2018/05/04 18:46:23

Аддитивное производство (АП)
Additive Manufacturing (AM)

Класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) — в противоположность так называемому вычитающему производству (например, традиционной механической обработке).

Содержание

Эволюция 3D-печати

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 - в отдельном материале TAdviser.

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, Великобритания) 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:

Структура рынка аддитивных технологий в 2025 году по направлениям использования. Сегмент «Прочие» включает энергетическую и пищевую промышленность, строительную отрасль и др. Источник: Frost & Sullivan


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.

Структура рынка аддитивных технологий в 2025 году по регионам. Сегмент «Прочие» включает Индию, страны Латинской Америки, Россию, Австралию, Швецию, Италию, Бельгию, Испанию и Нидерланды. Источник: 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.

Китай широко применят 3D-печать для массового производства компонентов для аэрокосмической промышленности. Прогнозируемое снижение стоимости производства позволит стране в ближайшие годы нарастить объемы выпускаемой продукции.

Ключевые тенденции

К характерным тенденциям мирового рынка аддитивных технологий последних лет в Frost & Sullivan относят:

  • Постоянное увеличение доли деталей, изготавливаемых с использованием аддитивных технологий, в качестве конечных («готовых») изделий — direct manufacturing;
  • Стремительное развитие технологий 3D-печати, снижение сроков и стоимости производства за счет применения гетерогенных материалов;
  • Увеличение масштабов внедрения технологий 3D-печати в авиационной, аэрокосмической отраслях, автомобилестроении, сфере здравоохранения, а также в сегменте производства потребительских товаров;
  • Применение 3D-печати для создания быстро переналаживаемых производств, позволяющих сократить время от этапа разработки концепции до создания опытного образца на 70 и более процентов;
  • Рост объема финансирования НИОКР в сфере аддитивного производства;
  • Консолидацию рынка путем формирования консорциумов, объединяющих предприятия, исследовательские центры и университеты, а также объединение бывших конкурентов. Практически ежегодно на рынке появляются новые компании, новые технологии. Но часть из них, не выдерживая конкуренции, исчезает, а часть — уходит под крыло крупных компаний;
  • Создание специализированных организаций с целью объединения усилий компаний и научных кругов, занимающихся разработкой решений для аддитивного производства (пример — Американский Национальный институт инноваций в области аддитивной промышленности («America Makes»);
  • Удешевление производства за счет снижения стоимости оборудования и повышения доступности технологий.

Ключевые игроки

Согласно оценкам Frost & Sullivan, лидерами мирового рынка являются следующие компании:

Аддитивные технологии в России

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:

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.

Компания General Electric (GE) заявила о готовности к относительно массовому производству топливных форсунок для своего нового турбовинтового двигателя LEAP с помощью процесса DMLS из кобальтохромового порошка. GE отметила, что может производить по меньшей мере 25 000 форсунок в год (одному двигателю требуется 19 форсунок). Другие занятые в этой отрасли компании, такие как Lockheed Martin, Boeing и Siemens, также пристально изучают возможности АП. СМИ утверждают, что компания Boeing произвела методами АП более 20 000 деталей, которые уже используются в военных и гражданских самолетах компании. Это в том числе компоненты, изготовленные из термопластика по процессу SLS.

Исследования сокращения затрат, вызванного применением АП в аэрокосмической индустрии, указывает на значительный выигрыш при работе над некоторыми деталями или задачами. Например, использование процесса LENS для восстановления турбинных лопаток на военном складе в Аннистоне (США) приводит к экономии $6297 на каждой детали, что дает годовую экономию $1 444 416. Аналогично этому, как показывают расчеты, восстановление торцов лопаток в двигателе AV8B, изготовленных из титанового сплава Ti-6Al-4V, позволяет сэкономить $715000 в год. В литературе упоминается множество других сходных сообщений о сокращении расходов на авиационные детали, в том числе прогнозируемая экономия для авиакомпании в размере $2,5 млн. только за счет снижения на 50–80% веса металлических креплений в салоне при их изготовлении с помощью технологий АП.

Автомобилестроение

В силу относительно высокой стоимости и малой производительности технологий АП их применение в автомобилестроении пока связано преимущественно с автоспортом. Высокие объемы производства и требования к качеству массовых транспортных средств обусловили использование АП-технологий преимущественно в области изготовления прототипов и инструментальной оснастки, что помогает компаниям сократить цикл разработки и производства. Хорошим примером использования АП в автомобилестроении может служить опыт компания Daimler AG (Штутгарт, Германия), которая в партнерстве с Concept Laser и Фраунгоферовским институтом лазерных технологий заменила дорогостоящие и длительные процессы литья в кокиль и в песчаные формы, применявшиеся для изготовления крупных функциональных металлических частей, АП-процессом, позволившим оптимизировать геометрию деталей и добиться снижения веса.

Грядущие перспективы применения АП-технологий в автомобильной промышленности продемонстрировала компания Local Motors, которая с помощью 3D-печати изготовила первый пригодный для поездок автомобиль – двухместный электрокар под названием Strati.

Медицинские изделия

Препятствия на пути распространения технологии

На 2016 г. наиболее часто упоминаются следующие технические и экономические барьеры, препятствующие широкому распространению АП:

  • свойства материала (детали часто имеют анизотропные свойства, что обусловлено послойной природой АП-процессов; выбор материалов для АП весьма ограничен);

  • точность изготовления и качество поверхности деталей (практически все АП-процессы требуют последующей механообработки в местах сочленений, посадочных мест валов и т.д.);

  • скорость изготовления (ограничена мелкосерийным производством);

  • высокие капитальные вложения;

  • высокая стоимость материалов и обслуживания (АП-процессы требуют специальных форматов материалов, которые могут быть дороже традиционных (листы, профили, и т. п.) в 100–200 раз; оборудование АП все еще несовершенно);

  • отличия в геометрии и свойствах между «идентичными» деталями, изготовленными на разных установках;

  • закрытая архитектура большинства АП-установок, что не позволяет исследователям и технологам варьировать условия обработки.

Аттестация АП-оборудования

Она является критически важным фактором для внедрения АП и выступает необходимым предварительным условием для сертификации конструкционных узлов. На 2016 г отмечается неустойчивость характеристик от детали к детали и от установки к установке. Процесс аттестации технологии для того или иного материала может быть различным, однако некоторые обязательные элементы являются общими. Можно выделить три основных вопроса:

  • Является ли технология применения данного материала проработанной и стандартизированной? Процесс производства материала должен соответствовать жестко заданной спецификации.

  • Имеется ли достаточно полное описание характеристик технологии применения данного материала? Необходимо наличие статистически достоверных данных о механических свойствах материала, соответствующих требованиям MMPDS.

  • Была ли проведена демонстрация технологии применения данного материала? Составные части технологии должны быть продемонстрированы в соответствующей рабочей ситуации.

Аттестация АП для применения в конструкционно критических приложениях сталкивается со значительными проблемами по следующим причинам:

  • АП — молодая и быстро развивающаяся технология с большим числом достаточно разнородных АП-установок;

  • стандартизация — первый шаг в традиционном процессе аттестации. Однако «замораживание» процесса, необходимое при стандартизации, вступает в прямое содержательное противоречие с АП-обработкой;

  • генерация необходимого объема данных о механических свойствах материалов сопряжена со значительными финансовыми и временными затратами.

К примеру, традиционный подход к аттестации и сертификации деталей летательных аппаратов является весьма затратным как с финансовой точки зрения (необходимо затратить свыше $130 млн.), так и с временной (требуется примерно 15 лет). Одна лишь наработка статистически значимой базы данных обходится в $8–15 млн., требует испытания 5 000–100 000 образцов и занимает более двух лет. Таким образом, требуются альтернативные подходы, позволяющие проводить ускоренную аттестацию.

Производители АП-оборудования обычно привязывают свое оборудование к специфическим процессам управления и патентованным материалам, практически превращая установку в «черный ящик» и тем самым ограничивая ее применение на рынке. На практике некоторые производители оборудования даже настаивают на том, что они сами должны выполнять программную настройку установки для производства конкретной детали. Такая бизнес-модель ограничивает возможности производителей изделий (пользователей и операторов установки) в том, что касается понимания и развития метрологии АП-процессов.

Широкое распространение АП-технологий предполагает их рентабельность. Факторы, благоприятствующие АП-технологиям в сравнении с традиционным производством, перечислены в таблице.

АП-технологии к 2016 г удобны для изготовления малых партий, для которых более высокая стоимость специального сырья компенсируется снижением постоянных затрат, связанных с традиционным производством.

Следует особо отметить такие характеристики АП, как скорость, гибкость и легкость переналадки, поскольку они делают возможным производство «точно в срок». Хотя такой тип экономии труднее измерить, представляется очевидным, что АП является ценной возможностью, когда критическая деталь (нужная, скажем, для того, чтобы система оставалась функциональной) может быть изготовлена за несколько дней вместо нескольких недель. Технологии АП способны сократить логистику, снизить расходы и затраты энергии, связанные с упаковкой, транспортировкой и хранением запасных частей.

Направления исследований

К 2016 г исследования в области АП ведутся преимущественно в специализированных исследовательских центрах, которые создаются в университетах при масштабной поддержке от промышленности и правительства (как федерального, так и местного). Все сильнее вовлекаются в эту деятельность национальные исследовательские институты и лаборатории Министерства обороны. «Дорожная карта» развития аддитивного производства, составленная в 2009 г. по итогам семинара с участием 65 ключевых экспертов, описывает приоритеты исследований по основным направлениям аддитивного производства. К 2016 г этот документ является руководством, направляющим исследовательскую работу в области АП.

Проектирование:

  • Разработка концептуальных методов проектирования, которые помогут определить границы и провести исследование пространства проектных решений, открываемого АП-технологиями.

  • Разработка новых принципов работы для систем автоматизированного проектирования с целью преодолеть ограничения существующих подходов к объемному моделированию в том, что касается представления сложных геометрических структур и одновременного использования нескольких материалов.

  • Разработка многоуровневой методологии процесса моделирования и обратного проектирования, позволяющей ориентироваться в сложной системе соотношений «процесс — структура — свойства».

  • Создание методов моделирования и проектирования с вариативностью параметров: форма, процесс, свойства.

Моделирование и управление процессом:

  • Разработка предсказательных моделей для связей «процесс — структура — свойства», интегрированных в системы автоматизированного проектирования, конструирования и производства (CAD/E/M).

  • Создание адаптивной и саморегулирующейся системы управления с возможностями прямой и обратной связи. Алгоритмы системы управления должны опираться на предсказательную модель реакции системы на изменения в процессе.

  • Создание новых датчиков (sensors), способных функционировать в рабочих камерах установок АП, и разработка методов обработки информации, полученной от набора различных датчиков (sensor fusion).

Процессы в материалах и установки:

  • Достижение более полного понимания физики АП-технологий, которое учитывает сложное взаимодействие различных физических явлений.

  • Разработка масштабируемых и скоростных методов линейной и поверхностной обработки материалов для увеличения производительности оборудования.

  • Создание для АП-установок контроллеров с открытой архитектурой и переналаживаемых модулей.

  • Реализация уникальных особенностей АП в производстве эпитаксиальных металлических структур, выпуске деталей, состоящих из нескольких материалов и градиентных материалов.

  • Разработка методологии определения того, почему некоторые материалы могут быть обработаны методами АП, а некоторые — нет.

  • Разработка инструментов для поатомного аддитивного производства структур и устройств и для проектирования нанопроизводства.

  • Разработка экологичных («зеленых») материалов, в том числе биоразлагаемых, подлежащих вторичной переработке и повторному использованию.

На 2016 г. существующие промышленные системы автоматизированного проектирования (CAD) плохо подходят для моделирования деталей сложной конструкции (напр., решеток или ячеек), содержащих тысячи различных форм и/или состоящих из градиентных материалов. В этих случаях, из-за особенностей используемых технологий параметризации, САПР, как правило, работают медленно, занимая сотни мегабайтов или даже гигабайты оперативной памяти. Это существенно ограничивает применение существующих САПР для моделирования композитных, градиентных и биологических материалов; поэтому необходима разработка САПР с прицелом на решение таких проблем. Более того, для оптимального применения в задачах АП системы автоматизированного проектирования должны уметь преобразовывать требования к механическим свойствам изделия в особенности геометрии и/или распределения материалов — задача, требующая интеграции соотношений «процесс — структура — свойства» в системы автоматизированного проектирования, конструирования и производства (CAD/CAE/CAM). Это, в свою очередь, требует разработки соответствующих вычислительных методов для многоуровневого моделирования, обратного проектирования и оптимизации.

Еще одним направлением развития является интеграция методов автоматизированного контроля в CAD/CAE/CAM-системы, что может помочь в вопросах анализа изделий in situ непосредственно в ходе изготовления, при условии, что в рабочую область АП-установки можно установить соответствующие датчики. Количественное сопоставление номинальных проектных характеристик изделия (геометрии и состава материала) с реальными непосредственно в процессе изготовления может открыть дополнительные возможности для создания управляющей обратной связи.

Одно из самых значительных направлений исследования обусловлено необходимостью достичь более полного и фундаментального понимания физических основ каждого процесса АП. В частности, одной из ключевых задач является более глубокое понимание деталей взаимодействия различных источников энергии с материалами.

Необходимо обратить более пристальное внимание на системы АП смешанного типа. Такие системы могут открыть новые возможности обработки, в том числе использование множественных аддитивных процессов, совмещение послойных технологий с другими, совмещение аддитивного и вычитающего производства, интеграцию элементов изделия при помощи автоматизированной вставки компонентов. Примером смешанной системы такого рода может служить набор аддитивных технологий, способный создавать конструкционные 3D-материалы с электронными компонентами, размещенными путем внедрения и прямой записи, что вкупе с автоматизированным внедрением предварительно произведенных компонентов позволяет изготовить полностью интегрированное электромеханическое изделие как целостную систему.

Материалы

Это неотъемлемая составная часть технологий АП. На 2016 г эти технологии способны обрабатывать широкий круг однородных и неоднородных материалов. Ключевой задачей в области создания и обработки материалов является улучшение качества, повышение стабильности процесса, воспроизводимости и надежности для разнообразных материалов при сохранении низкой стоимости материала, установки, процесса изготовления и чистовой обработки. Традиционное производство в целом надежно обеспечивает воспроизводимость структуры и свойств материалов. Процессы АП являются более сложными, поскольку для получения приемлемого качества изделия параметры установки должны быть заданы индивидуально, и в ряде случаев структура материала, свойства и производительность не только отличаются от установки к установке, но зависят даже от расположения внутри одной установки.

Уникальный метод обработки в АП предъявляет особые требования к металлическим и керамическим порошкам. Например, важным условием использования порошка в АП-технологиях является его текучесть, поскольку в основе обработки лежит распределение порошка по поверхности (процессы LS/LM) или подача порошка (процессы LMD, DMD). Чтобы удовлетворить требованиям АП-приложений, необходимо дальнейшее изучение химических и физических свойств, методов подготовки и способов описания характеристик порошковых материалов. Расширение спектра материалов, пригодных для аддитивного производства, потребует исследования многоэлементных систем и форм, в том числе легированных/смешанных/композитных порошков на основе железа, никеля, титана, алюминий, меди и магния.

Сотрудники Сколтеха разработали технологию 3D-печати изделий из композитов (в частности, из углепластика), позволяющую получать образцы композиционного материала, превосходящие по своим механическим характеристикам мировые аналогиНа текущий момент есть весьма ограниченное количество промышленных сплавов, пригодных для использования в АП-технологиях. Наиболее интенсивно был изучен сплав титана, алюминия и ванадия Ti-6Al-4V, обладающий уникальными химическими и механическими свойствами, а также хорошо задокументированной биосовместимостью; этот сплав нашел широкое применение в авиационно-космической промышленности и медицине. Для широкого круга материалов, применимых в АП, необходимо выполнить масштабные исследования для установления соотношений «процесс — структура — свойства». Когда будет накоплен достаточный объем информации, появится возможность сформировать базу данных физико-химических процессов, происходящих в материалах, которая поможет упростить АП широкого круга материалов, сделать его более точным и надежным.

Вплоть до 2016 г основная деятельность в области АП была сосредоточена на изделиях из пластиков и металлов. Однако технология АП привлекательна и для изготовления керамических деталей. Широкое промышленное использование высококачественных керамических материалов тесно связано с доступностью технологий получения формы изделий, близкой к заданной, поскольку механообработка керамики является времязатратным и дорогим процессом, требующим, как правило, использования алмазных инструментов. Во многих случаях на станочную обработку приходится до 80% всех производственных затрат, что может послужить хорошим стимулом для изготовления керамических деталей методами АП. 3D-печать с прямым нанесением мелкодисперсных керамических (двуокись циркония, двуокись титана, титанат бария, цирконат-титанат свинца) суспензий через инжекционное сопло с успехом применялась в исследовательских лабораториях для изготовления как миниатюрных деталей сложной формы, так и структурированных тонкопленочных покрытий (без использования масок и травления). В промышленных масштабах АП-процесс с успехом применяется при изготовлении форм для песчаного литья в добывающей и нефтегазовой промышленности. При этом используются технологии струйной порошковой печати, такие как процесс, реализованный в АП-системе ExOne. В этом случае при отказе детали можно быстро напечатать форму на 3D-принтере, передать ее в литейный цех для изготовления отливки, оперативно получить деталь и установить на место. Успех такого производства «точно в срок», реализованного благодаря АП-технологиям, обусловлен высокими финансовыми потерями от простоя скважины. Важное направление исследований представляет собой распространение АП-технологий на точное литье, которое требует воспроизведения более тонких деталей и лучшего качества форм и стержней, чем литье в песчаные формы.

Турбина из металлокерамических композитных материалов с металлической матрицейТехнологии АП вызывают также деятельный интерес с точки зрения изготовления изделий из композитных материалов. В рамках оборонных исследований было предпринято изучение применимости АП-технологий для производства материалов с многоуровневой иерархической функциональностью на нано– и микро-шкалах. Например, ученые и инженеры из Лаборатории военных исследований США совместно с Университетом Висконсин — Мэдисон разработали технологию создания трехмерного полимерного композитного материала с помощью АП-процесса в электрическом поле. Еще одна важная область исследований связана с применением технологий АП для изготовления металлокерамических композитных материалов с металлической матрицей (MMC — metal-matrix composite). Среди примеров следует назвать вольфрам-карбидный композит (Co-WC MMC), обработка которого выполнялась как по процессу LS, так и по процессу LMD. Применение процессов АП для производства изделий из композитных материалов с керамической матрицей (CMC — ceramic-matrix composite) также является областью активных исследований. Так несколько групп изучают возможности изготовления деталей из интерметаллических/керамических композитов с получением формы изделия, близкой к заданной, с помощью инфильтрации материала в пористую структуру заготовок, изготовленных путем 3D-печати.

В то время как основные усилия сосредоточены на разработке процессов и материалов, исследовательская работа в области внедрения АП остается весьма ограниченной. Многие опубликованные работы опираются на смоделированные, а не реальные примеры. Нормативная база по внедрению АП, которой могли бы пользоваться лица, отвечающие за принятие решений во внедряющих организациях, по-прежнему нуждается в проработке.

Современное образование в области проектирования не отвечает требованиям, предъявляемыми АП-технологиями. Нынешние проектировщики могут пройти переобучение, однако в рамках технического обучения и подготовки по программам колледжей и университетов необходимо приложить значительные усилия к тому, чтобы следующее поколение инженеров и исследователей было обучено применению технологий аддитивного производства. Для подготовки следующего поколения кадров в области АП требуется разработать технические курсы высокого уровня. В рамках этих курсов следует уделить особое внимание научным основам АП-технологий и обучить инженеров разработке более совершенных методов анализа, схем управления и программных инструментов для АП.

Аддитивное производство в России

На 2016 г. в России использованием и внедрением технологий аддитивного производства занимается ограниченное количество промышленных компаний и исследовательских центров. Диапазон их деятельности относительно узок. Они преимущественно выступают в качестве посредников, продающих АП-оборудование и/или занимаются быстрым прототипированием, что для современного АП является вчерашним днем. Очень малое количество компаний располагает мощностями для производства функциональных комплектующих из материалов с хорошими эксплуатационными характеристиками, и уж совсем мало кто способен производить эти детали в промышленных количествах. Такая ситуация предположительно вызвана высоким уровнем капитальных затрат, связанных с АП-оборудованием высокого класса, которое к тому же требует наличия соответствующим образом обученного и подготовленного персонала. Другой серьезный фактор связан с тем, что полноценное использование преимуществ АП, которые оправдали бы его применение в промышленном производстве, предполагает высокий уровень управления всем жизненным циклом продукции — а в российской промышленности это практически отсутствует.

Отсутствию значимой коммерческой заинтересованности в АП-технологиях, выходящих за рамки быстрого прототипирования, сопутствует весьма ограниченный объем исследовательской деятельности в этой области. Показательно, что количество российских публикаций по вопросам АП составляет всего 0,76% от общемирового. По количеству публикаций Россия занимает 26-е место в мире, разделяя его с Грецией, Израилем, Финляндией и Польшей. С российскими техническими публикациями, занесенными в список Web of Science, связана 21 исследовательская организация, куда входят по большей части научно-исследовательские институты ныне не существующей Российской Академии Наук и несколько университетов из Санкт-Петербурга и Москвы. К 2016 г. за последние 15 лет в России был выдан 131 патент по различным аспектам АП (0,14% от мирового количества), причем 14 из них получены российскими заявителями, а 117 — иностранными. Для сравнения: Южная Корея, США, Япония и Китай совместно владеют 90% патентов в этой сфере.

Отставание России от стран, лидирующих в области АП, и без того колоссальное, продолжает быстро нарастать, особенно если принять во внимание скоординированные усилия правительств, промышленности и академических институтов стран-лидеров, направленные на широкое распространение аддитивного производства в промышленности. В число ключевых факторов, влияющих на возможности расширить применение АП-технологий в российской промышленности, входит наличие

  • инфраструктуры для АП (например, инструментов управления жизненным циклом продукции, стандартов и т. п.),
  • квалифицированной рабочей силы,
  • доступного АП-оборудования высокого класса и материалов для АП, разработка которых сама по себе является сложной междисциплинарной задачей.

К числу дополнительных, но столь же важных факторов относится ознакомление профессионалов и менеджеров из различных отраслей промышленности с преимуществами применения технологий АП. Помимо этого, промышленное внедрение этих технологий будет невозможным без значительных инвестиций в фундаментальные и прикладные исследования. Опыт других стран показывает, что все эти задачи не могут быть решены без существенного участия правительства и продуманных финансовых стимулов, которых в России сейчас остро недостает.

Что касается индустрии АП как таковой, то разработка в России нового АП-оборудования промышленного уровня на 2016 г может оказаться нецелесообразной, если только его стоимость (при сравнимом качестве) не окажется значительно ниже стоимости оборудования существующих поставщиков, или же новое оборудование не будет обладать принципиально новыми возможностями, делающими его привлекательным для российского рынка. В то же время разработка программных инструментов и создание АП-материалов, в том числе подходящих металлических порошков, могут стать многообещающими направлениями, по крайней мере для внутреннего рынка, и в этом качестве заслуживают пристального внимания. Однако подобная деловая активность, тесно связанная с созданием инфраструктуры для аддитивного производства, вряд ли способна стать прибыльной сама по себе, без включения в общенациональную программу вывода аддитивного производства на широкий, хотя бы и внутренний, рынок[1].

2018

Создание центра аддитивных технологий на базе ММП им. Чернышева

Госкорпорация Ростех 17 августа 2018 года заявила об инвестировании почти 3 млрд рублей в развитие промышленной 3D-печати в России. Средства пойдут на открытие Центра аддитивных технологий (ЦАТ) на базе Московского машиностроительного предприятия имени В.В. Чернышева (входит в ОДК) — его созданием заняты холдинги авиакластера госкорпорации: «Объединенная двигателестроительная корпорация» (ОДК), «Вертолеты России», «Технодинамика» и КРЭТ. По оценкам Ростеха, выручка ЦАТ на период 2018-2027 гг. может составить 13,2 млрд рублей, а прибыль от продаж — превысить 3,6 млрд рублей. Подробнее здесь.

Основные задачи развития 3D-печати

Специалисты «Всероссийского института легких сплавов» (входит в Ростех) обозначили основные задачи развития 3D-печати.

В статье ВИЛС от 4 мая 2018 года одной из ключевых задач называется повышение экономической эффективности производства. Так, по оценкам специалистов института, 3D-печать позволит снизить стоимость изготовления деталей из титановых сплавов на 30%.

Другая задача — обеспечение возможности изготавливать детали такой формы, которую ранее было невозможно получить. Например, форму с полыми пространствами или решетчатой структурой, что дает значительное весовое превосходство.

Принципиальной задачей развития 3D-печати, по мнению специалистов ВИЛС, является повышение механических свойств деталей из титановых сплавов. Достижение необходимых свойств зависит от характера микроструктуры и отсутствия дефектов.

«
Задача технолога при построении 3D-модели сложна, так как в зависимости от размера детали и других параметров температура частицы или слоя постоянно меняется. Знание особенностей изменения структуры в процессе получения детали является необходимым условием для достижения стабильных и высоких механических свойств при 3D-печати, — рассказал профессор, начальник НИЦ им. В.И. Добаткина ВИЛС Игорь Полькин.
»

В ВИЛС уже доказали возможность значительного сокращения объема механической обработки деталей при использовании методов порошковой металлургии для изготовления деталей из титановых, а также никелевых сплавов, что заметно повышает экономическую эффективность производства по сравнению с традиционной технологией деформации. В частности, была показана возможность повышения коэффициента использования металла (КИМ) в 2–3 раза, а для дисковых материалов из титана — до 3–5 раз, указали в институте. По оценкам специалистов ВИЛС, применение 3D-технологии должно повысить эти показатели в 2 раза.

Материал для детали турбореактивного двигателя

«Всероссийский институт легких сплавов» (входит в Ростех) в феврале 2018 года сообщил о том, что полученные им металлические порошки были использованы в качестве материала для жаровой трубы камеры сгорания турбореактивного двигателя ДГ-4М, применяемого в ракетных комплексах. Труба была изготовлена Самарским национальным исследовательским университетом им. академика С.П. Королева методом селективного лазерного сплавления, относящегося к аддитивным технологиям. Подробнее здесь.

Примечания