3D-печать в массовом производстве алюминиевых изделий

Картинки по запросу 3d-печать алюминийК 2020 году объем рынка 3D-печати вырастет втрое по сравнению с 2015 годом, а к 2035 году он превысит $350 млрд – таковы оценки аналитиков The Boston Consulting Group. Лидерами в применении революционной технологии станут автоконцерны, врачи и авиастроители. О том, как скоро принципиально иной способ получения готовых изделий станет «своим» в алюминиевой промышленности – в колонке директора департамента развития литейных технологий и новых продуктов ОК РУСАЛ Александра Крохина.

Картинки по запросу 3d-печать алюминий

У аддитивных технологий однозначно фантастические перспективы. Убежден – это не преходящее явление, с ними неразрывно связано развитие науки и техники в мире. Однако для того, чтобы 3D-печать стала нормальным явлением в алюминиевой промышленности, ей предстоит пройти довольно большой путь, на котором придется решить ряд проблем.

Ничего лишнего

Для начала назовем преимущества, которые дают аддитивные технологии. Термин «аддитивный» означает, что при производстве конечное изделие формируется за счет присоединение объема материала уже к существующим слоям, в отличие от технологий вычитающих, где окончательная геометрия формируется за счет удаления объема материала из начальной заготовки.

Таким образом в первую очередь мы получаем возможность получать из порошка или проволоки принципиально новые геометрические структуры, позволяющие использовать совершенно новые подходы к проектированию конструкций. Сейчас в мире активно развивается направление топологической оптимизации – конструирования детали, исходя из ее напряженного состояния и условий работоспособности. Все, кто изучал сопромат прекрасно помнят пример двутавровой балки. Благодаря конструкции, по несущей способности она практически не отличается от балки прямоугольного сечения, но для ее производства требуется гораздо меньше материала. Топологическая оптимизация основана на том же принципе – убрать лишний не работающий материал, но сохранить характеристики. Компания Airbus, например, провела оценку ряда деталей и показала, что топологическая оптимизация может снизить вес детали на 30 – 50% при этом все ее служебные характеристики останутся неизменными.

Все это позволяет говорить о 3D-печати, как о бережливой технологии. При традиционном переделе коэффициент использования металла составляет от нескольких до десятков процентов. Аддитивные технологии же позволяют достичь показателя 98% и даже больше.

Пространство, время и деньги

Однако пока аддитивные технологии – эксклюзивный продукт. В первую очередь из-за стоимости материалов и оборудования для печати. К примеру, стоимость алюминиевого слитка (в среднем 2,5 $/кг) пока еще не сопоставима со стоимостью алюминиевого порошка (около 150 $/кг).

Картинки по запросу 3d-печать алюминий

Алюминий легко льется, обрабатывается давлением, удовлетворительно обрабатывается резанием. Для его производства не требуется сложного вакуумного оборудования, поэтому себестоимость алюминиевых деталей сравнительно невысока. Поэтому алюминиевые сплавы найдут свою рыночную нишу, когда мы сможем обеспечить конкурентную цену на порошки и оборудование.

Еще один фактор – размеры современных рабочих камер оборудования ограничивают конечные габариты получаемых деталей. Впрочем, эта проблема может быть решена за счет применения технологий печати проволокой.

Не решена до сих пор и проблема времени – печать массивных деталей при послойной печати может превышать несколько десятков часов. И это необходимо учитывать при массовом производстве. Однако при штучном производстве абсолютно новых деталей использование 3D-печати делает процесс в десятки раз быстрее, нежели при традиционных технологиях.

По этим причинам аддитивные технологии на нынешнем этапе в алюминиевой промышленности эффективны только в случае, когда необходимо получение уникальной геометрии и повышения материалоэффективности процесса.

Экспериментальный рынок

Примеров промышленного производства деталей из алюминиевых сплавов на сегодня не так много. В основном все исследования направлены на получение демонстраторов, таких как радиаторы, небольшие кронштейны. И ближайшие перспективы использования алюминиевых сплавов в аддитивных технологиях я вижу в изготовлении различного вида корпусов, деталей крепления, а также небольших силовых рам. Во многом эти ограничения связаны с ограничениями имеющихся установок для печати.

Решение этой проблемы мне видится в развитии такого направления как печать проволокой, которая позволяет изготавливать более крупные детали. К примеру, в Голландии из стальной проволоки два робота напечатали мост через реку.

Так или иначе эксперименты с промышленным использованием аддитивных технологий продолжаются и многие вполне успешны. Например, компания AP Works методом аддитивных технологий уже изготавливает и продает электро-мотоцикл, полностью изготовленный из алюминиевого сплава.

В начале года компания Volkswagen напечатала двигатель из алюминиевого сплава, и он успешно прошел испытания, выдержав конкуренцию со стальным аналогом.

В настоящее время объем мирового рынка алюминиевых порошков оценивается в несколько сотен тонн, но на протяжении последних лет, объем потребления ежегодно удваивается. В России пока потребление алюминиевых порошков не превышает одной тонны в год и этот объем связан не с промышленным внедрением технологий, а с проведением различного рода исследований и получением демонстраторов технологий.

Рецепт порошка

РУСАЛ работает с алюминиевыми порошками различного типа и назначения более 50 лет. Промышленная база компании позволяет полностью обеспечить потребности не только внутреннего, но и мирового рынков. Совместно с российскими и зарубежными партнерами мы работаем над несколькими проектами по производству деталей из наших собственных порошков для автомобилестроения и авиационно-космической техники.

Картинки по запросу 3d-печать алюминий

В 2015 году РУСАЛ впервые получил партию сферического порошка марки AlSi10Mg, который получил положительные отзывы ведущих производителей установок для 3D-печати. Более того, деталь, напечатанная нами совместно с компанией «Вертолеты России» для легкого многоцелевого вертолета «Ансат», была поставлена на стендовые испытания и успешно их выдержала.

Сейчас РУСАЛ совместно с представителями научных школ МИСиС и ВИЛС разрабатывает собственную линейку сплавов специально 3D-печати. Наша цель – обеспечение прочности в 550 МПа, что на 30% выше уровня свойств сплава AlSi10Mg. Одно из важнейших условий при этом – сохранение стоимости на уровне традиционных алюминиевых сплавов, при сохранении потребительских свойств.

Мы также развиваем направление жаропрочных алюминиевых сплавов для применения в элементах автомобильного двигателя.

Уже сейчас мы выпустили опытно-промышленные партии новых порошков, которые проходят исследования у наших партнеров. О конечных результатах говорить рано, но уже очевидно, что полученные порошки могут быть использованы для печати и обеспечивают высокое качестве структуры по дефектам в виде пор.

Первопечатники 4.0

До сих пор мы говорили о сугубо производственных условиях развития аддитивных технологий. Однако есть еще и социальные. Одно из них – необходимость в специалистах 3D-печати. Здесь есть сдвиги – в некоторых ведущих российских вузах уже введены курсы по аддитивным технологиям. В начале этого года РУСАЛ создал институт легких материалов и технологий (ИЛМиТ), который должен стать научной площадкой для развития новых продуктов и отработки технологий получения деталей для нужд компании и ее партнеров.

Еще одно важнейшее условие – формирование стандартов аддитивных технологий. В России они еще не сформированы. В отличие, например, от США, где уже несколько лет действуют стандарты, направленные не только на закрепление базовых терминов, но также на методы испытаний синтезированных материалов и даже на материалы для аддитивных технологий.

РУСАЛ входит в состав технического комитета по стандартизации ТК 182 «Аддитивные технологии», который как раз и создан для разработки госстандартов. При нашем участии разработаны редакции нескольких проектов стандартов терминологии. Сейчас они вынесены на общественные обсуждения. На первый взгляд это может показаться достаточно скромным шагом, но внедрение аддитивных технологий необходимо начинать именно с него.

Картинки по запросу 3d-печать алюминий

Понравилась статья? Тогда поддержите нас, поделитесь с друзьями и заглядывайте по рекламным ссылкам!