Wohlers: глубоко, ёмко… и доступно! Часть 1. Мифы и заблуждения
Многие годы к деятельности консалтингового агентства Wohlers Associates прикованы взгляды лидеров, стартапов в области аддитивных технологий, а также потребителей продукции, так или иначе связанной с 3D-печатью. Ежегодные отчёты этой компании, имеющей 29-летний опыт и охватывающей глобальные рынки, завоевали репутацию одного из самых важных и исчерпывающих ресурсов, анализирующих ключевые характеристики и тенденции рынка АП. В исследовании «Wohlers Associates-2024» компания проанализировала данные от 113 поставщиков услуг, 115 производителей оборудования (промышленные и настольные принтеры, но стоимостью более 5000 $), 17 поставщиков материалов (10 из них производят металлопорошки, 5 — полимеры, 2 — металлы и полимеры — это удивляет). Опросные листы заполнили 245 компаний со всего мира. И всё это для самого-то уважаемого агентства… Есть ли в отчёте данные о российских компаниях? Я нашёл в нём целых трёх (сарказм) ведущих игроков российского аддитивного рынка: А где же остальные? Попробуем авторски, конспективно изложить самые интересные факты и суждения, высказанные экспертами этого издания. Начнём с мифов и заблуждений, которые постоянно сопровождают любимое нами производственное направление, а закончим выборочной аналитикой и трудностями (во второй части). «Аддитивное производство способно заменить традиционное» Я часто слышу мнение (да что там, я и сам, порой, натыкаясь на очередное превосходство АП, начинаю так считать в отношении специфической продукции), что в будущем большинство изделий будет производиться с помощью 3D-печати. Что же, АП в какой-то степени может упростить процессы и даже упразднить многие из них, например, прессование, литьё, формовку, штамповку, экструзию, сварку… Но сто́ит отдать должное «классике» — она способна «разогнать» производство до тысяч деталей в час, да ещё за минимальную цену. А вот АП с натяжкой доберётся до десятков за тот же час, да и запросит за это гораздо больше. Здесь стоит постоянно помнить, что аддитивка создана для производства сложных деталей, которые раньше изготовить было либо невозможно, либо очень долго и дорого. С другой стороны, смотрите на АП, как на дополнение к субтрактивному. Ещё один аргумент: создавайте продукты с новыми потребительскими свойствами, повторить которые традиционными технологиями не представится возможным. И, наконец, оперативный ремонт санкционных или сломанных деталей также возвысит возможности 3D-печати. Рис. Корпус гитары, изготовленный методом 3D-печати, и детали, произведённые традиционным способом – все прекрасно живут вместе! «Просто проектируйте сложное» Специфика метода 3D-печати заключается в послойном синтезе. Если это принять и начать использовать при разработке продукции, то вам не останется ничего, кроме как уволить технолога. Дело в том, что производственная гибкость печати исходит от отсутствия границ при проектировании. Поэтому дизайнер или инженер могут создавать изделия такими, какими они видят их с эстетической или функциональной точки зрения. Всё остальное решит 3D-печать, «закрывая огрехи» удаляемыми впоследствии поддержками. Рис. Металлический шлем Дарта Вейдера во время удаления поддержек (слева) и после термообработки и полировки (справа) И вот вам самые что ни на есть производственные примеры. GE Aerospace агрегировали 100 деталей в одну, а затем успешно её напечатали. Тем самым они отказались от множества производственных процессов, инвентаризации, сборки, технического обслуживания, проверки и сертификации. В 2015 году компания Siemens Energy использовала АП для серийного ремонта горелок своих турбин, а в 2016 году упростила процесс сборки с обслуживанием только одной агрегированной детали. Рис. Агрегированная и напечатанная турбинная горелка Топологическая оптимизация позволяет сократить расход материала и уменьшить вес изделия. «Отвязанный» от стереотипов инженер способен спроектировать деталь невероятной формы с особыми характеристиками сопротивления, турбулентности и теплопередачи, которую можно напечатать, но нельзя отлить. Решетчатые и сетчатые структуры могут еще больше снизить вес и улучшить характеристики изделия. Рис. Гироидный теплообменник «АП по нажатию одной кнопки» Многие считают, что АП – это всегда полностью автоматизированный процесс, запускаемый нажатием одной кнопки. Однако всё не так просто, хоть все компании и идут к этому. От инженера и оператора оборудования требуется определённый талант и умение, ведь нужно научиться проектировать под возможности АП, знать, где и как должны располагаться поддержки, какими должны быть отверстия, решит ли постобработка все вопросы, связанные с удалением поддержек, и многое другое. Использование правильных параметров процесса способно радикально повлиять на внутреннее и внешнее качество изделия. А подбор материала – в корне изменить условия эксплуатации. Рис. Металлические детали с минимальным количеством поддержек и максимально плотной компоновкой площади платформы «Большинство принтеров похожи друг на друга» И да, и нет. Все принтеры стремятся заполнить собой определённое офисное или производственное пространство. Зайдёте в такой цех, и вы увидите коробки разного размера с похожим принципом изготовления продукции в пределах одного семейства. Они похожи? Стоимость принтеров сегодня варьируется от $200 до $7 млн и более. И такие принтеры способны печатать широкий спектр изделий, начиная от нанометровых объектов из смол и заканчивая многоэтажными зданиями из геобетона, с «черепашьей» или «голубиной» скоростью. Добавим к этому сложность и стоимость источников энергии (головок, экструдеров, систем) – и вот мы в «парсеке» возможностей от настольного до гигантского принтера. «АП не наносит вреда окружающей среде» Экологичность АП должна учитывать весь жизненный цикл производимых деталей и включает в себя потребление энергии, воды, производство материалов, работу оборудования, постобработку, переработку и отходы. Также можно учитывать потенциальную экономию в ходе эксплуатации детали и её утилизации. Энергоэффективность 3D-принтеров сложно оценить количественно из-за большого разнообразия способов их функционирования и множества факторов, влияющих на энергопотребление. В целом системы, где применяются обогреваемые камеры, требуют больше энергии. Системы, использующие лазеры, могут требовать от 30 ватт до 1 кВт энергии. Нужно питать электроэнергией моторы, гальванометры, головки, насосы... Общее энергопотребление 3D-принтера может быть меньше, чем у ТПА или станка с ЧПУ. Однако время печати может быть значительно бо́льшим, чем необходимо для литья или фрезерования. Именно из-за длительного времени печати больших деталей некоторые принтеры могут быть менее энергоэффективными, чем классические станки и машины. А вот малые и среднеразмерные детали могут иметь большую эффективность в этом аспекте. Также есть проблема с повторным использованием материалов. Например, какая-то часть порошков термопластов и МПК не может быть повторно переработана при необходимости соблюдения высокого качества печати. При использовании вспомогательных материалов и последующей механической обработки образуются отходы. И, наконец, экологичность материалов. Сегодня в виде нити используется PLA — биоразлагаемый полимер, появляются порошки и нити PA11, изготовленные на 100% из возобновляемой клещевины, а не из нефтепродуктов. Рис. Стойкие к химическому воздействию детали, изготовленные из PA11, полученного из клещевины, с армированием углеродным волокном Экономия потребления топлива и выбросов углекислого газа при эксплуатации детали также может иметь большое значение. Например, топологически оптимизированная деталь весит меньше, чем обычная, и в работе на автомобиле, самолете или ракете будет требоваться меньше топлива. «Материалы – маловато будет» В некоторых случаях это может оказаться не мифом, а правдой. Например, из 3500 инженерных материалов, зарегистрированных в базе данных Ansys Granta, только часть доступна для АП. Значительная часть проектирования и конструирования связана с выбором материала на основе исторического использования. Инженеры обычно выбирают материал детали, основываясь на предыдущих разработках, выполненных с использованием традиционных методов производства. Ограничение в выборе альтернативных и незнакомых материалов — сдерживающий фактор для многих конструкторов. Возможная альтернатива: рассмотрение функций материала в сочетании с правильным проектированием для АП (DfAM). Однако это может потребовать дополнительного времени и испытаний для квалификации и согласования. В отраслях со строгим регламентированием, таких как аэрокосмическая промышленность и здравоохранение, дополнительные затраты времени и средств могут стать препятствием для использования материалов для печати. Инвестиции в создание новых материалов могут оказаться неоправданными, если потенциальный объём потребления невелик. Поэтому многие производители в первую очередь отталкиваются от степени распространенности материалов для производства деталей в традиционной промышленности, оставляя за собой право на разработку новых при достаточном интересе со стороны заказчика. Рис. Ракетное сопло из медного сплава GRCop-42, разработанного NASA для АП «Напечатанные детали менее прочные, чем полученные традиционным способом» В статьях и научных исследованиях раньше мы часто сталкивались с таким нарративом. Но так ли это? Полимерные детали по MEX технологии действительно анизотропны (сами по себе или при армировании стекло- или углеродным волокном), PelletMEX детали уже полностью соответствуют литым, SLS — также имеют высокий фактор изотропности. Что касается металлов, то здесь всё очень сильно зависит от техпроцесса и постобработки. По умолчанию металлические детали превосходят полученные литьём, но не дотягивают до качества поковки. В любом случае инженер вместе с материаловедом могут подобрать тот материал, который перекроет потребности в свойствах. «В каждом доме появится 3D-принтер» Некоторые считают, что 3D-принтеры со временем появятся во многих домах для производства всех видов продукции. В обозримом будущем это маловероятно. В большинстве современной инженерной продукции используются пластики, металлы и электроника. Возможно, в будущем высокотехнологичные системы обретут способность работать с комбинированными материалами. Однако они будут дорогими и потребуют специальной подготовки и опыта операторов. Даже самые простые настольные 3D-принтеры требуют навыков проектирования, работы с программным обеспечением и постоянного технического обслуживания, что не под силу большинству потребителей. Простые и недорогие 3D-принтеры, ориентированные на хобби, со временем могут стать расхожим бытовым товаром, но будут поддерживать ограниченное количество материалов, размеров камер и разновидностей воспроизводимой продукции. Безопасность, ответственность и доступность печатаемых изделий также являются важными факторами. 3D-принтер, предназначенный для изготовления индивидуальных продуктов питания, например, шоколадных конфет — ещё один возможный вариант для домашнего использования в будущем. Идея 3D-печати в домашних условиях в чём-то сродни работе дома на швейных машинках. Когда десятилетия назад они стали доступными и простыми в использовании, многие люди купили их. Сегодня, однако, мало кто сам шьёт на дому себе одежду, большинство предпочитает заказывать её в ателье или приобретать готовую в магазине. Продолжение следует.
Мифы и заблуждения
