Аддитивное производство придает дизайну новый смысл

Автор: | 09.07.2018

Компания Sandvik Additive Manufacturing, расположенная в Сандвикене (Швеция), обслуживает всю группу компаний Sandvik Group и способна предложить на рынке комплексное решение — от идеи до готового продукта — на этапе, когда многие компании начинают осознавать выгоды от аддитивного производства (АП).

​Компания Sandvik Additive Manufacturing — это новейшее производственное подразделение Sandvik Group. Она постоянно растет и развивается за счет новых ресурсов, возможностей, сотрудников и запросов клиентов, стремясь занять достойное место в стремительно меняющейся конкурентной среде аддитивного производства.

«Рынок аддитивного производства металлических изделий еще очень молодой и небольшой, но это привлекательный быстрорастущий рынок. В 2015 году аддитивное производство металлических изделий только начинало свой путь от НИОКР и изготовления прототипов к производственному инструменту. В 2017 году движение к полноценной производственной технологии было ускорено, например, в области аэрокосмической, медицинской промышленности и инструментальной обработки»,— говорит Кристиан Эгеберг (Kristian Egeberg), президент Sandvik Additive Manufacturing, производственного подразделения компании Sandvik Machining Solutions — бизнес-направления, к которому относится Sandvik Coromant.

Микаэль Шуйски (Mikael Schuisky), директор по производству Sandvik Additive Manufacturing, утверждает, что Sandvik Group занимает уникальное положение.

«Sandvik Group обладает компетенцией для того, чтобы предложить на рынке комплексное решение — от идеи до готового продукта, — говорит он, имея в виду также бизнес-направление Sandvik Materials Technology, которое является крупнейшим в мире поставщиком металлического порошка, используемого в аддитивном производстве. — Мало найдется других компаний, которые компетентны во всем: от собственного производства и разработки металлического порошка до дизайна АП, выбора процесса АП и высококвалифицированной экспертизы в области технологий последующей обработки, таких как машинная обработка или спекание».

«Возможности Sandvik Group как в аддитивном производстве, так и в традиционном, субтрактивном производстве посредством станков с ЧПУ также уникальны», — говорит Эгеберг, ссылаясь на соседа Sandvik Materials Technology в Сандвикене, компанию Sandvik Coromant.

«Аддитивное производство — это фантастическая вещь для нескольких областей применения, но для других более рентабельным остается субтрактивное производство, — говорит он. — У нас есть собственная компетенция для того, чтобы предлагать продукты и консультации в обеих областях».

Шуйски считает, что самое важное — это первоначальное обсуждение производственного метода с клиентами.

​«Спросите компанию, занимающуюся металлорежущим производством, а затем компанию, занимающуюся печатью, и вы получите совершенно разные ответы касательно наиболее подходящего метода изготовления вашего изделия, — говорит он. — Поскольку мы обладаем компетенцией в обоих методах, наши клиенты будут получать независимые рекомендации».

В общем и целом аддитивное производство — это предпочтительный выбор при изготовлении изделий со сложным дизайном.

«Аддитивное производство полностью меняет наше представление о дизайне и о том, что возможно изготовить в виде единого блока, но для этого необходимо быть свободным от предубеждений и иметь достаточно хорошие навыки дизайнера», — говорит Шуйски.

Чтобы пояснить это, он показывает изделие, изготовленное по традиционной технологии резания металлов, и его эквивалент, созданный путем аддитивного производства. Они выглядят как два совершенно разных изделия.

​«Правильно понимая, для чего предназначено изделие, вы можете разработать его дизайн, обеспечивающий конструкционную прочность и твердость именно там, где это необходимо, без ограничений со стороны традиционного промышленного дизайна, — объясняет Шуйски. — Напечатав что-то, что разработано для традиционной субтрактивной машинной обработки, вы просто не получите этих преимуществ».
Экологическая устойчивость — движущая сила
Изделия, которым идет на пользу облегченный дизайн, получат преимущества и в аддитивном производстве. Уменьшение веса — неизменная ключевая проблема аэрокосмической индустрии, вызываемая как затратами на топливо, так и объемом выброса углерода. Та же проблема существует для автомобилей, грузовиков и других движущихся машин.

«Помимо проблемы с расходом топлива, не забудьте также про ручные инструменты и другие вещи, которые мы носим в руках: если облегчить их вес, это пойдет на пользу здоровью наших плеч и спины», — замечает Шуйски.

Наряду со снижением расхода топлива и пользой для здоровья аддитивное производство приносит целый ряд других преимуществ. Меньше перевозок и стадий изготовления, чем при традиционном производстве, да и материала расходуется гораздо меньше, чем при традиционном производстве, благодаря как дизайну, который требует меньшего расхода материала, так и собственно процессу производства.

«Когда вы изготавливаете изделие методом печати, используется около 95% порошка, который вы расходуете на изготовление; остальное количество можно переработать для новой плавки, — говорит Шуйски. — Сравните это с традиционным производством, когда вы берете болванку и снимаете с нее много стружки».

Возможности аддитивного производства растут по мере совершенствования технологий. Тем временем Шуйски, Эгеберг и их коллеги производят корректировку предлагаемого ассортимента продукции, чтобы он предоставлял клиентам как можно более высокую ценность.

«Металлурги, лидирующие в мире производители металлического порошка, эксперты в последующей обработке и резании металла. С нашим 150-летним опытом в металлической индустрии мы знаем о стоимостной цепочке аддитивного производства столько, сколько знают очень немногие. В последние годы мы также вложили большие средства в НИОКР в сфере различных технологий аддитивного производства — и сегодня мы производим изделия промышленного назначения», — заключает Эгеберг.

Семь стандартных технологий АП согласно ASTM International

• Технология расплавления материала в заранее сформированном слое (Powder Bed Fusion): Лазерный или электронный луч используется для расплавления порошка в порошковом слое, в условиях защитной атмосферы или вакуума.
• Струйная печать связующим веществом (Binder Jetting): К заранее сформированному слою в форме изделия, которое должен быть изготовлено, добавляется связующее вещество; следующий шаг — связующее вещество закрепляется и заготовка будущего изделия запекается до полной степени плотности.
• Фотополимеризация в ванне (VAT Photopolymerisation): Жидкий фотополимер, помещенный в ванну (контейнер), закрепляется посредством полимеризации со световым возбуждением.
• Разбрызгивание материала (Material Jetting): Создание структуры посредством разбрызгивания капель материала.
• Экструзия материала (Material Extrusion): Материал подается через сопло.
• Соединение листовых материалов (Sheet Lamination): Изделие создается путем скрепления листов материала.
• Осаждение материала путем направленного энергетического воздействия (Directed Energy Deposition): Лазерный или электронный луч расплавляет порошок или проволоку, воздействуя на поверхность.

Сила аддитивного производства — в порошке

Без порошка соответствующего качества аддитивное производство не могло бы работать. Качество и свойства порошка оказывают сильное влияние на свойства изделия. Попросту говоря, здесь нужно учитывать три важнейших аспекта: выбор сырья, размер частиц и их морфологию. 

Сегодня в процессах аддитивного производства используется пять больших групп сплавов: стальные, кобальто-хромовые, никелевые, алюминиевые и титановые. 

«В зависимости от производственного метода и спецификации расплав трансформируется в частицы нужного размера и морфологии в ходе так называемого процесса газового распыления, — объясняет Петер Харлин, главный инженер отдела НИОКР порошковой технологии в компании Sandvik Materials Technology. — На основании того, для какого процесса аддитивного производства порошок будет использоваться, должен быть задан размер его частиц, чтобы их можно было использовать в процессе. 

Например, для лазера, применяемого в технологии расплавления материала в заранее сформированном слое (power bed fusion), требуются самые малые размеры частиц — до нескольких микрон, тогда как машины для осаждения материала путем направленного энергетического воздействия (directed energy deposition) могут работать с частицами гораздо более крупных размеров — около 100 микрон».

​Это подтверждает и Ларс-Эрик Реннар (Lars-Erik Rännar), руководитель исследований по аддитивному производству в Исследовательском центре спортивных технологий при Средне-Шведском университете. Он считает несомненным будущим трендом внедрение новых сплавов и специальный подбор размера частиц порошка для аддитивного производства.

«Для компании Sandvik, с ее знаниями и опытом в металлургии и универсальной компетентностью в металлических порошках и аддитивном производстве, это естественный путь развития. Я с нетерпением жду, когда смогу заказывать у них порошок со специально подобранными характеристиками», — говорит Реннар.

Это — аддитивное производство

Когда японец Хидео Кодама в 1981 году выдвинул идею реализации 3D‒печати, вдохновившись технологией фотоотвердевающих полимеров, он далеко опередил свое время. Лишь 12 лет спустя, после того как в MIT (Массачусетском технологическом институте) был разработан первый процесс расплавления материала в заранее сформированном слое с использованием струйных печатающих головок, начал использоваться термин «3D–печать».

С тех пор был введен целый ряд терминов, которые описывали процесс использования принтера и ПО САПР для выращивания объектов слой за слоем. Среди них были такие, как аддитивное производство, изготовление свободных форм, быстрое прототипирование, послойное производство и прямое цифровое производство.

Хотя большинство терминов взаимозаменяемы, есть одно исключение: если быстрое прототипирование (Rapid Prototyping, RP) означает изготовление прототипа нового изделия, то аддитивное производство (Additive Manufacturing, AM) обеспечивает возможность изготовления как прототипов, так и окончательных версий изделий.

Это коренное различие, ведь первый из терминов обычно означает, что изделие создается в качестве образца чего-то, что впоследствии будет изготавливаться традиционным способом, с применением технологий субтрактивного производства, в то время как аддитивное производство открывает целый мир возможностей для дизайна — без ограничений, создаваемых субтрактивным производством.
В аддитивном производстве могут использоваться разнообразные материалы. Наиболее распространенные типы материалов — полимеры и металлы; они особенно эффективны для мелкосерийного производства и минимизации отходов. Другие материалы, потенциально пригодные для аддитивного производства — это, например, медицинские и биохимические материалы, стекло и даже шоколад.

Для аддитивного производства металлических изделий подходят изделия со сложным дизайном или такие изделия, которые получают преимущество от облегченного веса, например, детали самолетов, автомобилей, грузовиков или изделия медицинского назначения; что касается изделий с простым дизайном или таких изделий, для которых вес не является проблемой, то их лучше изготавливать с применением традиционного, субтрактивного производства.

Особенно большие перспективы роста и успеха ожидают аддитивное производство в аэрокосмической и медицинской промышленности, хотя процесс аддитивного производства доказывает свою высокую ценность в широком спектре отраслей.
По мере того, как расширяется сфера применения аддитивного производства, растет и потребность в технических стандартах. С целью удовлетворения этой потребности Международная организация по стандартизации (ISO) и международная организация стандартов ASTM International совместно создали Структуру разработки стандартов аддитивного производства (Additive Manufacturing Standards Development Structure). Ее задача — координировать создание стандартов, относящихся к материалам, процессам, оборудованию и свойствам готовых деталей при одновременной поддержке стандартов аэрокосмической промышленности, медицинского приборостроения, автомобильной промышленности и других отраслей.

История аддитивного производства

• 1981: в Японии произведены первые пластмассовые компоненты методом 3D–печати.
• В 1984 г. двое французских изобретателей запатентовали процесс стереолитографии, и в том же году Чак Халл из компании 3D Systems оформил патент на другой, немного отличающийся метод, который применяется до сих пор.
• В 1988 г. С. Скотт Крамп из Stratasys изобрел метод экструзии пластмасс.
• В 1993 г. в MIT был разработан первый процесс расплавления материала в заранее сформированном слое с использованием струйных печатающих головок. Впервые был использован термин «3D–печать». В том же году появилась технология печати «точка в точку».
• 1999: Человеку был впервые имплантирован выращенный в лаборатории аугментированный орган — протез мочевого пузыря.
• Термин «аддитивное производство» был впервые применен в 2000-е годы.
• Первые машины для аддитивного производства с использованием металлического порошка появились в 2001 г.