ОСОБЕННОСТИ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИЙ АДДИТИВНОГО ПРОИЗВОДСТВА

АННОТАЦИЯ

В работе представлено описание метода, изделий различной формы и их получения с применением аддитивных технологий с указанием основных положительных и отрицательных аспектов. Перечислены основные технологии аддитивного производства изделий, с указанием специфики их применения.

Ключевые слова: аддитивные технологии, порошковые материалы, моделирование.

В современном производстве все более возрастает роль аддитивных технологий или 3D-печати – нового метода изготовления деталей. Обеспечение долговечности подобных деталей является важнейшей задачей конструкторов и инженеров-расчетчиков.

Современное аддитивное производство включает в себя различные технологии, такие как литография, лазерное спекание и экструзия, каждая из которых подходит для определённых задач и материалов. Используемые материалы варьируются от металлических порошков до керамики и био-совместимых композитов.

Классификация методов аддитивного производства

Аддитивное производство — это не просто тренд, но уже полноценная технология, которая кардинально меняет подходы к изготовлению деталей и изделий. Современные технологии 3D-печати позволяют создавать рабочие прототипы, серийные изделия и уникальные компоненты, которые невозможно или экономически нецелесообразно производить традиционными методами. Один из ключевых моментов — выбор подходящей технологии в зависимости от задачи, материала и требуемой точности.

Литография, экструзия и лазерные технологии

Среди основных категорий методов аддитивного производства можно выделить литографию, экструзию и лазерные технологии.

• Литография — это технологии, при которых материал отверждается под действием излучения, как в случае с SLA. Отличаются высокой детализацией и отличным качеством поверхности.
• Экструзия представлена методами вроде FDM (Fused Deposition Modeling), где термопластичный материал послойно наносится через нагретую печатающую головку. Это один из самых доступных и широко используемых методов.
• Лазерные технологии, такие как SLS (Selective Laser Sintering) или SLM (Selective Laser Melting), используют мощные лазерные лучи для спекания или плавления порошков — от полимеров до металлов.

Выбор категории зависит от целей: прототипы, функциональные детали, производство оснастки. При проектировании технологических комплексов, важно учитывать, какой тип технологии применять[1].

Использование 3D-печати [1] позволяет снизить стоимость деталей и приводит к сокращению сроков изготовления. Оба этих фактора представляют прикладной интерес для промышленных компаний в условиях высокой конкуренции. Кроме того, аддитивные технологии позволяют создавать детали, изготовление которых традиционными методами производства практически невозможно по технологическим или экономическим причинам.

Изготовленные на 3D-принтере [1] детали имеют предусмотренный срок службы, в течение которого должна быть обеспечена их механическая прочность и надежность. Обеспечение долговечности деталей является важнейшей задачей конструкторов и инженеров-расчетчиков.

Прочность любого изделия, созданного DED методом, в основном зависит от материала, из которого оно напечатано. Если это обычный пластик, то прочность простых изделий будет аналогична прочности изделий, изготовленных классической технологией литья.

Со сложными деталями[2], как правило, метод выигрывает, т.к. изделие печатается без склеек, спаек и лишних соединений. Например, в целях увеличения прочности и ресурса работы, металлические детали для камеры сгорания двигателя SpaceX SuperDraco созданы частично таким методом, иначе их можно получить только сваркой.

Что касается спектра материалов для 3D-печати, то их неограниченное множество и каждый день появляются новые [2].

3D-печать[3] еще несколько лет назад использовалась только для быстрого прототипирования макетов, но сейчас все чаще применяется в серийном производстве деталей в различных областях промышленности: судостроении, авиакосмической отрасли, транспортном машиностроении, оборонно-промышленном комплексе. Использование 3D-печати позволяет снизить стоимость деталей и приводит к сокращению сроков изготовления. Оба этих фактора представляют прикладной интерес для промышленных компаний в условиях высокой конкуренции. Кроме того, аддитивные технологии позволяют создавать детали, изготовление которых традиционными методами производства практически невозможно по технологическим или экономическим причинам.

Аддитивные технологии[3] (англ. Additive Manufacturing) — технологии послойного наращивания и синтеза объектов. Широкое применение получили для так называемой фаббер-технологии (англ. fabber technology, также распространено наименование «3D-печать») – группы технологических методов производства изделий и прототипов, основанных на поэтапном формировании изделия путём добавления материала на основу (платформу или заготовку).

Среди применений[3] аддитивных технологий наиболее востребовано производство функциональных изделий для нужд наиболее заинтересованных отраслей промышленности таких как авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, ВПК, медицина в части протезирования, то есть там, где существует острая потребность в изготовлении высокоточных изделий и их прототипов в кратчайшие сроки.

Данная технология позволяет изготовить детали с нуля, добавить сложные конструктивные элементы или оперативно осуществить ремонт изношенных частей изделий.

Возможность использования различных материалов

С помощью аддитивных [4] технологий порошки можно изменять или смешивать для создания специальных сплавов. Эту технологию также можно использовать для создания градиента между двумя разными материалами в одной конструкции, что позволяет добиться более высоких свойств материала детали.

Качество деталей

3D производит [5] детали высокой плотности с механическими свойствами, не уступающими или превосходящими характеристики сопоставимых литых или кованых материалов. Детали, изготовленные таким способом, также могут достигать формы, близкой к требуемой, что означает, что они не потребуют серьезной постобработки.

Применяемые материалы

3D производство обычно используется с металлами в форме порошка или проволоки, тем не менее, можно использовать с полимерами и керамикой. Например, некоторые производители работают с нитью из углеродного волокна для изготовления легких композитных деталей для конечного использования: термопластичная нить расплавляется источником тепла и уплотняется валиком для создания слоев объекта.

Практически любой металл, который поддается сварке, может использоваться в качестве исходного для аддитивных технологий.

К недостаткам технологи можно отнести следующие [5] .

1. Отсутствие опорных конструкций

технология не позволяет создавать опорные конструкции, что ограничивает производство деталей с определенной геометрией, например, с выступами.

2. Стоимость

оборудование и материалы остаются дорогими, что ограничивает доступность для малого и среднего бизнеса, а также для массового производства. Промышленные системы для металлической печати могут стоить миллионы рублей, а специализированные металлические порошки — существенно дороже обычного проката. 

Машиностроение, пожалуй, стало одной из первых отраслей, где аддитивное производство обрело промышленные масштабы. Здесь ключевым фактором выступает возможность изготавливать сложные и точные металлические детали без лишних потерь материала и с сокращёнными циклами опытного проектирования. В машиностроении аддитивное производство давно вышло за рамки прототипирования. Сегодня оно активно используется для создания функциональных деталей, особенно когда речь идёт о сложной геометрии и необходимости снижения веса. Это актуально для авиастроения, автопрома, железнодорожной техники.

К примеру, в авиастроении компании изготавливают узлы топливных систем, которые раньше собирались из десятков элементов. 3D-печать позволяет объединить их в одну деталь, уменьшив вес конструкции и количество потенциальных точек отказа.

Заключение

Аддитивное производство — это уже не просто лабораторный эксперимент или нишевое решение для узкопрофильных задач. В условиях рынка, где требуется гибкость, скорость и индивидуализация, 3D-печать становится ключевым драйвером технологических изменений.

Инновации в области материалов, программного обеспечения и индустриального оборудования демонстрируют, как стремительно растёт потенциал этой технологии. Например, современные принтеры работают не только с полимерами, но и с металлами, керамикой и композитами. Это открывает широкие возможности для таких отраслей, как авиастроение, медицина, машиностроение и энергетика [5].

Важным этапом развития стало появление гибридных производственных систем, которые объединяют в себе аддитивные и классические технологии обработки. Это позволяет ускорить цикл производства, улучшить геометрию изделий и снизить отходы.

Список литературы:

1. Дежина И. Г., Пономарев А. К., Фролов А. С. Новые производственные технологии: публичный аналитический доклад. М.: Издательский дом «Дело» РАНХиГС, 2015. 272 с.
2. Назад из виртуальности [электронный ресурс]. URL: https://hi-tech.mail.ru/review/nazad_iz_virtualnosti/ (24.10.2019 г.).
3. Антонов А. А., Артемьев А. А., Соколов Г. Н. Разработка порошковой проволоки для дуговой наплавки износостойкого сплава // Сборник материалов VII международной конференции «Деформация и разрушение материалов и нано материалов». М.: ИМЕТ РАН, 2015, 953 с.
4. Журнал «Аддитивные технологии» № 4-2020.
5. Журнал «Упрочняющие технологии и покрытия» №7-2020.