Ваше производственное предприятие, лаборатория, конструкторское бюро или НИИ уже получило общее представление о возможностях аддитивных технологий и рассматривает вопрос их внедрения? В этой статье мы расскажем, какие факторы следует принять во внимание при организации центра аддитивных технологий в компании, с чего начать, какие технологии выбрать исходя из конкретных задач, как подобрать и обучить специалистов.
Прежде всего:
1. Определяем отрасли и типы предприятий, где аддитивные технологии будут незаменимы.
Самые перспективные отрасли для внедрения 3D-печати — те, где в приоритете оптимизация или создание новых типов изделий: авиационно-космическая, атомная и нефтегазовая промышленность, машиностроение, энергетика, судостроение, а также автомобилестроение, архитектура, медицина. На производствах с литьем и металлообработкой 3D-принтеры станут эффективным решением при создании литейных моделей, прототипов и оснастки.
Трехмерное сканирование и моделирование найдут применение везде, где выполняются контроль качества и обратное проектирование (раздел 4).
3D-технологии востребованы в следующих организациях:
• конструкторские и опытно-экспериментальные бюро при предприятиях, разрабатывающие новые виды продукции;
• технологические центры с опытным производством;
• научно-исследовательские институты и центры;
• университеты, напрямую работающие с производственными компаниями.
В 2018 году на территории предприятия ОДК — Московского машиностроительного предприятия им. В. В. Чернышева
началось создание высокотехнологичного Центра аддитивных технологий / Фото: rostec.ru
2. Как понять, нужны ли вообще 3D-технологии вашему предприятию?
Инновации имеет смысл применять там, где они приносят выгоду. Перед тем, как принимать решение, важно учесть:
• нет универсальной аддитивной технологии, которая бы могла с максимальной эффективностью решить все производственные задачи;
• у каждой 3D-технологии есть преимущества и недостатки;
• при выборе 3D-принтера и/или 3D-сканера нужно исходить из поставленных задач.
3D-печать на сегодня не претендует заменить традиционные методы. Аддитивное производство интегрируется в существующий производственный процесс и предлагает решения, зачастую недоступные традиционным технологиям, с целью сократить производственный цикл и, как следствие, значительно сэкономить время и издержки.
Основной момент, который следует принять во внимание: 3D-печать подходит только для опытного, экспериментального или мелкосерийного производства. Она потребуется вашему предприятию, если поставлены следующие цели:
• разработка и производство нового продукта с уникальными свойствами;
• НИОКР;
• прототипирование, тестирование, отработка технологических решений;
• оптимизация/модернизация изделий, возможная только средствами аддитивных технологий (сложная геометрия, снижение веса, тонкие стенки, внутренние каналы и т. п.).
На базе Самарского университета создан центр гибридных аддитивных технологий, где применяется технология селективного лазерного сплавления с последующей механической, электрохимической и термической обработкой / Фото: sgpress.ru
Отдельным ограничением может стать размер камеры построения 3D-принтера (это зависит и от технологии, и от производителя).
Если традиционные методы обеспечивают желаемую производительность, если не требуется разрабатывать новую продукцию, оптимизировать их конструкцию и улучшать характеристики изделий, — организовывать аддитивный центр нецелесообразно.
3. Подбираем технологию 3D-печати под определенные задачи
Выбор аддитивной технологии всецело зависит от того, что вы хотите получить на выходе. Вам потребуется учесть следующие параметры: размер изделия, точность печати, прочность и долговечность продукта, назначение (прототип, демонстрационная модель или готовое изделие).
Рассмотрим основные аддитивные технологии и используемые материалы, их основные преимущества и недостатки (таблица 1).
| Технология | Расходные материалы | + | — |
|---|---|---|---|
| SLA (лазерная стереолито-графия) | Фотополимеры | • Самая высокая прочность моделей; • один из лучших показателей точности; • идеальное качество поверхности изделий; • возможность построения моделей сложной формы и структуры; • быстродействие 3D-принтеров; • большой объем рабочей камеры (до 2,4 м); • выращенный из пластика прототип можно использовать как готовое изделие. |
• Крупные первоначальные инвестиции; • особые требования к помещению и условиям эксплуатации; • необходимость в обучении технического специалиста. |
| SLM (селективное лазерное плавление) | Металл | • Печать конечных изделий; • высокая точность, плотность и повторяемость изделий; • возможность печати уникальных сложнопрофильных объектов, в том числе мельчайших деталей и изделий с внутренними полостями (размер до 500 мм); • уменьшение массы изделий; • экономия материала (отходы составляют 0,5%); • сокращение цикла НИОКР; • требуется минимальная механическая обработка, нет необходимости использовать дорогостоящую оснастку. |
• Самая дорогостоящая аддитивная технология; • особые требования к помещению и условиям эксплуатации; • сложность в интеграции 3D-решений в традиционные технологические процессы; • необходимость в обучении технического специалиста. |
| SLS (селективное лазерное спекание) | Полистирол, полиамид, нейлон и др. пластики, керамика, стекло, композитные материалы, песчаные составы | • Отличные механические характеристики напеча- танных моделей (полиамид — один из самых прочных пластиков); • большое разнообразие материалов; • высокая скорость печати; • возможность создавать изделия сложнейших форм и фактур; • большой размер камеры построения (до 1 м); • печать как прототипов, так и конечных изделий для узлов и элементов. |
• Высокая стоимость оборудования и материалов; • необходимость обработки шероховатых или пористых поверхностей напечатанных на 3D-принтере изделий; • особые требования к помещению и условиям эксплуатации. |
| FDM (метод послойного наплавления материала) |
Термопластики | • Самая доступная технология 3D-печати; • высокая скорость построения; • возможность печатать крупные объекты (до 2 м). |
• Наибольшая шероховатость поверхности (качество зависит от диаметра сопла и от расходных материалов); • риск растекания пластика; • повышенная чувствительность к перепадам температур. |
| MJP/MJM (много- струйная 3D-печать) |
Воск | • Высокая скорость печати; • максимальная детализация и точность построения (до 14 микрон); • простота эксплуатации аддитивных установок; • возможность непрерывной работы. |
• Преимущественно функцио- нальное прототипирование; • дорогостоящий расходный материал; • модели уязвимы к солнечному свету. |
| MJP/MJM (много- струйная 3D-печать) |
Фотополимеры | • Высокая скорость печати; • многообразие модельных материалов с различными свойствами; • превосходные физико-механические свойства готовых моделей и прототипов; • простота эксплуатации аддитивных установок. |
• Преимущественно функциональное прототипирование; • модели уязвимы к солнечному свету. |
Таблица 2 поможет выбрать технологию 3D-печати применительно к производственным задачам. Возможно, вам потребуется несколько аддитивных установок, работающих по разным технологиям.
| Задача | Технология |
|---|---|
| Функциональное прототипирование и тестирование | SLA, SLS, MJP, FDM |
| Макетирование, изготовление демонстрационных образцов | SLA, SLS, FDM |
| Проверка эргономики, проверка изделий на собираемость | SLA, MJP / фотополимер |
| Изготовление конечных изделий из пластика | SLA, SLS, FDM |
| Изготовление готовых металлических деталей агрегатов и узлов и сложных конструкций (в том числе когда стоит задача оптимизации изделия — снижение веса, объединение детали из нескольких элементов в цельнометаллическую и т.д.) | SLM |
| Создание мастер-моделей для литья по выплавляемым моделям, форм для технологической оснастки | SLS, MJP / воск |
| Создание мастер-моделей для литья по выжигаемым моделям | SLA, MJP / фотополимер |
| Быстрое изготовление оснастки | SLA, FDM |
| Проведение экспериментов | SLA, MJP / фотополимер |
4. Вам также понадобится 3D-сканирование
3D-сканер и программное обеспечение для обработки полученных данных — необходимые инструменты для современного предприятия. 3D-сканирование может использоваться на любом этапе управления жизненным циклом продукта, позволяет сократить время и расходы на этапе разработки и ускорить выпуск продукта на рынок.
Разметчик модельного цеха Тихвинского вагоностроительного завода Даниил Жидков создает трехмерную модель отливки при помощи 3D-сканера Creaform HandySCAN 3D.
Этот портативный 3D-сканер позволяет создать модель детали, когда под рукой нет размеров и чертежей, что значительно облегчает работу конструкторов / Фото: tvsz.ru
С помощью 3D-сканера и специализированного ПО вы сможете гораздо эффективнее решать следующие задачи:
• контроль геометрии изделий и оснастки, входной и выходной контроль;
• реверс-инжиниринг для модернизации, ремонта, восстановления деталей;
• получение CAD-модели.
Устройства 3D-сканирования обеспечивают точность в диапазоне 20–50 микрон на метр. Если такие параметры точности вас не устраивают, продолжайте использовать координатно-измерительные машины. Однако в плане скорости измерений, портативности и стоимости трехмерные сканеры оставляют КИМ далеко позади.
5. Планируем бюджет
Цены на аддитивные установки колеблются в диапазоне от полутора тысяч евро (FDM) до нескольких миллионов евро (SLM), на 3D-сканеры — от 20 до 130 тысяч евро.
Окончательная стоимость принтера зависит от выбранной конфигурации оборудования и многих других факторов, поэтому на начальном этапе организации аддитивного центра цифры назвать затруднительно.
Кроме того, нужно принять во внимание сопутствующие расходы (материалы для 3D-печати, дополнительное оборудование, потребление электроэнергии и пр.).
6. Проверяем, как работают 3D-технологии, прежде чем приобретать оборудование
Хотите предварительно проверить решение ваших задач?
В центрах быстрого прототипирования вы можете заказать тестовые услуги 3D-печати фотополимерами, металлом, воском и гипсом, а также 3D-сканирования и 3D-моделирования.
Рыбинское предприятие «ОДК-Сатурн», входящее в Объединенную двигателестроительную корпорацию, активно применяет аддитивные
технологии в процессе производства газотурбинных двигателей / Фото: rostec.ru
7. Дополнительное оборудование
В зависимости от типа аддитивной установки может потребоваться дополнительное оборудование. Например, для SLA-принтеров понадобится УФ-камера, где готовое изделие доотверждается. Самое сложное оборудование — металлические 3D-принтеры, для которых необходимы:
1. муфельная печь для снятия остаточного напряжения металла;
2. дреммель, ленточная пила или электроэрозионный станок для удаления поддержек;
3. дробеструйная или пескоструйная камера для постобработки изделия и улучшения качества поверхности.
8. Особые требования к эксплуатации 3D-принтеров
К помещениям и условиям эксплуатации могут предъявляться особые требования, к примеру, подвод нужного количества электроэнергии и кондиционирование. Самые строгие требования касаются установок 3D-печати металлами — необходимо соблюдать технику безопасности (обеспечивать герметичность при эксплуатации машины, работать в защитной спецодежде) в связи с опасностью металлических порошков, которые спекаются в среде инертного газа.
Приведем пример стандартных требований к металлическому 3D-принтеру:
• напряжение 3 фазы 380 В, рабочий режим потребления 7 кВт, в пике до 12 кВт;
• подвод инертного газа к машине (3–5 баллонов);
• система кондиционирования в помещении (от 18 до 23°C), оптимально — в режиме осушения воздуха;
• компрессор либо линия с подводом сжатого воздуха 4 атмосферы;
• техническая вода для промывки фильтров и изделий.
9. Готовим специалистов центра аддитивных технологий
Сотрудники аддитивной лаборатории — это конструктор и оператор 3D-принтера, их число зависит от состава оборудования и объема работ. Если для профессиональных установок 3D-печати достаточно одного оператора, то для промышленных (SLA, SLS, SLM) потребуется минимум двое обученных специалистов, поскольку стоимость простоя такого оборудования очень высока.
Оптимально, если оператор и конструктор будут разными людьми. Конструктор проектирует изделия для аддитивного производства в специализированном ПО и понимает, как применить соответствующие методы, а оператор — скорее технолог, он воплощает видение конструктора в готовое изделие. При этом оператор 3D-принтера должен быть творческой личностью, специалистом с высшим техническим образованием, который любит учиться и увлечен инновациями. Высокого качества печати можно добиться, грамотно подобрав настройки принтера. Это может быть достаточно сложной задачей: в SLM-машинах, например, 170 открытых параметров, которые можно менять в процессе построения.
Например, в нашем учебном центре вы можете пройти обучение работе на промышленных 3D-принтерах за 3–4 дня. Также доступны программы обучения по 3D-сканированию и основным программным продуктам для обработки данных сканирования (Geomagic Control X/Design X/Wrap) и подготовки моделей к печати (Materialise Magics). Есть и расширенные комплексные программы длительностью до 12 дней.
Металлические изделия, напечатанные на аддитивных установках SLM Solutions (стенд iQB Technologies на выставке «Металлообработка-2019») / Фото: iQB Technologies
Заключение
Мы выяснили, что 3D-печать подходит только для опытного, экспериментального или мелкосерийного производства преимущественно в высокотехнологичных отраслях. Аддитивные технологии позволят оптимизировать производственный процесс при разработке новых видов продукции или усовершенствовании текущего ассортимента, создании прототипов и оснастки. 3D-сканирование дает возможность сократить время и расходы на этапе разработки при выполнении задач контроля качества и реверс-инжиниринга.
Материалы об актуальных 3D-решениях читайте в блоге iqb.ru ■
Автор Семен Попадюк, главный редактор блога iQB Technologies, blog.iqb.ru
