Использование 3D-принтеров в промышленности

В конце двадцатого века с развитием электронной программируемой техники получили развитие и новые производственные технологии. В частности, появилась технология изготовления новых деталей, изделий без обработки и снятия слоёв материала. Эта технология предусматривает процесс, обратный традиционному — получение детали или изделия послойным нанесением материала — пластика, керамики, металлических порошков. Детали являются полной копией трёхмерной модели, нарисованной в компьютере. Эта технология в западных странах получила название «аддитивное производство». Add, в переводе с английского языка, — «добавлять, наращивать».

В двадцать первом веке номенклатура используемых материалов при 3D-печати значительно выросла. Уже в прошлом бумажные и пластиковые изделия, сейчас можно получить детали из металла, бетона, стекла и биоматериалов, причём можно получить полностью функциональные изделия, состоящие из нескольких отдельных деталей и узлов. Данная технология позволяет получать детали и изделия без дополнительной механической и термической обработки, что значительно уменьшает время технологического цикла изготовления изделия.

Программное обеспечение для 3D-принтеров и компьютеров также достаточно быстро развивается.

Наибольшее применение 3D-печать получила в таких отраслях:

• авиакосмическая промышленность,
• автомобиле- и машиностроительная промышленность,
• военно-промышленный комплекс,
• медицина,
• строительная отрасль,
• электронная и радиотехническая промышленность,
• производство, где необходима разработка и изготовление изделий высокой точности при дефиците времени.

Как правило, агрегаты, производящие продукцию и использующие аддитивную технологию, называются 3D-принтерами, а изготовление продукции с их помощью называют печатью.

Но это очень общее определение. В последнее время данный метод получил развитие с применением специального оборудования в некоторых смежных отраслях.

В частности, развиваются такие направления:

• Селективное лазерное плавление — SLM технология. Эта технология предусматривает применение лазера, при этом луч лазера имеет очень малый диаметр — около 20 микрометров, что позволяет получить с его по- мощью детали с заданными размерами и шероховатостью поверхности до- статочно высокой точности (см. рисунок 1).

• Лазерная стереолитография — SLA технология. Под действием лазерного луча на поверхности специального фотополимера формируется контур будущего изделия. Затем изделие погружается в полимер на толщину одного слоя, для его формирования. При замене лазера проектором – DLP технология, изделие формируется не послойно, а сразу целиком. Это позволяет сократить время на печать изделия.

• Селективное лазерное спекание — SLS технология. При этом способе применяется порошковый материал, из которого под действием лазерного луча формируется изделие. Формообразующий порошок наносится на плиту основания и изделие формируется из порошкового материала послойно, при каждом опускании плиты на толщину следующего слоя. Спекание материала происходит в камере при температуре, чуть меньшей температуры спекания. Для предотвращения окисления атмосфера камеры не содержит кислород (см. рисунок 2).

• Электронно-лучевая плавка — EBM технология. Эта технология применяется для изготовления изделий из тугоплавких материалов и сплавов с помощью электронного луча в вакууме. Данным методом получают изделия особо чистого заданного химического состава и физико-механических свойств (см. рисунок 3).

• Моделирование методом наплавления — FDM технология. Эта технология предусматривает использование расходного заготовительного материала (воска, пластика, металла) в виде нити. Эта нить подаётся в пресс с нагревом, через который выдавливается на рабочую охлаждаемую пластину в виде тонкой нити. Нить укладывается плотным ровным слоем и образует слой формируемого изделия. Затем пластина опускается на толщину следующего слоя, и операция с нанесением нити повторяется (см. рисунок 4).

• Моделирование методом многоструйного моделирования — MJM технология. Этот метод копирует метод наплавления, при этом пресс заменяется струйной головкой, а заготовка расплавляется до жидкого состояния.

• Метод ламинирования — LOM технология. Рабочий материал заготовок имеет вид тонких плёнок, которые склеиваются между собой при воздействии температуры и давления. Изделие вырезается из получаемого таким образом монолита, при этой операции используется лазерный луч или режущий металлический инструмент. В результате на изделии могут оставаться не удалённые частицы и даже куски материала заготовки, что вызывает необходимость в дополнительной зачистной операции.

• 3D-печать — 3D-технология. Эта технология аналогична технологии селективного лазерного спекания – SLS, в которой не используется плавление материала заготовки. Материал заготовки имеет вид порошка, который склеивается подающим из струйной головки жидким клеем. Часто в клей добавляют красители и получают цветную печать. Возможно использование нескольких струйных головок, подающих клей.

• Компьютерная осевая литография. Этот метод 3D-моделирования — на основе компьютерной томографии из фотоотверждённой смолы (см. рисунок 5).

В настоящее время учёные Томского государственного университета создают перспективную технологию моделирования изделий из раскалённых частиц, подвешенных в воздухе при помощи ультразвуковой левитации.

Мировая практика использования методов аддитивной технологии

Использование трёхмерного компьютерного моделирования прочно вошло во многие сферы производства, строительства, энергетики, создания кинопродукции и научной деятельности. Компьютерное моделирование и натуральное воспроизведение предметов в трёхмерном виде активно внедряется во все сферы жизнедеятельности человека. Такой подход к изготовлению предметов даёт значительную экономию как материальных и энергетических, так и временных ресурсов.

Стремительное развитие методов аддитивной технологии привело к удешевлению 3D-принтеров и расходных материалов. Выбор, номенклатура и сферы применения этих материалов постоянно расширяются.

Аддитивные технологии получают широкое распространение в нашей жизни, так как

• • позволяют получить продукт со значительно сниженной себестоимостью по сравнению с изготовлением аналогичного продукта традиционными технологическими методами;
• • позволяют внести в конструкцию изделия существенные изменения и дополнения, которые удовлетворяют запросы заказчика в достаточно большом спектре;
• • имеют минимальный технологический цикл;
• • предусматривают автоматизированный контроль выполнения операции изготовления;
• • требуют минимального времени изготовления продукта.

Первопроходцем в применении этой технологии при производстве промышленных изделий является американская корпорация Gеnеrаl Еlectric.

Много внимания Gеnеrаl Еlectric уделяет и производству самих 3D-принтеров. Одной из последних разработок инженеров компании является высокопроизводительный струйный 3D-принтер Atlas для печати металлических изделий (см. рисунок 6).

Ещё одной недавней разработкой инженеров компании стал 3D-принтер Атлас Титан Роботикс, который позиционируется компанией, как самый большой 3D-принтер, использующий при производстве деталей технологию селективного лазерного плавления — SLM.

С увеличением деталей, изготавливаемых при помощи 3D-принтеров, компания столкнулась с проблемой учёта и верификации аддитивных производственных процессов, расходных материалов и деталей. Решение этой задачи привело к созданию технологии block chain — технологии хранения и передачи данных с целью создания архива данных для верификации производства. Эта база содержит данные, касающиеся всех производственных процессов, в которых участвуют детали, изготовленные при помощи аддитивных технологий.

3D-печать позволяет в кратчайшее время получить как доброкачественную, так и некачественную копию детали или изделия. С помощью технологии блокчейн можно создать в автоматическом режиме архив с реальными данными о прохождении деталью или узлом всех операционных процессов. Эта информация позволяет исключить из дальнейшей технологической обработки, подачи на сборку и реализации, детали или узлы, выполненные с нарушениями режимов технологических и производственных процессов, а значит, контроль за бракованной продукцией и своевременное применение мер по изоляции бракованной продукции можно поручить различным автоматическим устройствам, конечно же под непременным контролем со стороны человека (см. рисунок 7).

Использование цифровых технологий и специального оборудования для изготовления продукции позволяет сократить технологический процесс и время на создание изделия, но в тоже время не даёт полной картины соответствия готового изделия всем параметрам образца, техническим нормам и компьютерной модели, созданной конструктором.

Специалисты Gеnеrаl Еlectric работают над решением этой проблемы. При переводе изготовления деталей и узлов на производство с применением аддитивных технологий они рассчитывают на экономию двадцати пяти тысяч долларов с каждого произведённого двигателя. Десять процентов от объёма продукции в этой компании выпускается при помощи аддитивных технологий.

В последнее время аддитивные технологии при производстве деталей активно применяют специалисты фирмы Siеmеns, NASA и других промышленных гигантов в Америке, Германии, Японии и Китае.
Американская фирма Turbine Technologies (штат Висконсин, США) и её дочерняя компания Kutrieb Research, специализирующиеся на разработке и изготовлении турбинных двигателей, активно используют аддитивную технологию при изготовлении основных деталей газовых турбин, например, таких как лопатки.

Экономически аддитивная технология изготовления таких деталей, которые требуют наиболее точного выполнения и наименьшего числа корректировок, получается выгодней старой традиционной технологии примерно в десять раз.

Технология литья моделей лопаток из воска или мочевины стала проигрывать созданию этих моделей с помощью 3D-печати. Принтер, который использует компания для этих целей — ProJet 3510SD, позволяет обеспечить высокоточными моделями производство на всех стадиях, от опытно-конструкторских работ до готового образца, за очень короткое время.

Китайский производитель электронной аппаратуры для автомобилей, компания ТЕ Connentivity, поставляет свои электронные компоненты многим мировым производителям автомобильной техники. Инженеры фирмы разрабатывают, а производственники занимаются изготовлением многокомпонентных систем, таких как сенсорные системы, автомобильные компьютеры, навигационные блоки. Эти изделия нуждаются в непрерывном совершенствовании, требуются для сборки автомобилей постоянно и в большом количестве. Для ускорения процессов разработки и изготовления таких систем и узлов, руководство фирмы решило использовать аддитивные технологии, которые бы позволяли быстрее получать новые разработки конструкторов, дизайнеров и инженеров, с последующим изготовлением.

Для этих целей был выбран 3D-принтер Objet 24. Этот принтер позволяет значительно увеличить количество разработок новой продукции, прототипов систем и изделий, дизайнерских разработок.

Аддитивная технология значительно ускорила процесс разработки и выпуска существующей и новой продукции, увеличила объём прибыли и притока нового капитала, ускорила процесс завоевания новых рынков сбыта продукции.

Стоимость оборудования, приобретённого для внедрения аддитивной технологии, компания отработала за год. Теперь специалисты компании получили возможность оперативно реагировать на изменения рынка и спроса на продукцию их компании, что даёт возможность избежать потери прибыли и быть гибче и мобильнее своих конкурентов.

Японская электрическая компания Nippon Katan Corporation, занимающаяся изготовлением и монтажом силовых линий электропередач, также недавно применила аддитивные технологии для производства комплектующих деталей и узлов, таких как силовые кронштейны, изоляторы и крепежные детали.

В компании используют 3D-принтер модели ProJet 3510 НD. Он позволяет специалистам компании наглядно демонстрировать свою продукцию заказчикам, повысить скорость и эффективность в изготовлении продукции. Улучшить дизайн помогут прототипы продукции, которые при 3D-печати можно быстро корректировать и анализировать возможности новой конструкции противостоять погодным условиям: дождю, холоду, снегу, льду, сильным ветрам, грозам.

Аддитивные технологии стали проникать и в сферы человеческой жизни. Многие строительные компании начали пересматривать устаревшие представления о технологиях строительства после того, как в 1995 году группа специалистов NASA представила широкому кругу общественности первый крупногабаритный 3D-принтер, с помощью которого они собирались строить убежища для научных специалистов и даже космонавтов, которые будут покорять не только малоизученные районы нашей планеты, но и Вселенной.

Конструкция 3D строительного принтера достаточно проста, так как в силу больших габаритов, выпускаемых при помощи него изделий, и допуски на изделии достаточно большие, не требующие уникальной точности.

В принципе он представляет собой каркасную металлическую конструкцию, имеющую в своём составе бетонный насос, подающий бетон рукав и программный комплекс, который следит за процессом построения сооружения, компьютерная трёхмерная модель которого заложена в его память. Такие машины могут печатать здания из бетона, оставляя при этом места для монтажа металлических арматурных элементов.

Первыми в освоении строительных 3D-принтеров были китайские специалисты. В Шанхае с применением 3D-принтеров построен целый жилой комплекс. Длина рабочей зоны строительного 3D-принтера может достигать 150 метров, а ширина 10 метров. С помощью такого принтера можно за несколько дней напечатать здание высотой 6 метров.

Бетонные изделия, такие как стеновые панели, межэтажные перекрытия, лестничные марши, площадки, испытывающие немалые статические и динамические нагрузки, должны армироваться металлическими стержнями и элементами.

Европейские строительные компании предпочитают использовать 3D-принтер для печати наиболее простых сборочных строительных элементов, таких как фундаментные блоки, стеновые блоки, перемычки над оконными и дверными проёмами. Из которых при строительстве здания собираются несущие и самонесущие каркасы, балки и плиты.

3D-моделирование здания позволяет использовать рельеф местности. С учётом кривизны поверхности можно выстроить несущие стены фундамента, наружные, внутренние стены здания и всех пристроек, что значительно сокращает расходы на стройматериалы при строительстве.

Источник: Журнал главного инженера, 2019, №12