Спустя несколько месяцев редакция Industry3D снова приехала на площадку Metal-Sprint. За время, прошедшее после первой экскурсии, здесь стало больше оборудования, а главное — заметно больше самых разных изделий.
На столах, в производственной зоне и рядом с установками находились не отдельные образцы, созданные для демонстрации возможностей технологии, а детали, связанные с реальными промышленными задачами.
Что изменилось со времени прошлого визита
Во время нашей предыдущей экскурсии на площадке работали четыре установки селективного лазерного плавления (SLM): три находились в основном производственном помещении и ещё одна — в отдельной зоне. Компания также готовилась принять две машины SLM с областью построения 480×320 мм. Об этом мы рассказывали в материале «Как в России печатают металлом: экскурсия на Metal-Sprint».
Теперь парк оборудования стал больше. И скоро будет еще больше. Уже оплачена и собирается еще одна установка по другой технологии. На этот раз это DED.
На первый взгляд, увеличение количества машин можно воспринимать просто как расширение производственных мощностей. Однако гораздо интереснее другое: вместе с оборудованием расширилась номенклатура изделий, которые одновременно находятся в работе.
В одну установку могут быть загружены несколько деталей или целая партия изделий. Где-то печатаются небольшие компоненты сложной формы, где-то — более крупные элементы, а отдельные проекты занимают значительную часть рабочей области машины.
Именно загрузка оборудования лучше всего показывает, как меняется положение металлической 3D-печати. Технология постепенно выходит за пределы экспериментов и единичных демонстрационных проектов. На одном производстве одновременно можно увидеть изделия для нескольких совершенно разных сфер — от приборостроения до аэрокосмической промышленности.
Печать металлом уже используется значительно шире, чем кажется
Посетителю такого производства сложно сразу определить назначение большинства изделий. Многие детали не похожи на привычные корпуса, шестерни или крепления. Их форму определяет функция: внутренние каналы, требуемое распределение материала, ограничения по массе, способ монтажа и условия эксплуатации.
Некоторые изделия напоминают фрагменты двигателей и теплообменников. Другие выглядят как миниатюрные корпуса со сложной системой отверстий. Третьи вообще трудно соотнести с каким-либо знакомым механизмом, пока не узнаешь, для чего они предназначены.
Именно эта непохожесть часто становится одним из главных преимуществ аддитивного производства. Инженер может проектировать деталь исходя из её задачи, а не только из возможностей фрезы, токарного резца, пресс-формы или сварочного оборудования.
Сейчас основа производственного парка Metal-Sprint — установки SLM и оборудование для сопутствующих операций. При этом в компании планируют расширять технологический набор и в дальнейшем добавлять оборудование, работающее по другим аддитивным технологиям.
Но во время экскурсии сама технология довольно быстро перестаёт быть главным объектом внимания. Значительно интереснее рассматривать то, что уже выходит из производственных камер.
От цифровой модели до металлической детали
Фраза «3D-печать быстрее традиционного производства» нуждается в уточнении. Аддитивный процесс не всегда выигрывает у токарной обработки, литья или штамповки по времени изготовления каждой отдельной детали.
Преимущество появляется в других местах производственной цепочки.
Для печати не требуется сначала изготовить отдельную пресс-форму, литейную оснастку или сложный набор приспособлений. После подготовки трёхмерной модели, выбора ориентации, построения поддержек и настройки параметров изделие можно отправлять в производство.
Это особенно важно при изготовлении:
- единичных деталей;
- прототипов, которые должны быть выполнены из рабочего металла;
- небольших и средних партий;
- компонентов сложной формы;
- изделий, конструкция которых ещё может измениться;
- деталей с внутренними каналами;
- запасных частей, для которых отсутствует готовая оснастка;
- элементов, объединяющих несколько компонентов традиционной сборки.
В традиционном производстве значительная часть времени может уходить не на само изготовление детали, а на подготовку процесса. При аддитивном подходе этот путь иногда удаётся сократить: внести изменения в цифровую модель, заново подготовить построение и напечатать следующую версию.
Поэтому корректнее говорить не просто о высокой скорости принтера, а о сокращении полного цикла — от конструкторской задачи до получения металлической заготовки или готового изделия.
Облегчение как реальная производственная задача
Один из наиболее наглядных примеров того, зачем промышленности нужна металлическая 3D-печать, — не изготовление принципиально новой детали, а переработка уже существующей конструкции. На площадке нам показали сразу несколько пар изделий: исходный вариант и облегчённую версию из того же материала RS-300.
Такое сравнение особенно показательно: масса уменьшается не за счёт замены материала на более лёгкий, а за счёт изменения геометрии и перераспределения материала внутри детали. Это уже не демонстрация возможностей принтера, а обычная инженерная задача — оставить материал там, где он действительно нужен, и убрать его там, где он не работает.
Три примера, которые мы увидели на производстве, хорошо показывают масштаб эффекта.
Корпус электроники для авиации: минус 800 граммов
Первый пример — корпус для электроники, используемый в авиации. Оба варианта выполнены из RS-300. Исходная конструкция весит 3630 г, облегчённая — 2830 г. Разница составляет 800 г, или примерно 22% массы детали.
При этом, по данным Metal-Sprint, жёсткость конструкции удалось сохранить. Облегчение получили благодаря сотовой структуре: часть сплошного объёма заменили геометрией, которая требует меньше материала, но сохраняет необходимую работу корпуса.
Корпус масляного фильтра для грузового автомобиля: минус 2,5 килограмма
Второй пример — корпус масляного фильтра. Здесь также сравниваются две версии из RS-300. Исходный корпус весит 5000 г, облегчённый — 2500 г.
Снижение массы составило 2500 г, то есть 50%. Для деталей такого размера это уже не небольшая оптимизация, а заметное изменение конструкции.
Корпус блока управления лебёдки: минус 700 граммов
Ещё одна пара — корпус блока управления лебёдки, также изготовленный из RS-300. Масса исходной версии — 2580 г, облегчённой — 1880 г.
В этом случае удалось убрать 700 г, или около 27% исходной массы.
Что показывают эти три примера
Во всех трёх случаях материал остаётся одним и тем же, а результат даёт именно переработка геометрии: масса уменьшается примерно на 22–50%. И это без потери жёсткости.
У аддитивного маршрута есть и ещё одно важное преимущество для подобных задач. После изменения цифровой модели новую версию можно снова подготовить к построению без изготовления новой формообразующей оснастки. Именно поэтому 3D-печать удобна не только для выпуска сложной детали, но и для последовательной отработки её конструкции.
На практике это хорошо дополняет разговор о скорости производства: выигрыш может возникать не потому, что лазер быстрее фрезы или литейной машины, а потому, что между новой CAD-моделью и следующим физическим вариантом детали становится меньше подготовительных этапов.
Печать того, что нельзя показывать
Далеко не все аэрокосмические проекты настолько открыты. Во время экскурсии одна из установок печатала изделие для аэрокосмической отрасли, подробности которого не раскрываются, а саму деталь нельзя показывать полностью. Для промышленной 3D-печати это обычная ситуация: наиболее интересные разработки нередко закрыты требованиями конфиденциальности.
Печать металлической детали для аэрокосмического проекта. Назначение и геометрия изделия не раскрываются по условиям конфиденциальности.
Не только аэрокосмос
Аэрокосмическое направление остаётся одним из самых наглядных для аддитивных технологий, но увиденные на площадке примеры этим не ограничиваются. Корпус масляного фильтра и корпус блока управления лебёдки показывают, что та же логика облегчения применяется и к задачам наземной техники и промышленного оборудования. Кроме этих изделий, на производстве были и другие детали, назначение которых можно раскрывать в разной степени.
Один принтер — несколько разных задач
Ещё одна важная особенность аддитивного производства становится заметна при взгляде на платформу построения. На ней необязательно находится одно крупное изделие. В рамках одного цикла можно разместить несколько одинаковых или разных деталей, если это допускают материал, параметры процесса и производственная задача.
Для небольших серий это особенно интересно. Производству не требуется создавать отдельный комплект оснастки для каждой геометрии. Несколько деталей можно объединить в одно построение, а при следующем запуске изменить состав партии.
Это не означает, что металлическая 3D-печать автоматически становится самым дешёвым способом производства. Порошки, оборудование, защитная атмосфера, подготовка построения и последующая обработка остаются дорогими. Но технология даёт гибкость, которая может быть важнее минимальной стоимости одного изделия.
Особенно когда речь идёт о срочном проекте, сложной геометрии или небольшой партии.
После завершения печати работа не заканчивается
Готовая деталь не появляется в камере принтера в том виде, в котором её сразу можно установить в двигатель, прибор или летательный аппарат.
После выращивания изделие необходимо извлечь из порошка, очистить, отделить от платформы и удалить поддержки. В зависимости от материала и требований проекта могут потребоваться термообработка, механическая обработка посадочных поверхностей, шлифование, полирование и контроль.
Именно постобработка часто определяет, насколько быстро напечатанная заготовка станет функциональной деталью. Поэтому при сравнении с традиционными технологиями важно учитывать весь маршрут, а не только часы работы установки. Ранее, мы подробно писали о постобработке SLM.
Тем не менее даже с учётом последующих операций аддитивный процесс способен сократить срок изготовления. Особенно в случаях, когда традиционный маршрут требует производства оснастки, большого количества переходов или сборки детали из нескольких элементов.
Скорость как возможность быстрее менять конструкцию
Наиболее ценным результатом ускорения может оказаться не только раннее получение готовой детали, но и возможность быстрее проверить инженерное решение.
Если во время испытаний выясняется, что необходимо изменить толщину стенки, положение канала, крепление или форму отдельного участка, конструктор корректирует цифровую модель. После повторной подготовки файла новая версия снова отправляется в производство.
При традиционном подходе подобное изменение иногда требует переделки оснастки или повторной настройки нескольких производственных операций. При аддитивном — основной объём изменений происходит в цифровой модели и подготовке построения.
Именно поэтому технология особенно востребована там, где одновременно важны сложность изделия и скорость разработки.
От красивых образцов к повторяемому производству
Во время повторного визита оборудования стало больше, установки загружены разными проектами, а рядом находится множество уже изготовленных деталей.
Это важный переход. Зрелость технологии определяется не тем, насколько эффектно выглядит единичный образец, а способностью производства снова и снова получать изделия с требуемой геометрией и характеристиками.
Что дальше
Расширение парка машин создаёт возможность одновременно вести больше проектов и брать в работу более крупные изделия. Но следующий этап развития связан не только с количеством принтеров.
Для промышленного производства важна вся цепочка: подготовка моделей, работа с порошками, печать, термообработка, механическая обработка, контроль и документирование результатов.
В ближайших планах Metal-Sprint:
- покупка или запуск нового оборудования;
- расширение участка постобработки;
- рост объёмов серийного производства;
- расширение производственной площадки.
Металлическая печать становится обычным производственным инструментом
За время между двумя визитами на площадку Metal-Sprint изменилась не сама физика процесса. Лазер по-прежнему послойно формирует изделие из металлического порошка. Изменился масштаб увиденного.
Стало больше оборудования. Стало больше одновременно выполняемых задач. И стало больше деталей, по которым уже можно обсуждать не абстрактные преимущества технологии, а конкретный инженерный результат: например, снижение массы корпуса на 800 г, 2,5 кг или 700 г при сохранении того же материала.
Металлическая 3D-печать не отменяет традиционное производство. Напечатанные изделия по-прежнему могут нуждаться в термообработке, фрезеровании, токарной обработке и контроле. Для простых деталей и крупных партий классические методы часто остаются рациональнее.
Но там, где необходимы сложная геометрия, внутренние каналы, малая серия, быстрое изменение конструкции или сокращение количества компонентов, аддитивное производство уже становится практическим рабочим инструментом.
И, судя по тому, насколько разные изделия сегодня находятся рядом с принтерами Metal-Sprint — от авиационных корпусов до компонентов для наземной техники, — область применения металлической 3D-печати продолжает расширяться.