Трехмерный прыжок: 3D-принтеры как один из ключевых инструментов «Индустрии 4.0»

Рынок аддитивных технологий, по экспертным оценкам, ежегодно увеличивается в объеме минимум на четверть. 3D-принтеры из разряда «дорогой игрушки» уже превратились в один из ключевых инструментов «Индустрии 4.0». Сфера их применения расширяется: в России теперь в нее включено и железнодорожное машиностроение. 

12 октября 2016
"Время ОВК", сентябрь 2016

Внедрение новых технологий позволяет значительно ускорить работу над перспективными моделями вагонов

Внедрение новых технологий позволяет значительно ускорить работу над перспективными моделями вагонов

Благодарим Пресс-центр Научно-производственной корпорации «Объединенная Вагонная Компания» за предоставление данного материала.

Технологии аддитивного производства (от английского слова add – «прибавлять») уже почти три десятилетия остаются модной темой дискуссий. Но если еще недавно вопрос их практического применения был предметом спора, то сегодня наряду с роботизацией и цифровизацией трехмерная печать включена в перечень основного инструментария четвертой промышленной революции, переход к которой на последнем экономическом форуме в Давосе был признан свершившимся фактом. При этом прогнозы на будущее все еще разнятся радикально: одни говорят, что внедрение методов 3D-печати приведет к закату промышленности в традиционном смысле, другие – что трехмерные принтеры станут лишь одним из элементов производственных схем. 

Пока достовернее выглядит второй вариант. Хотя это не отменяет того, что интерес к аддитивным технологиям во всем мире стабильно растет. По данным американской консалтинговой фирмы Wohlers, объем глобального рынка трехмерной печати в 2015 году составил порядка $5,1 млрд, увеличившись почти на 26% к предыдущему году. При этом средний темп роста за последние четверть века равен все тем же внушительным 26%. Цифры серьезные, но с чем связана столь убедительная динамика? 

ДВЕ ДОРОГИ

«Я разумею под скульптурой то искусство, которое осуществляется в силу убавления», – говорил гениальный мастер эпохи Возрождения Микеланджело Буонарроти. Традиционное производство по сути близко этому – берется исходный материал, от него отсекается лишнее. Суть аддитивных технологий противоположна – здесь изделие создается слой за слоем. За процессом следит компьютер, ориентируясь на точную трехмерную модель. У метода есть несколько сильных сторон. Во-первых, появляется возможность создавать более сложные изделия (например, с внутренними полостями). Во-вторых, снижается риск ошибки в человеко-машинном диалоге. В-третьих, можно выпускать детали, не нуждающиеся в финишной обработке. Недостатки в массовом производстве пока есть – цена вопроса (за счет стоимости оборудования и расходных материалов она может быть на порядок выше традиционной штамповки и отливки), скорость, обеспечение требуемых физико-механических характеристик материала изделия. Это удерживает от повсеместного внедрения трехмерных принтеров и заставляет искать области их применения, учитывающие все факторы. 

Считается, что родоначальником 3D-принтинга являются США. Именно американский инженер Чарльз Халл, основатель компании 3D Systems, в 1986 году собрал первый в мире стерео литографический 3D-принтер (метод SLA-печати), благодаря чему появилась возможность практического применения технологии (ее опробовали в оборонной сфере). Приблизительно в то же время Скотт Крамп, позже основавший компанию Stratasys, выпустил аппарат послойного наплавления (FDM-печать). На старте обе технологии развивались параллельно, но со временем их пути стали расходиться. FDM-принтинг подразумевает «печать» трехмерных объектов за счет наплавления последовательных слоев полимерного материала. SLA – это «выращивание» трехмерного объекта в емкости с фотополимерным материалом, слой за слоем отверждаемым под действием ультрафиолетового лазерного излучения. Существуют и иные методы, к примеру, технология многоструйного моделирования MJM, позволяющая получать изделия с высокой степенью детализации, или технологии SLS, SLM, позволяющие произвести детали, в том числе из металлических порошковых композиций, путем спекания или сплавления при тепловом воздействии луча лазера. Однако первые две технологии – это отправные точки для всей индустрии. 

·        3D-принтер гарантирует высокое качество печати – толщина каждого из слоев составляет от 0,05 до 0,15 мм

3D-принтер гарантирует высокое качество печати – толщина каждого из слоев составляет от 0,05 до 0,15 мм

FDM-производство – наиболее простой и дешевый способ, его применяют для быстрого прототипирования, а также в бытовых целях (для изготовления игрушек и сувениров). Если говорить об объемных показателях, то FDM – наиболее перспективный сегмент. К нему относятся «бытовые» принтеры стоимостью до $5 тыс., которые являются ключевым драйвером роста рынка. SLA и SLS – более дорогие технологии (стоимость оборудования может превышать $1 млн), но зато они позволяют создавать не прототипы, а сложные детали. 

А ЧТО У НАС?

Советский Союз в свое время стоял у истоков стереолитографии – еще в 1970-х годах в стране велись серьезные работы по созданию технологических лазеров. Но после распада СССР из-за дефицита финансирования многие проекты были свернуты, и к настоящему времени сформировалось отставание России от мировых лидеров. Главный игрок глобального рынка – США (доля этой страны оценивается на уровне 40%). Здесь есть много примеров применения аддитивных технологий в промышленности. Так, авиастроительная корпорация Boeing благодаря 3D-печати изготавливает более 22 тыс. деталей 300 наименований для гражданских и военных самолетов. Мнения по России у экспертов разнятся, но консенсус-оценка невелика. Речь идет лишь о доле в несколько процентов в общем «пироге». 

На «Тихвинском вагоностроительном заводе» установлено оборудование одного из крупнейших игроков рынка аддитивных технологий 3D Systems

На «Тихвинском вагоностроительном заводе» установлено оборудование одного из крупнейших игроков рынка аддитивных технологий 3D Systems

По данным Wohlers, основные сферы применения трехмерной печати в мире (по убыванию) – это создание потребительских товаров (в том числе электроники), автомобилестроение, медицина, промышленность, авиация и космос, ВПК, наука и архитектура. Достоверных данных по России немного. Очевидно, что интерес сегодня проявляют предприятия авиационной, космической промышленности и военно-промышленного комплекса. 

Серьезные исследовательские проекты реализуют Всероссийский НИИ авиационных материалов (в том числе по созданию расходных средств для трехмерной печати), а также резиденты «Сколково». В последнем случае речь идет в том числе об особой сфере – биопринтинге, то есть печати живых органов. В начале года компания 3D Bioprintins Solutions объявила, что впервые в мире смогла напечатать на 3D-принтере щитовидную железу мыши и успешно пересадить ее животному. 

Что касается применяемых в промышленном производстве систем 3D-печати, то пока что аналогов импортному оборудованию в России не существует. Как, впрочем, и замены импортным материалам. Но, несмотря на это, интерес к аддитивным технологиям проявляют все больше промышленных компаний, в том числе крупнейшие игроки рынка железнодорожного машиностроения. Главным образом речь идет о прототипировании – быстром изготовлении образцов деталей при проектировании новой продукции. Однако на тихвинской промышленной площадке НПК ОВК уже реализован первый в отрасли проект применения аддитивных технологий в производстве. С помощью принтера, поставленного компанией 3D Systems, выпускаются элементы литейной модельной оснастки, служащей для получения при формовке отпечатка в песчаной огнеупорной смеси под последующую заливку металла. Внедрение новых технологий позволяет значительно ускорить работу над перспективными моделями вагонов, требующую решения задачи изменения конструкции и повышения надежности их узлов. 

АЛЕКСАНДР ЗДАНЕВИЧ, ИТ-директор НПК «Объединенная Вагонная Компания»: 

«Технологии аддитивной печати прогрессируют, и, вероятнее всего, уже в ближайшем будущем они изменят лицо целого ряда индустрий. Главным образом это касается предприятий, на которых выпускаются штучные товары под конкретный заказ. С массовым производством дело обстоит сложнее, хотя 3D-принтеры уже сейчас находят применение в данной области.

Существует множество технологий объемного синтеза. Одной из перспективных для промышленного внедрения является лазерная стереолитография (SLA). Процесс можно разделить на два этапа. На первом формируется слой построения в виде равномерно распределенного по поверхности рабочей платформы жидкого фотополимера. Затем происходит выборочное отверждение участков данного слоя в соответствии с текущим сечением построенной на компьютере 3D-модели.

Применительно к железнодорожному машиностроению данную технологию можно использовать на этапе подготовки литейного производства, в частности, при производстве комплекта литейной оснастки. Она служит для получения при формовке отпечатка в песчаной огнеупорной смеси под последующую заливку металла в образовавшуюся при этом полость. Один и тот же комплект оснастки, уникальный под каждую отливку, используется на протяжении тысяч циклов производства соответствующих литейных форм.

От соблюденной в процессе изготовления комплекта оснастки точности всех предусмотренных конструкторами параметров напрямую зависит качество конечного изделия. Традиционный способ изготовления комплекта оснастки путем механической обработки материалов (металла, пластика, иногда и дерева) весьма трудоемок и длителен (подчасзанимает до нескольких месяцев), при этом чувствителен к ошибкам.

Технологии 3D-печати позволяют максимально точно воспроизводить требуемую геометрию элементов оснастки, получаемых как напрямую печатью, так и заливкой в изготовленные на принтере мастер-модели, и при этом ощутимо экономить время.

Именно такой подход реализован на «Тихвинском вагоностроительном заводе». Мы внедрили на производстве оборудование одного из крупнейших игроков глобального рынка аддитивных технологий 3D Systems. В проект вложено порядка 60 млн руб., но зато используемый нами принтер модели 3D Systems ProX 950 сократил время выпуска крупных (длиной до 3 м) элементов оснастки сложной конфигурации всего до одной недели с последующим незамедлительным началом производства опытных отливок.

Технология печатающей головки New PolyRay позволяет повысить эффективность работы не только в сравнении с традиционными методами механической обработки, но и другими представленными сегодня на рынке 3D-принтерами. Экономия времени может быть десятикратной. Машина гарантирует высокое качество печати – толщина каждого из слоев составляет от 0,05 до 0,15 мм в зависимости от настроек. Вес произведенного принтером изделия может достигать 150 кг, что достаточно много, учитывая использование в работе полимерного сырья. Кроме того, данное оборудование имеет хорошие показатели энергоэффективности и гарантирует экономный расход материала. Гарантия производителя на лазер составляет 10 тыс. часов или 18 месяцев работы.

Подготовка файлов для печати осуществляется на компьютерах со стандартным программным обеспечением, в работу принимаются файлы формата STL. Это широко используемый сегодня формат хранения трехмерных объектов для стереолитографических 3D-принтеров. В целом можно говорить о том, что применяемое на ТВСЗ оборудование не имеет аналогов в России и крайне редко используется в Европе и США»

Мария Яковлева

Начать обсуждение


UP-PRO в сетях