¬аше окно в мир —јѕ–
Ќовости —татьи јвторы —обыти€ ¬акансии Ёнциклопеди€ –екламодател€м
—татьи

27 сент€бр€ 2023

Ђ» все-таки она вертитс€!ї, или забудьте все, что вы знали о классической 3D-печати

ƒмитрий “рубашевский

ƒмитрий “рубашевский


јвтор Ч руководитель подразделени€ Ђјддитивные технологииї ќќќ Ђ—овременное оборудованиеї, ћосква

—тать€ опубликована в журнале Ђѕолимерные материалыї, є 6, 2023. ¬оспроизведено с разрешени€ автора.


¬ данной статье читателей ждут удивительные примеры с доказательствами успешно функционирующих систем 3D-печати с особой компоновкой, которые можно с уверенностью назвать разработками, внос€щими весомый вклад в динамичный мир аддитивного производства (јѕ), и своего рода предтечами јѕ будущего. Ќо почему тогда в названии статьи говоритс€ про классическую 3D-печать? ƒело в том, что несколько последних дес€тилетий позволили первым аддитивным технологи€м (ј“) укоренитьс€ и стать определенного рода классическим стандартом нового производства и новых изделий независимо от бренда-разработчика 3D-принтера. —егодн€ же мир ј“ продвинулс€ далеко вперед и может похвастатьс€ новыми разработками, которые по причине инерционности рынка пока не имеют достойной попул€рности.


јддитивные технологии

¬ведение

ќшибочно приписываема€ √алилео √алилею фраза ЂEppur si muove!ї (Ђ» все-таки она вертитс€!ї), как и многие красивые легенды без фактов и доказательств, сегодн€ прочно прижилась в народе. Ќадеемс€, что в будущем она приживетс€ и по отношению к конструкции 3D-принтеров с ротационными столами. Ќо об этом подробнее в разд. 2 и 3. ј сейчас давайте условимс€, что обсуждать в данной статье мы будем промышленные или профессиональные производственные системы, которые отличаютс€ в лучшую (кроме цены) сторону от настольных 3D-принтеров своей надежностью, качеством, универсальностью, точностью, габаритами и производительностью.

» позвольте начать немного издалека, но не с надоевших всем историй первого по€влени€ ручной, а потом и цифровой технологии послойного синтеза объектов. Ћюбой завод интересуют новые управленческие, цифровые и производственные технологии получени€ рентабельной продукции с их быстрой диффузией в практику без значительной трансформации рутинных операций. Ёто зачастую происходит в самом начале пути их непрерывного совершенствовани€, если таковую цель ставит менеджмент завода. ¬ дальнейшем же менеджмент может рискнуть и пойти на глобальные изменени€ с прорывными решени€ми, что точно заставит нервничать и активно включитьс€ в эту работу многие службы завода. “ак вот на первых этапах руководство стараетс€ помочь отстающим отделам и процессам с помощью Ђлоскутныхї (локальных) трансформаций. » поверьте, к технологи€м 3D-печати приход€т тогда, когда уже многое было испробовано, а ожидаемый эффект не был достигнут. » вот наконец-то доходит очередь до ј“.

ƒолгий и скрупулезный анализ рынка позвол€ет сделать неутешительные дл€ менеджмента завода выводы: ј“ сегодн€ не могут полноценно заменить традиционные серийные технологии, но дл€ опытного производства и отработки новых вариантов продукции рискнуть можно. –искнули, заказали, настроили, испыталиЕ » вот дл€ оправдани€ затрат звучит следующий нарратив: бионический дизайн Ч облегчение веса Ч индивидуализаци€ Ч компактизаци€ Ч агрегаци€Е » вполне возможно, что во всем цикле производства своей продукции (чем он короче, тем более €рко выражен эффект) счастливый собственник получит 1Ц10 % сокращени€ затрат и времени (в зависимости от объема использовани€ јѕ). Ќо что сделано, то сделано.

 оллектив конструкторов и технологов начинает трансформировать классические навыки проектировани€ и производства и все чаще использовать в своей работе новое инженерное мышление, воплощаемое инноваци€ми мира 3D-печати. »дет движение вперед шаг за шагом с инноваци€ми Ч и завод уже не может отказатьс€ от јѕ, поскольку в  ƒ и техпроцессы не мытьем, так катаньем было включено јѕ. ¬от в этот самый момент и можно говорить о диффузии јѕ, ставшего неотъемлемой частью современного производства завода. –уководители отделов рапортуют об успехах топологической оптимизации конструкций, небывалых локальных экономических эффектах, компактном производстве деталей на минимальных площад€х без использовани€ инструментальной оснастки. ¬роде все выгл€дит оптимистично, кто-то даже находит возможность дл€ инвестиций дл€ масштабировани€ производства. Ќо все ждут от јѕ немного другогоЕ

1. ÷ель Ч повышение производительности

√лавна€ цель јѕ на современном этапе Ч значительное повышение производительности серийного выпуска продукции, прежде всего за счет автоматизации. ƒл€ высокоразвитых стран јѕ Ч не что иное, как просто бизнес. ƒаже самый современный 3D-принтер у одного хоз€ина редко служит более 3Ц5 лет. «а это врем€ он успевает морально (редко физически) устареть и не отражает возможности јѕ в текущем моменте. ѕоэтому, чтобы оставатьс€ в тренде и на рынке, промышленник избавл€етс€ от старых систем и приобретает новые.

¬ –оссии все обстоит несколько иначе. Ќе секрет, что стоимость иностранного оборудовани€ и материалов импортного производства Ч ввиду таможенных пошлин, логистики и налогов Ч может отличатьс€ в 1,5Ц2 раза от цены закупки, соответственно окупаемость будет заметно дольше, чем прин€то в общемировой практике. Ќаходить такие высокие инвестиции, несмотр€ на высокое качество продукции, но при отсутствии заметной окупаемости в 3Ц5 лет, крайне сложно: ведь здесь работают законы бизнеса. “акже стоит честно признать, что в –оссии недостаточно высокий уровень инновационных разработок, требующих максимально быстрого и простого изготовлени€ ответственных компонентов без утомительной подготовки производства Ч а это все вли€ет на загрузку аддитивного оборудовани€. ѕоэтому обновл€емость парка дорогих импортных систем в –оссии не сама€ высока€ в мире. ƒругими словами, у нас долго работают на устаревшем оборудовании, менее точном, удобном и производительном.

ѕозвольте, скажете вы, а как же российские разработчики? –азве не способны они создавать системы, повтор€ющие возможности успешных зарубежных производителей, если еще прин€ть во внимание очевидное отсутствие таможенных пошлин и сложной логистики и наличие недорогих российских комплектующих? ѕозволит ли это повли€ть на удешевление производимых систем и, как следствие, повысить привлекательность конечной продукции благодар€ снижению затрат на активные основные фонды? ¬ы будете правы: пожалуй, способны. Ќо давайте зададимс€ вопросом о современной мировой рыночной инновационности: присутствует ли она у российских разработок? » что самое главное: показывают ли российские 3D-принтеры кратное увеличение производительности благодар€ фирменным разработкам? ѕостарайтесь ответить на эти вопросы самосто€тельно.

» наконец, если говорить на тему автоматизации серийного јѕ будущего, то стоит обратить внимание на киберфизические системы (Cyber-physical System) и модульные компоновочные решени€ как наиболее перспективные в этом смысле (рис. 1) [1].

3D-печать

–ис. 1. ќсновные укрупненные компоновочные схемы аддитивного оборудовани€ [1]

2. ќ столах и платформах

ƒл€ многих воспри€тие профессиональных и промышленных 3D-принтеров и печати на них изделий из пластмасс, керамики, песка и металла чаще всего лежит в образе декартовой системы координат с трем€ линейными ос€ми X, Y, Z и соответствующими квадратными или пр€моугольными столами. ¬ этом случае обычно говор€т о 3D-печати в 2,5D ос€х Ч полноценной механической работе головки по ос€м X и Y. ¬доль вертикальной оси Z обычно перемещаетс€ уже стол на заранее назначенную высоту сло€, часто одинаковую на прот€жении всего рабочего цикла печати. Ёто наиболее проста€ реализаци€ принципа 3D-печати (рис. 2Ц3) [2, 3].

3D-печать

–ис. 2. —хема 3D-печати по технологии mjm на пр€моугольном или квадратном столе, компани€ dp Polar [2]

3D-печать

–ис. 3. ѕроцесс работы принтера по технологии MJM/PolyJet на ткани, компани€ Stratasys [3]

Ќо есть и друга€, менее распространенна€, схема, в соответствии с которой именно рабочий стол, а не головка совершает движени€ вдоль оси Y или даже вдоль двух осей XY или XZ, а головка движетс€ по оставшейс€ оси, например оси Z (в обиходе российских Ђдесктопї-аддитивщиков часто дл€ обозначени€ данной схемы примен€етс€ пренебрежительный термин Ђдрыгостолї).

Ќе обойдем стороной лазерную и электронно-лучевую технологии LB-PBF/SLM, PBF/SLS, EB-PBF (рис. 4), в которых лазерный или электронный луч после соответствующей подготовки проецируетс€ на рабочую поверхность стола с материалом, то есть выполн€ет всю работу по перемещени€м вдоль осей X и Y (расшифровку приводимых здесь и в дальнейшем прин€тых англо€зычных сокращений названий технологий 3D-печати см. в статье автора ЂAdditive Minded Talks2023: инновации в ответ на санкцииї, опубликованной в журнале Ђѕолимерные материалыї є 3Ц4 2023 г. Ч ѕрим. ред.).

3D-печать

–ис. 4. схемы јѕ изделий из различных материалов (указаны внизу схем) с использованием лазерной и электронно-лучевой ј“ с поступательно движущимис€ столами [1] (графика: ƒ. “рубашевский)

ѕри этом cтол перемещаетс€ дискретно по оси Z на величину, равную высоте сло€. Ѕолее сложное представление уже предусматривает добавление одной или трех поворотных осей, вращающихс€ вокруг линейных осей. “ака€ схема свойственна дл€ систем, наследующих компоновку классического портального или консольного „ѕ”-оборудовани€.

—праведливости ради стоит отметить использование круглых вращающихс€ (поворотных) столов в таких технологи€х, как:

  • металлические (работающие с металлом) DED-P (рис. 5), DED-W (рис. 5Ц6) (консоли, порталы, робототехнические комплексы (–“ )). ѕри этом съемна€ платформа построени€ может иметь различный вид геометрической фигуры при условии соблюдени€ допустимых отклонений формы плоских поверхностей;
  • металлическа€ LB-PBF (см. рис. 4) и пластикова€ SLS с круглыми колодцами (обычно это более доступные по стоимости решени€, но не предлагающие столы с большими габаритами);
  • пластмассова€ и композитна€ FDM/CFC (–“ ) (см. рис. 5).
3D-печать

–ис. 5. —хемы использовани€ в јѕ круглых вращающихс€ столов [1]

3D-печать

–ис. 6.  руглый поворотный стол на 3D-принтере Gefertec arc405, технологи€ 3DMP/WAAM, компани€ Gefertec [4]

“акие столы свод€т к минимуму износ и вибрацию всех компонентов оборудовани€, что положительно вли€ет на надежность системы и качество получаемых изделий. “ем не менее все эти круглые столы чаще всего используютс€ лишь дл€ удешевлени€ и удобства использовани€ нескольких осей в ограниченных габаритах станка. ј как же пол€рна€ система координат, в которой кажда€ точка на плоскости определ€етс€ двум€ параметрами Ч пол€рным углом и пол€рным радиусом? “ехнологии DED-P, DED-W, FDM/CFC могут ее использовать, хот€ пол€рна€ система и не совсем удобна в работе дл€ инженера. ќстановит ли это безумного до идей ученого или разработчика?

Ќу что ж, кажетс€, теперь мы готовы поговорить о самом главном.

3. ѕредтечи аддитивного производства будущего

»так, повышение производительности до уровн€ классических технологий Ч вр€д ли достижима€, но привлекательна€ цель дл€ любой ј“.  ак этого можно достичь в перспективе нескольких дес€тилетий? –ецепта, скорее всего, вы не найдете. Ќо никто не мешает нам представить јѕ будущего или хот€ бы его важные составл€ющие Ч вид рабочего стола и специфику его работы. „тобы лучше пон€ть тенденции, давайте начнем с эпохальных разработок в хронологической последовательности и не будем удел€ть много времени полному описанию техпроцесса, оставив это в качестве домашнего задани€ любознательному читателю.

 омпани€ Evolve Additive Solutions со своей технологией скоростной печати пластмассами STEP (Selective Thermoplastic Electrophotographic Process) (рис. 7) по€вилась на рынке сравнительно недавно Ч в 2017 г. [5]. —егодн€ јѕ как никогда близко к завоеванию значимой части рынка классического производства. Ќо произойти это должно только при увеличении скорости производства в дес€тки, а лучше в сотни раз. » вот как раз разработка Evolve Additive Solutions приближает нас к этому моменту.

3D-печать

–ис. 7.  онвейерный тип стола с декартовой системой координат, технологи€ STEP, компани€ Evolve Additive Solutions [6]

—тол здесь движетс€ линейно вдоль оси X вперед-назад и синхронизирован с вращением множества барабанов. Ѕарабаны, в свою очередь, выполн€ют множество функций, включа€ аккуратный перенос каждого сло€ будущей детали с пленки на поверхность стола. ѕри описании технологии STEP уместен пример с традиционной типографией, в которой печатные машины путем оттиска передают изображение на рулонный материал основы с использованием трафарета и формы посредством электрофотографии. «десь действует почти тот же принцип, только место трафарета занимают сами материалы Ч модельный и вспомогательный.  онечное изделие из технического аморфного или полукристаллического термопласта получаетс€ изотропным по всем трем ос€м с возможностью полноцветной и мультиматериалами печати. —тоимость одной детали и качество поверхности сопоставимы с традиционным производством. «ахватывает дух от всего этого, правда? “акие системы очень сложны в копировании (реверс-инжиниринге) и могут примен€тьс€ исключительно в промышленных масштабах. Ёто почти то, что нам нужно: чрезвычайно быстро, относительно компактно, с возможностью печати действительно массивных деталей, учитыва€ большую длину стола. » что немаловажно, эта технологи€ может быть защищена р€дом нетривиальных патентов.

 омпани€ Tritone Technologies, основанна€ также в 2017 г. [7], разработала уникальную гибридную технологию MoldJet, совмещающую в себе 3D-печать по технологии под общим названием MJM (Multi Jet Modeling) дл€ печати формы из поддержек и традиционной MIM/CIM (Metal/Ceramic Injection Molding) дл€ заливки модельного материала в форму (рис. 8).

3D-печать

–ис. 8. —хема уникальной гибридной технологии MoldJet (графика: ƒ. “рубашевский)

Ёто технологическое решение позвол€ет создавать с помощью пьезоэлектрической струйной головки послойно литейную форму из материала поддержки и тут же заполн€ть ее полости модельным материалом из металлополимерной (MIM) или керамополимерной (CIM) композиции. » така€ инновационность в изобретении израильских разработчиков не единственна€. ¬есь процесс происходит на карусели, состо€щей из 4Ц6 платформ, попеременно заезжающих под соответствующее устройство на очередной технологической операции (печать, первична€ термообработка, контроль) (см. фото у заголовка статьи). «а€вл€етс€ производительность от 220 до 1600 см3/ч дл€ систем Dim и Dominant соответственно [7, 8]. «десь оп€ть наблюдаетс€ вращение как оптимальный способ компактизации, ускорени€ и автоматизации серийного производства [9].   сожалению, процесс не €вл€етс€ по-насто€щему непрерывным, как в случае с фотополимерными смолами (поговорим об этом чуть позже), а дискретен по своей сути.

¬ 2021 г. компани€ Stratasys преподнесла сразу несколько сюрпризов в виде серии роторных 3D-принтеров Ч J5 DentaJet, J5 MediJet, J35 Pro, J55 Prime с потр€сающей конструкторской концепцией и пол€рной системой координат (рис. 9) [10]. ѕредставленные принтеры хороши во всем: потр€сающий дизайн от дизайнеров BMW, унаследованный от FDM-семейства F123, высока€ производительность, мультиматериальность, надежность, компактность. ¬ общем, все, что ждет самый требовательный потребитель от офисной цветной 3D-печати.  азалось бы Ч вот она концепци€ мечты принтера будущего! ќднако ограничени€ми €вл€ютс€ низкие эксплуатационные характеристики получаемых изделий из фотополимеров, а также недостаточно высокий уровень автоматизации.

3D-печать

–ис. 9. –оторный стол с пол€рной системой координат 3D-принтера J5 DentaJet, компани€ Stratasys [10]

ƒа простит мен€ дорогой читатель, но последний Ђфруктї дл€ нашего натюрморта несколько не соответствует ранее прин€той хронологической последовательности моего повествовани€. —делано это было намеренно дл€ расстановки всех точек над Ђiї в конце данного обзора-расследовани€. Ќемецка€ компани€ dp Polar [2] примен€ет технологию ротационной печати в пол€рных координатах High-Speed Rotative AM (HSR) с помощью пьезоэлектрических струйных печатающих головок Xaar 1003 английского производител€ Xaar [11].  онечно же, такие головки предназначены дл€ технологии струйного нанесени€ фотополимеров MJM (подобна€ технологи€ используетс€ у 3D Systems Ч MultiJet Printing [12] и у Stratasys Ч PolyJet [13]).

≈ще с 2019 г. dp Polar за€вила о себе как о компании, целью которой €вл€етс€ покорение промышленного кастомизированного производства с помощью ј“. ≈ю за€вл€етс€ скорость около 10 л/ч с потенциальным объемом построени€ в будущем за один цикл, равным 700 л. јвтоматизаци€ решена здесь очень элегантным образом: одна из восьми секций роторного стола в любой момент времени может быть заменена вручную или с помощью –“  на совершенно пустую или специально подготовленную дл€ печати какого-либо функционального сло€ или элемента (рис. 10Ц11). ƒалее секци€ может передаватьс€ на следующую технологическую операцию, например растворени€ материала поддержки.

3D-печать

–ис. 10. ѕроцедура замены секции 3D-принтера AMpolar с пол€рной системой координат, компани€ dp Polar [14]

3D-печать

–ис. 11. ¬изуализаци€ замены секции роторного стола технологии HSR, котора€ может осуществл€тьс€ как человеком, так и –“ , компани€ dp Polar [14]

 омпани€ dp Polar уже говорит о возможности использовани€ ее систем AMpolar дл€ мультиматериальной печати, включа€ 3D-печать электронных компонентов AME (Additive Manufactured Electronics) (рис. 12) на любых поверхност€х и многослойных структурах токопровод€щими чернилами и диэлектриками, включа€ носимую электронику (Wearable Electronics) (рис. 13). »менно эта концепци€ может лежать в основе разработки принтера будущего.

3D-печать

–ис. 12. Ќапечатанные компоненты электронных устройств, компани€ Nano Dimension [15]

3D-печать

–ис. 13.  омпонент носимой электроники, полностью напечатанный на 3D-принтере, способный принимать форму тела человека или животного [16]

¬ыводы

Cегодн€ мы становимс€ свидетел€ми не прототипов и демонстраторов, а достойных серийных 3D-принтеров, предтеч будущего јѕ, совмещающих в себе мультиматериальную и многокомпонентную печать (пластмассы, электроника, металлы, керамика) за один технологический цикл, например с помощью пьезоэлектрических головок. ѕричем автоматизаци€ логично и успешно решена или будет решена с помощью –“ . “акое безлюдное производство вполне может зан€ть свое место в цифровых Ђфабриках будущегої, освобожда€ человека от рутинного труда.

¬оспользуютс€ ли такими решени€ми разработчики систем дл€ серийного аддитивного производства?  ак они будут решать вопросы автоматизации? ѕожалуй, у нас остаетс€ два варианта: покорно ждать ответы на свои вопросы или вступить в р€ды разработчиков, с самого начала нацелива€сь на решени€ дл€ комплексной автоматизации аддитивного производства.

—писок литературы

1 Trubashevskij D. S. Additivnye zarisovki ili resheniya dlya tekh, kto ne hochet prodolzhatТ teryatТ denТgi. Ц Voronezh: Izd. ЂUmnoe proizvodstvoї. 2021 ISBN 978- 5-600-02999-6.
“рубашевский ƒ. —. јддитивные зарисовки, или решени€ дл€ тех, кто не хочет продолжать тер€ть деньги. Ч ¬оронеж: »зд. Ђ”мное производствої. 2021 ISBN 978-5-600-02999-6.

2 URL: https://dppolar.de

3 URL: https://www.stratasys.com/en/3d-printers/printer-catalog/3d-printer-tech-style

4 URL: https://www.gefertec.de

5 URL: https://www.evolveadditive.com/our-history

6 URL: https://vimeo.com/392962837

7 URL: https://tritoneam.com/about-us/ URL: https://tritoneam.com/wp-content/uploads/Tritone-Dim-Product-Sheet-1.pdf

8 URL: https://tritoneam.com/wp-content/uploads/Tritone-Dominant-Product-Sheet.pdf

9 URL: https://youtu.be/PT5MrHkSQHE

10 URL: https://youtu.be/bVsTOmzLN5o

11 URL: https://www.xaar.com/en/news/2020/xaar-1003-printhead-delivers-for-industrial-3d-printing

12 URL: https://www.3dsystems.com/multi-jet-printing

13 URL: https://www.stratasys.com/en/guide-to-3d-printing/technologies-and-materials/polyjet-technology

14 URL: https://youtu.be/9jI7H3SHsGg?si=_B109jBaGSzKLxHJ

15 URL: https://www.nano-di.com

16 URL: https://wyss.harvard.edu/news/low-cost-wearables-manufactured-by-hybrid-3d-printing



¬акансии:

јктуальное обсуждение

RSS-лента комментариев

-->

ƒавид Ћевин
ƒавид Ћевин
ќт редактора: «вЄзды импортозамещени€, запрет изображени€ €блока и другое
ѕроект ЂЌародное —јѕ–-интервьюї

—лучайна€ стать€:

ѕр€мое моделирование: изменение топологии и адаптаци€ скруглений — ≈вгений  ондратюк, математик-программист, C3D Labs (23 но€бр€ 2023)
isicad Top 10

—амые попул€рные материалы

   ‘орумы isicad:

isicad-2010 isicad-2008
isicad-2006 isicad-2004

ќ проекте

ѕриглашаем публиковать на сайте isicad.ru новости и пресс-релизы о новых решени€х и продуктах, о проводимых меропри€ти€х и другую информацию. јдрес дл€ корреспонденции - info@isicad.ru

ѕроект isicad нацелен на

  • укрепление контактов между разработчиками, поставщиками и потребител€ми промышленных решений в област€х PLM и ERP...
ѕодробнее

»нформаци€ дл€ рекламодателей


¬се права защищены. © 2004-2023 √руппа компаний «Ћ≈ƒј—»

ѕерепечатка материалов сайта допускаетс€ с согласи€ редакции, ссылка на isicad.ru об€зательна.
¬ы можете обратитьс€ к нам по адресу info@isicad.ru.