В 2018 году на территории предприятия ОДК ? Московского машиностроительного предприятия им. В.В. Чернышева началось создание высокотехнологичного Центра аддитивных технологий / Фото: rostec.ru
Ваше производственное предприятие, лаборатория, конструкторское бюро или НИИ уже получило общее представление о возможностях аддитивных технологий и рассматривает вопрос их внедрения? В этой статье мы расскажем, какие факторы следует принять во внимание при организации центра аддитивных технологий в компании, с чего начать, какие технологии выбрать исходя из конкретных задач, как подобрать и обучить специалистов.
Прежде всего:
1. Определяем отрасли и типы предприятий, где аддитивные технологии будут незаменимы
Самые перспективные отрасли для внедрения 3D-печати – те, где в приоритете оптимизация или создание новых типов изделий: авиационно-космическая, атомная и нефтегазовая промышленность, машиностроение, энергетика, судостроение, а также автомобилестроение, архитектура, медицина. На производствах с литьем и металлообработкой 3D-принтеры станут эффективным решением при создании литейных моделей, прототипов и оснастки.
Трехмерное сканирование и моделирование найдут применение везде, где выполняются контроль качества и обратное проектирование (см. раздел 4).
3D-технологии востребованы в следующих организациях:
- конструкторские и опытно-экспериментальные бюро при предприятиях, разрабатывающие новые виды продукции;
- технологические центры с опытным производством;
- научно-исследовательские институты и центры;
- университеты, напрямую работающие с производственными компаниями.
2. Как понять, нужны ли вообще 3D-технологии моему предприятию?
Да, инновации имеет смысл применять там, где они приносят выгоду. Перед тем, как принимать решение, важно учесть:
- Нет универсальной [аддитивной технологии](https://blog.iqb-tech.ru/3d-printing-technologies), которая бы могла с максимальной эффективностью решить все производственные задачи.
- У каждой 3D-технологии есть преимущества и недостатки.
- При выборе 3D-принтера и/или 3D-сканера нужно исходить из поставленных задач.
3D-печать на сегодня не претендует заменить традиционные методы. Аддитивное производство интегрируется в существующий производственный процесс и предлагает решения, зачастую недоступные традиционным технологиям, с целью сократить производственный цикл и, как следствие, значительно сэкономить время и издержки.
Основной момент, который следует принять во внимание: 3D-печать подходит только для опытного, экспериментального или мелкосерийного производства. Она потребуется вашему предприятию, если поставлены следующие цели:
- разработка и производство нового продукта с уникальными свойствами;
- НИОКР;
- прототипирование, тестирование, отработка технологических решений;
- оптимизация/модернизация изделий, возможная только средствами аддитивных технологий (сложная геометрия, [снижение веса](https://blog.iqb-tech.ru/slm-asco-case), тонкие стенки, внутренние каналы и т.п.).
Отдельным ограничением может стать размер камеры построения 3D-принтера (это зависит и от технологии, и от производителя).
Если традиционные методы обеспечивают желаемую производительность, если не требуется разрабатывать новую продукцию, оптимизировать их конструкцию и улучшать характеристики изделий, – организовывать аддитивный центр нецелесообразно.
На базе Самарского университета создан центр гибридных аддитивных технологий, где применяется технология селективного лазерного сплавления с последующей механической, электрохимической и термической обработкой / Фото: sgpress.ru
3. Подбираем технологию 3D-печати под определенные задачи
Выбор аддитивной технологии всецело зависит от того, что вы хотите получить на выходе. Вам потребуется учесть следующие параметры: размер изделия, точность печати, прочность и долговечность продукта, назначение (прототип, демонстрационная модель или готовое изделие).
Рассмотрим основные аддитивные технологии и используемые материалы, их основные преимущества и недостатки.
| Технология | Расходные материалы | + | — |
SLA (лазерная стереолитография) |
Фотополимеры |
Самая высокая прочность моделей; один из лучших показателей точности; идеальное качество поверхности изделий; возможность построения моделей сложной формы и структуры; быстродействие 3D-принтеров; большой объем рабочей камеры (до 2,4 м); выращенный из пластика прототип можно использовать как готовое изделие. |
Крупные первоначальные инвестиции; особые требования к помещению и условиям эксплуатации; необходимость в обучении технического специалиста. |
SLM (селективное лазерное плавление) |
Металл |
Печать конечных изделий; высокая точность, плотность и повторяемость изделий; возможность печати уникальных сложнопрофильных объектов, в том числе мельчайших деталей и изделий с внутренними полостями (размер до 500 мм); уменьшение массы изделий; экономия материала (отходы составляют 0,5%); сокращение цикла НИОКР; требуется минимальная механическая обработка, нет необходимости использовать дорогостоящую оснастку. |
Самая дорогостоящая аддитивная технология; особые требования к помещению и условиям эксплуатации; сложность в интеграции 3D-решений в традиционные технологические процессы; необходимость в обучении технического специалиста.
|
SLS (селективное лазерное спекание) |
Полистирол, полиамид, нейлон и др. пластики, керамика, стекло, композитные материалы, песчаные составы |
Отличные механические характеристики напечатанных моделей (полиамид – один из самых прочных пластиков); большое разнообразие материалов; высокая скорость печати; возможность создавать изделия сложнейших форм и фактур; большой размер камеры построения (до 1 м); печать как прототипов, так и конечных изделий для узлов и элементов.
|
Высокая стоимость оборудования и материалов; необходимость обработки шероховатых или пористых поверхностей напечатанных на 3D-принтере изделий; особые требования к помещению и условиям эксплуатации. |
FDM (метод послойного наплавления материала) |
Термопластики |
Самая доступная технология 3D-печати; высокая скорость построения; возможность печатать крупные объекты (до 2 м). |
Наибольшая шероховатость поверхности (качество зависит от диаметра сопла и от расходных материалов); риск растекания пластика; повышенная чувствительность к перепадам температур. |
MJP/MJM (многоструйная 3D-печать) |
Воск |
Высокая скорость печати; максимальная детализация и точность построения (до 14 микрон); простота эксплуатации аддитивных установок; возможность непрерывной работы. |
Преимущественно функциональное прототипирование; дорогостоящий расходный материал; модели уязвимы к солнечному свету.
|
MJP/MJM (многоструйная 3D-печать) |
Фотополимеры
|
Высокая скорость печати; многообразие модельных материалов с различными свойствами; превосходные физико-механические свойства готовых моделей и прототипов; простота эксплуатации аддитивных установок. |
Преимущественно функциональное прототипирование; модели уязвимы к солнечному свету. |
Теперь вы можете выбрать технологию 3D-печати применительно к производственным задачам (возможно, вам потребуется несколько аддитивных установок, работающих по разным технологиям):
- Функциональное прототипирование и тестирование: SLA, SLS, MJP, FDM.
- Макетирование, изготовление демонстрационных образцов: SLA, SLS, FDM.
- Проверка эргономики, проверка изделий на собираемость: SLA, MJP / фотополимер
- Изготовление конечных изделий из пластика: SLA, SLS, FDM.
- Изготовление готовых металлических деталей агрегатов и узлов и сложных конструкций (в том числе когда стоит задача оптимизации изделия – снижение веса, объединение детали из нескольких элементов в цельнометаллическую и т.д.): SLM.
- Создание мастер-моделей для литья по выплавляемым моделям, форм для технологической оснастки: SLS, MJP / воск.
- Создание мастер-моделей для литья по выжигаемым моделям: SLA, MJP / фотополимер.
- Быстрое изготовление оснастки: SLA, FDM.
- Проведение экспериментов: SLA, MJP / фотополимер.
4. Вам также понадобится 3D-сканирование
3D-сканер и программное обеспечение для обработки полученных данных – необходимые инструменты для современного предприятия. 3D-сканирование может использоваться на любом этапе управления жизненным циклом продукта, позволяет сократить время и расходы на этапе разработки и ускорить выпуск продукта на рынок.
Разметчик модельного цеха Тихвинского вагоностроительного завода Даниил Жидков создает трехмерную модель отливки при помощи 3D-сканера Creaform HandySCAN 3D. Этот портативный 3D-сканер позволяет создать модель детали, когда под рукой нет размеров и чертежей, что значительно облегчает работу конструкторов / Фото: tvsz.ru
С помощью 3D-сканера и специализированного ПО вы сможете гораздо эффективнее решать следующие задачи:
- контроль геометрии изделий и оснастки, входной и выходной контроль;
- реверс-инжиниринг для модернизации, ремонта, восстановления деталей;
- получение CAD-модели.
Устройства 3D-сканирования обеспечивают точность в диапазоне 20-50 микрон на метр. Если такие параметры точности вас не устраивают, продолжайте использовать координатно-измерительные машины. Однако в плане скорости измерений, портативности и стоимости трехмерные сканеры оставляют КИМ далеко позади.
5. Планируем бюджет
Цены на аддитивные установки колеблются в диапазоне от полутора тысяч евро (FDM) до нескольких миллионов евро (SLM), на 3D-сканеры – от 20 до 130 тысяч евро.
Окончательная стоимость принтера зависит от выбранной конфигурации оборудования и многих других факторов, поэтому на начальном этапе организации аддитивного центра цифры назвать затруднительно. Кроме того, нужно принять во внимание сопутствующие расходы (материалы для 3D-печати, дополнительное оборудование, потребление электроэнергии и пр.).
6. Проверяем, как работают 3D-технологии, прежде чем приобретать оборудование
Хотите предварительно проверить решение ваших задач? В центре быстрого прототипирования iQB Technologies вы можете заказать тестовые услуги 3D-печати воском, фотополимерами и гипсом, а также 3D-сканирования и 3D-моделирования. Возможен выезд специалистов с портативным 3D-сканером на предприятия по всей России.
7. Дополнительное оборудование
В зависимости от типа аддитивной установки может потребоваться дополнительное оборудование. Например, для SLA-принтеров понадобится УФ-камера, где готовое изделие доотверждается. Самое сложное оборудование – металлические 3D-принтеры, для которых необходимы:
- муфельная печь для снятия остаточного напряжения металла;
- дреммель, ленточная пила или электроэрозионный станок для удаления поддержек;
- дробеструйная или пескоструйная камера для постобработки изделия и улучшения качества поверхности.
После подбора 3D-принтеров вместе с нашими экспертами вы сможете сориентироваться, какое дополнительное оборудование необходимо.
8. Особые требования к эксплуатации 3D-принтеров
К помещениям и условиям эксплуатации могут предъявляться особые требования, к примеру, подвод нужного количества электроэнергии и кондиционирование. Самые строгие требования касаются установок 3D-печати металлами – необходимо соблюдать технику безопасности (обеспечивать герметичность при эксплуатации машины, работать в защитной спецодежде) в связи с опасностью металлических порошков, которые спекаются в среде инертного газа.
Приведем пример стандартных требований к металлическому 3D-принтеру:
- напряжение 3 фазы 380 В, рабочий режим потребления 7 кВт, в пике до 12 кВт;
- подвод инертного газа к машине (3-5 баллонов);
- система кондиционирования в помещении (от 18 до 23°С), оптимально – в режиме осушения воздуха;
- компрессор либо линия с подводом сжатого воздуха 4 атмосферы;
- техническая вода для промывки фильтров и изделий.
Рыбинское предприятие «ОДК-Сатурн», входящее в Объединенную двигателестроительную корпорацию, активно применяет аддитивные технологии в процессе производства газотурбинных двигателей / Фото: rostec.ru
9. Готовим специалистов центра аддитивных технологий
Сотрудники аддитивной лаборатории – это конструктор и оператор 3D-принтера, их число зависит от состава оборудования и объема работ. Если для профессиональных установок 3D-печати достаточно одного оператора, то для промышленных (SLA, SLS, SLM) потребуется минимум двое обученных специалистов, поскольку стоимость простоя такого оборудования очень высока.
Оптимально, если оператор и конструктор будут разными людьми. Конструктор проектирует изделия для аддитивного производства в специализированном ПО и понимает, как применить соответствующие методы, а оператор – скорее технолог, он воплощает видение конструктора в готовое изделие. При этом оператор 3D-принтера должен быть творческой личностью, специалистом с высшим техническим образованием, который любит учиться и увлечен инновациями. Высокого качества печати можно добиться, грамотно подобрав настройки принтера. Это может быть достаточно сложной задачей: в SLM-машинах, например, 170 открытых параметров, которые можно менять в процессе построения.
В нашем учебном центре вы можете пройти обучение работе на промышленных 3D-принтерах за 3-4 дня. Также доступны программы обучения по 3D-сканированию и основным программным продуктам для обработки данных сканирования (Geomagic Control X / Design X / Wrap) и подготовки моделей к печати (Materialise Magics). Есть и расширенные комплексные программы длительностью до 12 дней.
Заключение
Надеемся, что эта статья поможет вам определиться с выбором 3D-технологий и предпринять дальнейшие шаги по созданию аддитивной лаборатории.
Мы выяснили, что 3D-печать подходит только для опытного, экспериментального или мелкосерийного производства преимущественно в высокотехнологичных отраслях. Аддитивные технологии позволят оптимизировать производственный процесс при разработке новых видов продукции или усовершенствования текущего ассортимента, создании прототипов и оснастки. 3D-сканирование дает возможность сократить время и расходы на этапе разработки при выполнении задач контроля качества и реверс-инжиниринга.