Аддитивные технологии

Статья, в которой рассматривается 3D-печать из металлов, применение в сферах жизни человека, и какие полезные и новые возможности такая печать может принести.

Аддитивные технологии 2023: Аннотация

В этой статье рассматривается история создания аддитивных технологий, особая терминология для простого понимания темы, применение в различных сферах жизни человека аддитивных технологий, а так же положительные стороны использования в производственных масштабах изготовления изделий.
3D-печать уже стала некой обыденностью как в серийном производстве, так и для создания единичной продукции. Сейчас практически невозможно представить изготовление какого-либо изделия без его модели, прототипа или же макета, как полномасштабного, так и уменьшенного размера в несколько десятков или даже сотен раз.

В настоящее время печать из различного материала набирает популярность. Этот вид изготовления стал новой возможностью для человечества улучшения создания своих изделий. На данный момент такие технологии набирают популярность в различных сферах жизни человека. Например, строители стали применять специализированный принтер, который был создан не в серийном производстве, а на заказ, для печати зданий и сооружений. Это позволило применить и соединить неординарные и новейшие технологии с новыми материалами, соединяя различные материалы между собой, чтобы улучшить прочность, износостойкость и даже создать свой материал, который будет подходить под множество требованиям к готовому изделию. К примеру: получить жаропрочность и стойкость к перепаду температур с упрочнением материала в условиях повышенной влажности.

Аддитивные технологии 2023: Введение

Появление технологии печатания материалом в трехмерном пространстве началось в конце 80-х годов, и первой компанией в этой области стала 3D Systems, которая разработала первую стереолитографическую машину, а затем SLS-машину (порошковая). Ее использование было в научно-исследовательской и опытно-конструкционной деятельности. Такие машины были очень дорогими и недоступными для других целей, кроме как оборонной промышленности. Кроме того, выбор материала, из которого производилась деталь, был очень мал и практически незаменим.

Печатание изделий из металла во время 90-х было заветной мечтой многих предприятий, ведь печатная деталь может эксплуатироваться, а не просто иметь вид модели. Произвести порошок из нужной стали – было главным вопросом, ведь малое количество, для проведения испытаний и выявления характеристик такого металлопорошка, было невозможным и очень дорогим видом процедуры.
Каждая деталь создается из особого порошка, в составе которого различные смеси металлов, для того чтобы получить соответствие к требованиям в условиях эксплуатации для конкретной задачи. Готовое изделие должно проходить испытания на прочность, ударостойкость, кручение, сжатие и другие виды механических и аналитических исследований, чтобы определить комплекс физико-химических свойств готового материалла.

Аддитивные технологии

Для начала разберемся с определением аддитивных технологий. Что же это такое? Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала. [1]

Аддитивные технологии представляют собой изготовление при помощи послойного наращивания металлического порошка и синтеза объектов на специальном 3D-принтере, собственно данная технология изначально стала применима для 3D-печати (фаббер-технологии). Такая печать происходит либо на специальной платформе, либо сразу на требуемой заготовке, а соединение последующего слоя порошка с предыдущем получается за счёт лазера, который сплавляет порошок в тонкий слой.

Машины, строящие детали из металла – в наш век является верхом инженерного искусства. Здесь сконцентрированы самые передовые знания по металлургии, лазерной технике, оптике, электроники, системам управления, измерительным устройствам, механике, вакуумной технике и т. д.

Аддитивные технологии: История возникновения

Раньше эти технологии назывались «технологиями быстрого прототипирования» (от англ. Rapid Prototyping), но термин RP-технологии быстро устарел и в настоящее время не в полной мере отражает истинное значение технологии. Многие коммерческие, товарные продукты, которые уже нельзя назвать прототипами, сейчас изготавливаются методами «быстрого прототипирования» — имплантаты и эндопротезы, инструменты и формы, компоненты самолетов и спутников и многие другие. [2]

Аддитивные технологии предполагают создание (построение) физического объекта (детали) путем послойного размещения (добавления, англ. — «добавление»), в отличие от традиционных способов изготовления детали, по причине удаления (удаления). - вычитание) вещей из многих видов работ.

Суть аддитивного производства (аддитивного производства) можно проиллюстрировать на простом примере: CAD-модель → аддитивное производство → деталь. То есть, сначала изготавливается в специальной программе по созданию 3д модели, затем программа подключается к аппарату печати и создает слой за слоем готовое изделие, которое дальше проходит этапы обработки, после чего изделие полностью готово.

Из поколения в поколение люди стремились увеличить свою работоспособность, снизить себестоимость сырья, не теряя качество, снизить остатки на производстве, сокращать время на производство и срок изготовления многих вещей, которые в то время, казалось бы, можно сделать только ручным трудом, тем самым пошел прогресс в создании и применении новой технологии. Благодаря этой возможности люди стали больше ценить свой труд и превращать его в больший доход, ведь время — деньги.

В настоящее время, с помощью применения аддитивных технологий в сфере индустриального производства, пошел большой прорыв, но так же и появилось много проблем. Тем не менее, этот процесс не прекращается, люди стали изготавливать на 3D-принтере инструменты, детали для авиа и машиностроения, где очень важно изготовить качественную деталь, так же и протезы, импланты, декоративные изделия и даже целые подводные лодки или ракеты. Не удивительно, что можно и напечатать дом или целый замок на строительном принтере.
Такой прорыв произошел и в США. Летом 2012 года в городе Янгстоун (Youngstown, Ohio) был открыт National Additive Manufacturing Innovation Institute (NAMII) – первый из 15 институтов только технологической направленности, создаваемых по инициативе Президента Обамы с целью, по заявлению Департамента торговли, «ускорить инновационное развитие и усилить конкурентоспособность США». Всего на создание 15-ти институтов выделено около $1 млрд. Машинный парк института уже включает 10 аддитивных машин, причем три из них Renishaw AM 250, ExOne M-Lab и POM Synergy 5 – это самые современные машины для синтеза деталей из металла.

В проффесиональном языке авиастроителей есть фразеологизм «buy-to-fly» ratio, который можно перевести как «отношение того, что купил, к тому, что полетело», т. е. сколько материала было куплено и сколько реально «полетело» в качестве детали в составе самолета. По разным данным это отношение составляет 15:1 или даже 20:1 для сложных деталей. Использование аддитивных технологий позволяет свести этот показатель до 1,5-2,0:1, что заметно отличается от предыдущих показателей в разы.[3]

Аддитивные технологии: Терминология и классификация

Терминологию рассматривать можно в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), которая занимается разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. ASTM определяет аддитивные технологии следующей фразой: «The process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies», то есть как процесс объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от "вычитающих" производственных технологий. Под «вычитающими» технологиями подразумевается механообработка - удаление материала из массива заготовки привычным нам способом.
Таким образом, даже авторитетное сообщество американских инженеров вынуждено было прибегнуть к антониму – 4 противоположному понятию (subtractive) «вычитание», чтобы определить новое понятие (additive) «добавление», т. е. в самом определении аддитивные технологии трактуются от противного, как противоположность технологиям механообработки. Но не всякие технологии соединения материала, а только те, которые создают объект по данным 3D модели или из CAD-данных, то есть на основе трехмерной компьютерной модели. Это второе ключевое слово – CAD. Третье ключевое слово здесь - «послойно». Хотя отметим осторожность американцев в определении: они написали все-таки «usually», т. е. «как правило», «обычно», видимо, допуская, по меньшей мере, теоретическую возможность и не послойного построения.
Рекомендованы два основных термина - Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), и мы будем далее говорить АМ-технологии, а также «легитимные» синонимы - additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication. Все они в русскоязычном варианте могут быть корректно переведены как «аддитивные технологии». Их также можно называть технологиями послойного синтеза. Тем не менее, в интернетсообществе, в образовательном процессе, в популярной научно-технической литературе и разговорной речи профессионалов можно услышать и прочитать: «выращивание», «3Dпечать», «3D-принтер», «3D-принтинг». Де-факто эти термины узаконили себя без санкции ASTM, и их также следует принять в качестве легальных синонимов.

Термин Rapid Prototyping или Быстрое прототипирование рекомендовано изъять из обращения, как безнадежно утративший смысл современных аддитивных технологий. Прототипирование – это лишь часть, и теперь уже не доминирующая, аддитивных технологий.

В международном сообществе, так же, как и в России, устоявшейся классификации аддитивных технологий пока не принято. Различные авторы подразделяют их:
• по применяемым строительным или модельным материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т. д.);
• по наличию или отсутствию лазера; - по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т. д.);
• по методам формирования слоя. Последнее, пожалуй, единственное, что принципиально отличает два вида аддитивных технологий.
Первый вид: сначала формируют слой, например, насыпают на рабочую платформу дозу порошкового материала и разравнивают порошок с помощью ролика или «ножа», создавая таким образом ровный слой материала определенной толщины; затем выборочно (селективно) обрабатывают порошок в сформированном слое лазером или иным способом, скрепляя частички порошка (сплавляя или склеивая) в соответствии с текущим сечением исходной CAD-модели. Эта технология в англоязычной традиции называется «Bed Deposition», т. е. предполагается, что есть некая платформа – Bed (англ. - постель), на которой сначала формируют слой, а затем в этом слое выборочно отверждают строительный материал. Положение плоскости построения неизменно. При этом часть строительного материала (в данном случае - порошка) остается в созданном слое нетронутой. Этой технологии достаточно точно соответствует термин «селективный синтез» или «селективное лазерное спекание» (по-английски SLS – Selective Laser Sintering), если «отверждающим» инструментом является лазер, который здесь, в отличие от лазерной стереолитографии (SLA-технологии), является источником тепла, а не ультрафиолетового излучения.

На создание одной небольшой детали уходит не малое количество времени, так же для работы такого принтера потребуется постоянная подача электрической энергии. В противном случае производству предстоит переделать с самого начала деталь. Но, стоит отметить, что брак не может использоваться при выключении принтера. Бракованную деталь не выбрасывают, а переплавляют и измельчают специальным образом до состояния маленьких крупиц – порошка, который в последующем изготовлении деталей будет использоваться. Такая технология и позволяет сократить убытки материала, можно даже сказать, что такое свойство позволяет тратить весь затрачиваемый материал без потерь, а значит можно посчитать это, как безотходное производство.

Применение аддитивных технологий

Селективное лазерное сплавление, селективное электронно-лучевое сплавление и технология прямого лазерного выращивания относятся к аддитивным технологиям. Это позволяет вести серийное производство ответственных деталей без задержек, изготовить крупногабаритные детали до 4000 мм, в том числе ремонтировать изделия и добавлять новые формы, в случае необходимости. Так же позволяет применять до трех различных материалов в одном производственном цикле для изготовления полиметаллических деталей с градиентным переходом, еще и предоставляет возможность использовать широкую номенклатуру металлопорошковых композиций собственного производства предприятия.

Технология СЭЛС позволяет изготавливать сложнопрофильные заготовки ответственных деталей из сплавов на основе тугоплавких металлов и интерметаллидных сплавов, склонных к трещинообразованию, за счет возможности поддержания температуры до 1100°С в зоне синтеза.

Аддитивные технологии зачастую пользуются высоким спросом на предприятиях, где необходимо изготавливать детали сложной геометрии. Большим плюсом является то, что при выращивании металлических изделий АМ-технологиями, физические затраты сводятся к минимуму. Так же, большим преимуществом является способность изготавливать изделия из различных сплавов, например, специфических, обладающих рядом специальных свойств, или совершенно обычных конструкционных сталей, и даже драгоценных металлов.

Проникновение аддитивных технологий пошло во все сферы творческой деятельности человека, научной и крупно производственной. Основные секторы использования на 2011 год:

потребительские товары и электроника – 20,3%;
автостроение – 19,5%;
медицина (в частности, дентальная) – 15,1%;
аэрокосмическая отрасль – 12,1% (9,9% – в 2010 г.);
индустриальное машиностроение – 10,8;
академические институты – 8,0%;
госпрограммы по военной технике – 6,0%;
архитектура – 3,0%;
другое – 5,2%.

На 2022 год статистика по некоторым секторам изменила свое положение в топе:

автомобилестроение – 20%;
архитектура – 4%;
авиационная и аэрокосмическая промышленность – 15%;
потребительские товары и электроника – 28%;
промышленность – 12%;
медицина – 16%;
прочие – 32%.

Заключение

Подводя итоги ко всему вышесказанному, хочу отметить, что аддитивные технологии только больше расширяют наши возможности. Большое внимание специалистов привлекают так называемые «нетрадиционные» технологии, среди которых – нанотехнологии, прецизионные технологии и аддитивные технологии.

Среди применений аддитивных технологий наиболее востребовано производство функциональных изделий для нужд наиболее заинтересованных отраслей промышленности, таких как авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, ВПК, медицина в части протезирования, то есть там, где существует острая потребность в изготовлении высокоточных изделий и их прототипов в кратчайшие сроки.

Экономика приобретает инновационный характер вследствие инновационного развития в первую очередь сферы материального производства, в основе которого лежат технологии – «знание и умение» сделать что-либо: микросхему, программный продукт, автомобильную шину, лопатку турбины или медицинский препарат. Именно технологии определяют положение экономики страны в мире, ее стратегические позиции. Наличие технологий дает в руки ученому или конструктору мощные инструменты для реализации новых идей. Технологии позволяют применять новые высокоэффективные материалы, новые методы управления и таким образом обуславливают новое функциональное и интеллектуальное содержание продукта.

Список литературы:

1. Википедия [Электронный ресурс]
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%90%D0%B4%D0%B4%D0%B8%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BD%D1%8B%D0%B5_%D1%82%D0%B5%D1%85%D0%BD%D0%BE%D0%BB%D0%BE%D0%B3%D0%B8%D0%B8
2. Обзорная статья по аддитивным технологиям Аддитивные технологии и изделия из металла Довбыш В. М., Забеднов П. В., Зленко М. А.
3. 3-D Printing Manufacturing Process is Here; Independent global forum for the Unmanned Aircraft Systems community, UAS Vision [Электронный ресурс]. – URL: http://www.uasvision.com.
4. Tanaka T., Hasu S., Nakagawa K., Ishihara K., Schin-gu P. Mechanical Alloying of Fe-C and Fe-C-Si System // Materials Science Forum Kyoto, Japan // Trans. Tech. Publications c/o Ashate Publishing Co. – 1992.
5. Thivillon L. et.al. Industrial technology of laser assisted direct metal deposition. Ecole Nationale d'Ingénieurs de Saint-Etienne (ENISE), DIPI Laboratory, Saint-Etienne, FR [Электронный ресурс]. Режим доступа свободный: http://www.dipilab.fr/AxeRecherche/fabricationdirecte/DMD/ENISE_DMD.pdf
6. Ahsan M.N. et. al. A comparison of laser additive manufacturing using gas and plasmaatomized Ti-6Al-4V powders. Innovative Developments in Virtual and Physical Prototyping – Bártolo et al. (eds)/© 2012 Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-68418-7
7. Ahsan M.N. et. al. A comparatine study of laser direct metal deposition characteristics using gas and plasma-atomized Ti-6Al-4V powders. Materials Science and Engineering A528 (2011), p. 7648-7657
8. Boulos M. Plasma power can make better powders. Metal Powder Report. Volume 59, Issue 5, May 2004, Pages 16–21.

Ромашёва Катерина Константиновна. Студент, кафедра технологии художественной обработки материалов, Российский государственный университет им. А. Н. Косыгина, РФ, г. Москва. E-mail: katty31800@gmail.com