Напечатанная жизнь

Мировой рынок аддитивных технологий растет стремительными темпами – 3D-печать используется практически повсеместно и в самых разных сферах жизни. Эксперты прогнозируют, что в ближайшие годы объемы производства и продаж аддитивных технологий будут только увеличиваться. В партнерском материале N + 1 совместно с «Росатомом» рассказывает о преимуществах аддитивного производства и будущем 3D-печати.

Аддитивное производство (от английского Additive Manufacturing, «прибавляемое» производство) – технология создания изделий, которая основывается на поэтапном «наращивании» материала на основу в виде плоской платформы или осевого каркаса. По этой причине она и называется «прибавляемой»: при традиционном производстве используется некий шаблон, от которого впоследствии отсекается все лишнее, в то время как при аддитивном производстве изделие создается непосредственно из расходного материала.

Рынок аддитивных технологий стремительно растет. По данным ведущей отраслевой аналитической компании SmarTech Publishing, специализирующейся на рынках аддитивного производства, общий объем мирового рынка аддитивного производства в 2018 году составил 9,3 миллиарда долларов, темпы его роста увеличились на 18 процентов по сравнению с 2017 годом.

По данным отчета экспертов Wohlers Associates, в 2019 году рынок 3D-печати вырос на 21,2 процента, почти до 12 миллиардов долларов. На сегодняшний день пока еще сложно оценить ущерб, нанесенный индустрии пандемией COVID-19 в 2020 году, однако 3D-печать сыграла далеко не последнюю роль в решении проблемы дефицита средств индивидуальной защиты и медицинских устройств во время пандемии.

Область применения аддитивных технологий довольно обширна. В частности, 3D-печать широко используется в медицине, строительстве, промышленности, авиа-, автомобиле- и судостроении.

В настоящее время применяется множество технологий 3D-печати, позволяющих использовать аддитивные технологии для решения различных задач. Наиболее распространенной является fused deposition modeling (FDM). В общем случае при FDM трёхмерная модель в файле формата STL (от английского stereolithography) загружается в программное обеспечение 3D-принтера, после чего либо автоматически, либо вручную программа располагает модель в виртуальном пространстве рабочей камеры. Далее происходит генерация вспомогательных опорных элементов, расчет количества необходимых расходных материалов и времени «выращивания» объекта. Непосредственно процесс 3D-печати заключается в перемещении экструдера (горячей головки с фильерами – высокопрочными формами с тарированными отверстиями) по заданной траектории, в ходе чего происходит расплавление тонкой пластиковой лески, которая укладывается согласно загруженным данным математической 3D-модели.

Существуют и другие широко используемые технологии 3D-печати, например, selective laser sintering (SLS) или selective laser melting (SLM). В случае SLS 3D-печать основывается на послойном спекании пластикового порошка с помощью лазера. Этот метод подходит для изготовления прочных пластиковых деталей сложных геометрических форм. SLM – технология 3D-печати методом лазерного плавления металлического порошка. Она позволяет создавать как точные металлические детали для работы в составе узлов и агрегатов, так и неразборные цельные конструкции.

Зелёная печать

Несомненное преимущество применения аддитивных технологий – относительная экологичность. Поскольку главный принцип 3D-печати - «прибавляй, а не вырезай», при аддитивном производстве образуется значительно меньше отходов производства. Таким образом, сама технология аддитивного производства несет в себе идею бережного отношения к ресурсам.

Стоит отметить, что возможность печатать на одном устройстве различные детали сложных форм способствует компактности производства. В отдельных случаях всего один 3D-принтер может заменить сразу несколько устройств, необходимых для применения классических технологий. По этой причине аддитивное производство может требовать меньших затрат на электроэнергию, а также выделять меньше углекислого газа.

Кроме того, аддитивные технологии открывают доступ к использованию широкого спектра расходных материалов, в том числе и экологичных, не оказывающих негативного влияния на окружающую среду. К примеру, немецкая компания BioInspiration, занимающаяся поставками экологически безопасных материалов для 3D-печати, разработала WillowFlex – гибкую биоразлагаемую нить диаметром всего 1,75 или 2,85 миллиметра, основной компонент которой – кукурузный крахмал. Эксперты установили, что уровень биоразложения этого материала в промышленных условиях составляет не менее 90 процентов за 6 месяцев. При этом материал сохраняет свою целостность даже при температуре 105°C, а эластичность – при 15°C. Также было показано, что изделия из WillowFlex и в бытовых условиях способны разлагаться в течение 2-3 лет. Однако для этого производители рекомендуют хорошо измельчить объект, а также обеспечить 4 главных компонента биоразложения: влажность, микроорганизмы, кислород и тепло. В противном случае материал будет оставаться стабильным.

Аддитивные технологии развиваются стремительно, что с течением времени делает их дешевле и доступнее. Сейчас не составит труда купить для личного пользования небольшой 3D-принтер, либо разместить подобное устройство, например, в офисе. Бытовое использование 3D-печати часто может быть нерациональным и, наоборот, приводить к чрезмерному использованию, например, пластика. Нерациональное применение аддитивных технологий способно привести к ухудшению экологической ситуации в мире. Однако на сегодняшний день польза от 3D-печати все-таки значительнее.

Аддитивно и эффективно

Аддитивное производство не только экологично, но и эффективно. Как упоминалось ранее, с помощью 3D-печати становится возможным изготовление деталей и цельных объектов очень сложных геометрических форм. Такое производство представляется не только удобным, но и довольно быстрым: время изготовления изделия сокращается благодаря уменьшению числа комплектующих частей, из которых создаются детали. Например, для изготовления топливной форсунки для реактивного двигателя классическим методом требуется 20 различных запчастей, которые впоследствии необходимо соединить между собой с помощью сварки. Применение 3D-печати позволяет изготовить форсунку значительно быстрее из специального материала.

Кроме того, детали сложной формы с внутренними полостями обладают значительно меньшей массой по сравнению с цельнометаллическими деталями. Изготовление более легких конструкций актуально, например, в авиастроении. Аддитивные технологии позволяют использовать сочетания материалов с различными свойствами. Например, одновременно использовать металл и керамику. Таким образом можно получать объект с необходимыми заданными свойствами – в частности, регулировать и массу детали.

При аддитивном производстве процесс изготовления изделия практически полностью автоматизирован. Это минимизирует человеческий фактор и в значительной степени повышает точность и воспроизводимость производства.

Выгодное производство

Автоматизация аддитивного производства не только снижает человеческий фактор и повышает точность изделия, но и экономически выгодна для производителя, так как снижается количество требуемых работников. В отдельных случаях можно представить ситуацию, когда для производства некоторой детали необходимы только 3D-конструктор, подготавливающий математическую 3D-модель, и оператор печати.

Ранее озвученное преимущество аддитивного производства – экономия исходного сырья и минимизация отходов – не только способствует улучшению экологической ситуации в мире, но и значительно снижает расходы на производство. С помощью 3D-печати возможно использовать для производства ровно столько материала, сколько требуется для конкретной детали, в то время как при традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 85 процентов.

В некоторых случаях аддитивные технологии позволяют производителю изготавливать детали сразу же, как только они становятся нужны. Благодаря этому исчезает необходимость в организации складов с запчастями и в их предварительной транспортировке к месту изготовления детали. Кроме того, снижается время простоя производства в ожидании поставок необходимых для работы запчастей.

С помощью 3D-печати становится возможным создание принципиально новых продуктов, которые невозможно получить классическими методами. Возможно, со временем развитие и совершенствование 3D-печати позволит аддитивным технологиям вытеснить классическое производство.

Россия в 3D

В то время как в мире 3D-печать уже успела стать очень популярной, Россия пока что отстает от мировых лидеров рынка аддитивной печати. Однако по оценкам международной консалтинговой компании J’son & Partners Consulting, отечественный рынок 3D-печати вырос с 2010 по 2018 год в 10 раз. Общий объем продаж оборудования, материалов и услуг 3D-печати в 2018 году составил 4,5 миллиарда рублей. По оценкам заместителя министра промышленности и торговли Российской Федерации Михаила Иванова, российский рынок растет в среднем на 20 процентов в год.

Госкорпорация «Росатом» - одна из компаний, которая придерживается в своей производственной деятельности программы Целей в области устойчивого развития Организации Объединенных Наций. Концепция устойчивого развития подразумевает принятие мер, направленных на оптимальное использование ограниченных ресурсов и использование природо-, энерго-, и материало-сберегающих технологий. В силу экологичности аддитивного производства, данными технологиями заинтересовались в «Росатоме».

В 2014 году госкорпорация «Росатом» выиграла грант Министерства науки и высшего образования Российской Федерации и начала разрабатывать однолазерный 3D-принтер, печатающий металлические изделия методом SLM.

В 2017 году был изготовлен первый в России опытный двухпорошковый двухлазерный 3D-принтер производства «Росатома». По сравнению с однолазерной, производительность двухлазерной системы была увеличена. Такой принтер печатает изделия значительно быстрее, а также позволяет улучшать характеристики используемых материалов. Система регенерации порошков позволяет разделять два их типа, отличающихся по фракционному составу, возвращая регенерированный порошок обратно в установку печати. Это существенно снижает расход порошков и, соответственно, себестоимость изделий. В 2019-м такой двухпорошковый двухлазерный 3D-принтер поступил в опытную эксплуатацию.

Также «Росатом» осваивает 3D-печать для изготовления оборудования для атомных станций, печатая детали сложной формы для неядерных частей атомных электростанций. «РусАТ», интегратор «Росатома» по аддитивным технологиям, выпускает опытные детали для авиа- и двигателестроения. Не так давно была разработана и напечатана на 3D-принтере малогабаритная газотурбинная установка.

В одной из ключевых для аддитивных технологий сфер — медицине – «Росатом» также имеет некоторые разработки. На специализированном участке с модульными принтерами MeltMaster-250D, который сейчас создает компания, можно будет изготавливать индивидуальные импланты: челюсти, глазницы и так далее. К этому моменту уже были напечатаны несколько сегментов нижней челюсти из титана. Испытания показали, что созданные методом 3D-печати импланты успешно выдерживают заданные нагрузки.

«РусАТ» разработал конструкцию многоразовых креплений для медицинских масок и экранов для защиты лица. Такие крепления повышают комфорт при длительном использовании и позволяют закрепить маску оптимальным образом с учетом индивидуальных особенностей человека. Экраны обеспечивают дополнительную защиту глаз и органов дыхания в дополнение к очкам и медицинским маскам.

«Росатом» занимается объединением и координацией российских компаний аддитивной отрасли. В июле 2019 года “Росатом” и Правительство России подписали соглашение о намерениях по направлению «Технологии создания новых материалов и веществ». В рамках этого соглашения «Росатом» взял на себя серьезную задачу: предстоит развивать не только направление аддитивных технологий, но и направление новых материалов и редкоземельных металлов.

Помимо «Росатома» в развитии аддитивных технологий в нашей стране также принимают участие такие компании, как «Ростех», «Роскосмос», ФГУП «ВИАМ» и другие компании, как государственные, так и частные. Правительством России совместно с этими компаниями была разработана Дорожная карта (подробный план) развития аддитивных технологий до 2030 года. Эксперты считают, что в результате проведения мероприятий Дорожной карты Россия к 2030 году может войти в топ-5 игроков мирового рынка 3D-печати.

В ближайшее время в Москве «РусАТ» планирует открыть центр аддитивных технологий. Он будет выполнять три функции: демонстрировать возможности аддитивного производства заказчикам, отрабатывать НИОКРы (научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы) и изготавливать различные изделия. В перспективе в России будет создана целая сеть таких центров.

Уже сегодня аддитивные технологии приносят людям неоценимую пользу. Остается верить, что 3D-печать и дальше будет стремительно развиваться и с помощью аддитивных технологий будет получено много важных и необходимых человеку вещей, изобретение которых ранее не представлялось возможным.