Аддитивные технологии и аддитивное производство. Аддитивные технологии в российской промышленности. Применение аддитивных технологий

Аддитивные технологии (AF) без преувеличения считают инновационным прорывом, новым мировым трендом.

Их проникновение в ключевые сферы жизнедеятельности неразрывно связано с развитием наукоемких отраслей, высоких технологий.

Под AF-технологиями понимают процесс послойного синтеза объекта из трехмерной модели. Главный плюс технологий — ресурсосбережение, при котором потери полезного вещества устремляются к нулю.

Где используют аддитивные технологии

AF-технологии находят применение практически повсеместно. Их используют в автомобильной промышленности, энергетике, пищевой промышленности , архитектуре/дизайне , машиностроении , процессе создания сувениров, игрушек, потребительских товаров и так далее.

Аддитивные технологии в промышленности задействуют при разработке заготовок пресс-форм, специнструмента, деталей со сложной геометрией, эндопротезов, имплантатов. Готовые детали прочнее получаемых традиционным путем на 20-30%. Технологии применимы там, где невозможно/нецелесообразно использовать метод литья, механическую обработку. Их развитию в промышленности способствует увеличение ассортимента металлопорошковых материалов . Если в начале 2000-х гг насчитывалось не более 5 наименований, то сегодня их количество измеряется десятками.

В машиностроении аддитивные технологии внедряются не менее активно. В частности, автомобильные концерны с их помощью на порядок сокращают период прохождения НИОКР по литейным деталям (головки цилиндров моторов, КПП, мосты). Внедряя AF, конструкторы получают наглядную модель двигателя спустя две недели с момента завершения работы над техническим проектом. Ранее на это требовались месяцы.

Преимущества аддитивных технологий

Аддитивные технологии, успешно используемые в машиностроении и других сферах последние 20 лет, дают очевидные выгоды:

Экономия ресурсов. Готовые изделия «выращивают» с нуля, благодаря чему можно говорить о безотходном производстве. Кроме того, исключаются расходы на утилизацию отходов. Для сравнения, потери материала на заготовках при использовании консервативных методов металлообработки могут доходить до 85%.

Ускорение процесса производства. Сокращение цикла от момента разработки проекта до выпуска готовых изделий дает конкурентные преимущества. Компьютерное моделирование не требует долгих расчетов и многочисленных чертежей. При этом скорость не вредит качеству.

Точность параметров . При послойном синтезе удается достигать максимального соответствия по плотности, остаточному напряжению, техническим показателям. Прочность изделий на 20―30% выше, чем у литых/кованых.

Мобильность . Запуск производства новой серии изделий не требует длительной подготовки, закупки громоздкого оборудования. Процесс гибкий, что позволяет адаптироваться к меняющимся условиям рынка. Модели можно передавать посредством компьютерной техники в любой уголок планеты в считанные секунды.

Для таких отраслей как авиастроение, важное преимущество — снижение веса изделий, получаемых за счет внедрения аддитивных технологий. Отдельные детали удается сделать легче на 40―50% без потерь в прочности.

Мировой опыт

Ежегодно мировой рынок аддитивных технологий демонстрирует рост в пределах 27―28%. Лидером по их внедрению считаются США ― доля AF-оборудования достигает 38%. В тройке передовиков также значатся Япония и Германия. NASA тестирует созданный посредством аддитивных технологий ракетный двигатель с инжектором,

Google и 3D Systems работают над полноцветным автоматизированным 3D-принтером, который сможет изготавливать тысячи модулей для смартфонов.

Государственную программу Японии по внедрению аддитивного оборудования поддерживают 27 компаний, включая Panasonic, Mitsubishi, Nissan. Планируется, что к 2020 году здесь удастся создать совершенный промышленный 3D-сканер. Параллельно, страна финансирует мероприятия по разработке программного обеспечения , НИОКР в области сверхточной печати.

Аддитивные технологии в России

Национальный рынок AF-технологий отстает от мирового. Его развитие тормозится:

дефицитом кадров;

недостатком оборудования/материалов;

нехваткой господдержки.

Сегодня в России функционируют компании, занимающиеся прототипированием. Большинство из них — небольшие, без дорогостоящего оборудования. Установками достаточно высокого уровня располагают ФГУП «НАМИ», НПО «Салют», АБ «Универсал», НИИ «Машиностроительные Технологии». Их мощностей достаточно для того, чтобы провести НИОКР. ВИАМ лидирует в производстве порошков. Они используются, например, для реконструкции лопаток турбин. В УрФУ Ельцина готовят кадры для 3D-печати, сканирования, твердотельного моделирования, реверс-инжиниринга.

Государственная политика, направленная на стимулирование развития отрасли, должна быть ориентирована на субсидирование. Действенный механизм — компенсация части расходов, которые несут компании при изготовлении и реализации пилотных серий промышленной продукции. Внедрению AF-технологий также должен способствовать Фонд развития промышленности, предоставляя целевые ссуды на льготных условиях.

Мастер хорош лишь настолько, насколько хороши его инструменты. Так и 3d принтер хорош лишь настолько, насколько хороши используемые им . Все мы слышали об аддитивном производстве (АП), но чтобы эта технология, прошла от быстрого создания прототипов до массового производства, ей нужно преодолеть множество препятствий.

Несомненно, одним из самых крупных барьеров в превращении 3d печати в производственный процесс, являются ограничения, связанные с материалами. Мы прошли уже большой путь от дней, когда применялись только фирменные пластмассовые нити. В последние годы быстро развивается АП с использованием металла, и тенденция открытых платформ для полимеров для 3d печати, поощряет многих игроков, таких как DuPont, создавать новые применения материалов для аддитивного рынка.

Состояние отрасли аддитивного производства

Можно даже не говорить о росте рынка АП в последние десять лет. Более того, имеющиеся прогнозы предполагают, что рынок 3d печати продолжит обгонять традиционные технологии производства, такие как литье под давлением и станки с ЧПУ. Прогноз для АП с применением металла еще более оптимистичен, что объясняет, почему компании, такие как Vulcan Laboratories, которые ранее концентрировались на АП с применением полимеров, начали инвестировать в применение металла.

Заметные изменения индустрии АП легче воспринять, оценив, насколько продвинулась эта отрасль за такое короткое время. «В 2008 году 3d печатью занималась горстка компаний, выпускавших пару принтеров в год в исследовательских целях. Но теперь вся отрасль развивается со скоростью, значительно отличающейся от той, которая была 10 лет назад», — говорит Джон Кавола (John Kawola), президент компании Ultimaker .

Гордон Стайлз (Gordon Styles), президент и основатель компании Star Rapid , отметил изменения материалов для АП. «Десять лет назад я бы и подумать не мог, что можно печатать материалами высокой прочности, химически устойчивыми и отражающими тепло, — говорит он. — Это было до недавнего времени, но стартап Markforged делает именно это. Вместо более крупных корпораций, предложивших эту технологию, Markforged первой начала создавать детали с ониксом, и даже использует нить из кевлара, углеволокна и стекловолокна HSHT».

Как показывают слова Каволы и Стайлза, контраст между 2008 и 2018 годами в отрасли 3d печати, весьма заметный. За десять лет мы прошли от нескольких компаний до сотен, мы видели взрывной рост возможностей для настольной 3d печати, одновременно с резким падением цены. И мы прошли от теоретических рассуждений об использовании металла и других материалов в 3d печати, до аддитивного производства деталей для аэрокосмической индустрии.

Катушки с нитью, в целлофановой обертке для защиты от влаги

Для сравнения, хотя телефон RAZR V3 от Motorola был самым популярным телефоном в свое время, в 2008 году у нас уже были iPhone, Facebook, Twitter и многое другое. В терминах технологий производства, 2008 год стал годом, когда на IMTS был предложен открытый стандарт связи MTConnect.

Другими новинками IMTS 2008 были многофункциональные станки, машинная обработка пластмасс и композитных материалов. Все эти технологии добились прогресса за последние десять лет, но ни она из них не сравнится с взрывным ростом АП, который мы видели и продолжаем видеть сегодня.

Материалы аддитивной индустрии

Согласно отчету Wohlers Report 2017, рынок материалов для АП вырос с 2016 года на 17 процентов. Это медленнее роста рынка полимерного АП в целом, среднегодовой рост которого (CAGR) составил 29 процентов с 2010 по 2017 годы. Это не должно удивлять: рынок материалов еще не устоялся, и намного проще выпустить новый 3d принтер, чем разработать новый материал для печати.

Разнообразие материалов все еще представляют проблему в АП, хотя и не столь выраженную, как десять лет назад. «Если вернуться в 2008 год, то почти все компании использовали фирменную пластмассу в качестве материала — объясняет Кавола. – Для поставщика, когда потребитель мог покупать только у вас, доходы были высоки. Но если взять материалы, с которыми работали в то время, то их, может быть, были десятки, а не сотни, как сейчас».

Использование фирменных материалов — это хороший способ сохранять монополию, но он сдерживает разработку новых материалов. Если клиент не имеет выбора и должен покупать только у вас, то неважно, предлагает ли ваш конкурент другой материал с лучшими возможностями, поскольку барьер для перехода клиента к нему — покупка нового 3d принтера — слишком высок.

Подобная сегментация рынка также не поощряет инновации у поставщиков материалов. Если вы — DuPont, то намного выгоднее разработать материалы для 3d печати на базе нейлона, которые могут быть использованы на различных принтерах, чем создавать заказную формулу для каждого бренда.

К счастью, рынок материалов для АП в последние годы стал значительно более открытым, как объясняет Стайлз: «Сегодня мы видим, что большинство производителей принтеров открыты к развитию и использованию сырья покупателей и сторонних поставщиков. Это может быть вызвано количеством конкурентов с невысокими ценами и тем фактом, что разработки и проверка новых материалов являются дорогостоящими, и могут иметь очень узкую нишу применения. Это особенно верно для сплавов металлов».

«Поэтому отрасль 3d печати — включая такие компании, как Ultimaker и HP — перешла в последние годы к открытым платформам для материалов, — говорит Кавола. — Это распахнуло дверь крупным компаниям, производящим материалы по всему миру — DuPont, Dow, Owens Corning, Mitsubishi, DSM и многие другие. Я думаю, что это играет большую роль для подталкивания 3d печати в направлении производства, поскольку лучшие специалисты в мире полимерных материалов, начинают использовать материалы, применяемые в литье под давлением, и адаптируют их для 3d печати».

Но при использовании АП в производстве остается проблема сертификации материала. «Проверка материалов для АП и доказательство того, что полученные изделия не хуже, если не лучше изделий получаемых традиционными методами, является основным препятствием в применении АП в производстве, — говорит Стайлз. — Для этого требуются средства и время. В производственной среде необходимо доказывать возможность достижения того же качества для разных поставщиков, а также распространять и увеличивать их количество «.

«Высокие требования стабильного качества для сырья сложно удовлетворить при обширной базе поставки, не говоря уж о различиях в технологии производства и используемых источниках сырья у поставщиков. Все эти факторы необходимо учитывать», — добавляет он.

Возможности материалов для аддитивного производства определенно растут, поскольку в дело вступают крупные поставщики материалов, но какие материалы сегодня действительно пригодны для производственного применения?

Типы материалов для АП

Хотя существует множество материалов, которые можно использовать в АП — включая песок, стекло, керамику, и даже шоколад — в настоящей статье рассматриваются только две категории материалов, играющие наибольшую роль в производственных применениях: полимеры (например, термопластмассы) и металлы.

Металлические материалы для 3d печати

Рынок металлических материалов для АП рос еще быстрее, чем весь рынок АП, и причиной этого являются материалы. В отличие от 3d принтеров, использующих полимеры, которым требуется развитие совершенно новой отрасли материалов, 3d принтеры, использующие металлы, работают с проволокой или (что гораздо чаще) с металлическим порошком, получая их от уже существующих поставщиков.

Конечно, если нужно изготовлять металлические детали высокого качества, требуется использовать порошок, специально разработанный для АП, т.е., в котором соблюдается однородность размеров частиц. Тем не менее, использование одинаковых материалов для металлического покрытия и 3d печатью способствовало развитию порошковой индустрии. Это означает, что можно изготоваливать металлические детали по технологии АП из того же самого материала, из которого они изготавливались до этого.

Да и само по себе, АП предоставляет новые возможности для материалов, которые не использовались при традиционном производстве. Например, некоторые методы 3d печати металла позволяют наносить слои различных металлов — алюминия, тантала и никеля — при изготовлении одной детали. С другой стороны, процесс 3d печати также вносит и новые проблемы, и источники ошибок, включая пористость, остаточные напряжения и деформации.

Но вообще, если металл хорошо ведет себя при сварке или отливке, он также подходит для АП. Как отмечалось выше, уже существует широкий диапазон металлов и сплавов, которые можно использовать в 3d печати, либо в форме порошка, либо в виде проволоки. К ним относятся:

Алюминий
Кобальт
Инконель
Никель
Драгоценные металлы (золото, серебро, платина)
Нержавеющая сталь
Тантал
Титан
Инструментальная сталь
Вольфрам.

Рассмотрим более подробно три металла из этого списка.

Аддитивное производство с титаном

Титан является одним из наиболее популярных материалов для 3d печати в производстве, особенно в аэрокосмических и медицинских приложениях. Он объединяет легкость алюминия с прочностью стали, и он не токсичен. Однако этим преимуществам противостоит относительно высокая стоимость титана. Поэтому снижение отходов делает АП привлекательным вариантом для получения титановых деталей.

Порошковый титан легко воспламеняется и взрывается при контакте с водой, при температурах, превышающий 700о C. По этой причине 3d печать с титановым порошком выполняется в вакуумных или в аргоновых камерах. Также можно выполнять 3d печать, используя плавку титановой проволоки электронным лучом (EBM), что устраняет риски взрывной реакции.

К двум наиболее распространенным титановым сплавам, используемым в АП, относятся 6Al-4V и 6Al-4V ELI.

3d печать с алюминием

Алюминий, легкий и универсальный металл, можно использовать для 3d печати аэрокосмических компонентов, и деталей гоночных автомобилей. Хотя он не обладает прочностью стали, алюминий намного легче ее и более устойчив к коррозии. Они также дороже стали, хотя и не настолько, как титан.

Основное преимущество применения алюминия в 3d печати заключается в возможности производства деталей с мелкими элементами и тонкими стенками (до 50 микрон). Алюминиевые детали, изготовленные методами АП, имеют более текстурную, матовую поверхность, в отличие от шлифованной поверхности при производстве алюминиевых деталей на станках

Распространенным алюминиевым сплавом для 3d печати является AlSi10Mg.

Аддитивное производство из нержавеющей стали

По сравнению с алюминием, титаном и большинством других металлов из приведенного списка, нержавеющая сталь является более доступным вариантом. Она может использоваться для 3d печати водостойких деталей высокой прочности и плотности, и используемых в экстремальной среде, такой как реактивные двигатели самолетов и ракет. Были проведены исследования применимости нержавеющей стали 316L для производства корпусов ядерных реакторов при помощи АП. Несмотря на то, что сталь 316L обычно поддается нетепловой обработке, отчет компания Renishaw предполагает, что процесс АП порождает более прочные сплавы, чем при ковке металла, обеспечивая усилие растяжения, превышающее 600 МПа. Детали из нержавеющей стали изготавливаются на 3d принтере либо путем непосредственного нанесение металла, либо используя композитный материал со связывающим веществом. Детали можно покрывать другими металлами для изменения внешнего вида или свойств поверхности.

Распространенными сплавами нержавеющей стали, используемыми в АП, являются 17-4PH, 15-5-PH, ASM 316L и 304L.

Термопластичные материалы для 3d печати

Рынок материалов для термопластичного или полимерного АП развивался несколько десятилетий, а с появившейся тенденций к открытым платформам материалов 3d печати, он стал более устойчивым. Как говорит Кавола: «ОЕМ покупают свои материалы для литья под давлением у крупных компаний, производящих пластмассу. Если эти компании также выпускают нить или порошок для 3d печати, то можно на стадии создания прототипов применять их в 3d принтерах, и затем те же материалы применять для литья под давлением. Идея относительно нова, и возникла лишь в последние годы».

Использование одних и тех же материалов для 3d печати и литья под давлением дает ряд преимущества. Среди них уверенность применения одних и тех же материалов во всем процессе, от прототипов до производства. Есть и менее явные преимущества, такие как отсутствие дополнительной сертификации материалов, увеличивающей время их принятия.

«Процессы литья под давлением и 3d печати для изготовления той же самой детали различаются, но если используется одинаковый материал, то компания получает преимущества от принятия технологий АП», — говорит Кавола.

Стайлз особо отмечает появление одного популярного материала: «В этом году мы увидели появление PEEK, бесцветного, органического, термопластичного полимера для различных производственных систем, — говорит он. — PEEK очень популярен в автомобильной, медицинской, аэрокосмической и химической отраслях. Он устойчив к ударам (твердый), прочный, долговечный, его температура плавления превышает 300ОC, и кроме того, FDA разрешила использовать его при контакте с пищевыми продуктами».

Список полимерных материалов для 3d печати намного длиннее списка металлов, но среди наиболее популярных материалов можно назвать следующие:

Ацеталь
Акриловое волокно
Aкрилонитрил бутадиен стирол (ABS)
Акрилонитрил стирол акрилат (АSA)
Ударопрочный полистирол (HIPS)
Нейлон
Поликарбонат (PC)
Полиэфирэфиркетон (PEEK)
Полиэтилентерефталат (PET)
Полиэтилентерефталат триметилена (PETT)
Модифицированный гликолем полиэтилентерефталат (PET-G)
Полилактид (PLA)
Полипропилен (PP)
Поливиниловый спирт (PVA)
Термопластичный эластомер (TPE)
Полиэфиримид ULTEM

Как и в случае металлов, рассмотрим детально три материала из этого списка.

АП с Акрилонитрил бутадиен стиролом (ABS)

До сих пор весьма популярным материалом 3d печати является ABS. Хотя в целом PLA более популярен, но почти всегда для производства лучше использовать ABS благодаря его прочности, долговечности и невысокой стоимости. Для применения на 3d принтере, ABS необходимо нагреть до относительно высокой температуры в 230-250О C, и поэтому он требует подогрева основания принтера для обеспечения правильного охлаждения и предотвращения деформаций.

Детали из ABS получают с использованием методов наплавления (FDM), послойного склеивания, стереолитографии (SLA) или фотополимерной печати. Основным недостатком ABS является его токсичность, выделяемые ядовитые испарения при достижении точки плавления. Полученные на 3d принтерах детали из ABS часто используются для отливки конечных продуктов или инструментальных приложениях.

3d печать с нейлоном

Нейлон (полиамид) представляет собой синтетический полимер. Он прочнее, чем ABS, хотя и дороже. Он гибкий и демонстрирует прекрасную память материала. Послойное склеивание деталей, полученных на 3d принтере, также выводит нейлон на уровень выше среднего.

Чувствительность нейлона к влаге требует его применения в АП либо в вакууме, либо при высокой температуре. Хранить его нужно в герметичных контейнерах. Некоторые детали из нейлона могут сжиматься, что делает его менее точным материалом, чем ABS.

Популярные марки нейлона для АП: Taulman 618, Taulman 645 и Bridge Nylon.

Аддитивное производство с поликарбонатом (PC)

Поликарбонат (торговая марка Lexan), представляет собой легкий и плотный материал с великолепной прочностью на растяжение. Его прозрачность позволяет использовать его для разнообразных приложений, даже при производстве солнцезащитных очков. Усиленный углеродом PC, может применяться для создания впускных коллекторов и других деталей, подвергаемых воздействию высокой температуры.

PC растворяется в дихлорметане, и плавится при температуре 260-300О С, что довольно много для 3d печати. Несмотря на прозрачность, при необходимости PC может быть окрашен. Как и ABS, он требует нагрева основания принтера для обеспечения склеивания и снижения деформации.

Материалы для 3d печати

Эти компоненты M781 были получены на 3d принтерах во время шестимесячной совместной программы RDECOM, ManTech и America Makes. Их цена на тысячи долларов ниже, чем у аналогичных компонентов, созданных стандартными методами производства.

Несмотря на весь прогресс, 3d печать остается скорее нишевой технологией, чем основным направлением в производстве. Кавола объясняет сегодняшнее место АП в секторе в целом, рассматривая две крайности спектра производства;

«Одной крайностью является производство деталей Lego, затрачивая по полцента на каждую, — говорит он. — Вы никогда не сможете конкурировать здесь, используя 3d печать, по крайней мере, не при моей жизни. Другая крайность — применение 3d печати в стоматологии, где все делается в единичном экземпляре. Поэтому наилучшая возможность для 3d печати в производстве находится там, где выпускаются от 100 до 1000 деталей».

Когда вопрос касается материалов, Стайлз отмечает один из аспектов, которые следует учитывать. «Люди должны знать стоимость сырья и производства, — говорит он. — Многие просто не понимают, насколько дорогостоящим может быть процесс АП. Понимание затрат может помочь принимать информированное решение о применении 3d печати традиционной технологии, такой как литье под давлением или обработка на станках с ЧПУ».

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

Революционные преимущества

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

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

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

Уникальные возможности АП обеспечивают следующие преимущества:

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

Рынок аддитивных технологий

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

Обзор мирового рынка

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Прогнозы развития

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

2016: Топ-5 изготовителей систем АП

В число ведущих изготовителей систем АП на 2016 г входят:

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

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

2012: Рост объема рынка на 28,6%

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

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

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

Технологии и оборудование

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

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

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

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

Энергопотребление и влияние на окружающую среду

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

Аналогичным образом у технологий АП есть значительный потенциал в вопросе снижения выброса парниковых газов посредством оптимизации дизайна изделий и сокращения потерь материала. Результаты проекта ATIKINS приводят к заключению, что оптимальный дизайн должен приводить к 40%-ному снижению веса и экономии материала. Выполненный в рамках проекта анализ показывает, что снижение веса магистрального самолета на 100 кг на протяжении всего жизненного цикла влечет за собой экономию $2,5 млн на топливных расходах и сокращает выбросы углекислого газа на 1,3 млн т.

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

Применения аддитивного производства

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

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

Авиационно-космическая промышленность

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

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

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

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

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

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

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

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

Оригинал этого материала: Аддитивные технологии: возможности и перспективы 3D-печати. «Управление производством. Цифровое производство» , апрель 2017. Публикуется в сокращении.

Применение новых технологий - главный тренд последних лет в любой сфере промышленного производства. Каждое предприятие в России и мире стремиться создавать более дешевую, надежную и качественную продукцию, использую самые совершенные методы и материалы. Использование аддитивных технологий - один из ярчайших примеров того, как новые разработки и оборудование могут существенно улучшать традиционное производство.

Что такое аддитивные технологии?

Аддитивные технологии производства позволяют изготавливать любое изделие послойно на основе компьютерной 3D-модели. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления. Если при традиционном производстве в начале мы имеем заготовку, от которой оптом отсекаем все лишнее, либо деформируем ее, то в случае с аддитивными технологиями из ничего (а точнее, из аморфного расходного материала) выстраивается новое изделие. В зависимости от технологии, объект может строиться снизу-вверх или наоборот, получать различные свойства.

Общую схему аддитивного производства можно изобразить в виде следующей последовательности:

Первые аддитивные системы производства работали главным образом с полимерными материалами . Сегодня 3D-принтеры , олицетворяющие аддитивное производство, способны работать не только с ними, но и с инженерными пластиками , композитными порошками , различными типами металлов , керамикой, песком . Аддитивные технологии активно используются в машиностроении, промышленности, науке, образовании, проектировании, медицине, литейном производстве и многих других сферах.

Наглядные примеры того, как аддитивные технологии применяются в промышленности - опыт BMW и General Electric:

Преимущества аддитивных технологий

Улучшенные свойства готовой продукции. Благодаря послойному построению, изделия обладают уникальным набором свойств. Например, детали, созданные на металлическом 3D-принтере по своему механическому поведению, плотности, остаточному напряжении и другим свойствам превосходят аналоги, полученные с помощью литья или механической обработки.
Большая экономия сырья. Аддитивные технологии используют практически то количество материала, которое нужно для производства вашего изделия. Тогда как при традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 80-85%.
Возможность изготовления изделий со сложной геометрией. Оборудование для аддитивных технологий позволяет производить предметы, которые невозможно получить другим способом. Например, деталь внутри детали. Или очень сложные системы охлаждения на основе сетчатых конструкций (этого не получить ни литьем, ни штамповкой).
Мобильность производства и ускорение обмена данными. Больше никаких чертежей, замеров и громоздких образцов. В основе аддитивных технологий лежит компьютерная модель будущего изделия, которую можно передать в считанные минуты на другой конец мира - и сразу начать производство.

Схематично различия в традиционном и аддитивном производстве можно изобразить следующей схемой:

Аддитивное производство: технологии и материалы

Под аддитивным производством понимают процесс выращивания изделий на 3D-принтере по CAD-модели. Этот процесс считается инновационным и противопоставляется традиционным способам промышленного производства.

Сегодня можно выделить следующие технологии аддитивного производства:

FDM (Fused deposition modeling) - послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити. Это самый распространенный способ 3D-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3D-принтеров - от самых дешевых до промышленных систем трехмерной печати. FDM-принтеры работают с различными типами пластиков, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, гибкостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов. Крупнейшим в мире производителем пластиковых 3D-принтеров является американская компания Stratasys .
.

SLM (Selective laser melting) - селективное лазерное сплавление металлических порошков. Самый распространенный метод 3D-печати металлом. С помощью этой технологии можно быстро изготавливать сложные по геометрии металлические изделия, которые по своим качествам превосходят литейное и прокатное производство. Основные производители систем SLM-печати - немецкие компании SLM Solutions и Realizer .
.

SLS (Selective laser sintering) - селективное лазерное спекание полимерных порошков. С помощью этой технологии можно получать большие изделия с различными физическими свойствами (повышенная прочность, гибкость, термостойкость и др). Крупнейшим производителем SLS-принтеров является американский концерн 3D Systems .
.

SLA (сокращенно от Stereolithography) - лазерная стереолитография, отверждение жидкого фотополимерного материала под действием лазера. Эта технология аддитивного цифрового производства ориентирована на изготовление высокоточных изделий с различными свойствами. Крупнейшим производителем SLA-принтеров является американский концерн 3D Systems .
.

В отдельную категорию стоит вынести технологии быстрого прототипирования . Это способы 3D-печати, предназначенные для получения образцов для визуальной оценки, тестирования или мастер-моделей для создания литейных форм.

MJM (Multi-jet Modeling) - многоструйное моделирование с помощью фотополимерного или воскового материала. Эта технология позволяет изготавливать выжигаемые или выплавляемые мастер-модели для литья, а также - прототипы различной продукции. Используется в 3D-принтерах серии ProJet компании 3D Systems.
PolyJet - отверждение жидкого фотополимера под воздействием ультрафиолетового излучения. Используется в линейке 3D-принтеров Objet американской компании Stratasys . Технология используется для получения прототипов и мастер-моделей с гладкими поверхностями.
CJP (Color jet printing) - послойное распределение клеящего вещества по порошковому гипсовому материалу. Технология 3D-печати гипсом используется в 3D-принтерах серии ProJet x60 (ранее называлась ZPrinter). На сегодняшний день - это единственная промышленная технология полноцветной 3D-печати. С ее помощью изготавливают яркие красочные прототипы продукции для тестирования и презентаций, а также различные сувениры, архитектурные макеты.

Аддитивные технологии в России

Отечественные предприятия с каждым годом все более активно используют системы 3D-печати в производственных и научных целях. Оборудование для аддитивного производства, грамотно встроенное в производственную цепочку, позволяет не только сократить издержки и сэкономить время, но и начать выполнять более сложные задачи.

Компания Globatek.3D с 2010 года занимается поставкой в Россию новейших систем 3D-печати и 3D-сканирования. Оборудование, установленное нашими специалистами, работает в крупнейших университетах (МГТУ им. Баумана, МИФИ, МИСИС, Приволжском, СГАУ и других) и промышленных предприятиях, учреждениях ВПК и аэрокосмической отрасли.

Репортаж телеканала «Россия» об использовании SLM 280HL, установленном специалистами Globatek.3D в Самарском государственном аэрокосмическом университете:

Специалисты GLobatek.3D помогают профессионалам из различных областей подобрать 3D-оборудование, которое будет максимально эффективно решать задачи, стоящие перед предприятием. Если ваша компания планирует приобрести оборудование для аддитивного производства, позвоните по телефону +7 495 646-15-33 , и консультанты компании Globatek.3D помогут вам с выбором.

Globatek.3D - 3D-оборудование для профессионалов.