Аддитивное производство (АП)
Additive Manufacturing (AM)

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.Обзор российского рынка банковской цифровизации: импортозамещение, искусственный интеллект и собственные экосистемы 6.4 т

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.

3D-принтеры

Основная статья: 3D-принтеры (мировой рынок)

Тренды 3D-печати

Основная статья: Тренды 3D-печати

Аддитивное производство в России

Основная статья: 3D-печать (аддитивные технологии) в России

Рынок аддитивных технологий

2024

Революция в 3D-печати. Новый древесный материал позволяет создавать дома прочнее, чем из бетона

В августе 2024 года исследователи из Университета Вирджинии представили новую добавку для 3D-печатных стройматериалов, которая позволяет создавать дома прочнее, чем из бетона. Для этого ученые использовали нанофибриллы целлюлозы (CNF), извлекаемые из древесной массы.

Производство бетона является одним из основных источников глобальных выбросов углерода, составляя примерно 8% от общего объема. Новый материал может произвести революцию в 3D-печатных технологиях производства искусственного бетона, одновременно решая проблему глобального потепления. Растительные волокна могут применяться для повышения текучести и прочности композитных материалов, в то же время предоставляя более экономичный и экологичный вариант для стройкомпаний.

𝓲

Interestingengineering.com

Улучшения, которые мы зарегистрировали при определении пригодности для печати и оценке механических показателей, показывают, что включение нанофибрилл целлюлозы в коммерческие 3D-печатные материалы может обеспечить более устойчивые и экологичные методы строительства, — считает Осман Э. Озбулут, профессор кафедры гражданского и экологичного строительства Университета Вирджинии.

При строительстве зданий специализированные принтеры создают конструкции слой за слоем, используя материал на основе цемента и автоматизированное проектирование. Однако ассортимент печатных материалов ограничен, а их долгосрочные характеристики и воздействие на окружающую среду до сих пор не определены. При этом новые материалы должны хорошо течь, чтобы обеспечить легкость изготовления, но затвердевать в стабильный материал с критически значимыми свойствами, обеспечивая высокую механическую прочность, межслойное сцепление и низкую теплопроводность. Добавка CNF, согласно исследованиям, соответствует всем этим требованиям.^[1]

Выпущена центробежная система стереолитографической 3D-печати. Она повышает в 10 раз скорость работы 3D-принтеров

В начале августа 2024 года компания Fugo Precision 3D представила центробежную систему стереолитографической 3D-печати Fugo Model A. Эта новаторская технология обеспечивает «бесслоевую» печать с точностью около 30 мкм и скоростью работы в 10 раз выше, чем у традиционных стереолитографических принтеров. Подробнее здесь

Разработан метод 3D-печати, который в 10 раз быстрее других

25 января 2024 года американские исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) сообщили о разработке новой технологии 3D-печати жидким металлом, которая, как утверждается, обеспечивает приблизительно в 10 раз более высокую скорость по сравнению с другими аналогичными методами. Применять систему можно для создания крупных деталей, таких как, например, ножки столов и каркасы стульев.

В архитектуре и строительстве используется технология аддитивного производства WAAM (Wire Arc Additive Manufacturing) — электродуговое выращивание. Это печать металлической проволокой, при которой задействован метод дуговой сварки. Система позволяет создавать большие структуры, однако они могут быть подвержены растрескиванию и деформации, поскольку некоторые элементы необходимо заново плавить во время печати. Новый способ, предложенный специалистами MIT, поддерживает металл в расплавленном состоянии на протяжении всего процесса, что позволяет избежать структурных проблем.

𝓲

MIT

Созданная установка нагревает куски алюминия до 700 градусов Цельсия, что выше температуры его плавления (660 градусов). Жидкий металл содержится в графитовом тигле и подается через керамическое сопло на печатную форму. Последняя заполнена крошечными стеклянными шариками размером 100 микрон. Эти гранулы настолько малы, что практически не меняют характеристики поверхности печатаемого объекта. После подачи расплавленный алюминий остывает за несколько минут, формируя конечное изделие.

Команда выбрала алюминий, потому что он широко используется в строительстве и может быть недорого и эффективно переработан. В дальнейшем исследователи намерены усовершенствовать установку, устранив существующие недостатки, такие как засорение сопла из-за налипания материала и недостаточный контроль над процессом.^[2]

2023: Новая технология 3D-печати бетоном снижает вес стен на 72% с сохранением прочности

20 марта 2023 года американские исследователи из Мичиганского университета сообщили о разработке новой технологии 3D-печати бетоном (3DCP), которая позволяет снизить вес стен более чем на 70% по сравнению с традиционными конструкциями при сохранении прочности. Подробнее здесь.

2022: На рынок вышла технология 3D-печати из листового металла

7 сентября 2022 года американский производитель 3D принтеров Desktop Metal представил новую технологию под названием Figur G15, которая, как утверждают разработчики, значительно упростит процесс промышленного производства листового металла, сказал главный исполнительный директор Рик Фулоп агентству Reuters. Подробнее здесь.

2021: Объем рынка 3D-печати составил $15,1 млрд, увеличиваются темпы среднегодового роста

Согласно отчету компании Hubs^[3], вышедшему в начале мая 2022 года - 2021 год стал критическим для индустрии 3D-печати, особенно после экономического спада, вызванного пандемией COVID-19. Однако, отрасль восстанавливается и возвращается на путь достижения допандемийного уровня роста. Оценка размера рынка в 2021 году в $ 15,1 млрд немного превзошла прогноз из предыдущего отчета. Еще одним явным признаком восстановления является и то, что среднегодовой темп роста для всей отрасли аддитивного производства, по прогнозам, составит 24% в течение следующих пяти лет, что значительно выше, чем среднегодовой темп роста в 19% из предыдущего отчета.

В отдельных сегментах индустрии 3D-печати, таких как 3D-печать металлом, которая сильно пострадала от пандемии в 2020 году (практически не росла в период с 2019 по 2020 год), в 2021 году возобновился рост. В частности, сегменты полимеров и металлов выросли на 16,2%. с 2020 по 2021 год. В отчете признается, что рост был медленнее, чем ожидалось до пандемии, при этом металлы немного отстают от полимеров.

Последней тенденцией индустрии 3D-печати, рассматриваемой в отчете, стала консолидация рынка. Благодаря многочисленным громким слияниям и поглощениям в 2021 году, в том числе приобретению EnvisionTEC и ExOne компанией Desktop Metal, а также партнерству Hubs с Protolabs, есть признаки того, что рынок начинает стабилизироваться и созревать.

2020: Мировой рынок промышленной 3D-печати достиг $1,9 млрд

В условиях кризиса COVID-19 в 2020 году мировой рынок промышленной 3D-печати, достиг $1,9 млрд. Об этом стало известно из исследования, опубликованного в середине июля 2021 года.

Исследователи отмечают, что к 2027 году рынок достигнет размера в $6 млрд, при этом среднегодовой темп роста составит 17,6% за рассматриваемый период 2020-2027 гг. Предполагается, что 3D-принтеры, один из сегментов, анализируемых в отчете, покажут среднегодовой темп роста 16,5% и к концу анализируемого периода достигнут $2,1 млрд.

Мировой рынок промышленной 3D-печати по итогам 2020 года достиг $1,9 млрд

Рынок промышленной 3D-печати в США оценивается в $575,7 млн в 2020 году. Согласно прогнозам аналитиков, к 2027 году второй по величине рынок в мире Китай достигнет прогнозируемой оценки в $1,1 млрд, а среднегодовой темп роста составит 17,4% за период с 2020 по 2027 год. Среди других примечательных географических рынков - Япония и Канада, в каждом из которых прогнозируется рост на 15,6% и 14,9% соответственно в период 2020-2027 гг. В Германии прогнозируется среднегодовой рост примерно на 12,3%.

Среди ключевых игроков на рынке промышленной 3D-печати в 2020 году:

• 3D Systems;
• EnvisionTEC;
• EOS;
• ExOne;
• GE Additive;
• HP;
• Materialise;
• SLM Solutions;
• Stratasys;
• Voxeljet.

В сегменте программного обеспечения США, Канада, Япония, Китай и Европа будут обеспечивать среднегодовой темп роста 18,2% для этого сегмента. Эти региональные рынки, на которые в совокупности приходится $357,2 млн в 2020 году, достигнут прогнозируемого размера в $1,2 млрд к концу 2027 года. Китай останется одним из самых быстрорастущих в этом сегменте региональных рынков. Рынок Азиатско-Тихоокеанского региона, возглавляемый такими странами, как Австралия, Индия и Южная Корея, к 2027 году достигнет $701,2 млн.^[4]

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:

• 3D Systems (США);
• EOS Gmbh (Германия);
• SLM Solutions (Германия);
• Stratasys (США);
• Objet Geometries (США-Израиль);
• Envisiontec (США-Германия (DLP);
• ExOne (США);
• Voxeljet (Германия);
• Arcam AB (Швеция).

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:

• 3D Systems (США),
• ExOne (США),
• Stratasys (Израиль),
• Arcam (Швеция),
• EOS (Германия) и
• 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% до $2,2 млрд

Консультант Терри Уолер (Terry Wohler) в ноябре 2013 г. опубликовал отчет, согласно которому в 2012 г. общемировой сектор продукции и услуг аддитивного производства 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.

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

• 3D-печать в медицине
• 3D-печать в медицине (мировой рынок)

Логистика

• Как 3D-печать позволяет персонализировать цепочки поставок

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 мире

2023

Создана технология 3D-печати сложных предметов из разных материалов одновременно

15 ноября 2023 года исследователи из Массачусетского технологического института, Швейцарской высшей технической школы Цюриха и компании Inkbit сообщили о разработке новой технологии, позволяющей выполнять 3D-печать сложных предметов из разных материалов одновременно. Ожидается, что предложенный метод будет востребован в том числе при создании роботизированных конструкций с твердыми и эластичными компонентами.

Отмечается, что с помощью систем струйной 3D-печати могут создаваться гибридные конструкции, состоящие из мягких и жестких элементов. При работе с несколькими материалами используются массивы из тысяч сопел для нанесения крошечных капель смолы, которые затем разглаживаются скребком или валиком и затвердевают под воздействием ультрафиолетового света. Но процесс сглаживания может приводить к размазыванию медленно затвердевающих смол, что ограничивает типы материалов, которые можно использовать при многокомпонентной 3D-печати. Новая технология позволяет решить проблему.

С помощью систем струйной 3D-печати могут создаваться гибридные конструкции, состоящие из мягких и жестких элементов

Созданный комплекс не требует применения скребка или валика. Вместо этого используется система машинного зрения, состоящая из четырех камер с высокой кадровой частотой и двух лазеров. Устройство непрерывно сканируют поверхность печатаемого объекта и выявляет любые недостатки каждого слоя сразу после его нанесения. При формировании последующего слоя режим работы форсунок оптимизируется таким образом, чтобы компенсировать выявленные недостатки. В результате, создается плавный переход между слоями.

Поскольку в данном случае не требуются механические инструменты для разглаживания смолы, эта бесконтактная система может работать с медленно затвердевающими материалами. Исследователи использовали новый принтер для создания сложных роботизированных конструкций, сочетающих мягкие и жесткие элементы. Например, они изготовили полностью напечатанный на 3D-принтере роботизированный захват в форме человеческой руки, управляемый набором усиленных, но гибких сухожилий.^[5]

Разработан новый тип лазерной 3D-печати — создание металлических конструкций с прочностью как после кузнечного молота

30 октября 2023 года британские исследователи из Кембриджского университета сообщили о разработке новой технологии 3D-печати, которая позволяет создавать металлические изделия с прочностью как после кузнечного молота. Предполагается, что предложенный метод поможет снизить затраты на 3D-печать металлом, что, в свою очередь, позволит повысить устойчивость металлообрабатывающей промышленности. Подробнее здесь.

2020: Westinghouse Electric оснастила ядерный реактор 3D-печатной деталью

6 мая 2020 года компания Westinghouse Electric сообщила, что применила 3D-печатный компонент ядерного реактора — заглушку тепловыделяющей сборки, загруженной в реактор первого блока АЭС «Байрон» в штате Иллинойс. Подробнее здесь.

Примечания