Аддитивное производство: заглядывая вбудущее

Применение в промышленности 3D-печати связывают с новой промышленной революцией, которая будет отличаться обширным освоением аддитивного (относящегося к сложению) производства.

Применение 3D-принтеров позволит снизить техногенную нагрузку на окружающую среду, экономить до 90 процентов исходного материала в отличие от текущего традиционного «субтрактивного» производства, которое предполагает разрезание материалов на части, подбор подходящих элементов и их соединение.

Если сегодня принцип производства деталей состоит преимущественно в удалении с заготовки «лишнего» материала, то аддитивное производство использует другой принцип создания объектов – послойный. 3D-принтеры выращивают объект с нуля, добавляя к нему мелкие порции материала, формирующие слои.

Предполагается, что в будущем это приведет к мировому падению спроса на черные металлы. Останутся лишь конкурентные ресурсосберегающие и экологически безопасные производства. Основы новой индустриальной парадигмы, включающей аддитивное производство, будут созданы в следующие двадцать лет. 3D-печать индивидуализированных промышленных продуктов на месте их использования сократит издержки логистики и потребление энергии.

Недавно NASA напечатало из металла методом лазерного спекания ракетный инжектор, который теперь состоит из двух деталей, а не из 164, как ранее. Уже печатают оружие из металла, дома.



Курс на автоматизацию

Сегодня все чаще рассылки новостей с выставок, машиностроительных журналов и сайтов содержат информацию о 3D-технологиях для литейных процессов. В частности, во Франкфурте-на-Майне в конце ноября 2014 года прошла промышленная выставка «EuroMold-2014» – одно из крупнейших в мире событий, представляющих современные производственные технологии. На выставке были представлены устройства для быстрого прототипирования и аддитивного производства.

Наибольший интерес вызвал стенд компании 3D Systems. Эта компания была основана для промышленного продвижения своего изобретения – метода и аппарата для стереолитографии. Сегодня 3D Systems является одним из мировых лидеров среди разработчиков и поставщиков технологий аддитивного производства. На выставку компания привезла более десятка устройств, создающих изделия из полимеров и металлов. Например, «ProX 400» – для работы с металлами и сплавами (включая сталь, алюминий, титан, кобальт-хромовый сплав), который позволяет изготавливать значительные по размерам детали: область литья достигает 500х500х500 миллиметров.

Еще один лидер на этом рынке, компания EOS, продемонстрировала промышленную установку «EOS M400». Она работает на основе технологии прямого лазерного спекания металлов. Продукт совместного проекта EOS и компании Cooksongold представлен DMLS-принтером «Precious M080». Cooksongold разработала порошки из золота, которые применяются для создания сложных, детализированных ювелирных изделий.

Компания Stratasys представила Objet1000 – крупнейшую в мире производственную систему трехмерной печати с использованием нескольких материалов для быстрого создания моделей промышленного размера (область построения 1000х800х500 миллиметров). Рядом располагался «StreetScooter» – электромобиль, экстерьер и интерьер которого полностью напечатаны на этом 3D-принтере.

Компания Arcam AB (Швеция), решения которой ориентированы на аэрокосмический и медицинский секторы, показала установки «Arcam», работающие по технологии электронно-лучевой плавки для получения высокоточных изделий из титана. На стенде «Arcam» было продемонстрировано, как решаются такие проблемы, как уменьшение веса конструктивных элементов ракеты или создание индивидуальных ортопедических протезов.

Хотя самым популярным материалом для такой печати на сегодня остаются полиамиды, отмечено значительное увеличение числа принтеров для металлов. Еще одна тенденция – стремление к полной автоматизации 3D-принтеров, то есть сведение к минимуму процессов с участием человека.



Процессы в литейном производстве

В отечественных цехах эти технологии нашли распространение для литья по газифицируемым моделям при изготовлении пенопластовых моделей на 3D-фрезерах по компьютерным программам, включая моделирование решетчатых отливок с использованием объемных сборных структур с повторяющимися унифицированными элементами.

Ряд зарубежных фирм предлагает 3D-печатание песчаных форм и стержней без какой-либо формообразующей оснастки непосредственно из принтера. От цифрового файла металлических деталей – полученного, например, по электронной почте, в течение семи часов можно получить готовую отливку. 3D-принтеры могут изготовить воскоподобные модели быстрее, чем многие другие процессы: модель ротора, в частности, создается в течение нескольких часов. Кроме того, на том же принтере можно изготавливать литейные песчаные формы путем замены материалов и программы. Материалы формы мало чем отличаются от традиционных песчаных смесей.

Процесс изготовления такой песчаной формы заключается в том, что в «картридж» подается песчаная смесь, послойно наносится на подложку на подвижном конвейере по всей горизонтальной плоскости формы и избирательно отверждается с помощью специального устройства на «картридже». Остатки сыпучей смеси осыпаются с отвержденной формы.

Процессы 3D-печати металлоизделий возникли при интеграции знаний из мира компьютеров, механики и материаловедения. Разработка большинства из них началась в середине 1990-х годов. Хоть они развивались разными институтами, их элементарные принципы практически одинаковы. При движении сопла пучок лучей лазера плавит частицы порошка в нужной зоне, в результате чего получают осажденный слой на подложке.

Поскольку детали получают из жидкого металла путем его расплавления и послойного нанесения на подложку, где он затвердевает, то деталь имеет все признаки отливки. При этом металл плавят не в печи, а на подложке (реже в потоке теплоносителя). Затвердевание и охлаждение происходит, как правило, в защитной газовой среде при наличии большинства явлений и операций, присущих литейно-металлургическим процессам.

Полученные таким образом детали в статических условиях имеют механические свойства не хуже, чем кузнечно-прессовые заготовки. Но из-за продолжительного времени получения могут иметь неравномерную макроструктуру, которая может привести к усталостным трещинам.

К сожалению, в настоящее время стоимость установок для 3D печати металлоизделий, работающих по компьютерным программам с моделированием фазового перехода металла, созданием защитной атмосферы, режимов перемещения, контроля размеров заготовки и т. п. функциями, исчисляется миллионами долларов США, и пока использование их для отечественного машиностроения проблематично.



От энергетики до декораций

Однако с позиций нынешних традиционных процессов большинство таких металлоотливок представляют «шедевры» мастерства. Литейщики и конструкторы, имея сведения о новых конструкциях, оптимизированных компьютером и получаемых при его управлении, будут знать, с чем им предстоит конкурировать. Многие конструкции 3D-отливок, получаемых без формообразующей оснастки, уклонов и прибылей с минимальными припусками, оптимизированы компьютерными программами для поиска конфигурации с минимальной массой, энергией и в целом стоимостью.

Во многих случаях сочетание предельных процесса литья и оптимизации конструкций отливок с точки зрения ресурсосбережения приводит к тому, что эти конструкции подобны наблюдаемым в живой и неживой природе, включая модели строения структур органических и неорганических веществ. Предлагаемые компьютером «решения» во многом приближаются к созданным природой конструкциям, отличающимся высокой энергоэффективностью, включая наличие таких характерных свойств, как повторяемость в различных направлениях одинаковых элементов, комбинаторность (фрактальность) и ячеистость.

Имеется значительное количество примеров 3D-печати лопастных деталей, часто требующих высокой точности при изготовлении сложной гравюры лопасти. Это особенно важно для энергетического машиностроения, где формообразующая металлическая оснастка для традиционных способов литья часто по стоимости превышает стоимость разовой 3D-печати таких отливок.

Применение принципов организации, свойств, функций и структур живой природы изучается бионикой. Однако в основу конструирования могут быть положены и воображаемые модели, не обязательно имеющие соответствия чему-либо в физическом мире.

Продолжают перечень примеров конструкции 3D-литых каркасно-ячеистых изделий детали, имеющие декоративное назначение. Оптимизация их строения привела к тому, что они во многом напоминают «технические решения», заимствованные у природы, поскольку природой «уже решены вопросы» покорения пространства конструкциями с высокой эффективностью и ресурсосбережением, а органические ячеистые или «фрактального» вида конструкции отобраны длительной эволюцией.



О кристаллической решетке

Сегодня компьютерное моделирование помогает не только отразить наши представления об устройстве окружающего мира, но и заимствовать из него некоторые детали для собственных рукотворных конструкций. Когда мы говорим о строении вещества, то имеем в виду, что основу наших знаний в большинстве наук составляют, прежде всего, знания о структуре вещества, которая во многом определяет его свойства. Поэтому ученые ставят задачу научиться открывать новые материалы путем расчета их структур на компьютере, а конструкторы – тем же путем проектировать металлоконструкции, в частности, для машиностроения.

Устойчивая кристаллическая структура характеризуется наиболее низкой энергией. Ученые указанную задачу решают путем исследования всех возможных взаимных положений атомов, рассчитывая энергию для каждого из них и так определяя самую низкую энергию и оптимальную структуру. Эта задача напрямую не решаема, но ее можно решить, направляя расчет к «глобальному минимуму» энергии. В этом ключе разработан подход, основанный на идеях эволюции, представляющий собой многомерную минимизацию для поиска любых термодинамически устойчивых состояний. Создание методов анализа этих данных привело кристаллографов в область многомерной геометрии.

Копируя атомные решетки, можно получать их макроразмерные аналоги в виде решетчатых пространственных отливок 3D-методами. Расширяя гамму конструкций таких отливок, специалисты развивают новое направление литья сотовых, объемно-ячеистых, скелетно-решетчатых металлоизделий, которые имеют потенциал для применения как облегченные несущие, армирующие, изолирующие, ограждающие пространственные конструкции, включая способные поглощать или пропускать через свои соты поток вещества или энергии.

В зарубежной технической информации также описаны отливки сопел специального назначения, теплообменников, показано множество ювелирных отливок, образцов бижутерии, декоративно-художественных изделий, деталей протезов и т. д.



По законам природы

Такие конструкции расширяют наши представления о возможностях литья. Ряд образцов даны в виде примеров перевода получаемых в песчаных формах серийных отливок на 3D-литье при «превращении» традиционных монолитных конструкций в изящные каркасно-ячеистые как наглядные примеры металлосбережения и улучшения внешнего вида.

Отмечается экологический аспект и высокий уровень культуры труда такого производства в автоматическом режиме в закрытом объеме камеры 3D-принтера. Отсутствие литейных форм и стержней лишает производственный процесс выделения вредных веществ, характерных для литейных цехов.

Многие примеры выглядят весьма фантастично для сегодняшнего производства, хотя отечественными учеными уже описан и запатентован ряд ячеисто-каркасных отливок и оригинальные способы их создания.

Ячеистые материалосберегающие отливки могут наследовать структуры природы, создаваться воображением человека, компьютерным проектированием по математическим формулам, визуальным изображением или чертежом на мониторе компьютера, по поставленным программе требованиям или задаваться другими условиями, например методом «дополненной реальности».

Закладывая в компьютер программы аналогов известных конструкций из мира природы, можно развивать технические системы по ее законам. Эти законы можно использовать для сознательного – без множества «пустых» проб – решения конструкторских задач.



Преодолеть неэффективность

Отметим также, что среди новых литейных процессов в Физико-технологическом институте металлов и сплавов Национальной академии наук Украины запатентованы технологии 3D-деформирования изделий из сыпучих материалов, а также способ 3D-формовки песчаных изделий при получении многослойных оболочковых литейных форм, включая формовку по разовым моделям. Эти работы ведутся по ведомственной теме «Разработка научных и технологических основ по созданию литых конструкций из железоуглеродистых и цветных сплавов, оптимальных процессов их получения и автоматизированных методов проектирования».

Такие работы вызваны тем, что компьютерные программы известных иностранных компаний, которыми могут пользоваться оте­чественные литейщики, созданы для оценки гидродинамических и теплообменных процессов в литейной форме без оптимизации литых конструкций и воспринимают отливку уже как готовый, предварительно созданный конструктором продукт. К тому же эти программы не адаптированы к литейным процессам точных (так называемых специальных) методов литья: литья по газифицируемым, растворяемым, выжигаемым, а также ледяным моделям.

Отсутствуют в этих программных продуктах и возможности оценки литейных процессов в форме при использовании низкотемпературных, оболочковых форм и получении отливок в формах, насыщенных армирующей фазой из металлических и неметаллических материалов, приближающих отливки к изделиям из композитных материалов.

Пока методы расчета и конструирования литых деталей в странах СНГ построены на эмпирических уравнениях с учетом процессов формообразования, созданных еще в 60-70-е годы прошлого века, и не позволяют реализовать сложные конструкции с высокой размерной точностью. Существующие нормы устанавливают допуски значительной величины, что ведет к увеличению толщины стенок отливок и их массы на 50-80 процентов. Они тормозят эффективное использование высокопрочных сплавов.

Поэтому современные литые конструкции в странах СНГ превышают расчетные за металлоемкостью в полтора-два раза, а в Западной Европе – в 1,3-1,5 раза, что ведет к перерасходу энергоносителей, шихтовых материалов, трудоемкости при их производстве.

Обзор примеров обработки материалов с помощью 3D-технологий иллюстрирует развитие аддитивного метода производства. Такие инновации ведут к ресурсосберегающему экологическому производству, технологический виток которого порой опережает этапы осмысления научно-практических и научно-исследовательских решений.

Владимир ДОРОШЕНКО