Рынок аддитивных технологий, по экспертным оценкам, ежегодно увеличивается в объеме минимум на четверть. 3D-принтеры из разряда «дорогой игрушки» уже превратились в один из ключевых инструментов «Индустрии 4.0». Сфера их применения расширяется: в России теперь в нее включено и железнодорожное машиностроение. Технологии аддитивного производства (от английского слова add – «прибавлять») уже почти три десятилетия остаются модной темой дискуссий. Но если еще недавно вопрос их практического применения был предметом спора, то сегодня наряду с роботизацией и цифровизацией трехмерная печать включена в перечень основного инструментария четвертой промышленной революции, переход к которой на последнем экономическом форуме в Давосе был признан свершившимся фактом.
При этом прогнозы на будущее все еще разнятся радикально: одни говорят, что внедрение методов 3D-печати приведет к закату промышленности в традиционном смысле, другие – что трехмерные принтеры станут лишь одним из элементов производственных схем.
Пока достовернее выглядит второй вариант. Хотя это не отменяет того, что интерес к аддитивным технологиям во всем мире стабильно растет. По данным американской консалтинговой фирмы Wohlers, объем глобального рынка трехмерной печати в 2015 году составил порядка $5,1 млрд, увеличившись почти на 26% к предыдущему году. При этом средний темп роста за последние четверть века равен все тем же внушительным 26%. Цифры серьезные, но с чем связана столь убедительная динамика?
ДВЕ ДОРОГИ
«Я разумею под скульптурой то искусство, которое осуществляется в силу убавления», – говорил гениальный мастер эпохи Возрождения Микеланджело Буонарроти. Традиционное производство по сути близко этому – берется исходный материал, от него отсекается лишнее. Суть аддитивных технологий противоположна – здесь изделие создается слой за слоем. За процессом следит компьютер, ориентируясь на точную трехмерную модель. У метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, появляется возможность создавать более сложные изделия (например, с внутренними полостями). Во-вторых, снижается риск ошибки в человеко-машинном диалоге. В-третьих, можно выпускать детали, не нуждающиеся в финишной обработке. Недостатки в массовом производстве пока есть – цена вопроса (за счет стоимости оборудования и расходных материалов она может быть на порядок выше традиционной штамповки и отливки), скорость, обеспечение требуемых физико-механических характеристик материала изделия. Это удерживает от повсеместного внедрения трехмерных принтеров и заставляет искать области их применения, учитывающие все факторы.
Считается, что родоначальником 3D-принтинга являются США. Именно американский инженер Чарльз Халл, основатель компании 3D Systems, в 1986 году собрал первый в мире стерео литографический 3D-принтер (метод SLA-печати), благодаря чему появилась возможность практического применения технологии (ее опробовали в оборонной сфере). Приблизительно в то же время Скотт Крамп, позже основавший компанию Stratasys, выпустил аппарат послойного наплавления (FDM-печать). На старте обе технологии развивались параллельно, но со временем их пути стали расходиться. FDM-принтинг подразумевает «печать» трехмерных объектов за счет наплавления последовательных слоев полимерного материала. SLA – это «выращивание» трехмерного объекта в емкости с фотополимерным материалом, слой за слоем отверждаемым под действием ультрафиолетового лазерного излучения. Существуют и иные методы, к примеру, технология многоструйного моделирования MJM, позволяющая получать изделия с высокой степенью детализации, или технологии SLS, SLM, позволяющие произвести детали, в том числе из металлических порошковых композиций, путем спекания или сплавления при тепловом воздействии луча лазера. Однако первые две технологии – это отправные точки для всей индустрии.
3D-принтер гарантирует высокое качество печати – толщина каждого из слоев составляет от 0,05 до 0,15 мм
FDM-производство – наиболее простой и дешевый способ, его применяют для быстрого прототипирования, а также в бытовых целях (для изготовления игрушек и сувениров). Если говорить об объемных показателях, то FDM – наиболее перспективный сегмент. К нему относятся «бытовые» принтеры стоимостью до $5 тыс., которые являются ключевым драйвером роста рынка. SLA и SLS – более дорогие технологии (стоимость оборудования может превышать $1 млн), но зато они позволяют создавать не прототипы, а сложные детали.
А ЧТО У НАС?
Советский Союз в свое время стоял у истоков стереолитографии – еще в 1970-х годах в стране велись серьезные работы по созданию технологических лазеров. Но после распада СССР из-за дефицита финансирования многие проекты были свернуты, и к настоящему времени сформировалось отставание России от мировых лидеров. Главный игрок глобального рынка – США (доля этой страны оценивается на уровне 40%). Здесь есть много примеров применения аддитивных технологий в промышленности. Так, авиастроительная корпорация Boeing благодаря 3D-печати изготавливает более 22 тыс. деталей 300 наименований для гражданских и военных самолетов. Мнения по России у экспертов разнятся, но консенсус-оценка невелика. Речь идет лишь о доле в несколько процентов в общем «пироге».
На «Тихвинском вагоностроительном заводе» установлено оборудование одного из крупнейших игроков рынка аддитивных технологий 3D Systems
По данным Wohlers, основные сферы применения трехмерной печати в мире (по убыванию) – это создание потребительских товаров (в том числе электроники), автомобилестроение, медицина, промышленность, авиация и космос, ВПК, наука и архитектура. Достоверных данных по России немного. Очевидно, что интерес сегодня проявляют предприятия авиационной, космической промышленности и военно-промышленного комплекса.
Серьезные исследовательские проекты реализуют Всероссийский НИИ авиационных материалов (в том числе по созданию расходных средств для трехмерной печати), а также резиденты «Сколково». В последнем случае речь идет в том числе об особой сфере – биопринтинге, то есть печати живых органов. В начале года компания 3D Bioprintins Solutions объявила, что впервые в мире смогла напечатать на 3D-принтере щитовидную железу мыши и успешно пересадить ее животному.
Что касается применяемых в промышленном производстве систем 3D-печати, то пока что аналогов импортному оборудованию в России не существует. Как, впрочем, и замены импортным материалам. Но, несмотря на это, интерес к аддитивным технологиям проявляют все больше промышленных компаний, в том числе крупнейшие игроки рынка железнодорожного машиностроения. Главным образом речь идет о прототипировании – быстром изготовлении образцов деталей при проектировании новой продукции. Однако на тихвинской промышленной площадке НПК ОВК уже реализован первый в отрасли проект применения аддитивных технологий в производстве. С помощью принтера, поставленного компанией 3D Systems, выпускаются элементы литейной модельной оснастки, служащей для получения при формовке отпечатка в песчаной огнеупорной смеси под последующую заливку металла. Внедрение новых технологий позволяет значительно ускорить работу над перспективными моделями вагонов, требующую решения задачи изменения конструкции и повышения надежности их узлов.
АЛЕКСАНДР ЗДАНЕВИЧ, ИТ-директор НПК «Объединенная Вагонная Компания»:
«Технологии аддитивной печати прогрессируют, и, вероятнее всего, уже в ближайшем будущем они изменят лицо целого ряда индустрий. Главным образом это касается предприятий, на которых выпускаются штучные товары под конкретный заказ. С массовым производством дело обстоит сложнее, хотя 3D-принтеры уже сейчас находят применение в данной области.
Существует множество технологий объемного синтеза. Одной из перспективных для промышленного внедрения является лазерная стереолитография (SLA). Процесс можно разделить на два этапа. На первом формируется слой построения в виде равномерно распределенного по поверхности рабочей платформы жидкого фотополимера. Затем происходит выборочное отверждение участков данного слоя в соответствии с текущим сечением построенной на компьютере 3D-модели.
Применительно к железнодорожному машиностроению данную технологию можно использовать на этапе подготовки литейного производства, в частности, при производстве комплекта литейной оснастки. Она служит для получения при формовке отпечатка в песчаной огнеупорной смеси под последующую заливку металла в образовавшуюся при этом полость. Один и тот же комплект оснастки, уникальный под каждую отливку, используется на протяжении тысяч циклов производства соответствующих литейных форм.
От соблюденной в процессе изготовления комплекта оснастки точности всех предусмотренных конструкторами параметров напрямую зависит качество конечного изделия. Традиционный способ изготовления комплекта оснастки путем механической обработки материалов (металла, пластика, иногда и дерева) весьма трудоемок и длителен (подчасзанимает до нескольких месяцев), при этом чувствителен к ошибкам.
Технологии 3D-печати позволяют максимально точно воспроизводить требуемую геометрию элементов оснастки, получаемых как напрямую печатью, так и заливкой в изготовленные на принтере мастер-модели, и при этом ощутимо экономить время.
Именно такой подход реализован на «Тихвинском вагоностроительном заводе». Мы внедрили на производстве оборудование одного из крупнейших игроков глобального рынка аддитивных технологий 3D Systems. В проект вложено порядка 60 млн руб., но зато используемый нами принтер модели 3D Systems ProX 950 сократил время выпуска крупных (длиной до 3 м) элементов оснастки сложной конфигурации всего до одной недели с последующим незамедлительным началом производства опытных отливок.
Технология печатающей головки New PolyRay позволяет повысить эффективность работы не только в сравнении с традиционными методами механической обработки, но и другими представленными сегодня на рынке 3D-принтерами. Экономия времени может быть десятикратной. Машина гарантирует высокое качество печати – толщина каждого из слоев составляет от 0,05 до 0,15 мм в зависимости от настроек. Вес произведенного принтером изделия может достигать 150 кг, что достаточно много, учитывая использование в работе полимерного сырья. Кроме того, данное оборудование имеет хорошие показатели энергоэффективности и гарантирует экономный расход материала. Гарантия производителя на лазер составляет 10 тыс. часов или 18 месяцев работы.
Подготовка файлов для печати осуществляется на компьютерах со стандартным программным обеспечением, в работу принимаются файлы формата STL. Это широко используемый сегодня формат хранения трехмерных объектов для стереолитографических 3D-принтеров. В целом можно говорить о том, что применяемое на ТВСЗ оборудование не имеет аналогов в России и крайне редко используется в Европе и США».
Мария Яковлева, Время ОВК
Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!
