Аддитивные технологии: новационный эффект в промышленности

Развитие наукоемких отраслей и высоких технологий определяет основу технологической безопасности и независимости в масштабе государства. Достаточно новым мировым трендом являются аддитивные технологии (АТ). Предполагается, что данная концепция наряду с наноэлектроникой, оптоинформатикой, системами искусственного интеллекта и др., формируют ядро шестого технологического уклада, и обуславливают будущее науки и промышленности. В настоящих рыночных условиях хозяйствования аддитивные технологии представляют собой одно из важнейших революционных направлений развития современных инженерных решений, применение которых расширяет горизонты высокотехнологичных инновационных проектов (в части конструирования механизмов, сооружений, структурных моделей), что не может быть реализовано с использованием традиционного инструментария. Они открывают творческий простор инженерам для реализации самых необычных и смелых идей при проектировании эффективных, легких и прочных конструкций, внешние формы и силовые схемы которых не реализуемы с помощью традиционных технологий [2].

Подчеркнем, что аддитивные технологии находят применение в автомобильной промышленности, в строительстве, в аэрокосмических направлениях производства, реализуются инженерные решения в электроэнергетических комплексах субъектов хозяйствования (включая возобновляемые источники энергии), и в области биотехнологий, в сфере пищевых производств. Кроме того, система здравоохранения активно использует высокотехнологичные разработки в части медицинской диагностики (при различной симптоматике), создания реабилитационно ориентированных механизмов (опорно-двигательный аппарат, травмы разнохарактерной природы), исследуются и изучаются возможности трехмерной печати внутренних органов человека и тканей. Также, популяризируется использование аддитивных технологий в таких профессиональных областях как архитектура (в том числе, дизайн, моделирование), машиностроение в сельском хозяйстве, транспортной сфере (подземный, наземный, морской, воздушный), оборонно-промышленном комплексе.

Обсуждение

Стоит обратить внимание на технологии аддитивного производства. Содержательная сущность которой представляет собой соединение материалов для создания объектов из данных 3D-модели слой за слоем, что концептуально отличает высокотехнологичный производственный процесс от установившегося традиционного понимания обработки материалов [3]. На сегодняшний день большинство участников машиностроительной отрасли пытаются оптимизировать процесс производства своих изделий и повысить их качество и производительность. Необходимо отметить, что надежность деталей агрегатов машин зависит не только от их конструктивной прочности, сопротивления циклическим и длительным статическим нагрузкам, но и от технологии их изготовления, которая непосредственно влияет на качество поверхностного слоя детали. В поверхностном слое образуются конструктивные и технологические концентраторы напряжений, он испытывает влияние наклепа и внутренних остаточных напряжений при механической обработке. Здесь, основными факторами, определяющими качество поверхностного слоя (шероховатость, глубину и степень наклепа, величину и характер распределения остаточных напряжений), являются физико-механические свойства обрабатываемого материала, методы и режимы механической обработки, в том числе геометрия режущего инструмента, степень его «затупления» и свойства смазочно-охлаждающей жидкости, упрочнение и защитные покрытия [18].

Ввиду чего, для изготовления одной сложной детали может понадобиться большой технологический цикл, который включает в себя множество этапов. Зачастую каждый этап требует определенное обрабатывающее оборудование. Большое количество обрабатывающих станков и установок требует большие площади и большое количество квалифицированного персонала. Так же для поддержания всей производственной линии в исправном состоянии требуются большие финансовые вложения. Так, аддитивные технологии (АТ) дают возможность сократить целую производственную линию на одну установку, сократить срок изготовления сложных деталей, особенно при прототипировании. При «печати» как моделей, так и полнофункциональных деталей появляется возможность оперативно вносить изменения в конструкцию. Для этого не приходится заново изготавливать оснастку, литьевые формы или штампы, достаточно сделать изменения в компьютерной модели [10].

Кроме того, применение аддитивных технологий как инструментов механизма цифровизации в промышленности позволяет не только ускорять процесс производства, но и «экономить» ресурсы, в частности – металл.

Так, в основном, множество производственных деталей изготавливаются из целиковой штамповки, посредством функционирования многокоординатных обрабатывающих центров, вытачивающих окончательный облик детали. При этом достаточное количество дорогостоящего металла «идет» в отходы. Тогда как в процессе применения аддитивных технологий коэффициент использования материала заготовки (порошка) близок к показателям 94–96%, и остаток порошка целесообразно направить для изготовления следующего изделия. Наряду с уже перечисленными преимуществами аддитивных технологических решений, отметим и то, что одним из показателей высококачественного технического изделия является количество деталей, из которых оно состоит – чем меньше деталей, тем изделие более совершенно (есть инженерные решения, которые невозможно реализовать традиционным способом). Здесь, аддитивным технологическим путем, обеспечивается изготовление монолитных деталей, что при традиционном подходе возможно лишь в формате составных элементов [13].

Отметим, что история и степень научной разработанности проблемы уходит в конец 80-x гг. XX века, когда компания 3D Systems, разработавшая в 1986 г. уникальную коммерческую стереолитографическую машину, использовала свою разработку трехмерной печати в деятельности, ориентированной на решение задач оборонной промышленности посредством реализации научно-исследовательских и опытноконструкторских решений. здесь уместно обратить внимание на то, что первоначально, стоимость лазерных аппаратов (стереолитографических, порошковых) была чрезвычайно высока при достаточно узком ассортименте модельных материалов. Тогда, как динамичная популяризация «цифры» в сфере «проектирования (CAD), моделирования и расчётов (CAE) и механообработки (CAM)» послужило катализатором стремительного развития 3D–технологий [17].

(экономические, юридические), и впоследствии SLM Solutions GmbН стала единственной компанией – владелицей оригинального патента на разработанную технологию. Что детерминирует потребность компании в перманентном режиме дорабатывать и совершенствовать технологические решения, принимая во внимание крупномасштабность сферы производства технической оснащенности для селективного лазерного плавления [6].

В рамках исследования предполагается изучить применимость аддитивных технологий в энергетическом машиностроении, их технологические особенности, продемонстрировать перспективы применения в процессе производства деталей для промышленного сектора. Выделяя высокую практическую значимость применения данной технологии, отметим, и снижение затрат на производство комплектующих частей агрегатов машин и простота (относительная) процесса производства деталей. Следует пояснить, что процесс производства комплектующих элементов включает в себя сокращение комплектующих частей создаваемых узлов и агрегатов, минимизацию количества технологических операций, удаление из всего технологического процесса дополнительного оборудования. При автоматизации процесса производства деталей снижается трудоемкость изготовления, временной период изготовления, весовые показатели, отходы. Увеличивается точность изготовления деталей, унифицируется состав используемых материалов и т. д. При этом, специфические особенности эксплуатации деталей, произведенных посредством аддитивных технологий, обуславливают такие эффекты, как длительный срок эксплуатации комплектующих, высокая степень надежности материалов, функциональная устойчивость и прочность конструкции, упрощение ремонтных работ (замены частей деталей).

Рассматривая генезис изготовления металлических изделий методом аддитивной технологии, отметим, что сущность понятия «аддитивные технологии» представляет собой собирательный образ подходов и методик, при которых изделия изготавливаются исходя из данных цифровой модели применяя метод «послойного добавления» материала. Так, продукт (изделие) формируется слой за слоем, посредством «отверждения или фиксации» каждого слоя согласно конфигурационным требованиям сечения модели, а также степени сцепления всех последующих слоев друг с другом (рисунок 1).

Рисунок 1. Процесс послойного лазерного сплавления [15]

Figure 1. Layer-by-layer laser fusion process

Сущность процесса послойного синтеза М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина в своем труде «Аддитивные технологии в машиностроении» описывают как процедуру реализации выстраивания «в среде инертного газа с охлаждением определенных зон, с местной усадкой металла, с захватом молекул газа окружающей среды (азота или аргона), с образованием дефектов, вызванных работой лазера, неоднородностью модельного материала и другие [20]. То есть, в последовательности CAD-модель → AF-машина → деталь (рисунок 2)

Критерии оценки. При выборе варианта высокотехнологичного решения полагаются на следующие критерии: ценовая величина закупки; пропускная способность; свойство плоскости модификации; умение выстроить мелкие фрагменты; четкость создания; трудозатраты на обрабатывание продукта; устойчивость надлежащего качества материала; замена ключевых конструкций по истечению срока службы машины; ценовая величина качественного материала; ценовая величина технологического сервисного обслуживания машины; ценовая величина гарантийного договора; безопасность и прочность машины; капитальный ремонт; квалифицированность сотрудников; стоимость обслуживающего персонала; необходимая область технической инфраструктуры [4].

Подчеркнем, что относительно методов формирования слоев в аддитивных технологиях принято выделять способ послойного синтеза (Bed Deposition), описано выше, и второй вариант – метод прямого осаждения или прямого подвода энергии (Direct Deposition) [1]. Реализация второго, как формулирует Б.Е. Мархадаев в своей работе «Новая аддитивная технология изготовления пластиковых и металлических объектов», требует подачу материала напрямую в сектор «подведения энергии и построения в данный момент фрагмента детали» (рисунок 3).

Вместе с тем следует подчеркнуть, что «поддержка» как конструкция, здесь носит вспомогательный характер, и применяется в 3D-технологиях в целях формирования сложно комбинированных деталей, а также для повышения стабильного качества печати изделий [12]. Так как при отсутствии «поддерживающих элементов» печать в 3D-формате «с нависающими конструкциями, полостями, тонкими стенками, сложной детализацией, или перекрытиями и другими сложными элементами» невозможна (рисунок 4).

Model        AF machine        Part

Рисунок 2. Процесс аддитивного производства [20]

Figure 2. Additive manufacturing process

Рисунок 3. Принцип технологии прямого наплавления [13]

Поддержка не нужна No support needed

Figure 3. Direct deposition technology principle

использование без поддержки There are risks of printing without поддержки в местах, указанных стрелками Mandatory use of

support

Рисунок 4. Пример геометрии, при которой необходима поддержка [5]

Figure 4. An example of a geometry that needs support

При использовании технологии Bed Deposition (рисунок 5), первым делом формируются слой, например, насыпают на рабочую платформу слой металлопорошка и разравнивают его при помощи ролика или «ножа», формируя ровный слой порошка определенной толщины. Затем выборочно (селективно) сплавляют или спекают порошок в сформированном слое лазером или иным способом, скрепляя частички металлопорошка в соответствии с текущим сечением исходной цифровой модели [6].

Рисунок 5. Технология выборочной лазерной плавки [13]

Figure 5. Selective laser melting technology

Авторы «Аддитивные технологии в машиностроении» рассматривают сущность технологии выборочной лазерной плавки как «наличии некой платформы, где в первую очередь формируют слой металлопорошка, далее – в этом слое выборочно спекают (сплавляют) собственно строительный материал». Здесь отмечают неизменность положение стола построения. Кроме того, доля металлопорошка пребывает в отвержденном слое целинной. Так, принято определять характер данной технологии термином «селективный синтез».

Необходимо отметить, что технология селективного лазерного плавления [8] (СЛП, SLM) является технологией послойного аддитивного производства с помощью лазера из металлических порошков (рисунок 6), механизм реализации, которой удовлетворяет интересам энергетического машиностроения в контексте возможностей, точности и качества (например, «шероховатостью или минимальной толщиной стенки» изделия). Так, изделия, которые при оптимизации технологических параметров могут применяться без постобработки, что обеспечивается малым радиусом лазерного пятна на поверхности порошкового ложа (до 10 мкм).

Рисунок 6. Внешний вид и размеры SLM установки [16]

Figure 6. Appearance and dimensions of the SLM unit

При рассмотрении 3D-принтеров, можно говорить, что печать в данном формате обладает высоким потенциалом в разных производственных процессах, но существуют и недостатки. С развитием науки и техники, возможность аддитивных технологий будет увеличиваться. Такое направление малоосвоенное, потребует индивидуального подхода при разработке, что в свою очередь имеет высокие перспективные сценарии внедрения. При внедрении 3D-техно-логии печати металлом промышленный оборот, у компаний могут возникнуть некоторые проблемы: потребность в изучении качественных характеристик металлов; имитирования в объемах продукции; инвестиционных вложения с высокой стоимостью оборудования, в том числе и расходных материалов; специальные условия к помещению и эксплуатационным условиям; трудность в приспособлении 3D-ре-шений к имеющимся научно-техническим процессам в изготовлении [2].

Заключение

Анализируя результаты опросного анкетирования 114 управляющих компаний [19] мониторинги формирования аддитивных технологий на текущий 2020 год представляются в соответствующем виде. Неосуществимость общественного тиражирования продукта (83 %), до тех пор, пока не произведут не более 100 единиц, поэтому и является одной из серьезных проблем аддитивных технологий. При рассмотрении 100 % с точки зрения преимуществ АТ при массовом изготовлении, то 99 % имеют уверенные перспективы на следующие 3–5 лет, вероятность печатать серии из тысячи изделий в перспективе составляет 57 %. Освоение потенциальных рыночных отношений высокотехнологичных решений составляет $12 триллионов. При использовании АТ в изготовлении, финансовый результат составляет миллиарды долларов. Исходя из опросного анкетирования управляющих компаний 88 % уверены в финансовом результате.

В настоящее время одной из высокозначимых проблем, препятствующим внедрению АТ в изготовлении, имеет название высокой цены, что составляет 42 %, высокая цена использованных материалов составляет 35 %, невозможное массовое изготовление составляет 34 %, неустойчивость изготовленных продуктов 31 %. По этой причине главным направлением формирования АТ наблюдается от разработки к изготовлению отдельных продуктов, также к массовому изготовлению кастомизированных отдельных продуктов [9].

Изученные в данной статье характерные черты 3D печати металлов, позволяют выделить определяющие технологические процессы принципов печати, конструктивно представить свойства аддитивных конструкций. Можно констатировать, что в настоящий период развития экономико-технологических новационных инженерных решений область продвижения аддитивных технологий имеют существенные достижения и перспективы. В аддитивное изготовление поэтапно внедряются мелкосерийное производство, которое имеет отличительные характеристики для отрасли машиностроения. Внедрение такого технологического оснащения предоставляет возможность ускорить процедуру изготовления, усовершенствовать свойств продукта, несмотря на высокую стоимость (0,8–1,5 миллиона евро). При этом, со стратегической экономической позиции в сравнении с классическими технологиями высокотехнологичные инженерные решения выступают как высоко конкурентоспособные.