IT.UA - home page

Меню
Aside section
Назад к списку

Аддитивное производство (АП), или 3D-печать

Определения и термины

Технологии, о которых пойдет речь в данной статье, начали развиваться менее 40 лет назад. За это время они прошли несколько этапов, почти каждый сопровождался возникновением новых технологических процессов и, соответственно, появлением новых терминов и определений, которые отчасти или даже полностью дублировали друг друга. Вот их неполный перечень.

Аддитивное производство (АП), или 3D-печать — группа технологических методов производства изделий и прототипов, основанная на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки.1

Аддитивное производство — 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).2

Аддитивное производство — процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных трехмерных моделей, как правило, послойно, в отличие от субтрактивного метода и метода формовки. В разное время использовались такие термины, как аддитивное изготовление, аддитивные процессы, аддитивные методы, аддитивное послойное производство, послойное производство и изготовление изделий произвольной формы.

3D-печать, согласно стандарту ISO/ASTM 52900, — это изготовление объектов путем нанесения материала печатной головкой, с помощью сопла или другой технологии печати. В недалеком прошлом термин 3D-печать ассоциировался с недорогими станками низкой производительности. Однако сейчас термины аддитивное производство и 3D-печать означают одно и то же.3

Трехмерная печать или 3D-печать — технология аддитивного производства, официальное наименование которой — моделирование методом послойного наплавления (Fused deposition modeling, FDM), и еще целый ряд технологий, созданных на ее основе. Сам термин первоначально относился к процессу печати послойного спекания порошкового слоя с использованием струйных печатающих головок, разработанных в Массачусетском технологическом институте (Massachusetts Institute of Technology, MIT) в 1993 г. Его предложили студенты MIT Тим Андерсон (Tim Anderson) и Джим Бредт (Jim Bredt), которые работали над диссертацией, посвященной созданию струйной печати на основе порошковой технологии.4

Другие синонимы термина "аддитивное производство" (от англ. additive – добавлять):

  • автоматизированное изготовление (Autofab — Automated Fabrication) в значении автоматизации производства и исключения ручного труда;
  • быстрое прототипирование (БП) изделий произвольной формы (Freeform Fabrication/Solid Freeform Fabrication);
  • послойный синтез, собственно аддитивное производство;
  • аддитивное формование (чаще понимается в значении прототипирования, изготовления заготовки);
  • стереолитография (SL/Stereolitography) или трехмерная печать (3DP). Первое название введено компанией 3D Systems, второе Массачусетским технологическим институтом (MIT). Оба термина описывают сочетание двумерных процессов производства (литография + печать) и расширение в третье измерение. Употребление в СМИ наименования 3D-печать делает его общеупотребительным и превалирующем на рынке в обозначении технологий АП.5

Как следует из приведенных определений, аддитивные технологии позволяют изготавливать деталь или изделие непосредственно по компьютерной 3D-модели, виртуально нарезанной на тонкие слои; файл с этой моделью передается в АП-систему, которая осуществляет послойное формирование конечного изделия.

Краткая история развития 3D-печати

Развитие аддитивных технологий началось в начале 1980 гг. с быстрого прототипирования (rapid prototyping) — создания прототипа изделия в целях проверки расчетов, доработки и утверждения опытного образца перед началом серийного производства. Стоимость изготовления единичного прототипа была во много раз выше стоимости изготовления единицы продукта при массовом производстве, при этом на изготовление образца уходило несколько недель. Возможность быстрого создания прототипа и оперативной проверки его параметров стала технологическим прорывом для производственных и дизайнерских компаний и послужила толчком к развитию рынка.

 На новую технологию обратили внимание промышленные компании и начали ее использовать для разработки оснастки, что существенно сократило подготовительный цикл производства и себестоимость.

 По мере совершенствования технологий и материалов стала возможной печать полнофункционального продукта (а не только прототипа), а также индивидуальной печати на заказ, в связи с чем термин быстрое прототипирование перестал отражать реальные возможности 3D-печати и возникла необходимость в отдельном понятии, так и появилось аддитивное производство.5

Технологии и материалы

Основные технологические процессы и типы используемых материалов:

  • фотополимеризация в ванне (Vat Photopolymerization, VP) — фотополимеры;
  • струйное нанесение материала (Material Jetting, MJ) — фотополимеры, воск, органические материалы;
  • струйное нанесение связующего (Binder Jetting, BJ) — металлы, полимеры, керамика;
  • синтез на подложке (Powder Bed Fusion, PBF) — металлы, полимеры, керамика;
  • экструзия материала (Material Extrusion, ME) — полимеры, керамика/композиционные материалы, органические материалы;
  • прямой подвод энергии и материала (Directed Energy Deposition, DED) — металлы в виде порошка и проволоки;
  • листовая ламинация (Sheet Lamination, SL) — металлы, полимеры, керамика.

Основные технологии:

  • CJP (ColorJet Printing) — технология полноцветной 3D-печати путем склеивания специального порошка на основе гипса.
  • MJP (MultiJet Printing) — многоструйное моделирование с помощью фотополимера или воска.
  • SLA/DLP (Stereolithography Apparatus/Digital Light Processing) — лазерная стереолитография, основана на послойном отверждении жидкого материала под действием излучения лазера.
  • SLS (Selective Laser Sintering) — селективное лазерное спекание под лучом лазера частиц порошкообразного материала до образования физического объекта по заданной CAD-модели.
  • SLM/DMP (Selective Laser Melting/Direct Metal Printing) — селективное лазерное плавление металлического порошка по математическим CAD-моделям при помощи иттербиевого лазера.6

Основные материалы:

  • воск;
  • гипсовый порошок;
  • полистирол;
  • полиамиды в виде порошка — стеклонаполненные, угленаполненные и металлонаполненные;
  • УФ- и фотоотверждаемые жидкие фотополимеры;
  • керамонаполненные жидкие фотополимеры;7
  • металлические сплавы — нержавеющие, инструментальные, никелевые, цветных металлов, кобальт-хром, алюминиевые, титановые и др.
  • термопластичные полимерные материалы, термореактивные полимерные материалы, эластомеры, гидрогели, функциональные полимеры, полимерные смеси, композиционные материалы.8

Преимущества аддитивного производства

АП-технологии обеспечивают:

  • Гибкость, позволяющую быстро начинать производство сложной кастомизирoванной продукции и запасных частей, которые либо не могут быть изготовлены с помощью традиционных производственных технологий, либо требуются в малых объемах.
  • Изготовление деталей сложной конфигурации (например, содержащих внутренние каналы охлаждения), которые нельзя изготовить субтрактивным методом.
  • Возможность быстрой передачи компьютерной 3D-модели в любую точку мира, где установлен подходящий принтер, что позволяет организовать локальное производство в мировых масштабах.
  • Близость получаемой формы изделия к заданной, что существенно сокращает расходы материала и отходы производства.
  • Малую продолжительность стадий разработки и быстрый запуск изделия в производство.
  • Возможность оперативного изготовления оснастки (или отсутствие необходимости в ней).
  • Печать конструкций любой сложности без удорожания (принцип "сложность за бесплатно" — когда производство одной детали стоит столько же, сколько и большой партии).
  • Экономическую целесообразность мелкосерийного производства и выпуска кастомизированной продукции.
  • Возможность оперативного внесения изменений в проект уже на этапе производства.
  • Топологическую оптимизацию под специальные требования (изменение конструктивных элементов с целью снижения массогабаритных характеристик и улучшения функциональных особенностей без снижения прочности и долговечности изделия).6
  • Децентрализацию производства, упрощение логистики, сокращение времени поставок, уменьшение объемов складских запасов.
  • Возможность объединения нескольких компонентов в одну деталь, что упрощает сборку и ускоряет производство.
  • Возможность разработки дизайна продуктов, который ранее был недостижим или был слишком дорогим для изготовления традиционными методами (механическая обработка на станках с ЧПУ, литье и т.д.).
  • Печать запчастей для ремонта в местах его проведения.
  • Печать по запросу в момент возникновения потребности.
  • Эффективное применение робототехники; роботизированные машины трехмерной печати способны автоматизировать постобработку напечатанных деталей.2

Ограничения, характерные для аддитивных технологий на современном этапе развития

Несмотря на неоспоримые преимущества 3D-печати, существуют принципиальные ограничения, которые сдерживают расширение сферы применения АП:

  • масштаб производства (крупносерийное производство получается слишком дорогим);
  • размер детали (ограничение в размерах изделия);
  • точность изготовления (определяется минимально достижимой толщиной слоя);
  • скорость (относительно низкая производительность по сравнению, например, с методом формовки);
  • себестоимость (дороговизна некоторых материалов, используемых для печати);
  • энергозатраты (высокая энергоемкость производства);
  • материалы (относительно узкий выбор материалов);
  • постобработка (финишная обработка сложных поверхностей);
  • качество (низкая стабильность качества изделий);
  • и другие.

 Ограничение в размерах изделия обусловлено параметрами принтера; впрочем, с помощью 3D-принтера высотой 6 м, длиной 37 м и шириной 12 м в Дубаи за 19 дней построили одноэтажное офисное здание.9 Но одно дело здание, другое — деталь ответственного изделия, например, лопатка турбины. Следует повышать трехмерную точность готовых изделий, повторяемость на уровне заданного качества. Сейчас с этим есть проблемы, от раза к разу и от принтера к принтеру получается разный результат.

 Для получения гарантированного качества изделия необходимо обеспечить контроль показателей на входе и мониторинг процесса производства в режиме реального времени. Воплощение этого принципа на практике является сложным и дорогостоящим, особенно с учетом новизны процессов АП, требуемой инфраструктуры, уровня цифровизации и организации мониторинга. А дорогостоящий и трудоемкий процесс проведения испытаний для контроля и удостоверения качества отпугивает производителей и пользователей технологии. Лишь та компания получит максимальные выгоды от внедрения АП, которая обеспечит заводской стандарт качества собственных напечатанных деталей.

 Но и это еще не все. Для обеспечения строгих стандартов производительности и безопасности потенциальным препятствием является отраслевая сертификация напечатанных изделий. Не все предприятия готовы совершить качественный переход от использования АП для изготовления прототипов к применению этой технологии в производстве деталей конечной продукции, которые должны строго соответствовать отраслевым стандартам.

Как обычно, проблемы у новой технологии возникают вследствие продолжения ее достоинств. Возможность печати деталей в любом месте, где установлен подходящий 3D-принтер, вызывает озабоченность по поводу сохранения интеллектуальной собственности как у традиционных производителей, так и у компаний, которые занимаются разработкой новых деталей и оборудования для собственного применения.

 С учетом этих ограничений можно сделать вывод, что при всех существующих и ожидаемых выгодах, аддитивные технологии не могут полностью заменить традиционное производство. Оно по-прежнему будет широко востребовано в массовом производстве. Две эти производственные технологии будут дополнять друг друга.5

Финансовые перспективы

 По данным международной консалтинговой компании Frost & Sullivan ежегодные темпы роста мирового рынка аддитивных технологий составляют 15%. При сохранении CAGR (совокупного среднегодового темпа роста) на таком уровне прогнозируется 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 АП будет приходиться на авиационную промышленность, сферу здравоохранения и автомобилестроение.10

 Проведенный консультантами компании J’son & Partners Consulting анализ показал, что:

 Рынок 3D-печати находится в самом начале подъема, экспериментов печати в разных отраслях, различной номенклатуры продукции, редизайна изделий; интенсивно совершенствуется ПО, материалы, оборудование, процессы. 

 3D-печать уверенно занимает свое место практически во всех отраслях реального сектора экономики, введена в коммерческую эксплуатацию, компании продолжают расширять номенклатуру печатаемой продукции.

 Применение аддитивных технологий в производстве, маркетинге, проектировании, визуализации для клиентов и руководства компании расширяется с каждым годом:

  • 2/3 промышленных лидеров уже сейчас применяют АП в производственных процессах.
  • К 2030 году 2/3 всей изготавливаемой продукции в мире будет производиться с напечатанным комплектующими.
  • К 2030–2050 гг. в ряде производственных отраслей 3D-печать позволит печатать полностью готовую продукцию.

 Хотя прототипирование остается крупным сегментом АП (как исторически сложившееся первое применение АП), наиболее высокими темпами растет востребованность АП в других сегментах, включая производство функциональных деталей.

 По данным опроса 1000 глобальных промышленных компаний, проведенных фирмой Sculpteo и приведенных в ее 4-м ежегодном обзоре за 2018 год,11 более 40 % компаний уже применяют 3D печать для изготовления продукции в 2018 году (в сравнении с 22% в 2017 году), при этом наибольшее применение наблюдается в аэрокосмическом секторе (более 60% компаний используют АП в производстве).5

Заключения (реалистичное, оптимистичное и фантастичное):

1. Сегодня речь о полном переходе на аддитивные технологии не идет — пока что они способны эффективно дополнять классические процессы или заменять их на каком-то определенном участке цикла. Тем не менее, многие эксперты отрасли утверждают, что в недалеком будущем аддитивное производство станет неотъемлемой частью технологических процессов на предприятии.3 
2. Сегодня 3D-печать может не просто использовать широчайший диапазон материалов от титана до человеческих хрящей, но и формировать полнофункциональные компоненты — сложные механизмы, батареи, транзисторы и светодиоды. Более того, возможности оборудования и материалов быстро эволюционируют в сторону большего размера продукции, более высокой точности и разрешения, при больших скоростях и низких затратах. Такие впечатляющие достижения привели технологию к переломному моменту в ее развитии — она стала достаточно зрелой для того, чтобы выйти за рамки нишевого использования и стать реальной альтернативой традиционным способам производства во все более возрастающем количестве приложений.12
3. Американский стартап Relativity разрабатывает мощный принтер Stargate — универсальный агрегат для печати ракет… и жилищ на Марсе. Инженеры Relativity называют его самым крупным устройством для металлической печати в мире.13 Первым проектом Relativity станет напечатанная на 3D-принтере ракета для доставки малых спутников на околоземную орбиту. Многоразовый носитель Terran за $10 млн. отправит в космос груз массой до 1250 кг. К 2020 году стартап планирует печатать 95% всей конструкции на принтере, используя всего тысячу деталей вместо обычных 100 тысяч. На разработку двигателя Aeon у Relativity ушло полгода, причем за это время его не только удалось напечатать, но и провести тестовые испытания. "Наша цель — производство полноценной ракеты с нуля за 60 дней. Обычно на это уходит 12-18 месяцев", — пояснил сооснователь Relativity Тим Эллис. По его словам,
3D-печать — это единственный способ обеспечить первых исследователей дальнего космоса необходимым оборудованием.14

Ссылки:
1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Аддитивное_производство
2. http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Аддитивное_производство_(Additive_Manufacturing)
3. http://blog.iqb-tech.ru/additive-manufacturing-basics
4. https://controlengrussia.com/innovatsii/robototehnika/robotizirovannoe-additivnoe-proizvodstvo/
5. http://json.tv/ict_telecom_analytics_view/rynok-3d-pechati-v-rossii-i-mire-additivnoe-proizvodstvo-ap-additive-manufacturing-am-2018-g-20190117060056
6. http://blog.iqb-tech.ru/additive-technologies-in-production
7. http://blog.iqb-tech.ru/3d-printing-materials
8. https://www.viam.ru/review/5752
9. https://stroi.mos.ru/unikalnaya-arhitektura/mir/v-dubaie-napiechatali-zdaniie-na-3d-printierie-za-19-dniei
10. https://3dtoday.ru/blogs/news3dtoday/frost-sullivan-additive-manufacturing-technologies-market-trends-and-p/
11. https://www.sculpteo.com/media/ebook/State_of_3DP_2018.pdf
12. http://blog.iqb-tech.ru/3d-printing-business-models-change
13. https://www.relativityspace.com/stargate/
14. https://hightech.plus/2018/10/23/stargate---printer-dlya-pechati-raket-i-zhilish-na-marse

 

 

 

  • Предыдущая
  • следующая
Get in touch

Получить
наше бизнес предложение
Получить
наше бизнес предложение
Заполнить форму