Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, продолжает развиваться уже почти 35 лет с момента его коммерческого применения. Аэрокосмическая, автомобильная, оборонная, энергетическая, транспортная, медицинская, стоматологическая и потребительская отрасли используют аддитивное производство для широкого спектра применений.
При таком широком распространении становится ясно, что аддитивное производство — это не универсальное решение. Согласно стандарту терминологии ISO/ASTM 52900, почти все коммерческие системы аддитивного производства относятся к одной из семи категорий процессов. К ним относятся экструзия материала (MEX), фотополимеризация в ванне (VPP), спекание порошкового слоя (PBF), распыление связующего (BJT), распыление материала (MJT), направленное энергетическое осаждение (DED) и листовое ламинирование (SHL). Здесь они отсортированы по популярности на основе объемов продаж.
Всё большее число специалистов отрасли, включая инженеров и менеджеров, узнают, когда аддитивное производство может помочь улучшить продукт или процесс, а когда нет. Исторически сложилось так, что основные инициативы по внедрению аддитивного производства исходили от инженеров, имеющих опыт работы с этой технологией. Руководство видит всё больше примеров того, как аддитивное производство может повысить производительность, сократить сроки выполнения заказов и создать новые возможности для бизнеса. Аддитивное производство не заменит большинство традиционных форм производства, но станет частью арсенала предпринимателя в области разработки и производства продукции.
Аддитивное производство имеет широкий спектр применений, от микрофлюидики до крупномасштабного строительства. Преимущества аддитивного производства варьируются в зависимости от отрасли, области применения и требуемых характеристик. Независимо от сценария использования, у организаций должны быть веские причины для внедрения аддитивного производства. Наиболее распространенными являются концептуальное моделирование, проверка конструкции, а также проверка пригодности и функциональности. Все больше компаний используют его для создания инструментов и приложений для массового производства, включая разработку продукции на заказ.
Для аэрокосмических применений вес является важным фактором. По данным Космического центра им. Маршалла НАСА, вывод полезной нагрузки весом 0,45 кг на околоземную орбиту обходится примерно в 10 000 долларов. Снижение веса спутников может сэкономить средства на запуске. На прилагаемом изображении показана металлическая деталь Swissto12, изготовленная методом аддитивного производства, которая объединяет несколько волноводов в одну деталь. Благодаря аддитивному производству вес снижается до менее чем 0,08 кг.
Аддитивное производство используется на всех этапах производственной цепочки в энергетической отрасли. Для некоторых компаний экономическое обоснование использования АМ заключается в быстрой итерации проектов для создания наилучшего возможного продукта в кратчайшие сроки. В нефтегазовой отрасли поврежденные детали или узлы могут обходиться в тысячи долларов и более в виде потери производительности в час. Использование АМ для восстановления производственных процессов может быть особенно привлекательным.
Крупный производитель систем DED, компания MX3D, выпустила прототип инструмента для ремонта труб. По данным компании, ремонт поврежденного трубопровода может обходиться от 100 000 до 1 000 000 евро (113 157–1 131 570 долларов США) в день. Приспособление, показанное на следующей странице, использует деталь, изготовленную на станке с ЧПУ, в качестве каркаса и технологию DED для сварки окружности трубы. Аддитивное производство обеспечивает высокую скорость нанесения покрытия с минимальным количеством отходов, а станки с ЧПУ — необходимую точность.
В 2021 году на нефтяной платформе TotalEnergies в Северном море была установлена ​​водоопорная оболочка, изготовленная с помощью 3D-печати. ​​Водоопорные рубашки являются критически важным элементом, используемым для контроля добычи углеводородов в строящихся скважинах. В данном случае преимущества использования аддитивных технологий заключаются в сокращении сроков выполнения работ и снижении выбросов на 45% по сравнению с традиционными коваными водоопорными рубашками.
Еще одно экономическое преимущество аддитивного производства — сокращение затрат на дорогостоящую оснастку. Компания Phone Scope разработала адаптеры для дигископинга — устройств, которые подключают камеру телефона к телескопу или микроскопу. Каждый год выпускаются новые телефоны, и компаниям приходится выпускать новые линейки адаптеров. Используя аддитивное производство, компания может сэкономить деньги на дорогостоящей оснастке, которую необходимо заменять при выпуске новых телефонов.
Как и любой другой процесс или технология, аддитивное производство не следует использовать просто потому, что оно считается новым или нестандартным. Цель состоит в улучшении процесса разработки продукции и/или производственных процессов. Оно должно приносить дополнительную ценность. Примеры других бизнес-кейсов включают в себя изготовление продукции на заказ и массовую кастомизацию, сложную функциональность, интегрированные детали, уменьшение количества материала и веса, а также повышение производительности.
Для того чтобы аддитивное производство (АМ) реализовало свой потенциал роста, необходимо решить ряд проблем. Для большинства производственных задач процесс должен быть надежным и воспроизводимым. В этом помогут последующие методы автоматизации удаления материала с деталей и опор, а также постобработки. Автоматизация также повышает производительность и снижает стоимость детали.
Одна из областей, представляющих наибольший интерес, — это автоматизация постобработки, например, удаление порошка и финишная обработка. Автоматизация процесса массового производства позволяет повторять одну и ту же технологию тысячи раз. Проблема заключается в том, что конкретные методы автоматизации могут различаться в зависимости от типа детали, размера, материала и процесса. Например, постобработка автоматизированных зубных коронок сильно отличается от обработки деталей ракетных двигателей, хотя и те, и другие могут быть изготовлены из металла.
Поскольку детали оптимизированы для аддитивного производства, часто добавляются более сложные элементы и внутренние каналы. Для порошковой наплавки основная цель — удаление 100% порошка. Компания Solukon производит автоматические системы удаления порошка. Компания разработала технологию Smart Powder Recovery (SRP), которая вращает и вибрирует металлические детали, все еще прикрепленные к рабочей платформе. Вращение и вибрация контролируются CAD-моделью детали. Благодаря точному перемещению и встряхиванию деталей, захваченный порошок течет почти как жидкость. Эта автоматизация сокращает ручной труд и может повысить надежность и воспроизводимость удаления порошка.
Проблемы и ограничения ручного удаления порошка могут ограничивать целесообразность использования аддитивного производства для массового производства, даже в небольших количествах. Системы удаления металлического порошка Solukon могут работать в инертной атмосфере и собирать неиспользованный порошок для повторного использования в машинах для аддитивного производства. Компания Solukon провела опрос клиентов и опубликовала исследование в декабре 2021 года, показавшее, что двумя главными проблемами являются охрана труда и воспроизводимость результатов.
Ручное удаление порошка из полимерных конструкций, изготовленных методом порошковой металлургии, может занимать много времени. Такие компании, как DyeMansion и PostProcess Technologies, разрабатывают системы постобработки для автоматического удаления порошка. Многие детали, изготовленные методом аддитивного производства, можно загрузить в систему, которая переворачивает и выталкивает материал для удаления излишков порошка. Компания HP разработала собственную систему, которая, как утверждается, удаляет порошок из рабочей камеры Jet Fusion 5200 за 20 минут. Система хранит нерасплавленный порошок в отдельном контейнере для повторного использования или переработки в других областях применения.
Компании могут извлечь выгоду из автоматизации, если ее можно применить к большинству этапов постобработки. Компания DyeMansion предлагает системы для удаления порошка, подготовки поверхности и покраски. Система PowerFuse S загружает детали, обрабатывает гладкие детали паром и выгружает их. Компания предоставляет стеллаж из нержавеющей стали для подвешивания деталей, что выполняется вручную. Система PowerFuse S может создавать поверхность, аналогичную поверхности литьевой формы.
Самая большая проблема, стоящая перед отраслью, — это понимание реальных возможностей, которые предлагает автоматизация. Если необходимо изготовить миллион полимерных деталей, традиционные процессы литья или формования могут быть наилучшим решением, хотя это зависит от детали. Аддитивное производство часто доступно для первого производственного цикла на этапах изготовления оснастки и тестирования. Благодаря автоматизированной постобработке с помощью аддитивного производства можно надежно и воспроизводимо изготавливать тысячи деталей, но это зависит от конкретной детали и может потребовать индивидуального решения.
Аддитивное производство не имеет никакого отношения к промышленности. Многие организации представляют интересные результаты исследований и разработок, которые могут привести к надлежащему функционированию продуктов и услуг. В аэрокосмической отрасли компания Relativity Space производит одну из крупнейших систем аддитивного производства металлов с использованием запатентованной технологии DED, которую компания надеется использовать для производства большинства своих ракет. Ее ракета Terran 1 может доставить полезную нагрузку массой 1250 кг на низкую околоземную орбиту. Relativity планирует запустить тестовую ракету в середине 2022 года и уже разрабатывает более крупную многоразовую ракету под названием Terran R.
Ракеты Terran 1 и R компании Relativity Space — это инновационный способ переосмыслить будущее космических полетов. Интерес к этой разработке был вызван проектированием и оптимизацией с использованием аддитивных технологий. Компания утверждает, что этот метод сокращает количество деталей в 100 раз по сравнению с традиционными ракетами. Компания также заявляет, что может производить ракеты из сырья в течение 60 дней. Это отличный пример объединения множества деталей в одну и значительного упрощения цепочки поставок.
В стоматологической отрасли аддитивное производство используется для изготовления коронок, мостов, хирургических шаблонов для сверления, частичных протезов и элайнеров. Align Technology и SmileDirectClub используют 3D-печать для производства деталей для термоформования прозрачных пластиковых элайнеров. Align Technology, производитель продукции под брендом Invisalign, использует многие системы фотополимеризации в ваннах 3D Systems. В 2021 году компания заявила, что с момента получения одобрения FDA в 1998 году она вылечила более 10 миллионов пациентов. Если типичное лечение пациента состоит из 10 элайнеров (что является заниженной оценкой), то компания произвела 100 миллионов или более деталей, изготовленных методом аддитивного производства. Детали из стекловолокна трудно перерабатывать, поскольку они являются термореактивными. SmileDirectClub использует систему HP Multi Jet Fusion (MJF) для производства термопластичных деталей, которые могут быть переработаны для других применений.
Исторически сложилось так, что технология VPP не позволяла производить тонкие, прозрачные детали с прочностными характеристиками, пригодные для использования в качестве ортодонтических аппаратов. В 2021 году компании LuxCreo и Graphy представили возможное решение. По состоянию на февраль, компания Graphy получила одобрение FDA на прямую 3D-печать стоматологических аппаратов. При прямой печати весь процесс считается короче, проще и потенциально дешевле.
Одной из первых разработок, получивших широкое освещение в СМИ, стало использование 3D-печати в крупномасштабном строительстве, например, жилых домов. Часто стены дома печатаются методом экструзии. Все остальные части дома изготавливаются традиционными методами и из традиционных материалов, включая полы, потолки, крыши, лестницы, двери, окна, бытовую технику, шкафы и столешницы. 3D-печать стен может увеличить стоимость установки электропроводки, освещения, водопровода, воздуховодов и вентиляционных систем для отопления и кондиционирования. Отделка внутренней и внешней поверхности бетонной стены сложнее, чем при использовании традиционных конструкций. Модернизация дома с помощью 3D-печати стен также является важным аспектом.
Исследователи из Ок-Риджской национальной лаборатории изучают способы хранения энергии в стенах, напечатанных на 3D-принтере. Встраивая трубы в стену во время строительства, можно обеспечить циркуляцию воды для отопления и охлаждения. Этот научно-исследовательский проект интересен и инновационен, но пока находится на ранней стадии разработки. Этот научно-исследовательский проект интересен и инновационен, но пока находится на ранней стадии разработки.Этот исследовательский проект интересен и новаторский, но он все еще находится на ранних стадиях разработки.Этот исследовательский проект интересен и новаторский, но пока находится на ранней стадии разработки.
Большинство из нас еще не знакомы с экономикой 3D-печати строительных деталей или других крупных объектов. Эта технология использовалась для производства некоторых мостов, навесов, парковых скамеек и декоративных элементов для зданий и ландшафта. Считается, что преимущества аддитивного производства в малых масштабах (от нескольких сантиметров до нескольких метров) применимы и к крупномасштабной 3D-печати. ​​Основные преимущества использования аддитивного производства включают создание сложных форм и элементов, сокращение количества деталей, уменьшение расхода материала и веса, а также повышение производительности. Если аддитивное производство не приносит добавленной стоимости, его полезность следует подвергнуть сомнению.
В октябре 2021 года компания Stratasys приобрела оставшиеся 55% акций Xaar 3D, дочерней компании британского производителя промышленных струйных принтеров Xaar. Технология полимерного PBF от Stratasys, называемая Selective Absorbion Fusion, основана на струйных печатающих головках Xaar. Принтер Stratasys H350 конкурирует с системой HP MJF.
Приобретение Desktop Metal произвело сильное впечатление. В феврале 2021 года компания приобрела Envisiontec, давнего производителя промышленных систем аддитивного производства. В мае 2021 года компания приобрела Adaptive3D, разработчика гибких полимеров VPP. В июле 2021 года Desktop Metal приобрела Aerosint, разработчика процессов многокомпонентного порошкового покрытия. Крупнейшее приобретение произошло в августе, когда Desktop Metal купила конкурента ExOne за 575 миллионов долларов.
Приобретение компании ExOne компанией Desktop Metal объединяет двух известных производителей систем на основе металлических биполярных транзисторов. В целом, технология еще не достигла того уровня, на который многие полагают. Компании продолжают решать такие проблемы, как повторяемость, надежность и понимание первопричин возникающих неполадок. Тем не менее, даже если проблемы будут решены, у технологии еще есть потенциал для выхода на более крупные рынки. В июле 2021 года компания 3DEO, поставщик услуг, использующий собственную систему 3D-печати, сообщила о миллионной отгрузке своей продукции клиентам.
Разработчики программного обеспечения и облачных платформ отмечают значительный рост в индустрии аддитивного производства. Это особенно актуально для систем управления производительностью (MES), отслеживающих всю цепочку создания стоимости в аддитивном производстве. В сентябре 2021 года компания 3D Systems договорилась о приобретении Oqton за 180 миллионов долларов. Основанная в 2017 году, Oqton предоставляет облачные решения для улучшения рабочих процессов и повышения эффективности аддитивного производства. В ноябре 2021 года компания Materialize приобрела Link3D за 33,5 миллиона долларов. Как и Oqton, облачная платформа Link3D отслеживает работу и упрощает рабочий процесс в аддитивном производстве.
Одной из последних сделок 2021 года стало приобретение компанией ASTM International компании Wohlers Associates. Вместе они работают над тем, чтобы использовать бренд Wohlers для поддержки более широкого внедрения аддитивного производства во всем мире. Через Центр передового опыта ASTM в области аддитивного производства Wohlers Associates продолжит выпускать отчеты Wohlers и другие публикации, а также предоставлять консультационные услуги, проводить анализ рынка и обучение.
Индустрия аддитивного производства достигла зрелости, и многие отрасли используют эту технологию для широкого спектра применений. Однако 3D-печать не заменит большинство других форм производства. Вместо этого она используется для создания новых типов продукции и бизнес-моделей. Организации используют аддитивное производство для уменьшения веса деталей, сокращения сроков выполнения заказов и затрат на инструменты, а также для повышения персонализации и производительности продукции. Ожидается, что индустрия аддитивного производства продолжит свой рост, и новые компании, продукты, услуги, приложения и варианты использования будут появляться, зачастую с головокружительной скоростью.