Selective Laser Melting (SLM) — селективное лазерное плавление

В данной технологии слои мелкозернистого металлического порошка под воздействием сверхмощного лазера сплавляются (спекаются) в среде инертного газа в цельнометаллические изделия. Металлический порошок разравнивается ракелем по рабочему пространству, затем контур детали заштриховывается импульсным лазером высокой мощности. Сферические гранулы металлического порошка сплавляются в цельнометаллическое изделие.

Материалы: алюминий, титан, конструкционная сталь, нержавеющая сталь, никель, сплав кобальт-хром. Поддержкой выступает несплавленный металлический порошок, но зачастую рекомендуется дополнительно моделировать поддержки для организации теплоотвода с целью снижения температурных деформаций детали. Применение: конечные изделия сложной геометрии, функциональная интеграция деталей, изготовление форм для литья пластиков.

В зависимости от производителя оборудования данная технология также может носить название Direct Metal Printing (DMP) и Direct Metal Laser Sintering (DMLS).

Завершая обзор существующих технологий, хочется отметить, что сильные стороны аддитивного производства конечных изделий лежат в тех областях, где традиционное производство ограничено теми или иными барьерами, например, сложной формой детали, высоким весом или высокой стоимостью. Также 3D-печать является наиболее оптимальным способом сокращения времени разработки изделий за счет быстрого создания прототипов деталей и узлов. Помимо этого, аддитивные технологии незаменимы для быстрого и высокоточного создания литьевых форм и моделей.
Преимущества использования аддитивных технологий производства:
изготовление изделия сложной геометрии;

· изготовление легковесных конструкций;

· изготовление бионических конструкций;

· выпуск изделий под конкретные требования заказчика;

· проведение функциональной интеграции изделий;

· создание форм и моделей для литья металла;

· сокращение времени разработки изделий за счет быстрого прототипирования;

· снижение производственных издержек.

Технологии оптического 3D-сканирования

Неотъемлемой составляющей развития аддитивных технологий являются технологии создания цифровых моделей физических объектов. Оптическое 3D-сканирование объектов — процесс получения компьютерной модели на основе геометрии исследуемого изделия.

Данные технологии используются для метрологического контроля изделий, изготовленных как традиционным методом, так и с помощью аддитивных технологий. 3D-сканер позволяет сравнивать цифровую модель, полученную с помощью сканирования, и CAD-модель, на базе которой на ЧПУ или на 3D-принтере была изготовлена данная деталь. Также технологии сканирования физических объектов востребованы для реверс-инжиниринга, когда стоит задача разработать точную копию физического объекта. CAD-модель, полученная методом 3D-сканирования, позволяет измерять любые геометрические параметры изделий с помощью компьютерных алгоритмов, а также может быть использована для изготовления копии детали на 3D-принтере.
Точность сканирования объектов составляет десятки микрон, что позволяет использовать технологии 3D-сканирования в машиностроении, автомобилестроении, приборостроении, на предприятиях аэрокосмической отрасли, а также в опытно-конструкторских бюро, НИИ и лабораториях.

От теории к практике

Реализованные возможности 3D-печати хорошо демонстрирует примерный спектр применения этих технологий.

Авиационное подразделение General Electric — GE Aviation совместно с французским производителем авиационных двигателей Snecma разработало оптимизированную конструкцию топливной форсунки и изготовило методом аддитивных технологий 19 форсунок для установки в камеру сгорания на новый реактивный двигатель LEAP. Новое поколение пассажирских реактивных самолетов A320neo Airbus будет оснащено подобными типами двигателей. В 2015 году в Тулузе успешно осуществлен первый полет опытного образца воздушного судна с двигателями LEAP. С 2016 года GE Aviation намерено выпускать подобные двигатели на коммерческой основе.
Каждая топливная форсунка изготавливается аддитивным методом как единое изделие, что позволяет избежать сложной мехобработки и последующей сборки деталей. Также напечатанные форсунки могут выдерживать температуры до 2400 °С внутри камеры сгорания. Детали, изготовленные традиционным способом, теряют свои механические свойства при таких значениях температуры. Другими преимуществами перехода на аддитивный метод производства топливных форсунок стали:

· более низкие весовые характеристики (вес детали снижен на 25%);

· упрощенная конструкция (18 деталей, необходимых для изготовления топливной форсунки традиционным методом, функционально интегрированы в одну);

· доступны новые элементы топологии детали (более сложные внутренние каналы охлаждения и прочностные элементы конструкции позволяют в 5 раз увеличить прочностные характеристики форсунок).

Материал форсунок: сплав кобальт-хром. Технология получения: Direct Metal Laser Sintering (DMLS) — прямое лазерное спекание металлического порошка, толщина слоя 20 мкм.

Технологии 3D-печати позволяют создавать формы и модели для литья металлов. В частности, с помощью процесса лазерного спекания порошковых материалов (SLS) изготавливаются песчаные формы для литья металлов. Одним из применений данной технологии является использование 3D-принтеров для изготовления отливок сложной геометрии, такой как блоки головки двигателей.

Как за рубежом, так и в России востребовано применение аддитивных технологий для разработки и производства беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В 2011 году пионером в данной области стал Университет Саутгемптона (Великобритания), который разработал и произвел тестовый полет БПЛА SULSA, чей корпус был напечатан из полиамидного пластика PA2200 по технологии лазерного спекания (SLS). SULSA имеет 2-метровый размах крыльев и несет полезную нагрузку 0,5 кг. Максимальная скорость почти 160 км/ч, длительность непрерывного полета около 30 мин.

БПЛА состоит из 4 структурных элементов корпуса, время сборки которых составляет не более 10 мин, без каких-либо отверток и традиционных креплений.

В 2015 году на выставке «Армия-2015» совместную разработку аналогичного БПЛА продемонстрировали КБ «Луч» и НПО «Сатурн». Аддитивные технологии позволяют улучшить аэродинамику аппарата, снизить его вес, облегчить сборку и ускорить процесс разработки новых конструкций. Способность изготавливать детали цифровым методом позволяет конструкторам разрабатывать БПЛА с эллиптической формой крыла, которая обладает наилучшими аэродинамическими свойствами. При использовании традиционных способов производства стоимость и сложность изготовления таких крыльев достаточно высока. Применение решетчатой ферменной конструкции позволяет существенно снизить вес корпуса БПЛА за счет сокращения расхода материала. Движущиеся части, такие как закрылки или шарниры, функционально интегрируются в крылья или корпус непосредственно при печати данных элементов, что упрощает сборку аппарата.

Интересен пример оптимизации конструкции металлического блока двигателя.
Конструкция блока двигателя изначально представляла собой сплошной блок, внутри которого проходят две трубы с циркулирующей жидкостью, сливающиеся в одну трубу большего диаметра на выходе из блока. Для создания данной конструкции традиционным методом приходилось сверлить два отверстия сверху блока таким образом, чтобы эти трубки соединялись с высверливаемой трубой большего диаметра на боковой поверхности блока. В точке соприкосновения труб в середине блока возникает зона повышенного гидродинамического сопротивления потоку жидкости.

При построении аддитивным методом данных труб внутри самого компонента их геометрия становится более равномерной с заданным поперечным сечением и плавным переходом между трубами, что приводит к значительному снижению гидродинамического сопротивления в точке соединения труб.

3D-печать — новое технологическое направление компании «Диполь»

Открыв новое направление деятельности, с 2015 года группа компаний «Диполь» занимается оснащением российских предприятий технологическим оборудованием аддитивного производства: высокопроизводительными промышленными 3D-принтерами для изготовления пластиковых и металлических изделий и прототипов, а также 3D-сканерами для верификации геометрических параметров деталей и реверс-инжиниринга.

В настоящее время «Диполь» сотрудничает с технологическими лидерами в соответствующих сегментах:

· Wuhan Easymade Technology Co. Ltd (КНР) — ключевой партнер группы компаний «Диполь» в области оборудования для быстрого прототипирования деталей из пластика и металла. Флагманской моделью Binhu Easymade для печати пластиковых деталей по технологии лазерного спекания (SLS) является установка SLS-YZ1600, обладающая внушительными габаритами рабочей зоны 1600×800×600 мм.

· 3D Systems (США) — мировой лидер на рынке оборудования 3D-печати на базе различных аддитивных процессов (MJM, SLA, SLS, DMP). Линейка профессионального оборудования включает MJM-установки серии ProJet для изготовления фотополимерных и восковых прототипов. Промышленное оборудование серии ProX позволяет печатать фотополимерные изделия до 1500×750×550 мм по технологии стереолитографии (SLA), что является максимальными габаритами рабочей зоны в мире.

· EOS GmbH (Германия) — партнер группы компаний «Диполь» в области высокопроизводительных промышленных аддитивных установок для изготовления металлических и пластиковых изделий. Большие габариты изделий, высокая скорость печати и отличное качество поверхности деталей позволяют использовать машины EOS как наиболее высокопроизводительные решения в области аддитивных технологий производства. Флагманская модель печати изделий из металла EOS M400 имеет рабочую зону 400×400×400 мм и позволяет изготавливать детали из конструкционной и нержавеющей стали, титана, никеля, алюминия, сплава кобальт-хром по технологии DMLS.

· 4D Dynamics (Бельгия) — производитель сверхточных оптических 3D-сканеров. Промышленной моделью оптического 3D-сканера является установка EX-PRO, позволяющая создавать цифровые модели физических объектов с максимальной разрешающей способностью 50 мкм.

В рамках работы нового направления предлагают своим заказчикам комплексный подход по организации цифрового производства на базе аддитивных технологий 3D-печати и 3D-сканирования:

· Подбор технологических решений, соответствующих задачам производства.

· Инжиниринговые услуги по подготовке к переходу предприятий на цифровое производство.

· Поставка, ввод в эксплуатацию и сервисное обслуживание технологического оборудования 3D-печати и 3D-сканирования.

· Поставка расходных материалов: фотополимерные пластики, порошковые пластики, порошковые металлы для 3D-печати.

· Обучение персонала работе на установках 3D-печати.

· Организация под ключ производственных участков на базе аддитивных технологий.

В сферу инжиниринговых услуг по переходу предприятий на цифровое производство также можно включить работы по оптимизации топологии изделий под 3D-печать и подготовку послойных STL-моделей к печати. Оптимизация топологии подразумевает изменение внутренней топологии деталей, снижение весовых характеристик и повышение их функциональности при сохранении прочностных и габаритных параметров. Оптимизация топологии необходима при решении задач перехода от традиционных методов изготовления деталей и узлов к цифровому производству.

Подготовка STL-моделей к печати включает в себя выбор оптимальной ориентации модели на рабочей платформе и моделирование вспомогательных элементов конструкции для отвода тепла в процессе лазерного плавления металлических порошков.
Нет ни малейших сомнений в многочисленных преимуществах технологий 3D-печати. Вопрос только в том, как скоро они станут использоваться российскими предприятиями в массовом порядке. Хочется надеяться, что этот процесс не заставит себя ждать.

ВОПРОСЫ:

Какие есть недостатки у 3D в сравнении с традиционными технологиями?

Сравнивать аддитивные технологии с традиционными необходимо в привязке к задачам, для которых используется оборудование: прототипирование или производство конечных изделий. В первое время после своего появления технологии 3D-печати развивались как решения для быстрого прототипирования изделий, и если говорить об изготовлении прототипов, то недостатков здесь нет.

При производстве конечных изделий по технологиям SLS и SLM/DMLS недостатки становятся продолжением достоинств. Аддитивные технологии производства в первую очередь ориентированы на создание деталей сложной геометрии, функциональную интеграцию изделий либо на ограниченные тиражи продукции. Следует упомянуть и о технологических ограничениях на использование материала в процессах лазерного спекания и плавления — материал должен быть доступен в порошковой форме.

Какие ограничение на использование аддитивных технологий производства?

· высокая стоимость изготовления средних и больших тиражей деталей;

· спектр материалов ограничен теми, которые доступны в порошковой форме;

· в России на данный момент отсутствует нормативная база для использования конечных изделий, полученных аддитивным методом в таких ответственных отраслях, как авиация и космос.

Экологичны ли 3D-печать?

Учитывая большое количество технологий 3D-печати (со своими преимуществами и недостатками), сложно обобщить все факторы, влияющие на экологию при использовании аддитивных технологий производства и сравнить их с традиционными технологиями. Но можно однозначно говорить, что общей характеристикой всех процессов промышленной 3D-печати является снижение расходного материала — при изготовлении аддитивным методом на деталь тратится существенно меньше материала, чем при изготовлении ее по традиционным субтрактивным технологиям. В дальнейшем к экологическим преимуществам можно будет отнести снижение расхода топлива при доставке товаров — вместо отправки набора пластиковых деталей с фабрики изготовителя заказчик сможет распечатать их на 3D-принтере. Для объективности надо заметить, что использование аддитивных технологий достаточно энергоемко.

Не сталкиваются ли разработчики новых технологий с сопротивлением лобби производителей традиционного оборудования?

О лобби производителей традиционного оборудования ничего неизвестно, поскольку аддитивные технологии не являются конкурентом и полноценной заменой традиционным технологиям в широком спектре задач. Например, сферы применения термопласт-автомата и 3D-принтера для печати пластиковых изделий различны. Так же как и металлический 3D-принтер и мехобрабатывающий станок с ЧПУ не взаимозаменяемы.