Сказ о том, как игрушечная лягушка помогла совершить прыжок в сферу высоких технологий.
Часть 2. Развитие и перспективы

Опубликовано в номере:
PDF версия
За тридцать лет 3D-технология прошла сложный путь. Поначалу не понятая и не признанная, она шагнула из области хобби и создания примитивных прототипов в индустрию и из своеобразной технологической экзотики превратилась в одну из тех промышленных технологий, которые мы по праву называем высокими. Границы применения 3D-печати значительно расширились, так что игрушечная лягушка совершила поистине гигантский прыжок.

Начало в Control Engineering Россия №4’17

Заветной мечтой всех разработчиков аддитивных машин всегда был металл. Если не напрямую, то косвенно так или иначе все сводится к металлу. И это понятно. Именно металлическая деталь — это «настоящий» товар, а не просто модель, макет или «прототип» в разной степени приближения к конечному продукту. Всем нужно заветное конечное изделие с максимальной добавленной стоимостью. Машины, изготавливающие детали из металла, — верх инженерного искусства. Здесь сконцентрированы самые передовые знания по металлургии, лазерной технике, оптике, электронике, системам управления, измерительным устройствам, механике, вакуумной технике и т. д.

Одна из первых технологий аддитивного производства, благодаря которой стало можно сразу же, без технологических переходов, получить металлическую деталь, — это селективное лазерное спекание (англ. Selective Laser Sintering, SLS), иногда называемое прямым лазерным спеканием металлов (англ. Direct Metal Laser Sintering, DMLS). Формирование готового изделия происходит путем спекания любого порошкообразного материала, который подвергается плавлению под воздействием лазерного луча. На печатную платформу распыляется равномерный слой исходного порошка, и он с помощью лазерного излучения превращается в спекшийся, твердый материал. Затем подвижное основание уходит вниз на толщину одного слоя, и операция повторяется вновь: нанесение порошка, спекание, опускание основы (рис. 1). Сам процесс плавления протекает в среде без доступа кислорода, что позволяет избежать окисления полученного изделия. Со временем вы получаете твердый, слитый объект, зарытый в неиспользуемый порошок, который можно легко счистить. На первый взгляд этот процесс напоминает технологию порошковой металлургии, но он не требует сложной оснастки и потому является особенно выигрышным решением для небольших партий деталей и изделий сложной формы. Более полная информация по данной технологии, а вернее всей совокупности «металлических» технологий, приведена в публикации НАМИ [1] — мы же, как и в первой части настоящей публикации, ограничимся обзором уже достигнутого и возможного.

функциональный принцип технологии лазерного спекания

Рис. 1. Общий функциональный принцип технологии лазерного спекания

На самом деле порошок не расплавлен — он спечен, т. е. расплавляется только на поверхности для соединения слоев. Однако возможно и его полное плавление, приводящее к созданию более прочных объектов. Этот метод известен как селективное лазерное плавление (англ. Selective Laser Melting, SLM), речь о котором пойдет ниже.

У технологии SLS в 2014 г. истекли сроки действия основных патентов, что сократило затраты на выпуск оборудования и позволило продолжить совершенствовать процесс SLS. Сейчас цены на промышленные принтеры, на которых по технологии SLS изготавливаются формы для отливки качественных деталей из пластмасс, начинаются от €100 тыс. (здесь и далее цены приведены в соответствии с [2]).

Проблема технологии SLS заключается в том, что более 60% неиспользуемого порошка обычно теряется, поскольку после термического удара ухудшаются его свойства. Этот удар происходит, когда свежий порошок попадает на недавно спеченную область или находится вблизи зоны спекания. Чтобы уменьшить эти потери, можно печатать небольшие объекты в полых частях более крупных объектов. Хотя на это может уйти больше времени из-за необходимости эффективно сортировать и упорядочивать составные части, но при этом цену для одного цикла печати можно снизить до более разумного уровня.

Еще одно решение данной проблемы предложил производитель принтеров MarkForged. Оно не только позволяет эффективно распорядиться загрязненным и испорченным порошком, но и потенциально максимизирует объем детали, сочетая преимущества печати SLS и FDM. Сопло для создания объекта слой за слоем распределяет металлический порошок, заключенный в пластиковый связующий материал. Во время формирования детали промежуточная структура спекается. Оборудование MarkForged позволяет использовать такие металлы, как алюминий марки 6061 или титан марки Ti-6Al-4V, что делает предлагаемую этой компанией технологию подходящей для соединений, которые впоследствии свариваются на трубах для создания рамчатых конструкций. Принтер MarkForged Metal X доступен за €93 000 и является самым недорогим технологическим оборудованием для лазерного спекания из присутствующих на рынке.

Трехмерная печатная титановая пряжка ремня безопасности

Рис. 2. Трехмерная печатная титановая пряжка ремня безопасности дороже, чем штампованная версия, но принципиально экономит вес

Что касается материалов, в 2014 г. компания EOS объявила о создании новых металлических материалов для 3D-печати — в частности, титанового сплава EOS Titanium Ti64ELI. Аббревиатура ELI расшифровывается как «ультрамелкозернистый». Этот легкий сплав отличается высокими механическими свойствами, устойчив к коррозии, имеет низкий удельный вес и обладает биологической совместимостью. Пример детали, напечатанной из EOS Titanium Ti64ELI, приведен на рис. 2.

Изделия, выполненные из материала EOS Titanium Ti64ELI, можно подвергать механической обработке, обработке на электроэрозионном станке, сварке, микрообдувке дробью, полировке и покрытию. И, что важно, невостребованный порошок этого материала может быть использован повторно.

Механические свойства изделий другого метода печати — SLM — очень близки к механическим свойствам основного материала порошка. Это означает, что они могут соответствовать по прочности литым или фрезерованным деталям. Преимущество технологии SLM состоит в том, что она позволяет напечатать практически любую форму, в то время как литые детали обычно требуют компромиссов, связанных с особенностями литья металла и ограничениями в части механической обработки. Но есть и недостаток: с помощью SLS/SLM-технологии невозможно изготавливать полые закрытые детали, поскольку тогда должно быть предусмотрено отверстие для удаления оставшегося порошка.

Благодаря соответствующим свойствам базового материала как сырья и расплава известный производитель самолетов Airbus решил изготавливать по технологии SLM крепления, которые соединяют кабины пилотов с основной конструкцией самолета Airbus A350 XWB. Оригинальные элементы крепления были разработаны с устойчивостью к нагрузкам в 3400 кг при фактической нагрузке в 1700 кг. Детали, изготовленные по технологии SLM, получились на 50% легче, а при испытании сломались только при напряжении в 13 500 кг. Компания Airbus не раскрывает уровень затрат, который при использовании технологии SLM мог оказаться выше, но более высокая полезная нагрузка или более низкий расход топлива обычно компенсируют инвестиции в облегченные аэрокосмические конструкции.

В январе 2017 г. компания Renault Trucks удивила своих клиентов изготовленной по технологии SLS версией четырехцилиндрового двигателя Renault Trucks DTI5 Euro 6 (рис. 3), который в результате оказался на 120 кг, или на 25%, легче, чем его традиционно изготовленный предшественник [3]. В то время как обе версии двигателя снаружи выглядели одинаково, их детали, такие как коромысло клапана (рокер), наглядно продемонстрировали, сколько можно отбросить ограничений, наложенных процессами обработки или литья, если использовать технологию SLS.

3D печать

Рис. 3. Версия четырехцилиндрового двигателя Renault Trucks DTI5 Euro 6, изготовленная с использованием технологии SLS. Красным цветом выделены напечатанные детали двигателя. На рисунке справа показано старое и новое (напечатанное) коромысло клапана

Еще одно набирающее популярность применение для 3D-печати — это производство инструментов. Так, технология FDM позволяет быстро создавать инструменты, которые требуют устойчивости к большим нагрузкам. К примеру, национальная лаборатория Ок-Ридж разработала инструмент для обрезки и сверловки для производства реактивного самолета 777X компании Boeing. Этот инструмент, имеющий более 5 м в длину и 1,7 м в ширину, был занесен в Книгу рекордов Гиннесса как самая большая и прочная трехмерная деталь. Ее печать занимает всего 30 часов, что выгодно отличается от обычного фрезерования и обработки, на которые требовалось несколько месяцев.

Что касается технологии 3D-печати металлических изделий, то на принтерах, выпускаемых компанией InssTek Inc., успешно выполняется ремонт даже военной авиационной техники [4], в частности истребителей F-15K, которые являются основным компонентом военно-воздушных сил Южной Кореи. Для этого используются технология DMT и флагманский 3D-принтер Grand Teton с волоконным иттербиевым лазером мощностью в 5 кВт (рис. 4). Принтер способен обрабатывать детали размером 2000×1000×1000 мм по 5/6 осям и обеспечивает ремонт обечайки турбины, выполненной из титанового сплава, и воздушного уплотнителя из кобальтового сплава. Сложность здесь заключается не только в том, чтобы впечатать новый слой металла, но и в достижении такого же качества, как у металла оригинала.

Рис. 4. 3D-принтер «Grand Teton» (а) и контроль восстановленной на нем детали (б)

Оценка качества, надежности, безопасности и соответствия заданным техническим характеристикам деталей, отремонтированных с помощью данной технологии, была проведена корейским аэротехнологическим научно-исследовательским институтом (Korean Aero Technology Research Institute) и компаниями General Electric и InssTek. В результате производитель получил сертификат и разрешение на использование таких деталей без каких-либо запретов или ограничений.

Технологии SLS и SLM также становятся все более популярными в медицине. Например, производитель ортопедических имплантатов — компания Osteo Anchor уже получила награды и патенты в связи с разработкой новой текстуры поверхности для костных имплантатов. Трехмерная печать позволила им создать зубчатую поверхность для бесцементной фиксации эндопротезов при артропластике, которая лучше захватывает и лучше взаимодействует с костью. Имплантаты изготавливаются как единое целое из базовой конструкции, но можно легко сделать и индивидуальные варианты, чтобы придать им большую биологическую схожесть перед печатью.

Также поистине невероятные возможности обещает технология 3D-печати области медицины, связанной с живыми клетками. В Израиле компания Nano Dimension, которая прославилась в мире 3D-печати благодаря новаторской технологии изготовления сложных электронных печатных плат, заключила соглашение с биотехнической фирмой Accellta, создающей технологии выращивания стволовых клеток. Цель договора — проведение лабораторных испытаний 3D-биопринтера.

В то же время биоинженеры из Института регенеративной медицины в Уэйк-Форесте (Wake Forest Institute for Regenerative Medicine, США) разработали необычную технологию трехмерной печати, которая позволяет создавать полно­ценные копии отдельных костей, мышц и хрящей из стволовых клеток. До сих пор ученым удавалось распечатывать только очень тонкие слои живой ткани (до 200 мкм) — иначе ткань начинала гибнуть, так как питательные вещества и кислород не могут проникнуть на такую глубину без наличия кровеносных сосудов. Но в данном случае они использовали особый полимер, позволяющий укладывать клетки слоями и при этом сохранять небольшой просвет между ними. После печати биоинженеры помещают органоид в организм мыши, где он постепенно «зарастает» кровеносными сосудами, а полимер разлагается, уступая им место. В итоге на месте заготовки возникает полноценный орган, обладающий нужной формой и всеми необходимыми видами ткани [5]. Кроме того, 3D-модели уже широко используются для планирования операций: врач может изучить полную трехмерную копию органа пациента [6] (рис. 5).

3D печать

Рис. 5. Счастливая и здоровая пятилетняя Миа Гонзалес показывает трехмерную копию своего сердца, напечатанную на 3D-принтере компании Stratasys, которая точно показала врачам порок сердца

Еще одна «экзотическая» отрасль, в которой нашла применение 3D-печать, — это оптика. Сначала использование 3D-печати в этой области казалось непрактичным, поскольку послойная печать оптического материала приводила к потере его оптических характеристик. Проблему решила компания LUXeXcel, которая обратила внимание на широко­форматные струйные принтеры и их адаптацию для печати оптических материалов [7]. Для каждой оптической конструкции с использованием САПР создается проект, который распечатывается принтером. Благодаря такому подходу ассортимент оборудования и инструментов, который мог бы потребоваться для его реализации (машины для литья, станки для алмазной обработки и полировки, оборудование для размола ингредиентов), сокращается. Кроме того, при этом не требуется докупать какие-либо наборы инструментов с необходимостью их постоянной модификации или пополнения.

Проблема качества печати была решена благодаря использованию струйных принтеров и очень текучих материалов, что дает оптику высокой точности с гладкими поверхностями. При этом конструкция оптики может быть произвольной формы, с комбинациями различных текстур и оптических элементов, и ее подгонка под конкретные требования позволяет уже не ограничиваться эллиптическим (овальным) или концентрическим формированием пучка лучей от излучателя.

3D печать вторичной оптики

Рис. 6. Оптика произвольной формы компании Carclo, изготовленная методом 3D-печати

Оптические элементы формируются струей прозрачного и затвердевающего под действием ультрафиолетовых лучей полимера, который распыляется капельками с разрешением 1440 точек на дюйм и более. В качестве материала используется полиметилметакрилат или поликарбонат. Капли отвердевают под воздействием излучения ультрафиолетовой лампы, размещенной на пьезоэлектрической печатающей головке. Поверхность получается гладкой благодаря внесенной задержке между выходом струи и примененим ультрафиолета — это позволяет получить поверхность оптического качества без каких-либо требований по шлифовке и полировке. Сегодня уже можно напечатать микроструктуры или линзы Френеля, сделать особый акцент на точечное освещение, выполнить светорассеивание и, наконец, добавить цвет или напечатать призматические структуры (рис. 6).

Что нас ждет дальше? Промышленные технологии продолжают развиваться. Например, компания Made In Space разработала и успешно испытала 3D-принтер, способный осуществлять печать в ваку­уме в условиях низкой гравитации. По словам представителей компании, теперь 3D-печать станет возможна не только на борту МКС (Международной космической станции), но и в открытом космосе. Новый высокотехнологичный 3D-принтер, известный как The Zero-Gravity, будет первым шагом в космическом промышленном производстве: для создания готовых 3D-форм он может использовать приблизительно 30 различных материалов. Наличие 3D-принтера — это эффективное решение, которое существенно улучшит условия пребывания на МКС. Теперь у астронавтов появится возможность самостоятельно печатать необходимые инструменты, детали и другие предметы.

Еще одним космическим достижением станет запуск лунного ровера — лунохода, разработанного командой участников Google Lunar XPrize из Германии, которая готовит запуск двух луноходов и посещение места посадки лунного модуля миссии «Аполлон 17» [8]. Четыре пятых лунохода и некоторые элементы посадочной платформы, созданные частной космической компанией PTScientists (англ. Part-Time Scientists — «ученые по совместительству»), изготовлены методом 3D-печати, в том числе из алюминий-магний-кремниевого сплава по технологии компании Audi (рис. 7). Ждать эту миссию осталось недолго, ракета Falcon 9 уже предзаказана, и ее пуск ожидается в течение двух-трех лет.

Колесо лунного ровера, выполненное методом 3D-печати

Рис. 7. Колесо лунного ровера, выполненное методом 3D-печати из алюминий-магний-кремниевого сплава, которое держит в руках основатель компании PTScientists Роберт Бёме (Robert Boehme)

Сегодня в нашу жизнь уже входит и концепция 4D-печати — трехмерной печати из материалов, которые меняют форму объекта, реагируя на изменения освещенности, нагрев, попадание в воду, давление воздуха и другие факторы. Для этого трехмерная печать комбинируется с материалами, имеющими память формы. Лаборатория самоорганизующихся систем Массачусетского технологического института (англ. MIT Self-Assembly Lab) уже работает с напечатанными в 4D самосборными формами из программируемых углеродных композитов [10]. А в Ливерморской национальной лаборатории им. Э. Лоуренса (англ. Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL) разработана новая технология, которая позволяет создавать сложные фигуры по принципу оригами. У исследователей уже есть трехмерные печатные структуры, которые могут складываться, разворачиваться или расширяться и сокращаться по размеру в результате подачи электричества или тепла.

Необходимо понимать, что 3D-печать не работает сама по себе — кроме принтера, вам понадобятся сопутствующее программное обеспечение и определенные навыки. Но она открывает широкие возможности, недостижимые при использовании традиционных технологий, а главное — сокращает время от появления идеи до завершения проекта. Если вы все сделали верно, то деталь, в зависимости от сложности, окажется в ваших руках уже через пару часов или дней. При наличии готового прототипа гораздо легче принимать и аргументировать решения. В области 3D-печати в настоящее время доминирует технология SLS/SLM, которая предлагает проектировщику почти полную свободу, позволяя конечному продукту быть более легким по весу и иметь лучшие характеристики прочности, чем аналоги, выполненные по классическим технологиям. Также сейчас возможна печать совершенно разнородными материалами. Обычной уже стала и многоцветная печать.

В связи с тем что технологии 3D-печати буквально ворвались в разные сферы индустрии, что можно увидеть даже по этой обзорной публикации, с их использованием возникла одна проблема. Ее причина кроется в том, что данные технологии не шли из промышленности, как это обычно происходит. Они родились вне ее и только после освоения любителями и студентами университетов вошли в различные сферы индустрии [9]. Вначале, можно сказать, это сыграло положительную роль, так как не ограничивало поиски оптимальных вариантов реализации и применения 3D-печати, но со временем из двигателя это превратилось в тормоз. Каждый изготовитель шел своим путем, что привело к отсутствию общих стандартов и некоторой анархии.

Решить проблему стандартизации, подразумевающую гармонизацию и совместимость 3D-печати и процессов в глобальном масштабе, взялся Американский национальный институт стандартов (англ. American national standards institute, ANSI) совместно с NAMII (англ. National Additive Manufacturing Innovation Institute — Национальный институт инноваций для аддитивного производства, США) [11]. Чтобы ускорить разработку стандартов, в прошлом году они создали две инициативные группы. Решение этой проблемы будет содействовать развитию аддитивной обрабатывающей промышленности.

В данной публикации был рассмотрен ряд аспектов и показана эффективность технологии 3D-печати. Тем не менее к новым технологиям всегда нужен взвешенный подход с оценкой приемлемого уровня инвестиций и общих затрат. Возможно, исходя из объемов работ, кому-то будет выгоднее не организовывать собственное 3D-производство, а пользоваться услугами специализированных компаний или, при накоплении определенного опыта, арендовать необходимое оборудование. Целью настоящей статьи было показать историю технологии 3D-печати, варианты ее применения и открывающиеся возможности. Надеемся, она достигнута.

Литература
  1. Довбыш В. М., Забеднов П. В., Зленко М. А. Аддитивные технологии и изделия из металла. Москва, НАМИ.
  2. Schlenker M. 3D Printing: From Toy to Tools, Smart Industry // The IoT Business Magazine, Avnet Silica 2017.
  3. Metal 3D printing: technology of the future for lighter and more compact engines. Press releases. 11.01.2017.
  4. Butler B. InssTek Called to South Korea to Use Grand Teton 3D Printer to Repair Fighter Jets.
  5. www.livemd.ru/tags/3D_bioprintery/
  6. 3D Printed Heart Model Helps Change Prognosis for 5-Year-Old Mia.
  7. Хейс К. Многофункциональная оптика открывает новые границы для использования твердотельных источников света (SSL) // Полупроводниковая светотехника. 2015. №5.
  8. Как заработать на Луне и «Аполлоне»?
  9. Рентюк В. Сказ о том, как игрушечная лягушка помогла совершить прыжок в сферу высоких технологий. Часть 1. Непростое начало // Control Engineering Россия. 2017. №4.
  10. Исследователи MIT разрабатывают технологию печати самосборных 3D-объектов.
  11. Spiegel R. Additive Manufacturing Standards Are on Their Way // Design News. July 12, 2017.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *