Россия не должна отставать в этой области. Применение данных технологий позволяет удешевить изделие, ускорить его проектирование и производство.
– глава Минпромторга Денис Мантуров

Заключение

Популярность неуклонно растет. Хотя суммарный объем мирового рынка относительно невелик (порядка 6 млрд долларов), ежегодные темпы роста не могут не впечатлять – в среднем 20-30%. Впрочем единогласия в оценке роли аддитивных технологий в промышленности все еще нет: одни говорят, что внедрение методов 3D-печати приведет к закату промышленности в традиционном смысле, другие – что трехмерные принтеры станут лишь одним из элементов производственных схем. Но несмотря на все существующие разногласия, большие перспективы аддитивных технологий в промышленности невозможно отрицать.

Непосредственное выращивание изделий со сложной геометрией и из специфических материалов оказывается весьма выгодным с экономической точки зрения. Оно позволяет экономить материал, время, снижает риск ошибок. 3D-принтеры перестали быть «дорогой игрушкой», сегодня они занимают полноправное место среди ключевых технологий

Трехмерная печать, появившись в 1980-е годы, прошла колоссальный эволюционный путь, разделившись на два основных направления – быстрое создание моделей и аддитивное производство. Об основных вехах этого пути - .

Революционные преимущества

Детали изготавливаются непосредственно по компьютерному файлу, содержащему 3D-модель, виртуально нарезанную на тонкие слои, который передается в АП-систему, для послойного формирования конечного изделия. АП-технологии обеспечивают гибкость, позволяющую быстрое производство сложной кастомизирoванной продукции и запасных частей, которые либо не могут быть изготовлены с помощью традиционных производственных технологий, либо требуются в малых объемах. Сложная конфигурация (например, наличие в детали внутренних каналов охлаждения), которую нельзя получить станочной обработкой, может быть легко воспроизведена селективным нанесением материала.

К преимуществам цифровых моделей относится не только произвольность формы, но и возможность их моментальной передачи в любую точку мира, что позволяет организовать локальное производство в мировых масштабах. Еще одной важной особенностью технологий АП является близость получаемой формы изделия к заданной, что существенно сокращает расходы материала и отходы производства.

Совместное исследование European Aeronautic Defense and Space Company (Бристоль, ) и EOS Innovation Center (Уорвик, Великобритания) показало, что экономия сырья при АП может достигать 75%. Благодаря всем этим качествам АП, в сравнении с традиционными производственными технологиями, обладает значительным потенциалом в том, что касается сокращения затрат, энергосбережения и снижения вредных выбросов в атмосферу.

Уникальные возможности АП обеспечивают следующие преимущества:

сокращение сроков и стоимости запуска изделия в производство благодаря отсутствию необходимости в специализированной инструментальной оснастке;
возможность и экономическая целесообразность мелкосерийного производства;
оперативные изменения в проекте на этапе производства;
функциональная оптимизация продукции (например, реализация оптимальной формы каналов охлаждения);
экономическая целесообразность производства кастомизированной продукции;
сокращение потерь и отходов производства;
возможности для упрощения логистики, сокращения времени поставок, уменьшения объемов складских запасов;
персонализация дизайна.

Рынок аддитивных технологий

2018: Frost & Sullivan прогнозирует рост рынка до $21,5 млрд к 2025 году

Обзор мирового рынка

Ежегодные темпы роста мирового рынка аддитивных технологий составляют 15%. При сохранении CAGR на таком уровне Frost & Sullivan прогнозирует увеличение объема рынка с $5,31 млрд в 2018 году до $21,5 млрд в 2025 году. По мнению аналитиков, к тому времени до 51% рынка будет приходиться на авиационную промышленность, сферу здравоохранения и автомобилестроение. Отрасли, в которых в 2025 году будет наиболее заметно использование технологий аддитивного производства, показаны на рис. 1:

Страны Северной Америки были и, по данным за 2018 года, остаются крупнейшим потребителем аддитивных технологий в мире. В 2015 году объем североамериканского рынка оценивался $2,35 млрд с перспективой роста до $7,65 млрд к 2025 году. Второй по величине - это рынок стран Европы и Ближнего Востока. В 2015 году его суммарный объем составлял $1,81 млрд, а к 2025 году он может увеличиться до $7,18 млрд.

Одним из самых быстро растущих является рынок Азиатско-Тихоокеанского региона. В период 2015-2025 гг. ежегодные темпы роста составят 18,6%, а объем увеличится более чем в 5 раз - с $1,01 млрд в 2015 до $5,56 млрд в 2025 году. При этом на долю Китая будет приходится порядка 70%, считают в Frost & Sullivan.

В странах Северной Америки технологии 3D-печати активно внедряются в аэрокосмической, оборонной и автомобильной отраслях. В последние годы резко увеличилось количество стартап-проектов как в этих, так и других сферах.

Внедрение аддитивных технологий в Европе и на Ближнем Востоке происходит медленнее, чем в странах Северной Америки. Основной фокус здесь делается на использование 3D-печати на основе лазерных технологий в судостроительной отрасли и в промышленности. В то же время в последние годы отмечается рост инвестиций в технологии 3D-печати со стороны автомобилестроительных компаний.

По информации Frost & Sullivan, с точки зрения вклада в общий рынок аддитивных технологий, Россия пока сильно отстает от стран-технологических лидеров. Причем отставание отмечается по всем основным направлениям - производство оборудования для 3D-печати, масштабы применения технологий в ключевых промышленных отраслях, производство сырья и вспомогательных материалов и т.д. По состоянию на февраль 2018 года, доля России в структуре мирового рынка аддитивного производства составляет около 1%.

Потребности России в металлических порошках для 3D-принтеров, а также оборудовании закрываются преимущественно за счет импорта продукции. Основные объемы поставок сырья приходятся на Германию и Великобританию .

Среди крупнейших потребителей порошковых материалов на российском рынке в Frost & Sullivan назвали такие предприятия, как «Авиадвигатель» и НПО «Сатурн» (в обоих случаях - разработка газотурбинных технологий и двигателей), а также «Новомет-Пермь » (производство погружных электроцентробежных насосов для добычи нефти). Значительную работу по развитию и продвижению аддитивных технологий проводят госкорпорации «Росатом » и «Роскосмос ».

По мнению аналитиков, стимулирование разработок в области аддитивного производства в России необходимо поддерживать как с помощью государственного субсидирования (компенсации затрат предприятий на производство и НИОКР), так и за счет прямых инвестиций. Одним из крупнейших игроков, оказывающих финансовую поддержку проектам в сфере аддитивных технологий, является Фонд развития промышленности , выдающий компаниям льготные займы.

Прогнозы развития

Применение гранул и порошковых материалов в 3D-печати позволит отказаться от использования треугольных и цилиндрических форм при изготовлении изделий;
Применение углеродистого (графитового) волокна и металлопорошков позволит улучшить механические, химические и термические характеристики изделий (в частности, для нефтегазовой и оборонной отраслей);
Производители систем компьютерного проектирования и моделирования (CAD , CAE) ведут разработки решений для 3D-печати, которые позволят снизить погрешность при изготовлении изделий и повысить точность производства;
Оптимизация характеристик и развитие аддитивных технологий позволит повысить точность, скорость и качество 3D-печати. К 2020 году скорость работы 3D-принтеров увеличится вдвое;
Одним из ключевых направлений развития сервисных услуг на рынке 3D-печати станет лизинг 3D-принтеров ;
Развитие получит производство 3D-принтеров, позволяющих создавать крупногабаритные изделия с высокой точностью;
Материал «графен», известный своими физическими и электрическими свойствами, будет применяться для производства металлических жил (волокон) и элементов питания.

2016: Топ-5 изготовителей систем АП

В число ведущих изготовителей систем АП на 2016 г входят:

ExOne (США),
Stratasys (Израиль),
Voxejet (Германия).

По числу смонтированных систем на 2016 г. с большим отрывом лидируют США, собравшие у себя 38% промышленных установок. Значительное количество установок эксплуатируется также в Японии (9,7%), Германии (9,4%) и Китае (8,7%). Доля России составляет 1,4%.

2012: Рост объема рынка на 28,6%

Консультант Терри Уолер (Terry Wohler) составляет и поддерживает наиболее полный свод знаний о технологиях АП (www.wohlerassociates.com), а также регулярно публикует отчеты, которые приобрели репутацию наиболее авторитетного источника информации о финансировании, тенденциях, возможностях, коллективных проектах, исследованиях и перспективных технологиях в этой области.

Согласно отчету Уолера, опубликованному в ноябре 2013 г., в 2012 г. общемировой сектор продукции и услуг АП показал совокупный годовой прирост 28,6%, что, в пересчете, соответствует рынку объемом $2,204 млрд. По прогнозам Уолера, к 2021 г. объем рынка АП составит более $10 млрд. Исследования McKinsey Global Institute свидетельствуют о том, что влияние АП на мировой ВВП может к 2025 г. достичь $550 млрд. в год.

Еще одним показателем, который отслеживает Уолер, является количество проданных установок АП. В 2012 г. было продано почти 8000 промышленных систем (с ценой выше $5,000). В структуре доходов, полученных от производства и услуг в области АП, доля, приходящаяся на изготовление составных частей конечной продукции, выросла практически с нуля в 2003 г. до 28% в 2012 г.

Технологии и оборудование

С середины 1990-х к 2016 г. были разработаны несколько процессов и систем АП, а возможности их применения существенно расширились и уже охватывают диапазон от быстрого прототипирования и изготовления простых физических макетов до поддержки в разработке дизайна продукции, создания литейных моделей и, в последнее время, непосредственного производства серийных изделий. В частности, GE Aviation объявил о серийном выпуске топливных форсунок для двигателя LEAP. Первые АП-системы производили изделия преимущественно из полимерных материалов (пластиков), тогда как к 2016 г. установки способны производить детали из металла. В аддитивных процессах с использованием металлов детали формируются путем последовательной послойной наплавки или спекания металлического порошка. Такая возможность привлекательна тем, что позволяет изготовление деталей точной или близкой к заданной формы без инструментальной оснастки с минимальной последующей механообработкой, либо вообще без нее. Это представляет особый интерес для авиационно-космической промышленности и биомедицины, поскольку делает возможным выпуск изделий с высокими эксплуатационными характеристиками при низких общих затратах.

На 2016 г. рынок АП-установок делится на три сегмента. Самые высокие темпы роста отмечаются для дешевых 3D-принтеров , ориентированных на создание концептуальных макетов и пригодных для эксплуатации в офисной среде.

Второй набор технологий, занимающий промежуточное положение по стоимости, предназначен для создания прототипов деталей с различной степенью точности и/или функциональности. Дешевые и средние по стоимости установки обычно ориентированы на полимерные материалы.

Установки высокого класса, составляющих третий сегмент, позволяют производство полимерных, металлических и керамических деталей; их цены варьируются от $200 000 до $2 000 000. Установки высокого класса могут быть оптимизированы в расчете на изготовление крупногабаритных деталей, достижение высокой производительности, использование нескольких материалов или с любой другой целью, что повышает стоимость системы.

Энергопотребление и влияние на окружающую среду

Исчерпывающее сравнение АП и других производственных процессов с точки зрения энергопотребления, расходования водных ресурсов, захоронения отходов и использования первичных материалов проведено к 2016 г. в рамках проекта ATKINS. Результаты проекта указывают на то, что с точки зрения влияния на окружающую среду АП имеет явные преимущества, однако энергопотребление этой технологии (13,1 кг CO2 на изделие) значительно выше показателей для технологий литья (1,9 кг CO2). Впрочем, другие исследования потребления энергии в различных процессах АП ведут к заметным расхождениям в данных, что указывает на необходимость дальнейшего, более целенаправленного изучения этой проблемы.

Аналогичным образом у технологий АП есть значительный потенциал в вопросе снижения выброса парниковых газов посредством оптимизации дизайна изделий и сокращения потерь материала. Результаты проекта ATIKINS приводят к заключению, что оптимальный дизайн должен приводить к 40%-ному снижению веса и экономии материала. Выполненный в рамках проекта анализ показывает, что снижение веса 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 т.

Имеется несколько отчетов по результатам исследований влияния АП на окружающую среду. Однако многие вопросы к 2016 г. остаются неразрешенными, и точная оценка экологических последствий АП требует дальнейших исследований. При этом очевидно, что наибольший потенциал в вопросах снижения влияния на окружающую среду имеют изделия, спроектированные таким образом, чтобы в полной мере задействовать уникальные возможности по снижению веса, предлагаемые технологиями АП.

Применения аддитивного производства

На 2016 г. преобладающей областью использования АП-процессов остается быстрое прототипирование. Некоторую часть приложений технологии АП составляет также быстрое изготовление инструментальной оснастки, в частности производство пресс-форм.

По мере совершенствования существующих и разработки новых, более развитых технологий АП они находят себе все более широкое применение. К 2016 г. эти технологии используются для изготовления разнообразной продукции, в том числе инструментов для формования, деталей для авиационно-космической, оборонной и автомобильной промышленности, электроники и многого другого.

Авиационно-космическая промышленность

Эта сфера проявляет острый интерес к АП-технологиям с момента их появления; возможность устранить множество ограничений на пути от проекта к производству позволяет реализовать в проекте решения, повышающие эффективность и снижающие вес деталей. Более того, по самой своей природе этот рынок требует мелкосерийного производства высококачественных деталей, поэтому избавление от инструментальной оснастки, предлагаемое АП-технологиями, приносит существенные выгоды. Сертификационные требования в этой сфере являются весьма жесткими. Тем не менее ряд систем и материалов прошел сертификацию, и на 2016 г АП-технологии используются для мелкосерийного производства деталей летательных аппаратов.

08.06.2016

Перспективы применения аддитивных технологий при производстве дорожно-строительных машин

Основными направлениями развития машиностроения в настоящее время являются: применение новых полимерных, композиционных, интеллектуальных материалов при производстве деталей машин; разработка новых технологических методов, оборудования и процессов производства изделий машиностроения.

Первым шагом на пути создания машины является пространственное проектирование изделий машиностроения с применением компьютерных виртуальных цифровых трехмерных моделей, что стало возможно благодаря внедрению современного программного обеспечения (CAD-программы), моделирования и расчетов (CAE).

Внедрение технологий «трехмерной печати» (3D-печать) обеспечивает возможность создания детали машины или изделия в целом на основе разработанной 3D-модели в кратчайшие сроки и с минимальными потерями материалов. Методы изготовления изделий, основанные на процессе объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели, получили обобщающее название «аддитивные технологии» (additive).

В этом контексте традиционные машиностроительные технологии, основанные на механической обработке заготовки, при которой происходит удаление части материала (точение, фрезерование), являются «отнимающими» (subtractive).

В основе современных аддитивных технологий лежит метод формирования детали из полимерного композиционного материала путем постепенного наращивания с помощью термического или какого-либо иного воздействия, в результате которого получается деталь необходимой формы с заданными размерами. В настоящее время существует уже более 30 различных типов аддитивных технологических процессов.

Основными преимуществами аддитивных технологий перед традиционными являются:

Сокращение трудоемкости изготовления;
сокращение сроков проектирования и изготовления детали;
снижение себестоимости проектирования и изготовления детали;
экономия машиностроительных материалов. Время возникновения аддитивных
технологий относится к концу 80-х годов прошлого века. Пионером в этой области является компания 3D Systems (США).

Первая классификация аддитивных технологических методов производства деталей была приведена в стандарте ASTM F2792.1549323-1 (США), в значительной степени устаревшая за последние двадцать лет в связи с бурным развитием технологического оборудования.

1 сентября 2015 года приказом Рос-стандарта создан технический комитет «Аддитивные технологии» для разработки терминов, определений и стандартов, относящихся к ним.

Разработка классификации аддитивных технологий с учетом разнообразия применяемых методов, материалов и оборудования является непростой задачей.

Во-первых, следует выделить два направления развития аддитивных технологий по принципу формирования детали

Направления развития аддитивных технологий по принципу формирования детали

Первое направление предусматривает формирование детали путем объединения материала, распределенного на рабочей поверхности платформы технологического оборудования (Bed deposition). После окончания процесса изготовления остается некоторый объём материала, который может использоваться для формирования следующей детали.

Процессы объединения материала, распределенного на платформе, заложены в основу различных видов технологического оборудования для производства деталей методами аддитивных технологий:

SLA – Steriolithography Apparatus;
SLM – Selective Laser Melting;
DMLS – Direct metal laser sintering;
EBM – Electron Beam Melting;
SHS – Selective Heat Sintering;
MIM – Metal Injection Molding;
Ink-Jet или Binder jetting;
UAM – Ultrasonic additive manufacturing;
LOM – Laminated Object Manufacturing.

Второе направление формирования деталей – путем прямого осаждения материала (Direct deposition). В этом случае изделие формируется послойно непосредственно из разогретого до необходимой температуры материала, поступающего на рабочую платформу из специального распределяющего устройства.

На принципе прямого осаждения материала построены следующие виды технологического оборудования для производства деталей методами аддитивных технологий:

CLAD – Construction Laser Additive Di-recte;
EBDM – Electron beam Direct Manufacturing;
MJS – Multiphase Jet Solidification;
BPM – Ballistic particle manufacturing;
MJM – Multi jetting Material.

Классификация аддитивных технологий по агрегатному состоянию материала, используемого при формировании
детали

Классификация аддитивных технологий по виду используемого материала

Классификация аддитивных технологий по виду используемого материала

В зависимости от вида и исходной формы материала, используемого для изготовления деталей, различают виды аддитивных технологий

Классификация аддитивных технологий по виду и форме материала, используемого для изготовления деталей

Фидсток (Feedstock) – международное название гранулированной смеси порошка и связующего материала.

Очевидно, что для производства исходных материалов, используемых при формировании деталей с помощью аддитивных технологий, применяются различные виды специального технологического оборудования, перечисление и описание которых не предусмотрено рамками данной статьи.

Процесс создания изделия с применением аддитивных технологий можно представить в виде последовательности действий

Структура аддитивного технологического процесса производства изделий машиностроения

В соответствии с представленным на рис. 5 алгоритмом на первом этапе создания изделия осуществляется разработка 3D-модели с использованием CAD-программы в соответствии с техническим заданием и требованиями стандартов.

После этого необходимо экспортировать данные файла программы твердотельного моделирования в формат, воспринимаемый программой управляющей машины аддитивного производства (например, «STL»).
Перед следующим этапом проводится выявление возможных дефектов модели. Модель, предназначенная для 3D-печати, должна быть герметичной, монолитной и не содержать полых стенок, что обеспечивается с помощью специальных программ.

Далее осуществляется преобразование информации из STL-файла в команды, следуя которым 3D-принтер производит изделие, это так называемый G-код. Во время этой процедуры следует выбрать нужный масштаб детали, правильное положение в пространстве, а также точно позиционировать модель на рабочей поверхности. От этого зависит результат всего процесса, прочность, шероховатость поверхности детали и расход материала.

После выполнения настроек происходит разделение модели на слои материала, «укладываемые» в тело детали за один рабочий цикл аддитивной машины. Этот процесс получил название нарезка (slicing – англ.). Нарезка производится с помощью программного обеспечения, поставляемого с машиной, или с помощью специальных средств (Skein-forge, Slic3r, KISSlicer, MakerWare и др.).

Полученный на предыдущей стадии G-код передается на 3D-принтер через флеш-память или через USB-кабель.
В процессе подготовки и настройки аддитивной машины выполняются калибровка, предварительный нагрев рабочих органов, выбор модельного материала и задание зависящих от него параметров режимов работы оборудования.

На устройствах профессионального уровня этот этап может быть совмещен с процедурами процесса нарезки.

После того как выполнены все подготовительные операции, запускается процесс печати, то есть послойного объединения материалов. Его продолжи тельность зависит от типа технологии и выбранных параметров точности и качества изготовления детали.

Созданную деталь при необходимости подвергают дополнительным технологическим воздействиям: удаление поддерживающих опор, химическая или термическая обработка, финишная доводка рабочих поверхностей.
На заключительной стадии производства проводится контроль качества изготовления детали, включающий проверку соответствия нормативным требованиям геометрических размеров, показателей физико-механических свойств и других параметров, влияющих на потребительские свойства изделия.

Для строительных и транспортно-технологических машин перспективы применения аддитивных технологий в первую очередь очевидны при производстве следующих видов деталей:

Пластиковые корпусные детали электрических приборов;
комплектующие гидравлического оборудования (уплотнения направляющих поршней и поршни гидроцилиндров, разъемные соединения, элементы распределителей, насосов и гидромоторов);
изготовление патрубков систем охлаждения и питания двигателя;
детали отделки кабины оператора: рукояти рычагов, панели, переключатели, джойстики и др.;
корпусные, предохранительные, шарнирные и другие детали навесного рабочего оборудования;
втулки шарниров подвижных соединений, работающие в качестве подшипника скольжения рабочего оборудования.

Особый интерес представляет возможность применения аддитивных технологий для быстрого прототипирования при разработке рабочего оборудования строительных машин.

Разработка прототипа (макета) рабочего органа является важнейшим этапом создания машины. Прототип готового изделия не только дает представление о его внешнем виде и габаритно-массовых характеристиках, но также позволяет провести оценку соответствия достигнутых эксплуатационных свойств требованиям технического задания.

Рассмотрим процедуру прототипирования с применением аддитивных технологий на примере ковша экскаватора.
Быстрое прототипирование при проектировании новых модификаций ковшей обеспечивает:

Визуализацию внешнего вида ковша;
подтверждение совместимости кинематических параметров с базовой машиной;
возможность оценки заполнения ковша грунтом и его последующей разгрузки, что играет немаловажную роль при разработке грунтов, обладающих высокой липкостью или примерзаемостью;
возможность изучения процесса стружкообразования при резании грунта ковшом;
выявление зон, подверженных наибольшему абразивному износу при работе;
проработку технологических процессов сборки, сварки, механической обработки и покраски;
обучение сотрудников. Широкие возможности предоставляет
разнообразие типов и свойств модельных материалов, применяемых для прототипирования. Например, модель, созданная из прозрачного полимера, позволяет исследовать не только взаимодействие поверхностей рабочего органа экскаватора с грунтом при заполнении, но также и процессы, происходящие в разрабатываемом грунте. Это позволяет подобрать оптимальную форму ковша, обеспечивающую наименьшие сопротивление при копании грунта.

Цифровая модель прототипа ковша эксковатора

Анализ модели с помощью метода конечных элементов позволяет оценить распределение напряжений, возникающих в конструкции в процессе копания

Распределение внутренних напряжений в конструкции ковша экскаватора в процессе разработки грунта

Создание и испытание прототипа ковша обеспечивает:

Экономию средств на натурные испытания;
предотвращение ошибок при проектировании и сборке изделия;
снижение массы ковша;
повышение эффективности разработки грунта ковшом, что, в свою очередь, обеспечивает снижение расхода топлива;
повышение безотказности и долговечности рабочего оборудования;
возможность оценки срока службы ковша и интенсивности изнашивания зубьев в процессе разработки грунтов различных категорий. Процесс создания ковша экскаватора
с применением макета состоит из следующих этапов:
разработка цифровой 3D-модели ковша, проведение расчетов с помощью специализированных программных продуктов.
изготовление прототипа с помощью аддитивных технологий: подготовка модели к прототипированию, обоснование масштаба для макета и формирование ковша из термопластичного материала.
проведение испытаний и экспериментальных исследований прототипа ковша.
обработка и анализ результатов исследований, внесение необходимых изменений в конструкцию ковша, доработка конструкторской документации, согласование и начало производства.

Ковш экскаватора, изготовленный с учетом результатов исследований прототипа

При ремонте транспортно-технологических машин возможно использование аддитивных технологий для восстановления изношенных и поврежденных металлических деталей методами LENS, CLAD, DMD, что позволяет минимизировать применение ручного труда, повысить производительность и качество ремонта.

А вот изготовление деталей из полимерных материалов для ремонта может быть полезно следующим:

Взамен металлических – мера, снижающая простой техники из-за внезапного
отказа (временная замена). Что особенно актуально в компаниях, не проводящих мероприятия ППР. Для малого бизнеса, эксплуатирующего несколько единиц машин различного назначения, бюджет которого не позволяет содержать сотрудников для закупок запчастей или иметь запас деталей для замены;
вместо пластиковых позволит печатать детали индивидуального ремонтного размера;
применение композитных материалов по свойствам, превосходящим параметры исходной детали;
производство малого количества деталей в электротехнике и гидроприводе;
мобильность принтеров: возможно размещение в автомобиле;
относительно низкое энергопотребление.

Немаловажным фактором является и то, что при аддитивном производстве и восстановлении деталей разработчик может находиться на любом удалении от объекта (машины) благодаря широкому использованию компьютерных сетей.

Сканирование поврежденных комплектующих сборочных единиц при помощи 3D-сканера (реинжиниринг) с последующей компьютерной обработкой и печатью открывает перспективы создания универсальных многофункциональных производственно-ремонтных комплексов.
Сканирование существенно увеличивает скорость и точность производства детали, а также снижает расходы на измерительный инструмент. В настоящее время 3D-сканер уже применяется при проведении контроля качества изготовленных деталей на передовых предприятиях.

На сегодняшний день основными проблемами, сдерживающими внедрение аддитивных технологий в производство, являются ограниченный выбор используемых материалов и их высокая стоимость, ограниченность габаритных размеров создаваемых изделий и невысокая производительность оборудования. Но с учетом сложившейся динамики развития аддитивных технологий преодоление этих проблем в ближайшее время вполне реально.
Приведенные в статье результаты получены при разработке проекта № Б1124214, выполняемого в рамках проектной части Государственного задания в сфере научной деятельности за 2016 г.

Список использованной литературы
1. Слюсар, В.И. Фабрика в каждый дом. Вокруг света. — № 1 (2808).
2. Довбыш В.М., Забеднов П.В., Зленко М.А. Статья «Аддитивные технологии и изделия из металла» ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ».
3. Зорин В.А. Баурова Н.И., Шакурова А.М. Применение капсулированных материалов при сборке и ремонте резьбовых соединений // Механизация строительства. 2014. № 8(842).
4. Зорин В.А. Баурова Н.И., Шакурова А.М. Исследование структуры капсулированного анаэробного клея // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 5.
5. Баурова Н.И., Зорин В.А., Приходько В.М. Описание сценариев перехода материала из работоспособного состояния в неработоспособное с использованием уравнения теории катастроф «складка» // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 8.
6. Баурова Н.И., Зорин В.А., Приходько В.М. Описание процессов деградации свойств материалов с использованием аппарата теории катастроф // Все материалы. Энциклопедический справочник. 2014. № 11.
Баурова Н.И., Сергеев А.Ю. Структурные исследования механизма разрушения клевых соединений после испытаний методом pull-out // Клеи. Герметики. Технологии. 2014. № 4.