Tehnologiile aditive sunt utilizate în mod activ în inginerie energetică, fabricarea instrumentelor, industria aviației și industria spațială, unde există o mare nevoie de produse cu geometrie complexă.În Rusia, multe întreprinderi s-au familiarizat deja cu tehnologiile aditive. Vă prezentăm atenției material din almanah Managementul producției, care descrie mai multe exemple de implementare eficientă a imprimării 3D.

Tehnologiile aditive au deschis posibilitatea de a produce piese de orice complexitate și geometrie fără limitări tehnologice. Geometria piesei poate fi modificată în faza de proiectare și testare.

Pregătirea fișierelor pentru imprimare se realizează pe computere cu software standard, fișierele în format STL sunt acceptate pentru lucru. Este un format de stocare a obiectelor 3D utilizat pe scară largă pentru imprimantele 3D stereolitografice astăzi. Investițiile în proiect s-au ridicat la aproximativ 60 de milioane de ruble.

Alexander Zdanevich, director IT al companiei de cercetare și producție United Wagon Company: „Tehnologiile de imprimare aditivă progresează și, cel mai probabil, în viitorul apropiat vor schimba fața unui număr de industrii. Acest lucru se aplică în principal întreprinderilor care produc mărfuri pentru o anumită comandă. Cu producția de masă, situația este mai complicată, deși în acest domeniu sunt deja folosite diferite tipuri de imprimante 3D.

Există multe tehnologii de sinteză volumetrică. Una dintre cele promițătoare pentru implementarea industrială este. Procesul poate fi împărțit în două etape. În prima etapă, se formează un strat de construcție sub forma unui fotopolimer lichid distribuit uniform pe suprafața platformei de lucru. Apoi, întărirea selectivă a secțiunilor acestui strat are loc în conformitate cu secțiunea curentă a modelului 3D construit pe computer.

În ceea ce privește ingineria mecanică feroviară, această tehnologie poate fi utilizată în etapa de pregătire a turnătorii, în special, în producția unui set de echipamente de turnătorie. Același set de scule, unice pentru fiecare turnare, este utilizat pentru mii de cicluri de producție ale matrițelor de turnare corespunzătoare.

Calitatea produsului final depinde direct de acuratețea tuturor parametrilor specificați de proiectanți în timpul procesului de fabricație a setului de echipamente. Metoda tradițională de fabricare a unui set de echipamente prin prelucrarea mecanică a materialelor (metal, plastic și, uneori, lemn) este foarte laborioasă și consumatoare de timp (uneori durează până la câteva luni) și este, de asemenea, sensibilă la erori.

Alte componente și ansambluri pot fi încorporate în modele „imprimate”. Imprimarea tridimensională se plătește pe deplin datorită vitezei mari de producere a prototipurilor, precum și datorită „rafinamentului pe masă” direct la OGK, ceea ce economisește mult timp și bani decât realizarea de mostre la scară largă în hardware în producție .

Efectuează lucrări semnificative pentru a promova tehnologiile aditive Corporația de stat „Rosatom”. Conducerea este încrezătoare că în curând toate componentele „producției digitale” vor fi prezente în corporația de stat - de la dezvoltarea materialelor, echipamentelor, tehnologiilor până la producția de produse. Industria implementează un program privind tehnologiile aditive, acesta este format din subsecțiuni: tehnologie, materii prime, echipamente, standardizare; Trei institute dezvoltă tehnologii pentru producția de pulberi metalice pentru imprimarea 3D în Rosatom: Giredmet, VNIIHT, VNIINM. În același timp, se lucrează la crearea unui prototip de imprimantă 3D pentru imprimarea tridimensională a produselor metalice și compozite. Rosatom intenționează să prezinte un eșantion până la sfârșitul anului 2017.

Imprimarea tridimensională se plătește pe deplin datorită vitezei mari de producere a prototipurilor, precum și datorită „rafinamentului pe masă” direct la OGK, ceea ce economisește mult timp și bani decât realizarea de mostre la scară largă în hardware în producție .

„Până la începutul lui 2018, trebuie să închidem întregul ciclu al tehnologiilor aditive din cadrul Rosatom. Avem nevoie de încă un an pentru a lansa propriul nostru model pilot al instalației și aproximativ aceeași sumă pentru a ajunge la un acord cu toate părțile care asigură componenta de reglementare utilizată”, a spus Alexey Dub.

Originalul acestui material: Tehnologii aditive: posibilități și perspective ale imprimării 3D. „Managementul producției. Producție digitală”, aprilie 2017. Publicat în abreviere.

Dezvoltarea industriei aditivilor, care a început cu imprimante 3D mici care puteau produce piese din plastic, a făcut pași mari înainte. Și astăzi, aceste tehnologii sunt stăpânite experimental de asemenea giganți industriali precum General Electric și Siemens, iar diverse țări din întreaga lume se întrec pentru a lansa programe guvernamentale relevante și centre de cercetare deschise. În Rusia, utilizarea imprimării 3D în industrie este încă la început, dar atât industria de apărare, cât și industria nucleară se gândesc serios la asta.

S-ar părea că poți imprima folosind o imprimantă 3D? Mici suveniruri, jucării simple, diverse aparate de uz casnic - alegerea este limitată doar de imaginația și cunoștințele dumneavoastră despre programul CAD. Dar puțini oameni știu că astăzi tehnologia de imprimare 3D a depășit deja toate granițele de neimaginat: arhitecții din Shanghai și Amsterdam imprimă clădiri rezidențiale întregi, tinerii creatori de modă experimentează cu imprimante 3D pentru a crea haine și pantofi, iar medicii nu mai imprimă doar proteze și implanturi, dar și lucrează la crearea de organe și țesuturi umane artificiale. O aplicație serioasă pentru ocuparea unei poziții de încredere în industrie și o provocare pentru metodele tradiționale de fabricare a pieselor a fost faptul că asemenea giganți din industrie precum General Electric și Siemens folosesc deja tehnologii aditive, deși până acum ca un experiment.

Brațul protetic al lui Leon McCarthy, în vârstă de doisprezece ani, este realizat din părți imprimate 3D de MakerBot (Foto: Brian Snyder/Reuters)

Potrivit companiei americane de consultanță Wohlers Associates, cea mai mare cerere de tehnologii aditive se observă în sectorul bunurilor de larg consum și electronice (22% din veniturile industriei de imprimare 3D în 2012), industria auto (19%), medicină și stomatologie (16% ), și producție (13%), în industria aerospațială (10%).

Termenul folosit în practica mondială pentru a desemna utilizarea imprimării 3D în industrie este „producție aditivă”, ceea ce înseamnă fabricarea unui produs prin adăugare. Tehnologiile aditive diferă unele de altele în alegerea materialelor și a metodei de aplicare a acestora, cu toate acestea, în toate cazurile, crearea unui model se bazează pe acumularea strat cu strat. Materialele consumabile pot include plastic, beton, gips, fibre de lemn, policarbonat, metal și chiar celule vii și ciocolată. Există două metode de aplicare: cu jet de cerneală și cu laser. Metoda cu jet de cerneală include tehnologii precum modelarea prin depunere fuzionată și Polyjet, iar metoda laser include laminarea strat cu strat (fabricarea obiectelor laminate), topirea selectivă cu laser, sinterizarea selectivă cu laser, depunerea metalului cu laser (depunerea metalului cu laser) și stereolitografia cu laser ( stereolitografia cu laser).

Comentariu expert:

Evgeny Kablov, director general VIAM:În prezent, întreprinderile din industria aviației achiziționează și utilizează pulberi de aliaj fabricate în străinătate furnizate de producătorii de instalații. În același timp, există o nevoie urgentă de pulberi metalice din aliaje autohtone. Nu există producție în serie de materiale pulbere pentru aceste tehnologii în Rusia. Cererea flotei existente de instalații de fabricare a aditivilor din Federația Rusă pentru materiale pulbere este de aproximativ 20 de tone pe an.

Pentru a rezolva această problemă, VIAM a organizat un ciclu închis de producție aditivă a pieselor de motoare cu turbine cu gaz, inclusiv producția de țagle de încărcare consumabile, producția de pulberi metalice fine din aliaje autohtone și dezvoltarea tehnologiilor de sinterizare selectivă cu laser a pieselor din acestea. pulberi cu tratament gaz-static ulterior. Posibilitatea de a desfășura un ciclu complet de cercetare și de a furniza produselor fabricate cu documentația științifică și tehnică necesară, de asemenea, deschide perspectiva organizării producției în serie de pulberi metalice la VIAM cu certificarea ulterioară a acestora pentru întreprinderile de top în domeniul motoarelor.

ISTORIA INDUSTRIEI

În ciuda faptului că imprimantele 3D au început să fie discutate activ abia în ultimii ani, istoria dezvoltării imprimării 3D datează de aproximativ 30 de ani: prima aplicație a fost înregistrată în anii 1980. Fondatorul tehnologiilor aditive este considerat a fi Charles Hull, care în 1986 a brevetat o metodă numită stereolitografie. În același an, americanul a fondat compania 3D Systems și a dezvoltat prima imprimantă 3D, Stereolithography Apparatus. Și în 1988, după ce a îmbunătățit modelul anterior, compania a început prima producție în masă a imprimantelor 3D SLA-250. A doua piatră de hotar în dezvoltarea imprimării 3D a fost descoperirea tehnologiei FDM strat cu strat de către Scott Crump în 1988 și înființarea companiei Stratasys de către acesta.

Inițial, termenul „imprimare 3D” nu a existat, iar tehnologia inovatoare a fost numită „prototipare rapidă”. Noul termen a apărut în 1995 datorită a doi studenți de la Massachusetts Institute of Technology - Jim Bredt și Tim Anderson. Au venit cu ideea de a restructura funcționarea unei imprimante cu jet de cerneală convenționale, astfel încât să producă o imagine tridimensională într-un container special, după care au brevetat ideea și au deschis compania Z Corporation. Această tehnologie, care se bazează pe lipirea strat cu strat a pulberii, este încă folosită pentru modelarea industrială.

Prototipuri printate 3D pentru motorul de aeronave (imagine GE)

Nu este surprinzător faptul că companiile create de progenitorii tehnologiei sunt lideri în industrie în lumea modernă. Printre principalii jucători de pe piață se numără și Arcam, ExOne, Voxeljet, SLM Solutions, Shapeways. Hewlett-Packard, care lucrează activ pe piața imprimantelor tradiționale, încearcă să le ajungă din urmă. CEO-ul HP, Meg Whitman, a declarat recent că compania intenționează să abordeze două probleme majore care împiedică dezvoltarea imprimantelor 3D prin creșterea vitezei de imprimare și îmbunătățirea calității. HP promite să-și prezinte evoluțiile în iunie 2014, dar deocamdată nu putem decât să ghicim care va fi: o nouă tehnologie sau o nouă imprimantă 3D.

CUM SI UNDE FUNCTIONEAZA

Cea mai obișnuită utilizare a imprimării 3D este crearea de prototipuri de produse. Modelele de dimensiuni reale ajută la evaluarea funcționalității și elimină posibilitatea apariției diferitelor erori înainte de producția în serie a produsului. Una dintre metodele populare de prototipare este stereolitografia cu laser, care folosește un fotopolimer lichid ca material de pornire. Raza laser formează un model al viitorului model pe suprafața lichidului, apoi coboară în fotopolimer un strat. Sub radiația laser, materialul original se întărește, iar laserul continuă să deseneze un alt strat, urmat de imersiune.

Plasticul este încă cel mai comun material de imprimare aditiv. Dar există și o mulțime de tehnologii pentru imprimarea 3D pe metal. De exemplu, topirea selectivă cu laser. Aceste imprimante funcționează astfel: un strat uniform de pulbere metalică este pulverizat pe suprafața de lucru, după care este pornit un laser, care topește zonele în conformitate cu un model dat. După aceasta, suprafața de lucru este coborâtă la nivelul unui strat și operațiunea se repetă din nou. Datorită faptului că procesul are loc într-un mediu fără oxigen, modelul rezultat nu se oxidează. Tehnologia face posibilă crearea de obiecte complexe din punct de vedere geometric din diferite tipuri de oțel și titan.

Sinterizarea selectivă cu laser se bazează pe același principiu, doar pulberile polimerice sunt folosite ca consumabile. O altă tehnologie este placarea metalică cu laser este folosită atât pentru a crea piese noi, cât și pentru a reface suprafețele uzate. De exemplu, atunci când reparați o piesă cu o fisură, pulberea este furnizată la punctul de topire, care se topește sub radiația laser, iar aliajul rezultat umple golul dintre marginile fisurii. Operația trebuie repetată din nou și din nou până când fisura se vindecă strat cu strat.

Producătorul de pantofi sport New Balance introduce un adidași care utilizează o placă imprimată 3D care, atunci când este introdusă în talpă, îmbunătățește eficiența fiecărui pas (Foto: New Balance/AP)

Imprimarea 3D din metal a atras atenția producătorilor industriali datorită capacității sale de a crea produse complexe dintr-o varietate de materiale fără a utiliza echipamente suplimentare de procesare și cu puține deșeuri, economisind timp și bani semnificativ. Prin utilizarea imprimării 3D, greutatea produsului este redusă, iar posibilitatea apariției defectelor care pot apărea în timpul metodelor tradiționale de fabricație este eliminată. S-a dovedit deja că produsele metalice imprimate pe imprimante 3D, prin proprietățile lor - densitate, stres rezidual, comportament mecanic, microstructură de neechilibru, textura cristalografică - diferă mai bine de produsele create prin turnătorie și alte metode deformabile.

Materialul de pornire pentru imprimarea industrială 3D este o compoziție de diferite pulberi metalice fine pe bază de titan, aluminiu, nichel, cobalt și alte metale. De regulă, acestea trebuie să aibă sfericitate, o anumită compoziție granulometrică cu un randament ridicat, omogenitate chimică ridicată și un conținut redus de impurități de gaz - oxigen și azot.

UTILIZAREA PROTOTIPURILOR

Acest tip de prototipuri sunt solicitate în rândul oamenilor de știință dintr-o varietate de domenii, inclusiv fizica atomică și nucleară. Astfel, Laboratorul Național Oak Ridge, parte a echipei americane de dezvoltare ITER, și-a propus utilizarea imprimării 3D pentru a proiecta piesele de reactor pentru a economisi bugetul. Potrivit inginerilor americani, studierea modelului fizic va ajuta la evitarea greșelilor, la descoperirea oportunităților de economisire a materialului și la funcționarea designului. Când proiectează părți mari ale reactoarelor, cum ar fi solenoidul central de 60 de picioare, designerii creează machete de „jucărie”. Pentru piesele mai mici, cum ar fi supapa rapidă de gaz pentru sistemul de atenuare a defecțiunilor reactorului, acestea sunt tipărite la scară unu-la-unu.

Specialiștii CERN în tehnologii de aditivi au văzut o soluție la problema înlocuirii componentelor complexe și unice defectuoase, care în producția tradițională este un proces lung și costisitor.

Laboratorul de polimeri al CERN a achiziționat o imprimantă cu tehnologie stereolitografică pentru a studia modul în care noile rășini pe bază de epoxi, siliciu și poliuretan vor reacționa la diferite procese, cum ar fi lipirea, turnarea, izolarea electrică și se vor comporta la temperaturi și radiații criogenice. Principalul avantaj al noului dispozitiv este capacitatea de a produce piese funcționale cu proprietăți mecanice rigide. Laboratorul are și o altă imprimantă 3D care poate lipi straturi subțiri de pulbere polimerică. Cu toate acestea, această tehnologie de imprimare este potrivită pentru studierea formei unor prototipuri specifice, dar nu pentru producerea de piese funcționale.

GEOGRAFIE: DE LA WASHINGTON LA TOKYO

Potrivit Wohlers Associates, Statele Unite ale Americii reprezintă 38% din industria globală a producției de aditivi, urmate de Japonia cu 9,7%, urmată de Germania cu 9,4% și China cu 8,7%. Statele Unite nu vor să renunțe nimănui la poziția sa de lider în imprimarea 3D. Pentru a accelera dezvoltarea tehnologiilor inovatoare, cinci departamente - Departamentul de Apărare, Departamentul de Energie, Departamentul de Comerț, Fundația Națională pentru Știință și NASA - au inițiat crearea în 2012 a Institutului Național pentru Producție Inovatoare, care ulterior a fost redenumit America face. Această organizație promovează colaborarea între liderii de afaceri și instituțiile științifice, contribuind la promovarea dezvoltărilor inovatoare în tehnologiile aditive pe piața globală. La activitatea institutului participă aproximativ 100 de companii, organizații non-profit și agenții guvernamentale.

Al doilea pas major a fost începerea construcției Laboratorului digital pentru producție din Chicago. Departamentul Apărării a alocat deja 70 de milioane de dolari pentru acest proiect, fiind așteptați încă 250 de milioane de dolari de la reprezentanții industriei, instituțiile de învățământ, guvern și partenerii publici. Digital Lab va avea parteneri comuni cu America Makes, inclusiv giganți industriali precum Rolls-Royce, Dow Chemical, Procter & Gamble, General Electric, General Dynamics, Lockheed Martin, Honeywell, Rockwell Collins, Microsoft, Boeing, Autodesk și 3D Systems. Digital Lab lansează în prezent o platformă software online deschisă pentru proiectare și colaborare în timp real.

Siemens va folosi imprimante 3D pentru a imprima elemente ale turbinei cu gaz din ianuarie 2014. Această mișcare îndrăzneață face Siemens un pionier în utilizarea imprimării 3D pe metal la scară industrială.

Și președintele SUA, Barack Obama, a anunțat crearea Institutului pentru inovare în fabricație în metale ușoare și avansate în Detroit - Ministerul Apărării va aloca și el 70 de milioane de dolari pentru acest proiect.

Europa s-a dovedit a fi „sediul” celor mai mari producători de imprimante 3D industriale: Voxeljet, SLM Solutions, EOS GmbH, Concept Laser, Realizes (toate cinci sunt Germania), Arcam (Suedia), Phenix Systems (Franța), Renishaw ( REGATUL UNIT). Țările europene înțeleg, de asemenea, promisiunea tehnologiilor aditive și sprijină dezvoltarea industriei. Astfel, Ministerul Finanțelor din Marea Britanie este gata să aloce aproximativ 25 de milioane de dolari pentru crearea unui Centru de tehnologii aditive până în 2015. Noul centru va fi amplasat lângă Coventry Manufacturing Center și va dezvolta produse pentru motoare cu reacție, industria auto și medicală. Dar în Germania, inițiativa vine din industrie (cu sprijinul statelor federale): Boeing, EOS GmbH, Evonik Industries, MCP HEK Tooling împreună cu Universitatea din Paderborn au deschis centrul de cercetare DMRC încă din 2008, în care nouă proiecte au fost deja implementate în 2012 în această direcție.

O altă inițiativă majoră este proiectul de cinci ani AMAZE, anunțat de Agenția Spațială Europeană în 2013. Bugetul proiectului, care include 28 de companii, printre care Airbus, Astrium, Norsk Titanium, Cranfield University și EADS, s-a ridicat la aproximativ 20 de milioane de euro. Unul dintre obiectivele proiectului este crearea de produse metalice de înaltă calitate, care să poată funcționa la temperaturi extrem de ridicate, care sunt atinse, de exemplu, în timpul unei reacții termonucleare sau în duze de rachetă.

China, folosind toată puterea industriei sale, intenționează să submineze poziția de lider a Statelor Unite. Asociația Industriei din China estimează că piața chineză de imprimare 3D va ajunge la 1,65 miliarde de dolari până în 2016, adică de 10 ori mai mult decât în ​​2012. Pentru a atinge acest obiectiv ambițios, la sfârșitul anului 2012 a fost înființată Alianța Industrială China pentru Tehnologii de Imprimare 3D, formată din 30 de institute de cercetare chineze și companii de top din industrie. Această organizație intenționează să construiască 10 centre de inovare și să investească 3,3 milioane de dolari în fiecare. Între timp, succesele inginerilor chinezi nu sunt inferioare ca importanță celor europeni și americani. Primele teste ale unui luptător cu o structură de susținere imprimată din pulbere de titan au fost efectuate în China. Iar Southern Fan a prezentat cea mai mare imprimantă 3D din lume (28 metri lungime, 23 metri lățime și 9,5 metri înălțime), capabilă să producă componente metalice cu un diametru maxim de până la 6 metri și o greutate de până la 300 de tone. Produsele sunt planificate pentru a fi utilizate în industria nucleară, petrochimică și metalurgică.

Japonia a evaluat, de asemenea, perspectivele imprimării 3D și la începutul lui 2014 a creat o asociație de cercetare pentru a dezvolta imprimante 3D industriale concepute pentru a produce piese metalice complexe pentru utilizare în aviație și medicină. Ministerul Economiei, Comerțului și Industriei din Japonia intenționează să aloce aproximativ 37 de milioane de dolari pentru proiect Potrivit autorităților, primele dispozitive vor apărea până în 2015, iar vânzările în masă de imprimante 3D vor începe la sfârșitul anului 2019. Universitățile naționale și 27 de companii de tehnologie au devenit membre ale asociației, inclusiv Panasonic, Mitsubishi Heavy Industries, IHI, Kawasaki Heavy Industries, Komatsu și Nissan Motor. Taxa anuală de membru pentru fiecare organizație va fi de 5 mii USD.

APLICAȚIE INDUSTRIALĂ

General Electric pare să fie la fel de aproape ca oricine altcineva de lansarea producției comerciale de piese realizate folosind tehnologii aditive. În primul rând, GE Aviation a anunțat planuri de a imprima injectoare 3D pentru noul său produs, motorul cu reacție LEAP-1A de generație următoare. Primele experimente de laborator ale GE au arătat că prin imprimarea, strat cu strat, a unui injector din pulbere de cobalt-crom, produsul va fi mai ușor și mai durabil. În al doilea rând, inginerii GE au venit cu ideea de a folosi tehnologia de sinterizare cu laser pentru a face marginea lamei motorului din pulbere de titan. Ambele părți trebuiau să înceapă treptat să fie utilizate în motoare din 2013 și sunt planificate să fie integrate într-un ciclu de producție la scară largă în 2016. Tranziția la tehnologii aditive va economisi companiei aproximativ 25 de mii de dolari pentru fiecare motor. Inginerii GE Aviation vor introduce în curând noi materiale, cum ar fi titanul, aluminiul și aliajele de nichel-crom, sperând să obțină o performanță mai bună a pieselor, care nu poate fi obținută folosind tehnologia de turnare. În al treilea rând, o altă divizie GE intenționează să piloteze producția de injectoare metalice de combustibil pentru turbine cu gaz în a doua jumătate a anului 2014. Astăzi, GE produce aproximativ 10% din produsele sale folosind imprimarea 3D, iar corporația intenționează să crească producția la 25% și 50% în decurs de 10 și, respectiv, 20 de ani.

Sigla Nestle este realizată pe o imprimantă 3D în timpul deschiderii centrului de tehnologie al companiei, pe 25 martie 2013 (Foto: REUTERS/Denis Balibouse)

Concernul german Siemens urmează aceeași cale, anunțând o tranziție de la metodele tradiționale de producere a pieselor pentru arzătoare cu turbine cu gaz la tehnologia de topire selectivă cu laser. Inginerii concernului văd singurul lucru din noua producție în viteza de funcționare a imprimantelor 3D.

Agenția spațială americană NASA a anunțat și testul de rezistență la foc reușit al unui injector cu motor rachetă realizat folosind topirea selectivă cu laser. Și în august 2014, departamentul intenționează să trimită o imprimantă 3D la ISS pentru a studia posibilitatea de a imprima instrumente și piese de schimb în condiții de microgravitație.

PERSPECTIVE ȘI PREVIZII

Dezvoltarea și mai activă a tehnologiilor aditive și aplicarea lor în industrie este în prezent împiedicată de o serie de factori. De exemplu, costul ridicat al materialelor nu este o problemă atunci când se utilizează tehnologii aditive pentru a produce piese mici. Dar atunci când un produs este lansat pe o scară mai mare, prețul ridicat nu este doar o problemă, ci un obstacol de netrecut.

De exemplu, prețul pulberii de titan, care este determinat de singura metodă de producție de până acum - procesul scump Kroll - variază de la 200 la 400 USD per kilogram. Aici, vântul schimbării a suflat din Insulele Britanice: Metalysis a dezvoltat o nouă tehnologie, mai puțin costisitoare, pentru producția de pulbere de titan și negociază construirea unei fabrici pentru producția sa în Yorkshire (Marea Britanie). Costul proiectului este estimat la 500 de milioane de dolari. Tehnologia constă în obținerea de pulbere din rutil (oxid de titan) prin electroliză. Noua metodă face posibilă obținerea de pulbere de diferite fracții, diferite purități, morfologii și pe bază de diferite elemente de aliere. Dimensiunile granulelor de pulbere pot varia de la 1 - 2 mm la 100 microni. Potrivit autorilor tehnologiei, costul producției de pulbere poate fi redus cu 75%.

Al doilea impuls puternic pentru dezvoltarea imprimării industriale 3D poate fi expirarea brevetelor privind tehnologia de sinterizare selectivă cu laser deținută de Universitatea din Texas din Austin în mai 2014. Experții prevăd o reducere a costului imprimantelor 3D care utilizează această tehnologie și, ulterior, a costului consumabilelor. Aceste așteptări se bazează pe evenimente din trecut: în urmă cu câțiva ani, au expirat brevetele privind tehnologia de modelare prin depunere fuzionată, care a fost însoțită de o scădere bruscă a prețurilor imprimantelor: de la câteva mii de dolari la 200 de dolari.

De asemenea, situația prețurilor pe această piață se poate schimba din cauza concurenței, care în viitor poate veni de la imprimantele industriale din China.

Conform previziunilor companiei de analiză Canalys, volumul pieței globale de imprimare 3D în 2014 ar putea crește cu 50% față de 2013 - până la 3,8 miliarde de dolari, iar în 2018 va ajunge la 16,2 miliarde de dolari utilizați tehnologii aditive în domeniul arhitecturii, medicinei, aerospațiale, apărării și industriilor nucleare.

TREZĂ-TE, RUSIA!

În Rusia, cifrele, așa cum se întâmplă adesea, sunt mai modeste. Până acum, piața rusă reprezintă mai puțin de 0,5% din piața globală, iar în următorii cinci ani rata de creștere a acesteia nu va crește, notează Research.Techart. Nu este surprinzător, deoarece dezvoltarea tehnologiilor aditive în Rusia este la început, motivul principal al situației, potrivit experților, este lipsa de sprijin din partea statului.

Pentru a dezvolta tehnologia, este nevoie de muncă în mai multe direcții simultan: pregătirea personalului calificat, formarea de noi standarde și adoptarea de noi documente de reglementare. O problemă la fel de importantă este lipsa producției în masă de pulberi în Rusia. Cu toate acestea, unele acțiuni direcționate în această direcție sunt întreprinse atât de oficiali individuali, cât și de oameni de știință.

În special, viceprim-ministrul rus Dmitri Rogozin, care este responsabil pentru complexul militar-industrial din guvern, propune dezvoltarea conceptului de „fabrică digitală” cu un ciclu de producție complet, de la proiectare până la primirea produsului finit. Astfel de fabrici ar putea include tehnologii aditive, linii automate de înaltă performanță pentru producția rapidă de baze de componente electronice, managementul producției robotizate, sisteme naționale CAD, CAE, CAM, tehnologii noi de producție a ansamblurilor și sisteme de management al ciclului de viață al produsului. În opinia sa, pentru a implementa conceptul de „fabrică digitală”, și în special dezvoltarea tehnologiilor aditive, sunt necesare eforturi comune din partea Comisiei Militar-Industriale, a Ministerului Industriei și Comerțului al Federației Ruse și a Fundația de Cercetare Avansată.

Mai mult, în Rusia, potrivit lui D. Rogozin, există companii și centre de cercetare prin care se poate produce dezvoltarea de tehnologii aditive: MCLT, Institutul de Cercetare Științifică ZAO al ESTO, ZAO NT-MDT, GC Promtekhnologiya, MSTU numit după. Bauman, MSTU „STANKIN”, MISIS, MAI. Au echipamente de înalt nivel în arsenalul lor, capabile să efectueze cercetare și dezvoltare și să monitorizeze calitatea muncii în fiecare etapă. De asemenea, cu sprijinul bugetului federal, se deschid centre regionale de inginerie. În plus, există companii mici care operează în Rusia care oferă echipamente de la producători străini. Cu toate acestea, potrivit viceprim-ministrului, „slăbiciunea ambelor este lipsa unei abordări integrate și inconsecvența acțiunilor de stăpânire și implementare a tehnologiilor digitale”.

Este posibil ca pulberea obținută în pereții SA VNIIHT să devină chiar catalizatorul care va lansa producția în serie de consumabile în Rusia. Institutul a dezvoltat o nouă metodă de producere a pulberilor metalice ultrafine folosind reducerea metalotermă a clorurilor metalice în sărurile topite. După cum a declarat revistei Oksana Arzhatkina, șeful Laboratorului nr. 1 al Departamentului de Materiale Structurale Nucleare Curate de la VNIIHT, acest proces implică două operațiuni într-una - obținerea metalului și dispersarea acestuia. „În ceea ce privește numărul de operațiuni utilizate, metoda noastră este semnificativ mai scurtă decât metoda larg cunoscută și utilizată industrial de atomizare (atomizarea metalului topit într-un curent de gaz inert) și atomizare centrifugă, bazată pe producerea metalelor și ulterioare a acestora. dispersie”, explică expertul.

Această tehnologie are o serie de avantaje: temperatură scăzută a procesului, randament ridicat (cel puțin 98%), uniformitate excepțional de mare a pulberilor în ceea ce privește conținutul de impurități (abaterea conținutului de impurități nu este mai mare de 0,1%), timp redus de funcționare (datorită producerea pulberii metalice direct în timpul operaţiei de reducere) .

Noua metodă de producere a pulberilor multicomponente, așa cum era de așteptat la VNIIHT, le va afecta calitățile de consumator (rezistență la coroziune, rezistență ridicată, rezistență la căldură și rezistență la căldură, rezistență la radiații etc.) datorită creșterii omogenității compoziției chimice și de fază. a pulberilor de 10 - 50 de ori față de nivelul mondial - abaterea compoziției chimice a pulberilor nu depășește 0,1% în loc de 1 - 100%). Și prin simplificarea procesului tehnologic, costul pulberilor poate fi redus cu 30%, se așteaptă O. Arzhatkina. În opinia ei, datorită acestor avantaje și lipsei unor soluții tehnologice similare în Rusia și în străinătate, o nouă metodă de producere a pulberilor poate concura cu analogii globali.

Noua dezvoltare a VNIIKhT a văzut deja lumina, deși la scară limitată: institutul a colaborat cu întreprinderile complexului nuclear de apărare la un proiect de producere a pulberii metalice de hafniu, iar pentru JSC ChMZ a dezvoltat o metodă de producere a pulberii de zirconiu metalic. Acum VNIIHT mizează pe o gamă mai largă de consumatori. Astfel, institutul i-a prezentat deja lui Rosatom o nouă tehnologie și, potrivit lui O. Arzhatkina, în 2014, managerii de top ai Rosatom - șeful direcției YAC Ivan Kamenskikh și șeful unității de management al inovației Vyacheslav Pershukov - au promis în scris că vor sprijini direcţia de obţinere a pulberilor metalice multicomponente în săruri topite. Potrivit informațiilor sale, CJSC Science and Innovation intenționează să deschidă un proiect amplu privind imprimarea 3D și obținerea de consumabile pentru aceasta, unde este planificat să includă direcția corespunzătoare a VNIIHT.

„În primul rând, suntem concentrați pe aplicarea tehnologiei noastre pentru nevoile complexului de arme nucleare, dar ne bazăm și pe alte industrii: energie nucleară, industria aerospațială, electronică radio și așa mai departe”, conchide șeful VNIIHT. laborator.

Ekaterina VERSHININA

Țările lider ale lumii participă activ la cursa 3D. Astfel, în 2012, la Youngstone, Ohio, s-a deschis Institutul Național de Inovare pentru Fabricarea Aditivelor NAMII - primul centru de tehnologie de aditivi de cincisprezece fiind creat în Statele Unite. Parcul de mașini al institutului include deja 10 mașini de aditivi, dintre care trei sunt cele mai moderne mașini pentru crearea pieselor metalice.

Terminologie și clasificare

Esența producției aditive este de a combina materiale pentru a crea obiecte din datele modelului 3D, strat cu strat. Acesta este modul în care se deosebesc de tehnologiile de producție subtractive convenționale, care implică prelucrare mecanică - îndepărtarea substanțelor din piesa de prelucrat.

Tehnologiile aditive sunt clasificate:

• în funcție de materialele folosite (lichid, vrac, polimer, pulbere metalică);
• prin prezența unui laser;
• prin metoda de fixare a stratului de construcție (expunere termică, iradiere cu lumină ultravioletă sau vizibilă, compoziție de liant);
• după metoda de formare a stratului.

Există două moduri de a forma un strat. Primul este să turnați mai întâi material pulbere pe platformă și să îl întindeți cu o rolă sau un cuțit pentru a crea un strat uniform de material de o anumită grosime. Prelucrarea selectivă a pulberii are loc cu un laser sau o altă metodă de conectare a particulelor de pulbere (topire sau lipire) conform secțiunii curente a modelului CAD. Planul de construcție este neschimbat, iar o parte din pulbere rămâne neatinsă. Această metodă se numește sinteză selectivă și, de asemenea, sinterizare selectivă cu laser dacă instrumentul de îmbinare este un laser. A doua metodă este de a depozita direct materialul în punctul în care este furnizată energie.

ASTM, o organizație care dezvoltă standarde industriale, împarte tehnologiile aditive 3D în 7 categorii.

1. Extrudarea materialului. Un material asemănător pastei, care este un amestec de liant și pulbere metalică, este furnizat la punctul de construcție printr-un extruder încălzit. Modelul brut finalizat este introdus într-un cuptor pentru a îndepărta liantul și a coace praful - la fel ca în tehnologiile tradiționale. Această tehnologie aditivă este implementată sub mărcile MJS (Multiphase Jet Solidification, multiphase jet curing), FDM (Fused Deposition Modeling, modeling by layer-by-layer fuding), FFF (Fused Filament Fabrication, producție prin fuziune de filamente).
2. Stropirea materialului. De exemplu, în tehnologia Polyjet, ceara sau fotopolimerul este alimentat printr-un cap cu jet multiplu până la punctul de construcție. Această tehnologie aditivă se mai numește și Multi Jetting Material.
3. Stropire de liant. Acestea includ tehnologii cu jet de cerneală Ink-Jet pentru injectarea în zona de construcție nu a unui material model, ci a unui reactiv de legare (tehnologia de fabricație aditivă ExOne).
4. Compusul foliei este o peliculă polimerică, folie metalică, foi de hârtie etc. Este folosit, de exemplu, în tehnologia de fabricație aditivă cu ultrasunete Fabrisonic. Plăcile metalice subțiri sunt sudate cu ultrasunete, după care excesul de metal este îndepărtat prin frezare. Tehnologia aditivă este folosită aici în combinație cu tehnologia subtractivă.
5. Fotopolimerizare în baie. Tehnologia folosește materiale lichide de modelare - rășini fotopolimerice. Un exemplu este tehnologia SLA a 3D Systems și tehnologia DLP a Envisiontec și Digital Light Procession.
6. Topirea materialului într-un strat preformat. Folosit în tehnologiile SLS care utilizează un laser sau un cap termic ca sursă de energie (SHS de la Blueprinter).
7. Furnizarea directă de energie a șantierului. Materialul și energia pentru topirea acestuia ajung la punctul de construcție simultan. Ca corp de lucru este folosit un cap echipat cu un sistem de alimentare cu energie și materiale. Energia vine sub forma unui fascicul concentrat de electroni (Sciaky) sau a unui fascicul laser (POM, Optomec). Uneori capul este montat pe „brațul” robotului.

Această clasificare vorbește mult mai mult despre complexitățile tehnologiilor aditive decât cele anterioare.

Domenii de aplicare

Dinamica de dezvoltare a pieței tehnologiilor aditive este înaintea altor industrii. Creșterea sa medie anuală este estimată la 27% și, potrivit IDC, va fi de 26,7 miliarde de dolari până în 2019, față de 11 miliarde de dolari în 2015.

Cu toate acestea, piața AT trebuie să-și deblocheze încă potențialul neexploatat în producția de bunuri de larg consum. Până la 10% din fondurile companiei din costul de producție al unui produs sunt cheltuite pentru prototiparea acestuia. Și multe companii au ocupat deja acest segment de piață. Dar restul de 90% intră în producție, așa că crearea de aplicații pentru producția rapidă de bunuri va fi principala direcție de dezvoltare a acestei industrii în viitor.

În 2014, ponderea prototipării rapide pe piața de fabricație aditivă, deși a scăzut, a rămas cea mai mare - 35%, ponderea producției rapide a crescut și a ajuns la 31%, ponderea în crearea de unelte a rămas la 25%, restul a fost explicată de cercetare și educație.

Distribuția tehnologiilor AT pe sectorul industrial este următoarea:

• 21% - producția de bunuri de larg consum și electronice;
• 20% - industria auto;
• 15% - medicina, inclusiv stomatologia;
• 12% - fabricarea de aeronave și industria spațială;
• 11% - producția de mijloace de producție;
• 8% - echipament militar;
• 8% - educație;
• 3% - constructii.

Amatori și profesioniști

Piața tehnologiei AT este împărțită în amatori și profesioniști. Piața de hobby include imprimante 3D și întreținerea acestora, care include servicii, consumabile, software și se adresează pasionaților individuali, educația și vizualizarea ideilor și facilitarea comunicării în stadiile incipiente ale dezvoltării noilor afaceri.

Imprimantele 3D profesionale sunt scumpe și potrivite pentru reproducere avansată. Au o suprafață mare de construcție, productivitate, precizie, fiabilitate și o gamă extinsă de materiale de model. Aceste mașini sunt cu un ordin de mărime mai complexe și necesită dezvoltarea unor abilități speciale în lucrul cu dispozitivele în sine, cu materiale de model și software. De regulă, operatorul unei mașini profesionale este un specialist în tehnologie de aditivi cu studii tehnice superioare.

Tehnologii aditive în 2015

Conform Raportului Wohlers 2015, din 1988 până în 2014, în întreaga lume au fost instalate 79.602 de imprimante 3D industriale. În același timp, 38,1% dintre dispozitivele care costă peste 5 mii de dolari SUA sunt din SUA, 9,3% din Japonia, 9,2% din China și 8,7% din Germania. Restul lumii este cu mult în urma liderilor. Din 2007 până în 2014, vânzările anuale de imprimante desktop au crescut de la 66 la 139.584 de dispozitive. În 2014, 91,6% din vânzări au provenit de la imprimante 3D desktop și 8,4% de la unități industriale de producție aditivă, dar profiturile din aceste mașini au reprezentat 86,6% din total, sau 1,12 miliarde USD în termeni absoluti. Mașinile desktop au reprezentat 173,2 milioane USD și 13,4%. În 2016, vânzările sunt de așteptat să crească la 7,3 miliarde USD, în 2018 - 12,7 miliarde, iar în 2020 piața va ajunge la 21,2 miliarde USD.

Potrivit lui Wohlers, tehnologia FDM este predominantă, cu aproape 300 de mărci în întreaga lume, noi modificări fiind adăugate zilnic. Unele dintre ele sunt vândute doar local, așa că este foarte dificil, dacă nu imposibil, să găsești informații despre numărul de mărci de imprimante 3D produse. Putem spune cu încredere că numărul lor pe piață crește în fiecare zi. Există o mare varietate de dimensiuni și tehnologie utilizată. De exemplu, compania din Berlin BigRep produce o imprimantă FDM uriașă numită BigRep ONE.2 la un preț de 36 de mii de euro, capabilă să imprime obiecte cu dimensiunile de până la 900 x 1055 x 1100 mm cu o rezoluție de 100-1000 microni, două extrudere și capacitatea de a folosi diferite materiale.

Industrie - pentru

Industria aviației investește masiv în fabricarea aditivă. Utilizarea tehnologiilor aditive va reduce de 10 ori consumul de materiale cheltuite pentru fabricarea pieselor. Se așteaptă ca GE Aviation să imprime 40.000 de injectoare anual. Și Airbus intenționează să imprime până la 30 de tone de piese lunar până în 2018. Compania constată progrese semnificative în caracteristicile pieselor produse în acest mod față de cea tradițională. S-a dovedit că suportul, care a fost proiectat pentru o încărcătură de 2,3 tone, poate rezista de fapt la o sarcină de până la 14 tone, reducând în același timp greutatea la jumătate. Compania imprimă, de asemenea, piese din tablă de aluminiu și conectori de combustibil. Avioanele Airbus au 60 de mii de piese imprimate pe imprimantele 3D Fortus de la Stratasys. Alte companii din industria aerospațială folosesc, de asemenea, tehnologii de fabricație aditivă. Printre acestea: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce și SpaceX.

Tehnologiile digitale aditive sunt deja folosite în producția unei varietăți de produse de consum. Compania de servicii de producție aditivă Materialise colaborează cu Hoet Eyeware pentru a produce ochelari de corectare a vederii și ochelari de soare. Modelele 3D sunt furnizate de multe servicii cloud. Numai 3D Warehouse și Sketchup oferă 2,7 milioane de modele. Nici industria modei nu este lăsată deoparte. RS Print folosește un sistem care măsoară presiunea tălpii pentru a imprima branțuri personalizate. Designerii experimentează cu bikini, pantofi și rochii.

Prototiparea rapidă

Prototiparea rapidă se referă la crearea unui prototip al unui produs în cel mai scurt timp posibil. Este printre principalele aplicații ale tehnologiilor de fabricație aditivă. Un prototip este un prototip al unui produs necesar pentru a optimiza forma unei piese, a evalua ergonomia acesteia, a verifica fezabilitatea asamblarii si corectitudinea solutiilor de layout. Acesta este motivul pentru care scurtarea timpului de livrare al unei piese poate reduce semnificativ timpul de dezvoltare. Un prototip poate fi, de asemenea, un model destinat efectuării de teste aero- și hidrodinamice sau testarea funcționalității pieselor de adăpostire ale echipamentelor de uz casnic și medical. Multe prototipuri sunt create ca modele exploratorii de design cu nuanțe de configurare, culori de vopsea etc. Pentru prototiparea rapidă se folosesc imprimante 3D ieftine.

Producție rapidă

Tehnologiile aditive din industrie au perspective mari. Producția la scară mică de produse cu geometrii complexe și din materiale specifice este comună în construcțiile navale, inginerie energetică, chirurgie reconstructivă și medicina dentară și industria aerospațială. Cultivarea directă a produselor metalice aici este motivată de fezabilitatea economică, deoarece aceasta s-a dovedit a fi mai puțin costisitoare. Folosind tehnologii aditive, produc piese de lucru ale turbinelor și arborilor, implanturi și endoproteze, piese de schimb pentru mașini și avioane.

Dezvoltarea producției rapide a fost facilitată și de o expansiune semnificativă a numărului de materiale din pulbere metalică disponibile. Daca in 2000 existau 5-6 tipuri de pulberi, acum este oferita o gama larga, numarand in zeci de compozitii de la oteluri de structura la metale pretioase si aliaje rezistente la caldura.

Tehnologiile aditive sunt promițătoare și în inginerie mecanică, unde pot fi utilizate la fabricarea de scule și dispozitive pentru producția de masă - inserții pentru mașini de turnat prin injecție, matrițe, șabloane.

Ultimaker 2 este cea mai bună imprimantă 3D din 2016

Potrivit revistei CHIP, care a testat și comparat performanța imprimantelor 3D de consum, cele mai bune imprimante din 2016 sunt Ultimaker's Ultimaker 2, Conrad's Reniforce RF1000 și MakerBot's Replicator Desktop 3D Printer.

Ultimaker 2+ în modelul său îmbunătățit utilizează tehnologia de modelare a depunerilor fuzionate. Imprimanta 3D se distinge prin cea mai mică grosime a stratului de 0,02 mm, timp scurt de calcul și costuri reduse de imprimare (2.600 de ruble per 1 kg de material). Caracteristici cheie:

• dimensiunea camerei de lucru - 223 x 223 x 305 mm;
• greutate - 12,3 kg;
• dimensiunea capului - 0,25/0,4/0,6/0,8 mm;
• temperatura capului - 180-260°C;
• rezoluție strat - 150-60/200-20/400-20/600-20 microni;
• viteza de imprimare - 8-24 mm 3 /s;
• Precizie XYZ - 12,5-12,55 microni;
• material - PLA, ABS, CPE cu diametrul de 2,85 mm;
• software - Cura;
• tipuri de fișiere acceptate - STL, OBJ, AMF;
• - 221 W;
• pret - 1.895 euro model de baza si 2.495 euro extins.

Conform recenziilor clienților, imprimanta este ușor de instalat și utilizat. Ei remarcă rezoluția înaltă, patul auto-ajustabil, marea varietate de materiale utilizate și utilizarea software-ului open source. Dezavantajele imprimantei includ designul deschis al imprimantei, care poate duce la arsuri de la materialul fierbinte.

Imprimantă 3D LulzBot Mini

Recenzia PC Magazine a prezentat și imprimantele 3D Ultimaker 2 și Replicator Desktop în primele trei, dar imprimanta 3D LulzBot Mini a ieșit pe primul loc. Specificatiile sale sunt:

• dimensiunea camerei de lucru - 152 x 152 x 158 mm;
• greutate - 8,55 kg;
• temperatura capului - 300°C;
• grosimea stratului - 0,05-0,5 mm;
• viteza de imprimare - 275 mm/s cu o inaltime a stratului de 0,18 mm;
• material - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, poliester, nailon, policarbonat, PETG, PCTE, PC-ABS etc. cu diametrul de 3 mm;
• software - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl etc.;
• consum de energie - 300 W;
• preț - 1.250 dolari SUA.

Sciaky EBAM 300

Una dintre cele mai bune mașini industriale de producție aditivă este EBAM 300 de la Sciaky. Un tun cu fascicul de electroni depune straturi de metal cu o viteză de până la 9 kg pe oră.

• dimensiunea camerei de lucru - 5791 x 1219 x 1219 mm;
• presiunea camerei de vid - 1x10 -4 Torr;
• consum de energie - până la 42 kW la o tensiune de 60 kV;
• tehnologie - extrudare;
• material - titan si aliaje de titan, tantal, Inconel, wolfram, niobiu, otel inoxidabil, aluminiu, otel, aliaj cupru-nichel (70/30 si 30/70);
• volum maxim - 8605,2 l;
• preț - 250 de mii de dolari SUA.

Tehnologii aditive în Rusia

Mașinile de clasă industrială nu sunt produse în Rusia. Până acum, dezvoltările sunt în curs doar la Rosatom, centrul laser al MSTU. Bauman, Universitatea Stankin, Universitatea Politehnică din Sankt Petersburg, Universitatea Federală Ural. Voronezhselimmash, care produce imprimante 3D educaționale și de uz casnic Alpha, dezvoltă o instalație de aditivi industriali.

Aceeași situație este valabilă pentru consumabile. Liderul în dezvoltarea de pulberi și compoziții de pulbere în Rusia este VIAM. Produce pulbere pentru tehnologii aditive, utilizată în restaurarea palelor de turbine, comandată de Perm Aviadvigatel. Institutul All-Rusian de Aliaje Ușoare (VILS) face, de asemenea, progrese. Dezvoltarile sunt realizate de diverse centre de inginerie din întreaga Federație Rusă. Rostec, Filiala Ural a Academiei Ruse de Științe și UrFU își desfășoară propriile dezvoltări. Dar toate nu sunt capabile să satisfacă nici măcar o cerere mică de 20 de tone de pulbere pe an.

În acest sens, guvernul a instruit Ministerul Educației și Științei, Ministerul Dezvoltării Economice, Ministerul Industriei și Comerțului, Ministerul Telecomunicațiilor și Comunicațiilor de Masă, Academia Rusă de Științe, FANO, Roscosmos, Rosatom, Rosstandart și instituțiilor de dezvoltare să creeze un program coordonat de dezvoltare și cercetare. Pentru a realiza acest lucru, se propune alocarea unor alocări bugetare suplimentare, precum și luarea în considerare a posibilității de cofinanțare din Fondul Național de Asistență Socială și din alte surse. Se recomandă sprijinirea altora noi, inclusiv cele aditive, RVC, Rusnano, Fundația Skolkovo, agenția de export EXIAR și Vnesheconombank. De asemenea, guvernul, reprezentat de Ministerul Industriei și Comerțului, va pregăti o secțiune din programul de stat pentru dezvoltarea și îmbunătățirea competitivității industriale.

Imprimare

Piese și materiale

Tehnologii aditive în industria rusă

Tehnologiile AF sunt o verigă eficientă în producția modernă

Tehnologiile aditive (AF – Additive Manufacturing), sau tehnologiile de sinteză strat-cu-strat, sunt astăzi una dintre cele mai dinamice domenii ale producției „digitale”. Ele fac posibilă accelerarea cercetării și dezvoltării și soluționarea problemelor de pre-producție cu un ordin de mărime, iar în unele cazuri sunt deja utilizate în mod activ pentru producția de produse finite.

În trecutul recent, acum 10-15 ani, tehnologiile aditive au fost utilizate în principal în industriile avansate din punct de vedere tehnologic tradițional - industria auto, aviație și aerospațială, precum și în fabricarea de instrumente și medicină, unde tandemul „timp - bani” a fost întotdeauna. de o importanță deosebită.

În era economiei inovatoare, timpul petrecut cu producția de bunuri este cel mai important factor în succesul sau eșecul unei afaceri. Chiar și un produs bine produs poate să nu fie solicitat dacă piața este deja saturată cu produse similare de la companii concurente până la lansarea de noi produse. Prin urmare, tot mai multe industrii dezvoltă în mod activ tehnologiile AF. Din ce în ce mai mult, acestea sunt folosite de organizațiile de cercetare, birourile de arhitectură și design, studiourile de design și pur și simplu persoane fizice pentru creativitate sau ca hobby. La multe colegii și universități, mașinile de producție aditivă sau imprimantele 3D, așa cum sunt adesea numite, sunt o parte integrantă a procesului educațional pentru educația inginerească profesională.

Există multe tehnologii care pot fi numite aditive, acestea au un lucru în comun: construcția unui model are loc prin adăugarea de material (din engleză add - „add”), spre deosebire de tehnologiile tradiționale, unde are loc crearea unei piese; prin eliminarea materialului „în plus”.

Tehnologia clasică și cea mai precisă este tehnologia SLA (de la Stereolithography Apparatus), sau stereolitografia - întărirea strat cu strat a unui fotopolimer lichid cu laser.

Există multe tipuri de compoziții fotopolimerice, astfel încât gama de aplicații pentru prototipurile obținute prin tehnologia SLA este foarte largă: machete și modele la scară pentru încercări aero- și hidrodinamice, modele de turnătorie și master model, modele și prototipuri de proiectare, modele funcționale etc. .

Sinterizarea selectivă cu laser (tehnologia SLS (Selective Laser Sintering), SelectiveLaserMelting) este un alt domeniu important al tehnologiilor aditive.

Aici, materialul de construcție (model) este materiale libere, pulverulente, iar laserul nu este o sursă de lumină, ca în mașinile SLA, ci o sursă de căldură prin care particulele de pulbere sunt topite. Un număr mare de pulberi polimerice și metalice sunt utilizate ca materiale model.

Poliamida pulbere este utilizată în principal pentru modelarea funcțională, prototiparea și producția de ansambluri de control. Polistirenul este folosit pentru a face modele de burnout de turnătorie.

O zonă separată este sinterizarea (fuziunea) cu laser strat cu strat a compozițiilor de pulbere metalică. Dezvoltarea acestei zone de tehnologii AF a stimulat și dezvoltarea tehnologiilor de producere a pulberilor metalice. Astăzi, gama de compoziții metalice are o gamă largă de materiale pe bază de Ni și Co (CoCrMO, Inconel, NiCrMo), pe bază de Fe (oțeluri pentru scule: 18Ni300, H13; oțel inoxidabil: 316L), pe bază de Ti (Ti6-4). , CpTigr1), pe bază de Al (AlSi10Mg, AlSi12). Se produc pulberi de bronz, aliaje speciale, precum și metale prețioase - în principal pentru nevoile medicinei dentare.

Pulberile metalice sunt folosite pentru a „crește” semifabricate de matriță, unelte speciale, piese originale de configurații complexe care sunt greu sau imposibil de obținut prin turnare sau prelucrare, implanturi și endoproteze și multe altele. Deja acum, cu producția pe piese și la scară mică, devine adesea profitabilă din punct de vedere economic să „creștem” un lot mic de piese pe o mașină SLS, mai degrabă decât să produci echipamente de turnătorie sau ștanțare. În combinație cu HIP (presare izostatică la cald) și tratamentul termic adecvat, astfel de piese nu numai că nu sunt inferioare produselor turnate sau forjate, dar le depășesc și rezistența cu 20-30%.

Se deschid perspective foarte largi pentru o altă tehnologie aditivă - tehnologia de imprimare cu jet de cerneală - tehnologia InkJet sau PolyJet. Această tehnologie presupune aplicarea unui material model sau liant folosind capete cu jet. Tehnologiile InkJet prezintă un interes deosebit pentru turnătorie.

Ele vă permit să „creșteți” matrițele de turnare direct, adică partea „negativă” și să eliminați etapele de fabricație a echipamentelor de turnare - modelul principal și modelul de turnare. Compania ExOne (și filiala sa ProMetal GmbH) produce mașini S-Max, care nu sunt poziționate ca „mașini de prototipare”, ci ca echipamente industriale tehnologice complet „obișnuite” instalate în lanțul tehnologic general de producție nu numai pilot, ci și în serie. produse . Aproape toate companiile de automobile din lume au achiziționat astfel de mașini. Acest lucru este de înțeles - cu ajutorul lor, a devenit posibil să se reducă timpul de cercetare și dezvoltare nu în mod semnificativ, ci într-un ordin de mărime, pentru articole care sunt critice pentru producătorii de automobile - piese de turnătorie: blocuri motoare și chiulase, osii și cutii de viteze, piese care nu pot. fi fabricate în luni de producție pilot tradiționale au fost petrecute, și ținând cont de dezvoltarea experimentală și pregătirea producției - multe luni. Acum, designerul își poate vedea noul motor pe un banc de testare nu la șase luni, ci la două săptămâni după finalizarea proiectului tehnic.

Astăzi, în Rusia există multe companii care oferă servicii de prototipare, dar acestea sunt în mare parte întreprinderi mici care au una sau două imprimante 3D ieftine, capabile să producă piese simple. Acest lucru se datorează faptului că echipamentele de înaltă tehnologie capabile să asigure produse de înaltă calitate sunt costisitoare și necesită personal calificat, special instruit pentru operare și întreținere. Nu orice companie își poate permite acest lucru, deoarece pentru a-l achiziționa, trebuie să înțelegeți clar cum și cât de eficient va fi utilizat acest echipament și dacă va fi încărcat cu muncă. Punctul slab al unor astfel de companii este lipsa de complexitate în rezolvarea problemelor. În cel mai bun caz, problema se limitează la furnizarea unui serviciu destul de simplu - realizarea unui prototip sau model într-un fel sau altul. În timp ce tehnologiile AF nu sunt doar și nu atât de mult o imprimantă 3D, ci o parte importantă a mediului 3D în care are loc nașterea unui nou produs - de la conceptul designerului până la materializarea ideilor sale în producția de masă. Un mediu în care un produs nou este creat, „trăiește”, operat și reparat până la sfârșitul „ciclului de viață” al acestui produs.

Prin urmare, pentru a utiliza pe deplin tehnologiile AF, trebuie să creați acest mediu: master design și modelare 3D, tehnologii CAE și CAM, tehnologii de digitizare și reinginerie, tehnologii conexe, inclusiv destul de tradiționale, dar reformatate pentru mediul 3D. Mai mult, acest lucru nu poate fi stăpânit într-o singură universitate sau o fabrică mare - așa este industria în ansamblu la toate nivelurile - acest lucru nu este nici măcar într-o singură, de exemplu, industria aviației sau auto. Atunci tehnologiile AF nu vor arăta ca delicii exotice, ci mai degrabă o legătură complet naturală și eficientă în mediul 3D general pentru crearea, producția și ciclul de viață al unui produs.

Pe piață există și companii mari care au echipamente de înalt nivel, care, de regulă, rezolvă probleme de producție destul de complexe și oferă o gamă mai largă de servicii utile asociate prototipării, capabile să efectueze cercetare și dezvoltare de la început până la sfârșit și să monitorizeze calitatea muncii în fiecare etapă. Astfel de întreprinderi includ FSUE „NAMI”, AB „Universal”, NPO „Salut”, OJSC „NIAT” (Moscova), UMPO (Ufa), Institutul de Cercetare „Machine-Building Technologies”, (SPbSPU), OJSC „Tushinsky Machine-Building” Plant” și o serie de altele. Cu toate acestea, nu orice întreprindere este capabilă de o asemenea abordare integrată, mai ales în condițiile unei poziții indiferente din partea statului.

În general, situația cu introducerea tehnologiilor AF în industria rusă rămâne extrem de nefavorabilă. Oamenii de știință, inginerii și tehnologii nu au găsit cuvintele potrivite pentru a atrage atenția statului asupra decalajului periculos în sfera inovației, care este absolut necesar pentru industria autohtonă. Ei nu au găsit niciun argument pentru a convinge autoritățile de necesitatea dezvoltării unui program național de dezvoltare a tehnologiilor aditive și de a crea o industrie autohtonă de mașini AF. Rusia practic nu participă la organizațiile internaționale care au o influență semnificativă asupra dezvoltării tehnologiilor AF în lume.

Problemele cheie la implementarea tehnologiilor AF sunt în primul rând personalul, care, după cum știm, decide totul; Mașini 3D în sine, echipamente AF de înaltă calitate care nu pot fi achiziționate și nu pot fi create fără sprijinul direcționat din partea guvernului într-o formă sau alta (care, de altfel, se face în străinătate în marea majoritate a cazurilor); materialele este o problemă separată și complexă de natură interdisciplinară, a cărei soluție, din nou, depinde în întregime de calitatea managementului procesului din partea statului. Acestea sunt sarcini care sunt dincolo de atingerea unei singure industrii. Aceasta este o problemă care poate fi rezolvată doar prin interacțiunea direcționată între învățământul superior, știința academică și știința industrială.

Un exemplu excelent de „intervenție pe piață” guvernamentală în rezolvarea unor probleme tehnologice complexe este turnătoria ACTech, construită la Freiburg (lângă Dresda) la sfârșitul anilor 90 în timpul renașterii Teritoriilor de Est. Planta este destul de mică după standardele noastre - doar 6500 mp. metri de suprafață totală, construită de la zero, în câmp deschis și a fost dotată cu cele mai avansate echipamente tehnologice, a căror caracteristică principală era mașinile AF pentru creșterea matrițelor de nisip (de la compania EOS, München). Acesta a fost poate primul exemplu de abordare integrată - fabrica a fost echipată cu echipamente moderne pentru lucru real într-un mediu 3D: mașini AF, echipamente de măsurare, mașini CNC, echipamente de topire, turnătorie și termice. În prezent, acolo lucrează aproximativ 230 de oameni, dintre care 80% sunt ingineri și management. Acum este una dintre cele mai cunoscute fabrici cu renume mondial, ai cărei clienți includ aproape toate companiile de automobile de top din Germania, multe companii de aviație europene și americane. Este suficient să transferați un fișier 3D al viitorului produs în fabrică și să descrieți sarcina: materialul, cantitatea, timpul de producție dorit și ceea ce doriți să primiți - o piesă turnată sau complet prelucrată, timpul de onorare a comenzii depinde de aceasta; de la 7 zile la 8 săptămâni. Este de remarcat faptul că aproximativ 20% din comenzi sunt piese unice, aproximativ 40% sunt comenzi pentru 2-5 piese. Aproape jumătate din piese turnate sunt din fontă; aproximativ o treime este aluminiu; restul este oțel și alte aliaje. Specialiștii fabricii cooperează în mod activ cu producătorii de echipamente AF și efectuează cercetări în comun cu universități, fabrica este atât o întreprindere comercială de succes, cât și un teren de testare pentru testarea noilor procese tehnologice.

Ciclul de viață al unui produs nou.
Lucrarea a fost efectuată pentru CJSC NPO „Turbotekhnika”

Piața tehnologiilor aditive din Rusia se dezvoltă, dar acest lucru se întâmplă foarte lent, deoarece pentru a aduce aceste tehnologii la nivelul corespunzător, este necesar sprijinul statului. Cu o atenție adecvată pentru implementarea tehnologiilor AF, acestea pot îmbunătăți semnificativ viteza de răspuns la nevoile pieței și eficiența costurilor a multor industrii.

Kirill Kazmirchuk, director adjunct al Institutului de Cercetare a Tehnologiilor de Inginerie Mecanică, Universitatea Politehnică de Stat din Sankt Petersburg
Vyacheslav Dovbysh, șeful laboratorului de turnare în vid a metalelor și polimerilor, Institutul de Cercetare „NAMI”

Fotografii și materiale oferite de autori

Fără exagerare, tehnologiile aditive (AF) sunt considerate o descoperire inovatoare, o nouă tendință globală.

Pătrunderea lor în sferele cheie ale vieții este indisolubil legată de dezvoltarea industriilor intensive în cunoaștere și a tehnologiilor înalte.

Tehnologiile AF înseamnă procesul de sinteză strat cu strat a unui obiect dintr-un model tridimensional. Principalul avantaj al tehnologiei este conservarea resurselor, în care pierderea de substanțe utile se apropie de zero.

Unde sunt folosite tehnologiile aditive?

Tehnologiile AF sunt folosite aproape peste tot. Sunt utilizate în industria auto, energie, industria alimentară, arhitectură/design, inginerie mecanică, procesul de creare a suvenirurilor, jucăriilor, bunurilor de larg consum și așa mai departe.

Tehnologiile aditive în industrie sunt utilizate în dezvoltarea semifabricatelor de matriță, a sculelor speciale, a pieselor cu geometrie complexă, a endoprotezelor și a implanturilor. Piesele finite sunt cu 20-30% mai rezistente decat cele obtinute in mod traditional. Tehnologiile sunt aplicabile acolo unde este imposibil/nepotrivit să se utilizeze metoda de turnare sau prelucrarea mecanică. Dezvoltarea lor în industrie este facilitată de o creștere a gamei de materiale cu pulbere metalică. Dacă la începutul anilor 2000 nu existau mai mult de 5 articole, astăzi numărul lor se măsoară în zeci.

ÎN inginerie mecanică tehnologiile aditive sunt introduse nu mai puțin activ. În special, cu ajutorul lor, preocupările de automobile reduc cu un ordin de mărime perioada de cercetare și dezvoltare pentru piese turnate (chiulase de motor, cutii de viteze, osii). Prin implementarea AF, designerii primesc un model vizual al motorului la două săptămâni după finalizarea proiectului tehnic. Anterior, asta dura luni de zile.

Avantajele tehnologiilor aditive

Tehnologiile aditive, utilizate cu succes în inginerie mecanică și în alte domenii în ultimii 20 de ani, oferă beneficii evidente:

Economisirea resurselor. Produsele finite sunt „crescute” de la zero, datorită cărora putem vorbi despre producție fără deșeuri. În plus, costurile de eliminare a deșeurilor sunt eliminate. Pentru comparație, pierderea de material pe piesele de prelucrat atunci când se utilizează metode conservatoare de prelucrare a metalelor poate ajunge până la 85%.

Accelerarea procesului de producție. Reducerea ciclului de la dezvoltarea proiectului până la lansarea produselor finite oferă avantaje competitive. Modelarea pe computer nu necesită calcule lungi și numeroase desene. În același timp, viteza nu dăunează calității.

Precizia parametrilor. Cu sinteza strat cu strat, este posibil să se obțină o conformitate maximă în densitate, stres rezidual și indicatorii tehnici. Rezistența produselor este cu 20–30% mai mare decât cea a celor turnate/forjate.

Mobilitate. Lansarea producției unei noi serii de produse nu necesită o pregătire îndelungată sau achiziționarea de echipamente voluminoase. Procesul este flexibil, permițându-vă să vă adaptați la condițiile în schimbare ale pieței. Modelele pot fi transmise prin tehnologia computerizată în orice colț al planetei în câteva secunde.

Pentru industrii precum producția de aeronave, un avantaj important este reducerea greutății produselor obținute prin introducerea tehnologiilor aditive. Piesele individuale pot fi făcute cu 40-50% mai ușoare fără pierderi de rezistență.

Experiență mondială

În fiecare an, piața globală a tehnologiilor de aditivi prezintă o creștere în intervalul 27-28%. SUA este considerată lider în implementarea lor - ponderea echipamentelor AF ajunge la 38%. Japonia și Germania sunt, de asemenea, printre primele trei. NASA testează un motor de rachetă fabricat aditiv cu un injector,

Google și 3D Systems lucrează la o imprimantă 3D automată color, care poate produce mii de module pentru smartphone-uri.

Programul guvernului japonez pentru implementarea producției aditive este susținut de 27 de companii, inclusiv Panasonic, Mitsubishi și Nissan. Este planificat ca până în 2020 să fie posibilă crearea unui scanner 3D industrial perfect aici. În paralel, țara finanțează activități de dezvoltare software și cercetare și dezvoltare în domeniul imprimării de ultraprecizie.

Tehnologii aditive în Rusia

Piața națională a tehnologiilor AF rămâne în urma celei globale. Dezvoltarea sa este îngreunată:

lipsa de personal;

lipsa echipamentelor/materialelor;

lipsa sprijinului guvernamental.

Astăzi, în Rusia există companii angajate în prototipare. Majoritatea sunt mici, fără echipamente scumpe. FSUE „NAMI”, NPO „Salut”, AB „Universal”, Institutul de Cercetare „Machine-Building Technologies” au instalații de un nivel destul de înalt. Capacitatea lor este suficientă pentru a efectua cercetare și dezvoltare. VIAM este lider în producția de pulberi. Ele sunt folosite, de exemplu, pentru a reconstrui paletele turbinei. UrFU Yeltsin pregătește personal pentru imprimare 3D, scanare, modelare în stare solidă și inginerie inversă.

Politica de stat care vizează stimularea dezvoltării industriei ar trebui subvenționată. Un mecanism eficient este compensarea unei părți din costurile suportate de companii pentru fabricarea și vânzarea serii pilot de produse industriale. Introducerea tehnologiilor AF ar trebui, de asemenea, facilitată de Fondul de Dezvoltare Industrială prin acordarea de împrumuturi direcționate în condiții preferențiale.