Проект издательского дома «МедиаПро»
Получать дайджест новостей

Статьи

Назад к списку статей
Внедрение новинок

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.

ВАЖНО!
Страны-лидеры, участвующие в развитии и применении аддитивных тех- нологий, в порядке уменьшения доли на этом рынке:
  • США,
  • Япония,
  • Германия,
  • Китай,
  • Россия.

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.

ИНФОРМАЦИЯ
Наиболее востребована технология 3D-печати при производстве и ремонте газотурбинных генераторов, а также авиационных двигателей семейства LEAP, которыми оснащиваются авиалайнеры Airbus F320neo, Boeing 737 MAX и COMAC C919.

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.

ВАЖНО
При изготовлении лопаток турбины двигателя, очень дорогостоящей детали, традиционным способом — методом точного литья по выплавляемым моделям, отработка операций технологического процесса растянется на долгие четыре, а то и пять недель, а выполнение деталей при помощи 3D-печати позволяет сократить время изготовления изделия до одних суток.

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.

ВАЖНО!
Приёмы новой технологии используют в проектировании и создании литейных мастер-моделей. Клиенты компании получили возможность видеть и оценить в полноценном физическом объёме прототип будущего изделия, что значительно повысило доверие покупателей к этой компании и увеличило спрос на её продукцию.

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.

ВАЖНО!
Китайские инженеры в качестве металлической арматуры использовали специальное стекловолокно, упрочняющее напечатанную бетонную конструкцию.

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

Подписаться на рассылку