Аддитивные технологии: что это такое и где применяют

Что такое аддитивные технологии

Аддитивные технологии (от англ. add — добавлять) — процессы изготовления изделий, при которых материал соединяют слой за слоем по цифровой трёхмерной модели. ГОСТ Р 57558-2017 называет это аддитивным производством, в быту — 3D-печатью. Противоположность — субтрактивные технологии: точение, фрезерование, шлифование, где деталь получают, снимая материал с заготовки.

Принцип у всех аддитивных процессов общий: 3D-модель разрезают на тонкие слои — от сотых долей миллиметра до миллиметра, — а установка воспроизводит слой за слоем, соединяя материал с предыдущим слоем. Различаются способ соединения (плавление, склеивание, отверждение светом) и форма исходного материала: нить, порошок, жидкая смола, проволока, лист.

В отличие от традиционных методов производства — литья, ковки, штамповки, механической обработки — аддитивным технологиям не нужна оснастка под каждую деталь: изменить конструкцию можно в 3D-модели, и следующая деталь сразу выйдет новой. Это даёт новые возможности конструкторам: детали проектируют под задачу, а не под ограничения станка или литейной формы.

История аддитивных технологий

Первой аддитивной технологией стала стереолитография: в 1986 году американский инженер Чарльз Халл получил патент на способ послойного отверждения фотополимера светом и основал компанию 3D Systems, которая выпустила первый промышленный 3D-принтер. В 1987–1989 годах появились селективное лазерное спекание порошка (Карл Декард) и послойное наплавление пластиковой нити (Скотт Крамп, компания Stratasys). В 1990-х годах аддитивные методы использовали в основном для быстрого создания прототипов, а с 2000-х — для производства металлических деталей: появились установки селективного лазерного плавления металлических порошков.

После 2009 года, когда закончился срок патентов на послойное наплавление, появились недорогие настольные принтеры, и 3D-печать стала доступна небольшим компаниям и частным пользователям. В промышленности новые технологии позволили перейти от прототипов к серийным деталям: топливные форсунки авиационных двигателей, импланты, оснастка для литья.

Этапы изготовления изделия

1. 3D-модель. Конструктор создаёт модель в системе автоматизированного проектирования или получает её 3D-сканированием образца.
2. Подготовка к печати. Модель сохраняют в формате STL или 3MF, размещают на платформе, добавляют поддержки и разрезают на слои в программе-слайсере. Для каждого слоя рассчитывается траектория.
3. Печать. Установка наносит и соединяет слои. В зависимости от размеров и технологии это занимает от нескольких часов до нескольких суток.
4. Постобработка. Удаление поддержек и остатков порошка, термообработка, механическая обработка ответственных поверхностей, покрытие.
5. Контроль. Проверка размеров, плотности и механических свойств — для ответственных деталей по требованиям ГОСТ Р 57586-2017.

Виды аддитивных технологий по ГОСТ

ГОСТ Р 57558-2017, идентичный международному стандарту ISO/ASTM 52900, делит аддитивные процессы на семь классов. Распространённые аббревиатуры — FDM, SLA, SLM — это названия технологий внутри классов.

Для металлических деталей в машиностроении чаще всего применяют селективное лазерное плавление (SLM): лазер сплавляет порошок стали, титана или алюминиевого сплава, и плотность детали достигает 99,5 % и выше. Для крупных заготовок — прямое подведение энергии (DED), в том числе дуговую наплавку проволокой (WAAM). Для литейного производства — струйное нанесение связующего на песок.

Оборудование: промышленные 3D-принтеры

Оборудование для аддитивного производства различается по технологии и материалу. Настольный принтер для пластиковой нити стоит как бытовая техника, а промышленная установка для печати металлом — как обрабатывающий центр с ЧПУ и дороже. Основные узлы промышленного 3D-принтера для металла:

• Камера построения — рабочий объём, в котором растёт деталь. У большинства установок селективного лазерного плавления — от 100 до 500 мм по стороне; крупные заготовки получают методом прямого подведения энергии на роботах.
• Источник энергии — один или несколько лазеров мощностью сотни ватт, электронный луч или сварочная дуга.
• Система подачи материала — нож или валик, который разравнивает слой порошка толщиной 20–100 мкм, или податчик проволоки.
• Защитная атмосфера — аргон или азот: без них металлический порошок окисляется при плавлении.
• Программное обеспечение — подготовка модели, расчёт поддержек и траекторий, контроль процесса по слоям.

Принтеры для пластиков и фотополимеров проще и дешевле, их используют для макетов, приспособлений и мастер-моделей. Установки для печати песчаных форм — крупные, с камерой до нескольких метров, — работают на литейных производствах.

Материалы для аддитивного производства

• Пластики. ABS, PLA, PETG, полиамид, поликарбонат, термопластичный полиуретан — нить для экструзии или порошок для спекания.
• Фотополимеры. Жидкие смолы, которые твердеют под ультрафиолетом: обычные, выжигаемые для литья, термостойкие, эластичные.
• Металлические порошки. Нержавеющие и инструментальные стали, титановые сплавы, алюминиевые сплавы с кремнием, никелевые жаропрочные сплавы, кобальт-хромовые сплавы, медь. Частицы сферические, размером 15–60 мкм.
• Песок и керамика. Кварцевый песок со связующим — для литейных форм и стержней, керамика — для технических изделий.
• Воск. Для выплавляемых моделей при литье по выплавляемым моделям.

Свойства напечатанной металлической детали близки к литой, а после термообработки и горячего изостатического прессования — к деформированному металлу. Но свойства зависят от направления печати: вдоль слоёв прочность выше, чем поперёк.

Преимущества и ограничения

Практическое правило: аддитивное производство выгодно для единичных изделий, прототипов и деталей сложной формы, а при серии в сотни и тысячи деталей дешевле литьё и механическая обработка. Часто их сочетают: печатают модель или форму, а деталь отливают серией.

Как выбрать технологию аддитивного производства

Выбор метода зависит от задачи. Одна и та же деталь может быть сделана разными технологиями с разной стоимостью и разными свойствами, поэтому сначала отвечают на четыре вопроса.

• Для чего деталь. Для проверки формы и сборки достаточно пластика или фотополимера. Для работы под нагрузкой и при нагреве нужен металл — селективное лазерное плавление или прямое подведение энергии. Для создания отливки — печать песчаной формы или выплавляемой модели.
• Какая нужна точность. Фотополимерная печать даёт более гладкую поверхность и точность до десятых долей миллиметра. Металлическая печать оставляет шероховатую поверхность, и точные размеры получают последующей механической обработкой.
• Какой размер. Если деталь больше камеры построения, её печатают частями и соединяют или выбирают метод прямого подведения энергии.
• Сколько деталей. Использование аддитивного производства оправдано для одной детали и малых партий; для серии сравнивают стоимость с литьём и механической обработкой — на большой партии традиционные методы обычно выигрывают.

На практике компании, которые внедряют аддитивные технологии, начинают с прототипов и оснастки, а затем переходят к производству деталей там, где печать позволяет снизить массу изделия, сократить число деталей в сборке или отказаться от дорогой оснастки.

Применение аддитивных технологий

• Машиностроение — главная отрасль применения. Прототипы и опытные образцы, приспособления и оснастка для сборки, детали с внутренними каналами, запасные части снятой с производства техники.
• Авиация и энергетика. Топливные форсунки, лопатки и детали камер сгорания из жаропрочных сплавов, облегчённые кронштейны.
• Литейное производство. Литейные формы и стержни, мастер-модели и выплавляемые модели.
• Медицина. Импланты из титана, хирургические шаблоны, стоматологические модели и протезы.
• Строительство. Печать стен и малых архитектурных форм из бетона.
• Образование. Учебные модели; в колледжах готовят специалистов по специальности 15.02.09 «Аддитивные технологии».

Аддитивные технологии в России

В России аддитивные технологии развивают как одно из направлений технологического суверенитета промышленности. Госкорпорация «Росатом» создала отраслевой интегратор «Русатом — Аддитивные технологии», который выпускает отечественные 3D-принтеры для печати металлом и порошки. Принтеры собственной разработки выпускают и другие российские компании, а центры аддитивных технологий работают при крупных машиностроительных предприятиях, университетах и технопарках. Основные отрасли — авиационная и ракетно-космическая промышленность, энергетика, медицина, машиностроение. Для подготовки кадров в колледжах введена специальность 15.02.09 «Аддитивные технологии», а термины и требования к изделиям установлены национальными стандартами ГОСТ Р.

Аддитивные технологии в литейном производстве

В литье аддитивные технологии заменяют самую долгую и дорогую стадию — изготовление модельной оснастки. Песчаную форму или стержень печатают сразу по 3D-модели отливки, без деревянной или металлической модели: опытная отливка получается за дни, а не недели. Для литья по выплавляемым моделям печатают восковые или выжигаемые полимерные модели. Сама отливка при этом получается обычным литьём — из чугуна, стали, алюминиевых или медных сплавов (см. «Литейные сплавы» и «Температура плавления металлов»), и её свойства не отличаются от отливки в обычную форму.

Постобработка напечатанных деталей

Готовой к работе деталь после принтера бывает редко. Металлические детали отрезают от платформы, удаляют поддержки, затем проводят термообработку — отжиг для снятия внутренних напряжений или закалку и старение для нужной прочности. Шероховатость поверхности после печати металлом обычно Ra 6–15 мкм (см. «Шероховатость поверхности»), поэтому посадочные поверхности, резьбы и отверстия доводят механической обработкой. При необходимости наносят покрытия.

Прототипы и доводка деталей в технопарке ЗЭМ

Технопарк изготавливает прототипы и опытные образцы — от модели до малой серии, — используя механическую обработку, листовой металл, литьё металла и пластмасс, покрытия, и испытывает их в собственной лаборатории. Для деталей, полученных аддитивными методами, на площадке есть участки, которые выполняют постобработку: механическая обработка и термообработка. Способ изготовления технолог подбирает по чертежу или 3D-модели, количеству и требованиям к детали.