Аддитивное производство

В современной промышленности с развитием аддитивных технологий АТ большинство способов изготовления деталей и заготовок можно отнести к одной из трех групп на рис. 1.

Традиционные формообразующие способы производства (литьё, штамповка) формируют материал в желаемую форму по средствам нагрева и давления. Заготовка может быть расплавлена и запрессована в форму, расплавлена и вылита в форму или спрессована либо вытянута в нужную форму (штамповка / вакуумное формообразование) и т.д.

Применяется в крупносерийном производстве идентичных изделий при получении как заготовок, так и готовых изделий. К плюсам относится низкая стоимость изделий при больших объемах производства, а также высокие скорости в получении готовых изделий. Минусы как правило обусловлены большими капиталовложениями на начальных этапах реализации всего цикла производства.

Применяется субтрактивное изготовление в мелко- и среднесерийном производстве изделий простой геометрии. К преимуществам обычно относят размерную точность, а также это экономически самый эффективный метод производства изделий определенных групп. К минусам относится большой расход времени из-за необходимости переориентировки обрабатываемой заготовки в момент выполнения операций, а также малый выход годного (из-за больших потерь металла в процессе стружкообразования).

В соответствии с ГОСТ Р 57558–2017 аддитивное производство (аддитивный технологический процесс) – это процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки).

Цифровая 3D-лазерная печать металлов успешно внедряется в современное промышленное производство. Существует целый ряд технологий 3D-печати, каждая из которых обладает своими преимуществами и ограничениями и способна напечатать детали из различных материалов. В настоящее время она стремительно занимает нишу в мелкосерийном производстве сложно-профильных изделий, которые очень дорого или невозможно изготовить традиционными методами.

Преимущества АП — это реализация изделий любой сложности, массовая кастомизация, быстрое производство, сравнительно небольшие начальные капиталовложения, создание изделий без технологических оснасток на основе цифровой модели.

Существует множество технологий 3D-печати, но процесс изготовления у них общий (от конструирования до конечной детали), и, хотя каждый метод 3D-печати производит детали различным способом, эти основные шаги присутствуют во всех технологиях:

1. Создание цифровой модели (наиболее распространены CAD-моделирование и обратное проектирование). При проектировании 3D-печати необходимо контролировать несколько задач – ограничения геометрии, материалы и требования к выходным отверстиям.
2. Создание SLT-файла и операции с ним. Для того чтобы напечатать деталь, CAD-модель должна быть преобразована в формат, обрабатываемый 3D-принтером. Все начинается с преобразования CAD-модели в файл стереолитографии (англ. Stereolithography, сокр. STL) в файл «стандартного треугольного языка» (англ. Standard Tri-angle Language). Типы файлов OBJ и 3DP – также приемлемые для 3D-печати, но менее распространенные. STL применяет треугольники (полигоны) для описания поверхностей объекта, существенно упрощая зачастую сложную CAD-модель. Большинство CAD-программ способны экспортировать модели в файл STL. Когда файл STL сформирован, он импортируется программой подготовки модели к печати (слайсером); она разделяет конструкцию на слои, которые будут применяться в создании детали. Слайсер берет STL-файл и конвертирует его в G-код. Проектировщику чаще всего будет необходимо предоставить оператору 3D-принтера STL-файл. Оператор затем настраивает желаемые параметры для печати и сам создает файлы G-кода.
3. Печать (каждая из существующих технологий, по-разному аддитивно изготавливает детали) Существуют различные технологические процессы, разработанные для аддитивных технологий. Они сгруппированы в семь основных категорий на основе фундаментальной части функциональности машин и кратко представлены далее.
4. Удаление напечатанного (Для некоторых технологий 3D-печати удаление напечатанного настолько же просто, как отделение напечатанной части от рабочей платформы. Для других более промышленных методов 3D-печати удаление напечатанного – это высокотехнологичный процесс, включающий точное извлечение напечатанного, когда оно еще заключено в поддерживающем материале или прикреплено к подложке. Для этих методов в большинстве случаев требуются выверенные процедуры удаления и высококвалифицированные операторы вместе с оснащением для техники безопасности и контролируемой средой).
5. Постобработка (Процедуры постобработки также варьируются в зависимости от технологии печати. Некоторым технологиям необходим процесс отверждения под УФ-лучами, в то время как другие позволяют сразу же передавать детали далее. В технологиях, применяющих поддержку, удаление материала происходит в этой же стадии постобработки).

Самый лучший способ определить, подходит ли определенный метод 3D-печати для данного применения – это понять механизмы того, как данная технология производит детали. Выбор оптимального процесса 3D-печати для конкретного проекта может оказаться сложным.

Наличие широкого ряда методов 3D-печати и материалов дает понять, что зачастую подходит сразу несколько процессов, и каждый сопровождается вариациями характеристик, таких как точность размеров, характер поверхности и требования к постобработке. В области аддитивных технологий, применяются технологические процессы, которые характеризуются управлением изготовления деталей на основе данных 3D САПР, а промежуточные стадии (такие как производство оснастки) –отсутствуют.

Системы AП можно классифицировать по типу используемого материала: жидкостные, твердотельные и порошковые. В соответствии с ГОСТ Р 57589–2017 и стандартам ISO/ASTM существующие категории технологических процессов в области аддитивных технологий возможно разделить на семь подклассов:

1. Фотополимеризация в ванне (сырье: фотореакционно-способная смола с наполнителем или без него).
2. Струйное нанесение материал (сырье: жидкий фотополимер или расплавленный воск с наполнителем или без него).
3. Струйное нанесение связующего (сырье: порошки, порошковые смеси или частицы материалов, а также жидкое адгезионное / связующее вещество).
4. Синтез на подложке (сырье: различные порошки – термопластичные полимеры, чистые металлы или сплавы металлов).
5. Экструзия материала (сырье: волокно или пасты, как правило, термопласты и структурная керамика).
6. Прямой подвод энергии и материал (сырье: металлический порошок или проволока).
7. Листовая ламинация (сырье: листовой материал, как правило, бумага, металлическая фольга, полимеры или композитные листы, изготовленные преимущественно из металла или керамического порошка, скрепленные связующим веществом).

Из этих семи категорий только четыре (рис. 2) напрямую связаны с изготовлением металлических компонентов. При этом ГОСТ Р 57558–2017 указывает в качестве сырья металлы: процессы на основе прямого подвода энергии и материала и плавление порошкового слоя.

При прямом подводе энергии и материала (direct ed energy deposition, DED) тепловая энергия используется для соединения материалов путем сплавления по мере их нанесения. Принципиальная схема данного процесса представлена на рис 3.

Вторичная обработка изделий проводится для улучшения состояния поверхности (механическая обработка, микровзрывные работы, лазерное оплавление, шлифовка или полировка) и для улучшения свойств материала (например, термообработка).

Перемещение в системе координат (обычно оси 3 – 6) достигается путем перемещения сопла и строительного стола. Альтернативные системы подачи материала, например, порошок подается через энергетический луч, порошок подается в координату энергии, нити накала (проволоки), подаваемой в координату энергии.

Российский стандарт ГОСТ Р 57558–2017 рекомендует использовать термин «синтез на подложке», акцентируя внимание на предварительном нанесении порошкового слоя на субстрат. Процесс синтеза на подложке – процесс аддитивного производства, в котором поверхность предварительно нанесенного слоя порошкового материала выборочно, полностью или частично расплавляется тепловой энергией. Схема данного процесса представлена на рис. 4.

Сырьём являются различные порошки: термопластичные полимеры, чистые металлы или сплавы металлов, структурная или техническая керамика. Любой из порошковых материалов может быть использован как с наполнителями и связующими веществами, так и без них, в зависимости от конкретного процесса. Механизм связи в данном методе – термическая реакция связывания. Источником активации является тепловая энергия, как правило, передающаяся от лазера электронным пучком и / или инфракрасными лампами.

Вторичная обработка заключается в удалении порошка, и вспомогательного материала, а также различные операции для улучшения качества поверхности, точности размеров и свойств материала (микровзрывные работы, фрезерование, шлифование, полирование и термическая обработка).

Применение технологии 3D-печати ограничено рядом причин: отсутствие металлических порошков необходимого качества, ограничение размеров принтеров для печати, отсутствие знаний о тех закономерностях, которые реализуются в «зоне печати». Например, при реализации метода селективного лазерного плавления область воздействия лазера на поверхность порошка высоко локальна (диаметр ванны расплава порядка нескольких десятков микрометров), а теплоотвод осуществляется в массивную подложку.

В результате кристаллизация происходит в условиях сверхбыстрых (порядка 105 – 106 К/с) скоростей охлаждения из жидкого состояния, что приводит к формированию неравновесной структуры, свойства которой существенно отличаются от тех, что наблюдаются при традиционных видах обработок. Однако, основная причина в широком применении технологий 3D-печати – это отсутствие нормативной и законодательной базы, межведомственного взаимодействия. Так как инновации, по наблюдению экономистов, отличаются укороченным жизненным циклом, а процедура разработки стандартов, в которую вовлечен и госаппарат, не успевает за изменениями индустрии.

В связи с отсутствием стандартов и технических требований к изделиям, изготовленным на 3D-принтерах, производители вынуждены подтверждать соответствие существующим стандартам на материалы и отдельные компоненты. Это же касается и отраслевых стандартов на системы менеджмента компаний-производителей аддитивных технологий.

Несмотря на сдерживающие факторы на сегодняшний день в РФ достигнуты ряд уникальных результатов, представленных далее. Лаборатории «Катализ и переработка углеводородов» НИТУ «МИСиС» удалось подобрать технологические параметры 3D-печати для производства тонкостенных деталей из тугоплавкого вольфрама по технологии селективного лазерного плавления.

Для 3D-печати алюминиевых деталей в качестве исходного сырья преимущественно используются силумины (сплавы алюминия с кремнием, в частности, соединение Al-Si-10Mg). Однако требования авиакосмической промышленности растут, и во всем мире сейчас активно ведутся поиски новых составов алюмоматричных композитов (в том числе модифицированных, легированных) для получения деталей с улучшенными эксплуатационными характеристиками (прочностью, твердостью, стойкостью к образованию трещин) и низкой стоимостью по сравнению с содержащими редкоземельные элементы сплавами».

Научный коллектив Центра прототипирования высокой сложности НИТУ «МИСиС» разработали метод 3D-печати алюмоматричных (на основе алюминия) композитных материалов с керамическими наполнителями (оксид и нитрид алюминия). Применение аддитивных технологий при создании материала позволило повысить прочность получаемых порошковых материалов на 20 %. Наряду с робототехникой и интеллектуальными системами аддитивное производство, или 3D-печать является ключевой технологией, стимулирующей развитие Индустрии 4.0.