Цифровое производство с использованием аддитивного метода заключается в послойном создании объекта любой сложности. Аддитивные технологии принципиально отличаются от тех, которыми пользовались до недавнего времени. Их главное отличие в том, что они являются не вычитающими, как, к примеру, метод ЧПУ обработки, а собирательными. Иными словами, происходит собирание изделия из изготовленных порошковой композицией деталей. По сравнению с техникой литья, штамповки или обработки ЧПУ данная технология повышает производительность до тридцати раз, но самое главное, что она дает возможность получить детали, которые традиционными способами было невозможно создать.

Инновационные 3D-аддитивные технологии позволяют создавать модели любых форм и размеров, так как послойной процесс синтеза происходит слой за слоем. Данный способ производства пользуется таким методом, как прототипирование. Этодает возможность создавать не готовый объект, который можно использовать для конкретных целей, а его прототип, позволяющий оценивать возможности и характеристики модели, ее внешние данные и т. д.

Прототипы можно представлять заказчикам, а такжеиспользовать в маркетинговых целях. К примеру, на автомобильных выставках часто используются модели, созданные с помощью быстрого прототипирования, для того чтобы представить их потенциальным заказчикам. Данная технология позволяет производить прототипы быстро,а главное - недорого по сравнению со стандартными методами производства.

Технологии аддитивного производства широко используются для уменьшения затрат при проектировании за счет определения возможных ошибок на ранних стадиях проектирования. Кроме того, данная технология сокращает время выхода продукта на рынок за счет усиления связи между заказчиком и проектировщиком. Она практически полностью исключает трудоемкий и длительный этап изготовления опытных образцов.

История развития и сфера применения 3D-аддитивных технологий

Многие считают объемную печать изобретением 21 столетия, однако техника аддитивной печати зародилась еще в восьмидесятых годах прошлого века. И ее отцом считают Ч. Халла - человека, сконструировавшего первый стереолитографический 3D-принтер, работающий на SLA-технологии. Вскоре другой инженер - С. Крамп смог спроектировать и создать FDМ-принтер. И, несмотря на то, что данные технологии печати немного отличаются друг от друга, их объединяет один принцип - послойное выращивание трехмерной модели. К концу девяностых годов обе технологии стали применяться в промышленности. Чуть позже 3D-технология была внедрена двумя студентами Массачусетского института в настольные принтеры, и сегодня аддитивные технологии, технологии 3D-моделирования широко используют не только в производстве, но и в быту.

На данный момент современные технологии цифрового производства применяются в строительстве, архитектуре, медицине, космонавтике, машиностроении и других сферах деятельности. Так, например, аддитивные технологии в машиностроении позволяют создавать качественные прототипы моделей, помогающих изучить все характеристики будущего изделия или агрегата. При создании прототипов чаще всего применяется стереолитографический метод AF-печати, при котором слои жидкого полимера отвердевают благодаря использованию лазера. Методика позволяет получать прототипы сложнейших объектов с множеством мелких элементов, в том числе нестандартной формы.

Какие задачи решает применение аддитивных технологий на цифровом производстве?

Интегрированная компьютерная цифровая система управления производством включает в себя применение средств численного моделирования, трехмерной (3D) визуализации, инженерного анализа и совместной работы, предназначенных для разработки конструкции изделий и технологических процессов их изготовления.

Проектирование цифрового производства- это концепция технологической подготовки производства в единой виртуальной среде с помощью инструментов планирования, проверки и моделирования производственных процессов. Технологии цифрового производства - это, прежде всего, процессы перевода цифрового дизайна в физический объект.

Применение аддитивных технологий решает такие задачи цифровых производств, какмодернизация и автоматизация действующих и проектирование новых эффективных машиностроительных производств различного назначения, средств и систем их оснащения, а также производственных и технологических процессов с использованием автоматизированных систем технологической подготовки производства.

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.

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.

Ведущие страны мира активно включаются в 3D-гонку. Так, в 2012 г. в Янгстоуне, Огайо, открылся Национальный инновационный институт аддитивного производства NAMII - первый центр аддитивных технологий из пятнадцати создаваемых в США. Машинный парк института уже насчитывает 10 аддитивных машин, три из которых являются самыми современными машинами для создания металлических деталей.

Терминология и классификация

Суть аддитивных технологий заключается в соединении материалов для создания объектов из данных 3D-модели слой за слоем. Этим они отличаются от обычных субтрактивных технологий производства, подразумевающих механическую обработку - удаление вещества из заготовки.

Аддитивные технологии классифицируют:

• по используемым материалам (жидким, сыпучим, полимерным, металлопорошковым);
• по наличию лазера;
• по способу фиксирования слоя построения (тепловое воздействие, облучение ультрафиолетом или видимым светом, связующим составом);
• по способу образования слоя.

Есть два способа формирования слоя. Первый заключается в том, что сначала насыпают на платформу порошковый материал, распределяют его роликом или ножом для создания ровного слоя материала заданной толщины. Происходит селективная обработка порошка лазером или другим способом соединения частиц порошка (плавкой или склеиванием) согласно текущему сечению CAD-модели. Плоскость построения неизменна, а часть порошка остаётся нетронутой. Этот способ называют селективным синтезом, а также селективным лазерным спеканием, если инструментом соединения является лазер. Второй способ состоит в непосредственном осаждении материала в точку подведения энергии.

Организация ASTM, занимающаяся разработкой отраслевых стандартов, разделяет 3D-аддитивные технологии на 7 категорий.

1. Выдавливание материала. В точку построения по подогретому экструдеру подаётся пастообразный материал, представляющий собой смесь связующего и металлического порошка. Построенная сырая модель помещается в печь для того, чтобы удалить связующее и спечь порошок - так же, как это происходит в традиционных технологиях. Эта аддитивная технология реализована под марками MJS (Multiphase Jet Solidification, многофазное отверждение струи), FDM (Fused Deposition Modeling, моделирование методом послойного наплавления), FFF (Fused Filament Fabrication, производство способом наплавления нитей).
2. Разбрызгивание материала. Например, в технологии Polyjet воск или фотополимер по многоструйной головке подается в точку построения. Эта аддитивная технология также называется Multi jetting Material.
3. Разбрызгивание связующего. К ним относятся струйные Ink-Jet-технологии впрыскивания в зону построения не модельного материала, а связующего реагента (технология аддитивного производства ExOne).
4. Соединение листовых представляет собой полимерную плёнку, металлическую фольгу, листы бумаги и др. Используется, например, в технологии ультразвукового аддитивного производства Fabrisonic. Тонкие пластины из металла свариваются ультразвуком, после чего излишки металла удаляются фрезерованием. Аддитивная технология здесь применяется в сочетании с субстрактивной.
5. Фотополимеризация в ванне. Технология использует жидкие модельные материалы - фотополимерные смолы. Примером могут служить SLA-технология компании 3D Systems и DLP-технология компаний Envisiontec, Digital Light Procession.
6. Плавка материала в заранее сформированном слое. Используется в SLS-технологиях, использующих в качестве источника энергии лазер или термоголовку (SHS компании Blueprinter).
7. Прямое подведение энергии в место построения. Материал и энергия для его плавления поступают в точку построения одновременно. В качестве рабочего органа используется головка, оснащённая системой подвода энергии и материала. Энергия поступает в виде сконцентрированного пучка электронов (Sciaky) или луча лазера (POM, Optomec,). Иногда головка устанавливается на «руке» робота.

Эта классификация гораздо больше говорит о тонкостях аддитивных технологий, чем предыдущие.

Сферы применения

Рынок аддитивных технологий в динамике развития опережает остальные отрасли производства. Его средний ежегодный рост оценивается в 27% и, по оценке компании IDC, к 2019 г. составит 26,7 млрд долларов США по сравнению с 11 млрд в 2015 г.

Однако АТ-рынку ещё предстоит раскрыть неиспользованный потенциал в сфере производства товаров широкого потребления. До 10% средств компаний от стоимости производства товара расходуется на его прототипирование. И много компаний уже заняли данный сегмент рынка. Но остальные 90% идут в производство, поэтому создание приложений для быстрого изготовления товаров станет основным направлением развития этой отрасли в будущем.

В 2014 г. доля быстрого прототипирования на рынке аддитивных технологий хотя и уменьшилась, оставалась наибольшей - 35%, доля быстрого производства росла и достигла 31%, доля в создании инструментов оставалась осталась на уровне 25%, остальное приходилось на исследования и образование.

По отраслям экономики применение АТ-технологий распределилось так:

• 21% - производство потребительских товаров и электроники;
• 20% - автомобилестроение;
• 15% - медицина, включая стоматологию;
• 12% - авиастроение и космическая отрасль производства;
• 11% - производство средств производства;
• 8% - военная техника;
• 8% - образование;
• 3% - строительство.

Любители и профессионалы

Рынок АТ-технологий разделяется на любительский и профессиональный. Любительский рынок включает 3D-принтеры и их обслуживание, которое включает сервис, расходные материалы, программное обеспечение, и рассчитан на отдельных энтузиастов, сферу образования и визуализацию идей и облегчения коммуникации на начальной стадии развития нового бизнеса.

Профессиональные 3D-принтеры дорогостоящи и подходят для расширенного воспроизводства. У них большая зона построения, производительность, точность, надёжность, расширен ассортимент модельных материалов. Эти машины на порядок сложнее и требуют освоения особых навыков работы с самими устройствами, с модельными материалами и программным обеспечением. Как правило, оператором профессиональной машины становится специалист по аддитивным технологиям с высшим техническим образованием.

Аддитивные технологии в 2015 году

Согласно отчёту Wohlers Report 2015, с 1988 по 2014 г. в мире было установлено 79 602 промышленных 3D-принтера. При этом 38,1% устройств стоимостью более 5 тыс. долларов США приходится на США, 9,3% - на Японию, 9,2% - на Китай, и 8,7% - на Германию. Остальные страны мира находятся в значительном отрыве от лидеров. С 2007 по 2014 годовой объём продаж настольных принтеров вырос с 66 до 139 584 устройств. В 2014 г. 91,6% продаж приходился на настольные 3D-принтеры и 8,4% - на промышленные установки аддитивного производства, прибыль от которых, однако, составила 86,6% от общего объёма, или 1,12 млрд долларов США в абсолютном выражении. Настольные машины довольствовались 173,2 млн долларов США и 13,4%. В 2016 г. ожидается рост продаж до 7,3 млрд долларов США, в 2018 г. - 12,7 млрд, в 2020 г. рынок достигнет 21,2 млрд долларов.

Согласно Wohlers, FDM-технология превалирует, насчитывая около 300 брендов по всему миру, ежедневно пополняясь новыми модификациями. Некоторые из них продаются только локально, поэтому очень сложно, если вообще возможно, найти информацию о количестве брендов выпускаемых 3D-принтеров. С уверенностью можно сказать, что их количество на рынке увеличивается с каждым днём. Наблюдается большое разнообразие в размерах и применяемых технологиях. Например, берлинская компания BigRep производит огромный FDM-принтер под названием BigRep ONE.2 по цене 36 тыс. евро, способный печатать объекты размером до 900 х 1055 х 1100 мм с разрешением 100-1000 микрон, двумя экструдерами и возможностью использовать разные материалы.

Промышленность - за

Авиационная промышленность усиленно инвестирует в аддитивное производство. Применение аддитивных технологий позволит снизить расход материалов, затрачиваемых на изготовление деталей, в 10 раз. Ожидается, что компания GE Aviation будет ежегодно печатать 40 тыс. форсунок. А компания Airbus к 2018 г. собирается печатать до 30 т деталей ежемесячно. Компания отмечает значительный прогресс в характеристиках произведённых таким способом деталей по сравнению с традиционным. Оказалось, что кронштейн, который был рассчитан на 2,3 т нагрузки, в действительности может выдерживать нагрузку до 14 т при снижении его веса вдвое. Кроме того, компания печатает детали из алюминиевого листа и топливные коннекторы. В самолётах Airbus насчитывается 60 тыс. частей, напечатанных на 3D-принтерах Fortus компании Stratasys. Другие компании авиакосмической индустрии также используют технологии аддитивного производства. Среди них: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce и SpaceX.

Цифровые аддитивные технологии уже используются в производстве разнообразных потребительских товаров. Компания Materialise, предоставляющая услуги аддитивного производства, сотрудничает с компанией Hoet Eyeware в изготовлении очков для коррекции зрения и солнечных очков. 3D-модели предоставляются множеством облачных сервисов. Только компании 3D Warehouse и Sketchup предлагают 2,7 млн образцов. Не остаётся в стороне и индустрия моды. RS Print использует систему, измеряющую давление подошвы, для печати индивидуальных стелек. Дизайнеры экспериментируют с бикини, обувью и платьями.

Быстрое прототипирование

Под быстрым прототипированием понимают создание прототипа изделия за максимально короткий срок. Оно входит в число основных применений технологий аддитивного производства. Прототип - это прообраз изделия, необходимый для оптимизации формы детали, оценки её эргономики, проверки возможности сборки и правильности компоновочных решений. Вот почему сокращение срока изготовления детали позволяет значительно сократить время разработки. Также прототип может являться моделью, предназначенной для проведения аэро- и гидродинамических испытаний или проверки функциональности деталей корпуса бытовой и медицинской техники. Много прототипов создаётся в качестве поисковых дизайнерских моделей с нюансами в конфигурации, цветовой гамме раскраски и т. д. Для быстрого прототипирования используются недорогие 3D-принтеры.

Быстрое производство

Аддитивные технологии в промышленности имеют большие перспективы. Малосерийное производство изделий со сложной геометрией и из специфических материалов распространено в судостроении, энергетическом машиностроении, восстановительной хирургии и дентальной медицине, аэрокосмической промышленности. Непосредственное выращивание изделий из металла здесь мотивировано экономической целесообразностью, так как этот оказался менее затратным. С использованием аддитивных технологий производят рабочие органы турбин и валов, импланты и эндопротезы, запасные части для автомобилей и самолётов.

Развитию быстрого производства способствовало и значительное расширение числа доступных металлопорошковых материалов. Если в 2000 годах насчитывалось 5-6 видов порошков, то сейчас предлагается широкая номенклатура, исчисляемая десятками композиций от конструкционных сталей до драгоценных металлов и жаропрочных сплавов.

Перспективны и аддитивные технологии в машиностроении, где их можно использовать при изготовлении инструментов иприспособлений для серийного производства - вставок для термопласт-автоматов, пресс-форм, шаблонов.

Ultimaker 2 - лучший 3D-принтер 2016 года

По мнению журнала CHIP, который провёл тестирование и сравнил характеристики бытовых 3D-принтеров, лучшими принтерами 2016 года являются модели Ultimaker 2 компании Ultimaker, Reniforce RF1000 компании Conrad и Replicator Desktop 3D Printer компании MakerBot.

Ultimaker 2+ в его улучшенной модели использует технологию моделирования методом наплавления. 3D-принтер отличается наименьшей толщиной слоя, равной 0,02 мм, небольшим временем расчёта, низкой стоимостью печати (2600 руб за 1 кг материала). Основные характеристики:

• размер рабочей камеры - 223 х 223 х 305 мм;
• вес - 12,3 кг;
• размер головки - 0,25/0,4/0,6/0,8 мм;
• температура головки - 180-260°C;
• разрешение слоя - 150-60/200-20/400-20/600-20 микрон;
• скорость печати - 8-24 мм 3 /с;
• точность XYZ - 12,5-12,55 микрон;
• материал - PLA, ABS, CPE диаметром 2,85 мм;
• программное обеспечение - Cura;
• поддерживаемые типы файлов - STL, OBJ, AMF;
• - 221 Вт;
• цена - 1 895 евро базовая модель и 2 495 евро расширенная.

По отзывам покупателей, принтер лёгок в установке и использовании. Отмечают высокое разрешение, саморегулирующееся ложе, большое разнообразие используемого материала, использование открытого программного обеспечения. К недостаткам принтера относят открытую конструкцию принтера, которая может привести к ожогу горячим материалом.

LulzBot Mini 3D Printer

В обзоре журнала PC Magazine Ultimaker 2 и Replicator Desktop 3D Printer также вошли в тройку лучших, но здесь на первом месте оказался принтер LulzBot Mini 3D Printer. Его спецификации таковы:

• размер рабочей камеры - 152 х 152 х 158 мм;
• вес - 8,55 кг;
• температура головки - 300°C;
• толщина слоя - 0,05-0,5 мм;
• скорость печати - 275 мм/с при высоте слоя 0,18 мм;
• материал - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, полиэстер, нейлон, поликарбонат, PETG, PCTE, PC-ABS, и др. диаметром 3 мм;
• программное обеспечение - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl и др.;
• потребляемая мощность - 300 Вт;
• цена - 1 250 долларов США.

Sciaky EBAM 300

Одной из лучших промышленных машин аддитивного производства является EBAM 300 компании Sciaky. Электронно-лучевая пушка наносит слои металла со скоростью до 9 кг в час.

• размер рабочей камеры - 5791 х 1219 х 1219 мм;
• давление вакуумной камеры - 1х10 -4 Тор;
• потребляемая мощность - до 42 кВт при напряжении 60 кВ;
• технология - экструзия;
• материал - титан и сплавы титана, тантал, инконель, вольфрам, ниобий, нержавеющая сталь, алюминий, сталь, сплав меди с никелем (70/30 и 30/70);
• максимальный объём - 8605,2 л;
• цена - 250 тыс. долларов США.

Аддитивные технологии в России

Машины промышленного класса в России не выпускаются. Пока только ведутся разработки в "Росатоме", лазерном центре МГТУ им. Баумана, университете «Станкин», политехническом университете Петербурга, Уральском федеральном университете. «Воронежсельиммаш», выпускающий учебно-бытовые 3D-принтеры «Альфа», разрабатывает промышленную аддитивную установку.

Такая же ситуация и с расходными материалами. Лидером разработки порошков и порошковых композиций в России является ВИАМ. Им производится порошок для аддитивных технологий, использующийся при восстановлении лопаток турбин, по заказу пермского «Авиадвигателя». Прогресс есть и у Всероссийского института лёгких сплавов (ВИЛС). Разработки ведутся различными инжиниринговыми центрами по всей Российской Федерации. "Ростех", Уральское отделение РАН, УрФУ ведут свои разработки. Но все они не способны удовлетворить даже небольшой спрос в 20 т порошка в год.

В связи с этим правительство поручило Минобрнауке, Минэкономразвитию, Минпромторгу, Минкомсвязи, РАН, ФАНО, "Роскосмосу", "Росатому", "Росстандарту", институтам развития создать согласованную программу разработок и исследований. Для этого предлагается выделить дополнительные бюджетные ассигнования, а также рассмотреть возможности софинансирования за счёт средств ФНБ и других источников. Рекомендовано поддержать новые в т. ч. аддитивные, РВК, "Роснано", фонду «Сколково», экспортному агентству "ЭКСАР", "Внешэкономбанку". Также правительство в лице Минпромторга подготовит раздел государственной программы по развитию и повышению конкурентоспособности промышленности.

Жизнь заставила государство вплотную заняться отечественным производством. Наконец-то! Нам светит национальная технологическая инициатива «Новые производственные», разработка которой уже началась силами институтов развития и научно-технического общества России. Хорошо бы в пылу погони за новыми производственными технологиями не забыть о классических и традиционных, которые, собственно, и обеспечивают нашу промышленность необходимым сырьем и материалами. Но при ближайшем рассмотрении новое зачастую оказывается хорошо забытым старым.

Сколковский институт науки и технологий (Сколтех) уже внес свой вклад в разработку проекта. Его группа по научной и промышленной политике выпустила в конце октября публичный аналитический доклад по новым производственным технологиям. Ирина Дежина, руководитель рабочей группы, привлекла к работе экспертов из разных областей науки и техники. Получилось объемно (400 страниц) и вполне убедительно. Особенно - раздел «Аддитивные технологии». Вот о них мы и хотим сегодня поговорить.

Аддитивные технологии: что это?

Человечество любит сходить с ума, был бы повод. Но мода всегда его находит. И тон тут задают не только дизайнеры. Вот и нобелевский лауреат Роалд Хофман считает, что миром правит мода. По его мнению, химию переименовали в нанотехнологии, чтобы увлечь молодежь новым модным словом, дать ей понять, что она работает в авангарде науки, на прорывном направлении.

Конечно, название очень важно само по себе. В нем должны быть интрига, некий парадокс и, конечно, английское звучание. Ну кто бы стал сходить с ума по стереолитографии? Громоздко, непонятно, слишком специально, а для специалистов - старо. Другое дело - 3D-принтинг, в считанные годы овладевший умами людей, даже далеких от технологического мира. Ведь принтер есть во всех офисах и во многих домах. И как же с его помощью напечатать не документ на бумаге, а объемную фигурку? Загадка. Хотя 3D-принтинг и стереолитография, по сути, одно и то же.

Мы не раз писали о том и о другом (см. «Химию и жизнь», 2000, №8, 2002, №10, 2006, №5 и др.). Но технологии развиваются. Не то чтобы вглубь - здесь наши желания упираются в границы применимости методов, но вширь - это точно. Множество вариаций этих методов, их различные применения теперь собраны под одной крышей с названием «Аддитивное производство», или «Аддитивные технологии». С интригой в словах здесь не очень получилось, но звучит тем не менее вполне весомо, даже с претензией.

Так на что же претендуют аддитивное производство (additive manufacturing ) и его технологии? Суть аддитивного производства - в сложении, а не вычитании, в таком способе создания детали сложной формы, когда материал наносится последовательно, как правило, слой за слоем, поэтому расходуется его столько, сколько необходимо, не больше и не меньше. Процессом управляет компьютер, в чьей памяти заложена трехмерная модель будущей детали, нарезанная на тонкие слои-сечения. Устройство, подающее материал, скажем экструдер, движется по траекториям, заданным компьютером, слой за слоем конструируя будущее изделие. В общем - очередной виток автоматизации производства. Предполагается, что готовая деталь не нуждается в традиционной механической обработке. Так что аддитивное производство - это еще один способ изготовления деталей и предметов из разных материалов наряду с литьем, прокатом, штамповкой и резкой.

Аддитивное производство - понятие очень широкое, которое охватывает и многие классические технологии. Среди них создание полупроводниковых гетероструктур методами молекулярно-лучевой эпитаксии и CVD - химического осаждения из газовой фазы (1960-е годы), офсетная печать (ведет свою историю с XVIII века), нанесение многослойных покрытий на изделия разными способами, возведение кирпичной стены - «камень на камень, кирпич на кирпич», даже украшение торта кремовыми розочками, которые кулинар выдавливает из кулька или специального шприца, да и сам многослойный торт тоже. Гигантская скульптура «Рабочий и колхозница» В. И. Мухиной и Б. М. Иофана (1937) - пример аддитивного производства. Метровую модель скульптуры разрезали на слои, тщательно их измерили, затем размеры пропорционально увеличили и по ним изготовили деревянные формы, по которым, в свою очередь, выгнули стальные листы для каждого слоя, а их уже сварили в готовую скульптуру. Но сейчас мы говорим о новейших аддитивных технологиях, где главная роль отведена компьютерному моделированию трехмерных деталей любой сложности и их воссозданию слой за слоем с помощью автоматических систем.

Ничто не возникает на пустом месте, у всего в науке и технологиях есть предшественники. И хотя на протяжении последних 20 лет аддитивные технологии рассматриваются как нечто новое, их история насчитывает 150 лет, уходя корнями в такие области, как картография и фотоскульптура. Именно в этих областях деятельности впервые придумали разделить исходную модель на слои или фрагменты, а затем с их помощью воссоздать цельный объемный объект. В 1860 году французский скульптор Франсуа Виллем впервые сделал фотоскульптуру. Он оборудовал специальную круглую комнату, в которой был обозначен точный геометрический центр. В этот центр ставили или сажали в кресло человека, чью скульптуру предстояло сделать, и его одновременно фотографировали 24 камеры, встроенные в стены на равной высоте и равном расстоянии друг от друга. Так скульптор получал исчерпывающую информацию о модели со всех сторон и мог воссоздать ее в материале. Руками, конечно. В 1890 году Йозеф Блантер придумал послойный метод изготовления пресс-форм для печати рельефных топографических карт, на которых видны возвышенности, низменности и горы в строгом соответствии с топографическими линиями.

У истоков современного аддитивного производства стояла стереолитография. Она использовала подход, который придумал Отто Джон Мюнц в 1951 году. В установке Мюнца поршень в цилиндре смещался на маленькое расстояние и освобождал пространство для слоя, которое заполняли светочувствительным полимером. Затем полимер облучали светом так, что он застывал только на определенном участке. Следующее движение поршня - еще один слой, еще один цикл отверждения... В результате из многих слоев получалась объемная полимерная модель.

Это был ключевой принцип, который лег в основу современной стереолитографии (SL). Дальнейшие усовершенствования касались технических деталей - методов сканирования модели, способов формирования слоев из разных материалов, проецирования изображения и технологий отверждения (ультрафиолет, лазерный луч, электронный пучок и т. п.). В 1984 году Чарльз Халл запатентовал технологию и основал компанию 3D Systems, которая в 1986 году начала промышленное использование стереолитографии.

После изобретения принципа и его первого успешного практического использования события всегда развиваются по нарастающей. В 1985 году появляется технология ламинирования LOM (Laminated Object Manufacturing), в 1986 году - технология послойного наплавления FDM (Fused Deposition Modeling). Уже в 1990-х аддитивные технологии с использованием нагрева лазерным и электронным лучом для получения металлических объектов стали частью мирового производственного ландшафта.

Поначалу технологии создания трехмерных объектов называли «быстрым прототипированием». Название никакое. Но тут постарались студенты Массачусетского технологического института и в 1995 году предложили броский короткий термин «3D-Printing». Название понравилось, прижилось, стало модным. Хотя даже из этого названия следует, что 3D-печать лишь часть большой группы технологий, используемых в аддитивном производстве.

Завышенные ожидания

Всплеск в развитии аддитивных технологий пришелся на 2009 год. По мнению Королевской инженерной академии Великобритании, он связан с окончанием срока действия одного из ключевых патентов, который описывал метод FDM с использованием плавкой пластиковой нити. В результате цены на системы 3D-печати снизились в несколько раз, а инвесторы и производители немедленно обнаружили множество достоинств в аддитивных технологиях применительно к авиационной и автомобильной промышленности, к архитектуре и строительству.

Достоинства и преимущества, конечно, есть. Сам принцип сложения, а не вычитания подразумевает, что мы экономим исходные материалы. Не надо, подобно скульпторам, брать глыбу мрамора и отсекать все лишнее. Суть аддитивных технологий - использовать ровно столько материала, сколько требуется для создания объекта. Экономия материала в каждом конкретном случае будет различной, от небольшой до значительной. Если, например, у какой-то детали сплошные элементы заменить на ажурные без потери прочности (вспомним башни Шухова), то выигрыш будет очень большим. Ажурные детали сложно формовать штамповкой и литьем. А вот аддитивные технологии с этим справляются легко. И тогда создание шарнирного уголка гондолы для самолета, по оценкам European Aeronautic Defense and Space Company (Бристоль, Великобритания) и EOS Innovation Center (Уорвик, Великобритания), сэкономит до 75% исходного материала. Не говоря уже о том, что облегченные детали без потери прочности очень уместны в самолетах.

Вообще, аддитивные технологии теоретически позволяют изготавливать детали любой произвольной формы и любой сложности, например - изделия с внутренними каналами охлаждения. На токарном станке сделать это, мягко говоря, затруднительно. И конечно же трехмерные компьютерные модели деталей можно мгновенно передавать с помощью Интернета в любую точку мира - туда, где они требуются в данную минуту, на любое локальное производство. Поэтому стоимость и сроки запуска в производство какой-нибудь важной штуки заметно сократятся. Немаловажно и то, что детали можно делать только под заказ, штучно, и не накапливать их на складе. Так что плюсы, безусловно, есть.

Любая новая технология, прежде чем она займет свое место на рынке, проходит вполне стандартный путь «созревания», на котором, впрочем, может и умереть, не добравшись до финиша. Первые успешные попытки применения того или иного нового принципа на уровне прототипов порождают бум исследований и разработок и завышенные ожидания общества, достигающие пика. Затем разработчики, промышленники и общество «прозревают», осознают суровую реальность и начинают расставаться с иллюзиями. И только потом, скатившись с горы массового восторга, технология начинает медленно подниматься на плато, чтобы занять свое место на рынке. Точно такой путь проходят нанотехнологии. Они уже преодолели пик завышенных ожиданий в конце первого десятилетия XXI века, скатились в долину разочарования и теперь потихоньку, методично и без лишнего треска начинают взбираться на плато.

По оценкам компании Gartner, ожидания общества от технологии 3D-печати - соответствующий прибор в каждом доме, который позволит «печатать» самим все, что душе угодно, и не ходить в магазин, - сейчас находятся на пике. Это значит, что в ближайшие несколько лет она начнет скатываться с этой самой горы и лишь через 5–10 лет определит свое реальное место на рынке.

Пока что присутствие аддитивных технологий на мировом рынке более чем скромное - 2,2 млрд. долларов в 2012 году. Причем лишь 54% этой суммы приходилось собственно на продукцию технологий (26% - на производство оборудования, 19% - на производство исходных материалов). Но, как и любая новая технологическая отрасль, она характеризуется очень высокими темпами развития: среднегодовые темпы прироста в 2010–2012 годах составили 27%. Тем не менее Wohlers Associates оценивают рынок аддитивных технологий к 2021 году в размере всего лишь 10,8 млрд. долларов. Для сравнения: рынок продукции нанотехнологий в 2013 году превысил один триллион долларов (по данным Национальной нанотехнологической инициативы США).

Трезвый взгляд Сколтеха

Конечно, аддитивные технологии не универсальны. И конечно же любая технология имеет недостатки, ограничивающие и сдерживающие ее применение. В таблице представлен перечень технологий для аддитивного производства и материалы, которые они используют.

Давайте посмотрим, где здесь таятся подводные камни.

Стереолитография - один из самых старых и заслуженных процессов, дающий наибольшую точность в изготовлении объекта и позволяющий контролировать его параметры. Схема процесса хорошо отлажена. Сначала создают компьютерную модель объекта, затем нарезают модель в STL-формате, чтобы получить набор сечений. Этот набор передают в стереолитографический аппарат, который управляет процессом послойного формирования детали в ванне со специальным полимером. Аргоновый лазер очерчивает двумерные сечения и заставляет полимер затвердевать. Если степень полимеризации недостаточна, то готовые детали помещают в УФ-печи, чтобы уж затвердело наверняка.

Стереолитографию сегодня применяют для быстрого прототипирования, когда нужно изготовить пробный образец чего-либо, для изготовления пресс-форм и форм для литья. Но есть проблемы. В ванне после процесса всегда остается неизрасходованный материал, который, впрочем, функционален - он поддерживает изготавливаемую деталь «на весу». Но его придется отделять, а это время и лишний расход материала. Кроме того, сами изделия из полимера, полученные таким способом, не отличаются долговременной стабильностью, поэтому технологию не используют для серийного производства деталей.

Метод послойной наплавки (FDM) тоже хорош для быстрого прототипирования. Из сопла-дозатора, движениями которого управляет компьютер, расплавленный материал (чаще всего - полилактид или акрилонитрилбутадиенстирол, то есть АВС-пластик) наносится последовательными слоями и быстро затвердевает, поскольку исходно он был нагрет всего лишь на градус выше, чем его температура плавления. При такой технологии точность изготовления детали не может быть высокой (не меньше 0,05 мм), она ограничивается размером сопла и другими факторами. Качество поверхности сильно уступает тому, что получается при литье. И, что очень важно, механическая прочность изделий оставляет желать лучшего. Дело не только в остаточных термических напряжениях, которые вызывают последующую деформацию, но и в ярко выраженной анизотропии, когда механические свойства детали разные по разным направлениям внутри материала.

Струйная печать (IJP, Inkjet Printing) наносит светоотверждаемые полимерные слои (как правило, на основе акрила) при помощи печатающих головок с множеством сопел. Поэтому скорость печати довольно высока. К тому же полимер отверждается ультрафиолетовым излучением непосредственно при печати. Технология дает относительно высокую точность и хорошее разрешение. Все вроде хорошо. Но изделия по своим характеристикам все равно проигрывают тем, что получены традиционным литьем. Они хрупкие! С материалами для этой технологии тоже проблема - выбора практически нет. Так что ее область применения ограничивается прототипированием и точным литьем единичных изделий.

У технологий лазерного спекания (SLS, DMLS) свои трудности, хотя суть та же самая. Создается трехмерная компьютерная модель и нарезается на тонкие сечения. Специальный валик наносит на подложку слой (100 мкм) порошка (полимер, керамика, металл). Лазерный луч (мощность 25–100 Вт, длительность импульса 0,5–25 мс) очерчивает контур и спекает эту часть слоя. Затем валик наносит следующий слой порошка, и все повторяется. В чем проблемы? Проблемы в том, что в этих условиях трудно рассчитывать на полное плавление всех частиц порошка в слое, особенно если это легированный порошок. В результате получается неоднородная микроструктура материала, его механические свойства становятся хуже. Значит, деталь придется дополнительно нагревать, чтобы все там расплавилось. И зачем такая морока, если есть литье и прокат?

Так, может, сделать слой потоньше, а лазер помощнее, чтобы все уж заведомо расплавилось и спеклось? Именно так и поступают при селективном лазерном спекании (SLM, Selective Laser Melting), когда работают с порошками цветных металлов - титана, алюминия и меди: толщина порошкового слоя 20–40 мкм, мощность лазера до 1 кВт. Но чем тоньше слой, тем больше слоев, значит, время изготовления, и без того не маленькое, сильно увеличивается. А более мощный лазер, да еще с большим количеством слоев, съедает больше энергии. Однако, пожалуй, самое главное заключается в том, что при этой технологии детали склонны давать сильную усадку, вызывая значительные остаточные напряжения в изготовленных изделиях, которые, в свою очередь, могут вызвать деформацию и даже расслоение конечного продукта.

С электронно-лучевой плавкой - своя головная боль. Здесь круг используемых материалов ограничен проводящими электрический ток металлическими порошками. Сам процесс EBM выполняется в камере с глубоким вакуумом, что делает его довольно затратным, но, с другой стороны, облегчает работу с материалами, чувствительными к окислению.

Пожалуй, самый неоднозначный в этом ряду - это процесс послойного изготовления объектов из листового материала (LOM). Суть его в том, что изделие собирают из отдельных листов, вырезанных лазером, которые должны быть скреплены между собой. Здесь без ручной доводки, когда нужно убирать лишний материал и зачищать хвосты, не обойтись. Плюс ограниченная точность формирования изделий, неоднородность свойств материала, проблемы с долговечностью... На первый взгляд главная область его приложения - это прототипирование. Хотя у технологии, безусловно, есть потенциал, который еще предстоит раскрыть.

Подводя итог беглому экскурсу по основным аддитивным технологиям, следует признать, что количество факторов, сдерживающих распространение аддитивного производства, велико. Оборудование дорогое, материалы тоже, скорость изготовления маленькая, качество поверхности деталей таково, что необходима последующая механическая обработка, внутри детали наблюдается неоднородность свойств материала. Но главное, чего не приемлет серийное производство, - это плохая воспроизводимость, причем многоуровневая. На одной и той же установке получаются изделия с неодинаковыми характеристиками. Отличия усиливаются, если одну и ту же модель изготавливают на двух вроде бы одинаковых аппаратах одного производителя. А уж если взять оборудование от разных производителей и сделать на них модели по одному «чертежу», то различия будут еще более явными. Эта неустойчивость характеристик оборудования и продукции чрезвычайно затрудняет аттестацию и сертификацию, без которых никакое серийное производство сегодня немыслимо. Вообще, стандартизация новых технологий - глобальная проблема, которую сегодня решают уполномоченные государственные учреждения в содружестве с промышленными компаниями. Все это требует времени, усилий и ресурсов

Об этих проблемах в докладе Сколтеха написано довольно обстоятельно. Спасибо авторам за трезвый взгляд, которого сегодня частенько не хватает миру новых технологий. Однако перечисленные проблемы отнюдь не ставят крест на аддитивном производстве. Просто надо понимать, что у любой технологии есть границы применимости. А проблемы на то и проблемы, чтобы их решать.

Сегодня и завтра

Как-то пару лет назад представители современной модной молодежи, далекие, впрочем, от мира технологий, небрежно объясняли мне, что завтра никакие старые производства не понадобятся и все их закроют, потому что буквально всё будут печатать на 3D-принтерах. «И рельсы тоже будут печатать?» - спросила я. «И рельсы тоже», - получила я уверенный ответ. «А где будут брать материал для печати?» - решила я все-таки уточнить. «Да в магазинах купят!» - ответили мне собеседники совершенно серьезно.

Экономическая целесообразность и здравый смысл - вот что сдерживает распространение любых технологий. Зачем нам «аддитивные рельсы» и «аддитивные балки», если они дороже чугунного моста и в любой момент могут лопнуть? Зачем нам пластиковые бутылки и кружки, напечатанные на 3D-принтерах, если каждую надо печатать не меньше часа и стоит она соответственно гораздо больше тех, что производят серийно литьем и штамповкой?

Тем не менее у аддитивного производства со всей очевидностью есть ниша, которую можно описать так: производство единичных изделий и мелких партий уникальных деталей из дорогих материалов и в тех случаях, когда стоимость станочной обработки высока. На самом деле это очень большая ниша, начиная от ремонта и восстановления деталей сложных агрегатов и индивидуальных протезов до создания уникальных деталей сложной конфигурации.

Одна из сильных сторон аддитивного производства - штучное изготовление изделия любой формы. Как же это важно в медицине! И здесь аддитивное производство продвинулось довольно далеко. Сегодня методом стереолитографии успешно изготовлены и испытаны персональные сердечные клапаны, искусственные челюсти, части коленного сустава, акриловые краниопластические имплантаты (попросту - части черепа). Причем все эти детали сугубо индивидуальные, в точности повторяющие те, что приходится заменять. Два ведущих производителя слуховых аппаратов, Siemens и Phonak, применяют аддитивные технологии для изготовления индивидуальных устройств, точно соответствующих уху пациента. Компании могут сделать такие устройства за один день!

Так что медицина - обширное поле для аддитивного производства, начиная с изготовления специального хирургического инструмента, индивидуальных протезов, имплантатов и заканчивая тканями и органами из клеток человека.

Особый интерес к технологиям аддитивного производства проявляет авиационно-космическая промышленность. В общем-то, оно и понятно. Эти отрасли требуют мелкосерийного производства высококачественных деталей, то есть штучного товара. Другое дело, что сертификационные требования здесь очень жесткие. Самолет - это не шутки, из-за поломки одной детали могут погибнуть люди. Да и на космическом корабле тоже. Тем не менее некоторые сертификаты уже выданы. Компания General Electric заявила, что готова к относительно массовому производству топливных форсунок для своего нового турбовинтового двигателя LEAP с помощью процесса DMLS из кобальтохромового порошка. Компания отметила, что может выпускать по меньшей мере 25 000 форсунок в год (одному двигателю требуется 19 форсунок).

Журналисты утверждают, что компания Boeing произвела методами аддитивных технологий более 20 000 деталей, которые уже используют в военных и гражданских самолетах компании. Множество SLS-деталей установлено на нескольких версиях военных самолетов, таких, как самолет дальнего воздушного радиолокационного обнаружения и управления, модели C-40, AWACS и P-8.

Аддитивные технологии оказались чрезвычайно востребованными для ремонта и восстановления деталей больших механизмов, скажем - турбинных лопаток. Расчеты показывают, что если в авиационном двигателе AV8B, сделанном из сплава титана, алюминия и ванадия, восстанавливать лопатки по технологии LENS, то можно сэкономить 715 000 долларов в год. Вообще, в литературе на эту тему много примеров.

Скажем, авиакомпания может сэкономить 2,5 млн долларов только за счет того, что уменьшит на 50–80% вес металлических креплений в салоне. Именно это и позволяют сделать аддитивные технологии.

Компания Daimler AG (Штутгарт, Германия) в партнерстве с Concept Laser и Фраунгоферовским институтом лазерных технологий перешла на изготовление крупных функциональных металлических частей с помощью аддитивных технологий. Они позволили оптимизировать геометрию деталей и добиться снижения веса. Компания Local Motors с помощью 3D-печати изготовила первый пригодный для поездок автомобиль под названием Strati. Этот двухместный электрокар официально представили публике в сентябре 2014 года в Чикаго. Strati состоит всего из 49 деталей, включая напечатанный на 3D-принтере корпус, в то время как типичный промышленный автомобиль имеет в своем составе несколько тысяч деталей. Печать автомобиля из термопластика, усиленного углеродными волокнами, с помощью лазерной системы заняла примерно 44 часа. Автомобиль способен разгоняться до скорости 40 миль в час и проезжать на одной зарядке до 120 миль. Продажи Strati могут начаться в 2016 году, а его цена составит 18 000–34 000 долларов. Другим пригодным для эксплуатации электромобилем, изготовленным с помощью 3D-печати, станет Urbee 2, который будут делать с помощью технологии FDM.

Но пожалуй, самая просторная ниша для аддитивного производства - это товары широкого потребления. Компания FOC (Нидерланды) моделирует предметы обстановки (абажуры, стулья и другие декоративные элементы) и производит их из нейлонового порошка с помощью технологии LS по мере получения заказов через Интернет.

Аддитивное производство дает больше свободы дизайнеру. В сущности - твори, что хочешь, все возможно. Поэтому неудивительно, что на подиум уже выходят модели в одежде из тканей, вышедших из 3D-печати, и в замысловатой пластиковой обуви того же происхождения.

Свобода проектирования распространяется и на клиентов, которые могут через Интернет самостоятельно управлять дизайном продукта. Компания Figureprints предлагает клиентам создать собственного персонажа игры World of Warcraft с помощью программы на сайте и отправить свой заказ производителю. Фигурку персонажа изготавливают на централизованном производстве и высылают заказчику. В игровой индустрии уже существуют сотни миллионов виртуальных персонажей, которых покупатели вполне могут захотеть превратить в физические объекты. По этой причине игровая индустрия может стать одной из самых привлекательных рыночных ниш для аддитивного производства.

Что же касается архитектуры и прикладного искусства, то здесь аддитивные технологии утвердились, видимо, навсегда. А как иначе создавать макеты новых зданий, сооружений и городов. Да и скульптуру проще «отпечатать» по модели (можно ведь и тиражировать), чем лепить руками или отливать из бронзы, - дорого!

В мире и в России

Аддитивное производство требует оборудования. Сегодня рынок соответствующих установок делится на три сегмента. Быстрее всего растет сегмент дешевых 3D-принтеров для офисов, ориентированных на изготовление концептуальных макетов. Второй сегмент - оборудование средней стоимости для создания прототипов деталей с различной степенью точности и/или функциональности. Дешевые и средние по стоимости установки обычно работают с полимерным материалом. Третий сегмент - установки высокого класса, которые стоят от двухсот тысяч до двух миллионов долларов. Они работают с полимерами, металлическими и керамическими порошками, с их помощью можно делать вполне крупногабаритные детали. Ведущие изготовители установок - американские компании 3D Systems и ExOne, израильская Stratasys, шведская Arcam, а также немецкие EOS и Voxejet.

К 2013 году производством и продажей установок занимались шестнадцать компаний в Европе, семь - в Китае, пять - в США и две - в Японии. По числу смонтированных систем 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%, что и понятно - научный задел России в этой области весьма невелик, всего 0,76% от мирового объема научных публикаций в этой области. За последние 15 лет в России был выдан 131 патент по различным аспектам аддитивного производства (0,14% от мирового количества), причем 14 из них получили российские заявители, а 117 - иностранные. Для сравнения: Южная Корея, США, Япония и Китай совместно владеют 90% патентов в этой сфере.

Что касается производства, то в России используют и внедряют аддитивные технологии считанное количество промышленных компаний и исследовательских центров в Москве, Санкт-Петербурге, Воронеже, Самаре, Ставрополе и Казани. Правда, в основном они продают западное оборудование и в лучшем случае занимаются прототипированием. Опять мы оказались в отстающих. Конечно, все объяснимо: оборудование дорогое, кадры надо готовить, производство соответствующих исходных материалов налаживать, стимулировать фундаментальные исследования и НИОКР.

Но есть и другой важнейший системный фактор. Применение аддитивного производства оправданно лишь тогда, когда четко и эффективно налажено управление всем жизненным циклом продукции - то, что в российской промышленности практически отсутствует. Иными словами, нужна развитая, хорошо скоординированная промышленность-от добывающей к перерабатывающей и производящей. Именно с этим столкнулась российская Нанотехнологическая инициатива, объявленная в 2007 году. В результате РОСНАНО пришлось заниматься созданием системы подготовки кадров и инфраструктуры, стандартизацией, сертификацией и строительством предприятий.

Ничего не поделаешь, придется работать с тем, что есть. Главное, не ставить задачу «догнать и перегнать» и «занять n% мирового рынка». Хотя и на мировом рынке Россия могла бы найти свою нишу, если бы разработала и предложила подходящие материалы для аддитивного производства - металлические или керамические порошки, например. Однако гораздо важнее подумать о внутреннем рынке. А чтобы его создать и обеспечить, необходима общенациональная программа развития аддитивного производства.

Подготовлено по материалам «Публичного аналитического доклада по развитию новых производственных технологий», выпущенного Сколковским институтом науки и технологий 22 октября 2014 года.