Аддитивные технологии: что это такое?

Аддитивные технологии (Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM)) означают способ создания изделия путем «добавления» материала, иными словами, метод получения изделия сложной формы, при котором материал наносится слой за слоем, последовательно.

Аддитивные технологии, широко известные как 3D-печать, представляют собой прорыв в методах создания объектов, открывая новые горизонты для инженеров, дизайнеров и производителей. Эти технологии позволяют создавать сложные и уникальные изделия, которые ранее были недостижимы традиционными методами производства. Аддитивные технологии не просто изменяют процессы производства; они переписывают правила игры, позволяя производителям мыслить и действовать без ограничений.

История развития аддитивных технологий

В основу современного аддитивного производства легла стереолитография. В 1984 году американец Чарльз Халл представил аппарат для производства твердых объектов за счет последовательного наслоения фотополимерного материала. Через несколько лет ученый основал компанию 3D System и выпустил первый 3D SLA принтер. Промышленники быстро поняли выгоду, получаемую от «быстрого прототипирования».

Применение аддитивных технологий

Аддитивные технологии производства, вместе с цифровыми технологиями проектирования, составляют новую парадигму производства в XXI веке, делая промышленный выпуск изделий более быстрым, более оперативным в удовлетворении потребностей покупателей и клиентов. Технологии аддитивного производства - это технологии проектирования и производства продукции с применением 3D-печати. Применение технологии 3D-печати в аддитивном производстве подразумевает широчайшую вариативность выпускаемой продукции и повышение ее потребительских свойств и технических характеристик.

Аддитивные технологии могут применяться в различных сферах: авиационная, автомобильная промышленность, производство часов и бижутерии, спорт, дизайн и мода. В промышленной сфере аддитивные технологии используются главным образом в целях прототипирования, но те сферы промышленности, для которых характерно мелкосерийное производство, начинают использовать аддитивные технологии для изготовления готовой продукции.

При прототипировании аддитивные технологии обладают выигрышем по времени и деньгам, позволяя быстро опробовать базовую функциональность изделия в процессе его разработки перед тем, как выпустить большую партию изделия. Применение цифрового производства значительно ускоряет процесс разработки и выпуска новой продукции.

Аддитивные технологии открывают новые возможности для разнообразных отраслей, предоставляя инструменты для инноваций и развития. Аддитивные технологии предлагают решения для множества производственных проблем, таких как потребность в быстром прототипировании, снижение затрат и минимизация влияния на окружающую среду. Например, в автомобилестроении 3D-печать позволяет быстро создавать прототипы деталей, что ускоряет процесс разработки и тестирования новых моделей, сокращая время выхода на рынок и снижая производственные затраты.

Аддитивное производство вообще, в том числе и деталей из пластика, и аддитивное производство металлов, а точнее - изделий из металлов и сплавов, особенно в последнее время, широко применяется практически во всех отраслях промышленности без исключения.

Примеры применения аддитивных технологий:

• Космическая промышленность: Производство компонентов для космических аппаратов, которые должны быть легкими и прочными.
• Применение 3Б печати в электромашиностроении является перспективным направлением в производстве машин малой мощности. Технология позволяет печатать не только корпуса электрических машин, но и магнитопроводы, данный метод имеет ряд преимуществ.

Технологии 3D-печати

Существует множество технологий 3D-печати, вот некоторые из них:

1. FDM (Fused Deposition Modeling) - это как рисование трехмерным карандашом, где материал нагревается до текучего состояния и точно экструдируется через сопло. Слои точно наносятся один за другим, создавая сложные структуры, которые ранее были недоступны традиционным методам.
2. SLS (Selective Laser Sintering) работает, как волшебник, управляющий лазерным лучом, который точно спекает порошкообразные материалы, такие как нейлон, в твердые объекты. Этот метод позволяет создавать изделия с высокой прочностью и долговечностью, идеально подходящие для мелкосерийного производства и сложных механических компонентов. Без необходимости использования опорных конструкций, SLS открывает новые возможности для дизайнеров и инженеров.
3. SLA (Stereolithography) использует ультрафиолетовый лазер, который заставляет жидкий фотополимер застывать при контакте. Эта техника позволяет достигать невероятной точности и детализации, что позволяет использовать технологию в ювелирном деле, искусстве и, что самое важное, медицине. Каждый слой тщательно полимеризуется, создавая твердые, гладкие и очень детализированные изделия.
4. DMLS (Direct Metal Laser Sintering) преобразует металлический порошок в прочные металлические части, используя мощные лазеры для местного спекания материала. Этот процесс широко применяется в аэрокосмической и автомобильной промышленности для создания легких, прочных деталей, которые могут выдерживать экстремальные условия. DMLS открывает возможности для производства сложных геометрий, которые невозможно создать ни одним другим способом.

Технологии 3D-печати постоянно совершенствуются, в том числе появляются новые, так что это далеко не полный список.

Обзор технологий 3D-печати: от FDM до DMLS

Преимущества аддитивных технологий

Перечисленные выше факторы делают аддитивное производство, в очень многих случаях, куда более выгодным, менее затратным, чем аналогичное производство по традиционным технологиям. Исключение составляют простые детали, которые всё еще выгоднее производить массово обычными методами, такими как штамповка или литьё. 3D-печать позволяет сохранять необходимую прочность деталей, делая их значительно более легкими, по сравнению с литьем например. 3D-печать предлагает создание необходимых деталей в количестве от одной штуки, при этом не увеличивая их стоимость во много раз. Возможность производства деталей из каталога по требованию заказчика, даже если они уже не производятся массово, также обеспечивается аддитивными технологиями.

• Применение технологии 3D-печати в аддитивном производстве подразумевает широчайшую вариативность выпускаемой продукции и повышение ее потребительских свойств и технических характеристик.
• Предыдущие технологии разработки и прототипирования, предшествовавшие применению цифрового дизайна и 3D-печати, стоили значительно дороже, так как требовали участия высокопрофессиональных инженеров, создания макетов вручную на каждой итерации в процессе разработки.
• При ручном прототипировании и многократном внесении изменений и правок в конструкцию процесс создания финального прототипа мог занимать месяцы.
• Благодаря универсальности оборудования и материалов для аддитивного производства, можно создавать все или большинство необходимых деталей для выпускаемой продукции на одном предприятии, а не строить новые фабрики или заказывать детали у подрядчиков.
• Производимые с помощью 3D-печати изделия могут получать персональные изменения под заказ пользователя, такие как изображения и надписи, изменение размеров, добавление или удаление каких-то деталей.
• Основным достоинством методики является минимизирование производственных отходов, а также уменьшение производственных циклов в отличие от классического метода производства магнитопродов (штамповка, обработка листов магнитопровода и т.д.), как следствие можно добиться уменьшения сроков налаживания производства, снизить себестоимость готового продукта.

Ограничения аддитивных технологий

Несмотря на все преимущества, у аддитивных технологий есть и ограничения:

• Ограничения материалов: не все материалы подходят для аддитивного производства. Например, некоторые металлы и композиты могут быть сложными для обработки.
• мелкосерийное производство: аддитивные технологии ещё не в достаточной степени адаптированы для того, чтобы удовлетворить большие объемы производства продукции.

3D-сканирование как часть аддитивных технологий

Трехмерное сканирование условно можно обозначить одним их направлений аддитивных технологий. 3D-сканирование - это технология, позволяющая создать на основе геометрических характеристик объекта практически любой сложности цифровую модель. 3D - сканеры измеряют количество точек на поверхности изделия и создают «облако точек». Область применения 3D-сканирования обширна: начиная от аэрокосмической отрасли, машиностроения и промышленного дизайна и заканчивая медициной, археологией и созданием компьютерных игр.

Поддержка аддитивных технологий в России

Несмотря на происходящие в стране треволнения, отечественные промышленные технологии продолжают развиваться. Однако в текущих условиях на одном энтузиазме далеко не уедешь. Какую помощь аддитивщикам предлагает государство?

Спикеры, в числе которых были представители Минпромторга, РЭЦ, ФРП и других крупных структур, собрались для того, чтобы понять, какие возможности необходимы российским компаниям, стремящимся развивать 3D-печать в стране.

Аддитивные технологии - это в первую очередь глубокая научная работа, которая требует внимания со стороны научных центров России, тщательной подготовки квалифицированных кадров и возможности реализации оборудования на рынке. Потому в дополнение к уже существующим инструментам господдержки в феврале 2022 года Минпромторг выпустил Постановление № 208, согласно которому компании могут получить гранты на реверсивный инжиниринг. Так как реверсивный инжиниринг подразумевает копирование зарубежного опыта, он нуждается в проработке и технической документации.

Меры поддержки аддитивных технологий в России:

• Гранты на реверсивный инжиниринг (Постановление № 208 Минпромторга).
• Федеральный проект «Развитие станкоинструментальной промышленности» (гранты до 360 млрд рублей).
• Целевое обучение студентов в МГТУ «Станкин».
• Программа Фонда развития промышленности (ФРП) с базовой ставкой кредита 3% годовых (от 100 млн до 1 млрд рублей).
• Включение 3D-принтеров в отраслевой план мероприятий Минпромторга по импортозамещению.