3D-фанам стоит немного успокоиться

«Аддитивные технологии, в частности технологии 3D-печати, возможно, станут началом новой индустриальной революции», — объявил профессор Чеа Кай Чуа (Chua Chee Kai), директор Центра 3D-печати Наньянского технологического университета (Сингапур), выступая недавно на одной из конференций, посвященных этим технологиям. Профессор — один из самых цитируемых ученых в мире в этой области.

Сегодня мы наблюдаем вал публикаций, в которых рассказывается об использовании аддитивных технологий (АТ) в самых разнообразных областях науки и техники — от медицины, где обещают печатать человеческие органы, до авиации, где собираются печатать чуть ли не самолеты целиком. Известны публикации, рассказывающие об изготовлении методом 3D револьверов, автомобилей и даже домов. Реклама предлагает принтеры для 3D-печати ювелирных и кондитерских изделий. Вы можете купить 3D-принтер домой и печатать игрушки для детей или научить их делать это самостоятельно. В общем, действительно складывается впечатление, что мир накануне революции.

Попробуем разобраться, что это все-таки будет: революция или локальный переворот.

История и продвижение

Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) — обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (англ. add — добавлять; отсюда и название) материала.

Каждый слой для закрепления, фиксации и соединения с предыдущими слоями в соответствии с конфигурацией сечения СAD-модели подвергается воздействию теплового излучения, источником которого могут быть, например, лазеры.

Два основных типа аддитивных технологий

Первой аддитивной технологией была стереолитография, основанная на инициированной лазерным излучением или излучением ртутных ламп полимеризации фотополимеризующейся композиции. Впервые процесс стереолитографии был представлен компанией 3D Systems в 1987 году. А первым применением было прототипирование, то есть изготовление макетов проектируемых деталей и устройств на стадии их разработки. До середины 1990-х стереолитография использовалась главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности. Широкое распространение цифровых технологий в области проектирования, моделирования и расчетов и механообработки стимулировало быстрый рост интереса к возможности использования АТ, основанных на цифровом проектировании, уже непосредственно в производстве.

В настоящее время в аддитивных технологиях применяют уже не только самые разнообразные полимеры, но и металлы для изготовления деталей, использующихся и для проектирования, и непосредственно в машиностроении.

Более того, многие специалисты полагают, что АТ в самое ближайшее время приобретут статус стратегически важных, приоритетных технологий машиностроения. В США еще в 2012 году по указу президента Барака Обамы в городе Янгстоун, штат Огайо, был открыт National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII), представляющий собой некоммерческое партнерство, возглавляемое министерством обороны, в котором участвуют 40 производственных компаний, девять университетов, пять колледжей и 11 некоммерческих организаций. Задача NAMII — обеспечить инновационной инфраструктурой разработку аддитивных технологий, оборудования и материалов, чтобы стать глобальным центром передового опыта для аддитивного производства.

Аддитивные технологии — одна из наиболее динамично развивающихся отраслей машиностроения. По данным Wohlers Associates, мировой рынок АТ в 2014 году составил около 3 млрд долларов, при этом средние темпы роста составляют 20–30%. Прогнозируется, что к 2020 году объем мирового рынка АТ может достичь 16 млрд долларов. Мировой рынок аддитивного производства состоит из трех сегментов: оборудование, материалы и услуги, инжиниринг. В настоящее время 45% рынка приходится на оборудование и материалы, а 65% — на сервис и инжиниринг.

Ведущими исследовательскими центрами по разработке аддитивных технологий, материалов и оборудования являются Fraunhofer Institute for Machine Tools and Forming Technology IWU (Германия, годовой бюджет — 34 млн евро), Oak Ridge National Laboratory (Теннесси, США, годовой бюджет — 1,46 млрд долларов) и America Makes (головной институт уже упомянутого National Additive Manufacturing Innovation Institute, открыт в августе 2012 года, стартовый бюджет — 70 млн долларов).

Хотя в России пока нет единого центра, объединяющего все заинтересованные в новой технологии организации, многие компании и вузы развернули в этом направлении работы, которые поддерживаются в том числе государственными инвестициями.

Самые успешные применения

Игорь Волков, заместитель генерального директора ООО НИИИТ, входящего в группу компаний Ostec, одно из основных направлений работы которого — внедрение аддитивных технологий в производство, отмечает, что первым и до сих пор самым распространенным применением АТ является прототипирование, то есть изготовление макета изделия на стадии его конструирования. «Это дает возможность очень быстро получить габаритный прототип любой детали или целой конструкции, опробовать эргономические решения. И тем самым серьезно сократить время на поиск того или иного технического решения».

Второе по распространенности — применение АТ для получения моделей для литья по выплавляемым моделям и литья в формы. «Это применение сыграло революционную роль в этих технологиях, в которых изготовление моделей традиционно было самым сложным и трудоемким процессом, требовавшим использования высококвалифицированного труда. В зависимости от размеров и сложности модели сроки ее изготовления могли составлять недели или даже месяцы. Причем аддитивная технология обеспечивает очень хорошую повторяемость модели по геометрии и лучшее качество ее поверхности», — объясняет Юрий Денисов, генеральный директор компании «РТБ-консалтинг», недавно издавшей обширный обзор «Перспективы развития аддитивных технологий».

Аддитивные технологии уменьшают отходы и экономят материалы

Например, для изготовления первого опытного образца блока цилиндров традиционными методами требуется не менее шести месяцев, при этом основные временные затраты приходятся на создание модельной оснастки для литья. Использование для этой цели АТ — выращивание литейной модели из фотополимера — сократило срок получения первой отливки до двух недель.

Третье применение аддитивных технологий, где получены серьезные достижения, — производство кастомизированной продукции, то есть возможность создания изделий по индивидуальным заказам, например для изготовления самых разных протезов: зубных, суставов, костей, черепных имплантатов. С помощью 3D-снимка органа пациента, нуждающегося в протезировании, получают цифровую 3D-модель протеза и затем на установке 3D-печати изготавливают его.

Таким же образом можно изготавливать подогнанные под конкретного человека кресла, что особенно важно в космонавтике и авиации, но возможно и в автомобиле, ручки управления, рукоятки спортивного оружия и т. д.

Аддитивные технологии позволяют изготавливать изделия особо сложной геометрической формы. Как говорят эксперты, АТ позволяют реализовать принцип «за сложность не нужно платить» (complexity for free). Изготовление простого куба или цилиндра занимает практически столько же времени и состоит из такого же количества операций, как и производство, например, сложного анатомического объекта такого же объема. Этот факт кардинально отличает аддитивное производство от большинства обычных производственных процессов, при которых количество необходимых операций существенно увеличивается по мере роста сложности геометрической формы детали.

Алексей Рыжов, генеральный директор по России и СНГ Dassault Systèmes, компании — одного из мировых лидеров в области инженерного программного обеспечения, отмечает, что при изготовлении деталей с помощью аддитивной технологии соотношение массы готового изделия и необходимого материала составляет 1:1,5. При изготовлении деталей стандартным способом соотношение массы готового изделия к заготовке — 1:15. Кроме того, использование АТ и соответствующего программного обеспечения позволяет сократить массу детали на 60%, при этом обеспечивая необходимые жесткость, надежность и прочность.

Проблемы

Но наибольшего эффекта специалисты ждут от применения аддитивных технологий в машиностроении для изготовления деталей из различных металлов. Ведь АТ позволяют существенно сократить сроки проектирования и передачи изделий в производство; изготавливать сложные детали, например, с внутренними полостями и узлы из меньшего количества составных частей, что не может быть сделано на основе обычных производственных процессов; использовать альтернативные материалы; создавать высоко индивидуализированные изделия и существенно уменьшать вес деталей.

Рынок аддитивных технологий и прогноз его роста

И вот тут-то перед энтузиастами возник ряд серьезных проблем. Как объясняет ведущий ученый Государственного инжинирингового центра МГТУ «Станкин» Александр Андреев, «у вас может быть идеальная модель, но при изготовлении ее на принтере результат оказывается не похож на модель. Потому что в зависимости от того, какой у вас материал, как он нагревается под воздействием лазерного излучения, как он остывает, какова скорость движения лазерного излучения по спекаемому слою, очень сложно предсказать, что из этой идеальной модели получится. Из-за неравномерности температурного воздействия деталь, попросту говоря, может оплывать. Это значит, что нужно предусматривать специальные конструктивные элементы поддержки для компенсации температурных воздействий, которые потом механически нужно будет удалять». Необходимость в дополнительной механической обработке возникает также из-за послойной структуры изготавливаемого изделия, на поверхности которого может возникать характерная шероховатость, по размерам соответствующая толщине слоя или размерам используемого порошка.

Наконец, изготовление сложных и больших по размерам деталей может оказаться очень длительным по времени, которое определяется размерами гранул используемых фракций порошка, толщиной слоя и скоростью движения луча лазера по спекаемой поверхности.

Да и экономия материала, как отмечает Александр Андреев, при использовании самой распространенной «бункерной»1 технологии на самом деле оказывается значительно меньше, чем обещают разработчики аддитивных технологий. «Дело в том, что значительная часть порошка, засыпанного в бункер, даже если он не вошел в состав изготавливаемой детали, подвергается тепловому воздействию и не может быть использована в дальнейшем. Ее также приходится пускать на переработку, как и стружку при резании металла».

Но и это не все проблемы. При использовании аддитивных технологий детали изготавливаются из порошка, соответственно возникает вопрос о наличии внутренних дефектов, неоднородности и анизотропии в материале получаемых деталей.

Как отметил Юрий Денисов, «для получения какой-то ответственной детали ответственного изделия, например двигателя самолета, по классической технологии вы обрабатываете монолитный кусок металла, например титана, изготовленного по специальной технологии, так, чтобы в нем не было никаких дефектов, и подвергаете его, чтобы их избежать, многократному предварительному контролю. Возможно, это трудоемко. И действительно, есть соблазн изготовить эту деталь с помощью аддитивных технологий. Что приходится для этого сделать? Нам нужно взять тот же монолит титана, загнать его в центрифугу, распылить при высоких температурах на гранулы, гранулы сепарировать, отделить необходимую фракцию, которая соответствует требованиям данной конкретной аддитивной машины, и затем, создав 3D-модель конечного изделия, эти гранулы послойно наносить и спекать. Не нужно быть суперинженером, чтобы понять: безусловно, вероятность того, что в деталях, изготовленных с помощью аддитивных технологий, отличие по физико-механическим свойствам, по пористости материала, по наличию каких-то примесей будет кратно выше, чем в деталях, которые сделаны из кускового, цельного материала. То есть пока можно говорить только об изготовлении аддитивными методами не самых ответственных деталей».

Схема изготовления детали 3D-методом

Обнародуя свое решение, Обама сказал: «3D имеет потенциал коренным образом изменить современный порядок вещей».

Таким образом, исходя из мнения опрошенных нами экспертов и опубликованных материалов, можно следующим образом определить основные проблемы, возникающие на пути распространения аддитивных технологий, особенно в машиностроении:

• свойства материала не гарантируют достаточной надежности изготавливаемых деталей и конструкций, что обусловлено его порошковым происхождением и послойной природой;

• точность изготовления и качество поверхности деталей требуют последующей механообработки в силу тех же причин;

• скорость изготовления недостаточна для применения в массовом производстве.

Есть ли решение?

Алексей Рыжов считает, что компания Dassault Systèmes успешно решает эти проблемы. Ее специалисты разработали программное обеспечение, которое позволяет гарантировать, что продукт, полученный из принтера, будет максимально соответствовать модели, которая была придумана инженером, и отвечать заданным техническим требованиям.

«Наш софт в зависимости от химического состава порошка, в зависимости от типа вашего принтера, в зависимости от физических характеристик, которые вы требуете от изделия, подбирает режим работы установки и максимально гарантирует выход правильной детали, которая вам нужна. Это результат большой научной работы наших специалистов. У нас работает очень много ученых, даже есть нобелевские лауреаты, они являются штатными сотрудниками, которые занимаются в основном НИОКР. Речь идет о специалистах в механике, физике, химии, медицине, математике, специалистов по моделированию того, как себя ведет молекулярная структура материала при нагреве, при охлаждении, что происходит в момент перепада температур и так далее».

Возможно, Dassault Systèmes удалось решить все обозначенные выше проблемы, но даже в этом случае использование деталей, изготовленных аддитивными методами, потребует еще сложных и разнообразных испытаний в составе изделий. Вряд ли кто согласится сесть в самолет, изготовленный по аддитивной технологии, если его надежность не подтверждена соответствующим образом.

Следует вспомнить, что каждый шаг в развитии даже традиционных, а тем более любых новых методов обработки материалов порой требовал десятилетий фундаментальных и прикладных исследований, чтобы определить их пригодность для использования. Специалисты «РТБ-консалтинга» в связи с этим вспомнили использование лазерного раскроя металлов, который при всей своей привлекательности оказался неприменим в авиации из-за возникновения неустранимых микродефектов краев раскроенного материала.

Dassault Systèmes пошла правильным путем, сделав аддитивные технологии предметом именно научного изучения. И это то, чего, судя по всему, не хватает пока российским технологам, которые идут простейшим путем проб и ошибок.

Впрочем, заметим, что даже замечательный софт Dassault Systèmes не решает проблем производительности аддитивных машин. Так что пока аддитивные технологии, как отмечают специалисты, вряд ли решат проблемы серийного и тем более массового производства. И, скорее всего, будут востребованы там, где нужны уникальные решения для уникальных изделий.