Вы здесь

Трехмерная печать: будущее сегодня

Алена Моргуновская
Алена Моргуновская

В некотором роде можно сказать, что аддитивные технологии – это то самое будущее, которое уже наступило. Технология, дающая возможность воплотить в жизнь множество идей, которые  еще недавно казались фантастическими.

Развитие аддитивных технологий в современном мире  идет все более и более быстрыми темпами. Их возможности дают шанс реализовать многие идеи, которые прежде казались фантастикой. Но для того, чтобы  использовать максимум возможностей аддитивных технологий, меняться должно и само проектирование.

 

 

Трехмерная печать, или 3D-печать, как ее обычно называют, делится на несколько видов, которые отличаются по источникам энергии и применяемым материалам. В технологии Vat Photopolymerization используются жидкие модельные материалы – фотополимерные смолы, например SLA-технология (3D Systems) и DLP-технология (Digital Light Procession, Envisiontec). В SLS-технологии в качестве источника энергии применяется лазер, а в качестве материала полимерные порошки. В технологии EBM, в качестве источника энергии используют  электронный луч, а в технологии SHS (Selective Heat Sintering (Blueprinter) источником тепла являются ТЭНы. В категорию Directed energy deposition входят технологии, согласно которым строительный материал и энергия для его сплавления подводятся одновременно к месту построения изделия. Эти технологии предполагают применение машин, оснащенных системами подвода модельного (строительного) материала и энергии, обычно в виде сфокусированного лазерного излучения (Optomec, POM) или электронного луча (Sciaky). В ряде случаев рабочий орган – головку - устанавливают на роботизированной «руке».

Наиболее востребована  по соотношению цена/качество 3D-печать из порошков алюминиевых сплавов и нержавеющих сталей, а наиболее перспективной и дающей большие  возможности является 3D-печать из титановых порошков. При этом со всеми этими металлами может работать одно и то же оборудование, а для перестройки 3D-принтера с одного вида металла на другой требуется не больше одного дня. Алюминий и титан  для производства требуют один и тот же вид газа – аргон, а вот для того, чтобы перейти на печать из порошка нержавеющей стали, потребуется использовать азот. Универсальность аддитивных печатных комплексов позволяет и этот переход произвести в течение одного дня.

 

 

А самым первым  материалом, который использовался в 3D-печати, были даже не пластики, а смолы. Именно с них началось развитие технологии объемной печати. И произошло это в 1984 году, когда Чарльз Хулл впервые разработал технологию изготовления  объемных объектов с использованием цифровых данных. Технология  в то время получила название стереолитография. Чуть позднее он основал компанию 3D Systems и получил патент на свое изобретение. Уже в рамках этой компании был  разработан первый станок для объемной печати, называвшийся тогда просто станок для стереолитографии. Современный термин 3D-принтер появился гораздо позднее. Серийное производство станков для трехмерной печати началось в  США в 1988 году.

Тогда же появилась и еще одна технология, которая в будущем легла в основу современной 3D-печати – моделирование методом  наплавления, до сих пор остающееся основным в бытовых  и даже простых производственных 3D-принтерах.

Наиболее близкой к современным методам 3D-печати стала технология, запатентованная в 1993 году в Массачусетском технологическом институте. Именно она получила привычное нам название «технология трехмерной печати» и дала название печати 3D. Технология называлась 3-d print, сокращенно 3dp, и именно для нее были произведены в 1996 году первые станки для  объемной печати, получившие название 3D-принтеров.

В конце 1990-х и в начале 2000-х годов технология  переживала первый бум, когда за несколько лет на рынке появилось сразу несколько моделей 3D-принтеров по относительно низким, по сравнению с предыдущими вариантами, ценам.

Качественно новым скачком в развитии технологии 3D-печати стало создание станков для  объемной печати с высоким разрешением цветов. Первый такой принтер появился в 2005 году и был выпущен компанией Z Corporation. Годом позднее отрасль ждал еще один  прорыв – на рынок был выпущен проект Reprap, первый 3D-принтер, который мог воспроизводить свои собственные запчасти. Первая его модель была способна произвести около 50 процентов своих запчастей, на современном этапе новая  модель принтера в  рамках проекта Reprap  способна производить уже  до 75 процентов собственных запчастей, а конечной целью проекта является создание такого универсального 3D-принтера, который сможет полностью воспроизводить все запчасти, необходимые для производства его аналога. Главная особенность такого принтера в том, что он должен уметь печатать трехмерные изделия как из металла, так и из различных видов пластика. При этом как для металлической, так и для пластиковой печати используется порошковая 3D-печать.

Наиболее популярная и изученная технология трехмерной печати для металлов – это технология селективного лазерного плавления металлических порошков.

 

 

Правда, до нее была еще одна технология печати из металла – SLS, которая в производстве использовала металлическую глину. Впервые эта технология была  представлена  в Японии в 1990 году, но тогда она позволяла создавать на ее основе лишь довольно простые формы. В промышленности эта технология начала применяться  спустя  десять лет после того, как она был впервые представлена. Данный  метод имеет ряд минусов, в частности изделия, полученные методом SLS, имеют не всегда предсказуемую усадку. Кроме того, по этой технологии невозможно изготовить тонкие детали с высокими требованиями по качеству изделия и тонкости детализации.

Поэтому именно метод селективной лазерной печати, появившийся в конце 90х годов, стал, наконец, настоящим прорывом в области 3D-печати для производства. Разработана данная технология сотрудниками немецкого Института лазерной техники Вильгельмом Майнерсом и Конрадом Виссенбахом в сотрудничестве со своими коллегами из еще одной немецкой компании F&S Stereolithographietechnik GmbH Дитером Шварцем и Маттиасом Фокеле. Технология позволяет изготавливать изделия  с точностью до 20 мкм, что и делает ее наиболее привлекательной для использования в промышленном производстве. Первый патент на эту технологию был получен ими в 1992 году, а первый принтер, способный создавать изделия по данной технологии, был создан ими в 1998 году. Всего же за период разработки технологии, которая вышла на рынок только десять лет спустя после получения первого патента, в 2002 году, ее авторами было получено более 30 патентов. Первый промышленный 3д-принтер, работающий по технологии SLM, был выпущен в 2006 году. Этот аппарат стал первым принтером, способным работать с титановыми и алюминиевыми сплавами.  Рабочая площадь у первого принтера была относительно небольшой, и  только с увеличением мощности лазеров удалось значительно увеличить площадь рабочей поверхности принтера, что и сделало их способными полноценно использоваться  в производстве.

При использовании технологии селективного лазерного сплавления важным элементом производственной цепочки является снятие внутренних остаточных напряжений. Лазерное сплавление микронных слоев металлического порошка происходит при очень высоких температурах, в результате чего и возникает необходимость снять возникающие температурные напряжения. Делается это в специальной  печи путем  медленного нагревания и такого же медленного охлаждения уже готового напечатанного изделия.

В России эта технология  появилась относительно недавно, и уже завоевывает рынок. Наиболее востребованной эта технология  печати оказывается в авиации и медицине. В авиации это связано с тем, что при создании летательных аппаратов большое значение имеет  снижение веса конструкции, а аддитивное проектирование и печать позволяют уменьшить вес детали за счет полостей и пустот в тех местах, где отсутствует технологическая нагрузка. Кроме того, детали, полученные с использованием 3D-печати, требуют гораздо меньшего внимания в плане технического осмотра и регламентных работ, так как такая деталь зачастую является  единым целым, а не комплексом, состоящим из множества отдельных элементов. Например,  сейчас компанией ФИТНИК с использованием современных методов проектирования для аддитивного производства разрабатывается авиационный насос, который будет выполнен как одна единая деталь, вместо традиционного насоса, сделанного из 48 отдельных деталей, что поможет снизить массу насоса на 60% и повысить его эффективность благодаря оптимизации потока жидкости.

В медицине 3D-печать тоже открывает массу новых возможностей. Изготовление протезов при помощи трехмерной печати позволяет получить изделие, подходящее конкретному человеку (или животному,  если речь идет о ветеринарной медицине), а подбор металла, не вызывающего аллергии, обеспечивает высокий уровень приживаемости таких изделий  в организме. Протезирование с применением 3д-печати уже набирает популярность, и медики говорят о том, что в дальнейшем это будет только развиваться.

В России аддитивные  технологии производства сейчас набирают популярность. Одним из лидеров в развитии этой технологии можно назвать компанию ФИТНИК, являющуюся совместным российско-немецким предприятием. Создана эта компания российской «Научно-инженерной компанией» (НИК) и европейским лидером в области проектирования и аддитивного производства компанией FIT AG. Целью работы этой компании является внедрение в различных отраслях промышленности аддитивных технологий производства деталей и изделий, а также новых подходов к проектированию техники. Проекты ФИТНИК активно реализуются в таких областях, как авиация, автомобилестроение, космос, машиностроение, металлургия и медицина. НИК, один  из сооснователей ФИТНИК, работает в области проектирования и расчетов на прочность авиационной техники с 1997 года, специалисты компании на момент начала разработки направления аддитивных технологий имели богатый накопленный опыт современных методов проектирования, что позволило быстро перейти к разработке новых конструкций для аддитивного производства.

 

 

  Компания FIT AG, второй сооснователь ФИТНИК, была основана двумя годами ранее, в 1995, году Карлом Фрутом как сервисное бюро быстрого прототипирования. Спустя всего несколько лет компания выросла до фабрики аддитивного дизайна и производства с крупными производственными площадями в Лупбурге (Германия). Фабрика спроектирована для автоматизированного серийного производства, где весь процесс контролируется программным обеспечением, которое создали программисты компании. Полностью автоматизированный  процесс аддитивного производства является собственным  ноу-хау этой компании.

Позднее на базе компании ФИТНИК и Инженерного конструкторского центра в Жуковском было создано уже полностью российское предприятие, работающее в  этой же области – Центр прототипирования и аддитивных технологий (ЦПАТ).

В комплексе производства изделий по технологии 3D-печати в ФИТНИК и ЦПАТ есть все необходимое оборудование, позволяющее обеспечить полный цикл аддитивного производства  уже сейчас. Металлическая 3D-печать более перспективная именно в плане  внедрения ее в производство, поэтому на нее и  был сделан упор. Сейчас  в разработках у ФИТНИК, например, есть цельная рама для  автожира. Выглядящая очень футуристично конструкция  должна получиться легче  классической сварной конструкции, что в авиации имеет огромное значение.

После печати, как мы уже  писали выше,  изделие должно пройти обработку, в том числе  снятие внутренних остаточных напряжений. Это второй элемент производственного комплекса. На третьем этапе, детали отделяются от платформы построения, и если это требуется, изделие  шлифуется или обрабатывается на фрезерном станке, чтобы привести деталь в соответствие конструкторской документации.

 

 

Все этапы, выполняемые  после  собственно печати, называются постобработкой. Одной  из задач, которые  сейчас, в том числе, решаются работающими в этой сфере копаниями, является уменьшение  необходимости постобработки, которая зачастую может обойтись дороже, чем сама печать. Во многом этого помогает добиться  правильное проектирование изделия. Для этого специалисты ФИТНИК, прошли обучение у европейских специалистов в области аддитивного проектирования. Как рассказал заместитель директора по продажам компании ФИТНИК Игорь Ермолин,  правильное проектирование изделия и в  том числе его расположение на печати очень сильно влияет на стоимость готовой  продукции. Иногда на этапе  проектирования нужно внести минимальные изменения, чтобы  снизить цену в несколько раз, но для этого необходимо, чтобы конструкторы знали и умели правильно использовать особенности данного метода производства.

В рамках прошедшего в конце августа международного авиасалона «МАКС» компанией ФИТНИК был организован форум, посвященный  развитию аддитивных технологий и аддитивного проектирования  в авиастроении, где снижение веса изделий  может иметь решающую роль. Его модератором и ведущим как раз  и выступал Игорь Ермолин.

Там же он  рассказал не только о возможностях, которые дает развитие аддитивных технологий в России, но и о том, какие  проблемы  стоят  перед этой  отраслью. Подробнее об этом Игорь  рассказал и на встрече с журналистами в Центре прототипирования и аддитивных технологий в Жуковском, где показал весь комплекс аддитивного производства.

Кто обращается за такими разработками? Как говорят сами специалисты, это могут быть как организации, так и частные  лица. Особенностью  аддитивного проектирования и производства является то, что оно позволяет изготавливать единичные  изделия или небольшие их тиражи по стоимости, значительно более  низкой, чем  изготовление  такого одиночного изделия  при применении классических методов  производства.

Одним из главных  преимуществ аддитивного производства и 3D-печати является то, что у готовых изделий нет ограничений  по форме. «Вырастить» на 3D-принтере можно  абсолютно  любое изделие, с  полостями, пустотами, сложной  формы. При этом сама  форма  изделия  практически не повлияет на  его стоимость,  которая  формируется главным  образом из того, сколько времени потребуется  принтеру для выращивания этой детали.

Сейчас развитие производства, основанного на 3D-печати, в России сталкивается с рядом проблем. Одной из основных задач сейчас является проведение научных испытаний и разработка государственных стандартов на  изделия, полученные методом 3D-печати. На данный момент в России выпущено всего 10 стандартов по аддитивным технологиям. В Европе, где технология активно развивается гораздо дольше, чем у нас, уже несколько лет существуют стандарты, аналогичные нашему понятию ГОСТ, которые регламентируют производство и технические характеристики изделий, полученных методом 3D-печати. Введение новых стандартов в России упростило бы возможность внедрения аддитивного производства, а также возможность для государственных организаций и корпораций при производстве обращаться именно к этим, дающим большие новые  возможности, технологиям.

 

 

В Центре прототипирования и аддитивных технологий в Жуковском организована лаборатория по исследованию свойств материалов, которая поможет в работах по стандартизации и исследованиям аддитивных технологий, разработке и введению новых государственных стандартов в этой области.

Еще одной из основных причин медленного внедрения аддитивных технологий очень маленькая номенклатура деталей спроектированных для этих технологий. Из-за отсутствия ГОСТов и стандартов предприятий по проектированию таких деталей, крупные производственные компании не спешат их активно внедрять. ФИТНИК занимается популяризацией аддитивных технологий и правильных методов проектирования в России. Чтобы обосновать экономическую эффективность внедрения аддитивных технологий в промышленности необходимо рассматривать эффект от внедрения той или иной новой детали или изделия на всем жизненном цикле продукции.

Развитие аддитивных технологий в России сейчас находится в самом начале своего пути, но уже  через несколько лет эта технология  может составить полноценную успешную конкуренцию традиционным методам производства, а  для решения ряда задач и сейчас именно методы аддитивного проектирования и производства являются оптимальными и по эффективности, и по экономической выгоде производства.

Пожалуй, можно смело сказать, что будущее все-таки уже  наступило, если напечатать на принтере можно не только документ, но и искусственный протез или сложную технологическую  деталь. Осталось лишь дождаться, когда эта технология станет по-настоящему массовой, чтобы каждый из нас смог убедиться в ее удобстве не только в производстве, но и в  жизни обычного человека.

 

Фотограф Юлия Силина

Еще по теме:

Конференция, посвященная новым материалам в авиации, была проведена ВИАМ

ВИАМ провёл конференцию по перспективным лёгким сплавам и покрытиям для авиационной и космической техники

Неандертальцы пользовались косметикой

Похоже, неандертальцы были не столь примитивны, как принято считать. Исследование профессора палеонтологии Жао Зилхао из Бристольского университета показало, что неандертальцы любили украшать себя и свое тело.

Неизвестный космический объект

В ближайшие часы с Землей поравняется некий космический объект, а ученые все еще затрудняются сказать, что это такое.

Белые медведи против антибиотиков

Белые медведи против антибиотиков

Норвежские ученые обнаружили, что в организме белых медведей живут бактерии стафилококка, устойчивые к антибиотикам.  Это открытие стало неприятной новостью для фармацевтических компаний.

14 февраля появится клубника в форме сердца

Теперь на День Святого Валентина австралийские мужчины смогут побаловать своих возлюбленных клубникой в форме сердца. Все благодаря усилиям генетика Джоша Энгверда  и фермера Дэвида Уоренна, которые занялись выращиванием клубники сердцевидной формы в преддверии праздника всех влюбленных.

Смирнов и Перельман: найдите разницу в судьбе математиков

Станислав Смирнов, швейцарский математик русского происхождения, получил премию Филдса – эквивалент Нобеля для математиков. Интересно сравнить эмигранта Смирнова с его почти ровесником и «молочным братом» Григорием Перельманом, который выбрал жизнь в России.