Глава 1. Перспективы и особенности методов аддитивного производства

Причины интенсивного развития аддитивных технологий и соответствующего сегмента науки и технологии связаны с теми положительными эффектами, которые могут быть достигнуты в результате реализации аддитивной технологии. Например, по мнению экспертов авиастроительной отрасли, существующие коэффициенты использования материала могут измениться от 15 : 1 для сложных деталей до 1,5—2,0 : 1 в случае перехода на аддитивные технологии печати^[1].

Согласно данным отчетов Wohlers Report 2017 компании Wohlers Associates мировой рынок аддитивного производства на 2010 г. составлял более 3200 млн долл, в год. Следует отметить, что рынок является растущим с приростом до 25 % в год. Можно прогнозировать, что отмеченные темпы развития останутся на прежнем уровне и уже к 2021 г. мировой рынок аддитивного производства увеличится в 7 раз и составит порядка 20 800 млн долл. (рис. 1.1).

При этом ведущие страны мира отмечают, что развитие аддитивных технологий является значимым фактором в решении вопросов обеспечения конкурентоспособности наукоемкой продукции предприятий энергомашиностроения, транспорта, авиа- и ракетостроения.

В настоящее время более половины крупных корпораций, производящих высокотехнологичное оборудование, предлагают среди своей продукции аддитивные установки печати металлами, а аэро-космический сектор занимает второе место от всего аддитивного производства (рис. 1.2)^[2].

Рис. 1.7. Динамика мирового рынка аддитивного производства

Рис. 1.2. Отрасли и сферы применения аддитивных технологий, %

По данным Wohlers Report, за последние десять лет отмечается увеличение продаж ЗБ-принтеров по металлу почти на 80 %. Так, в 2017 г. было реализовано 1768 ЗО-принтеров по сравнению с 983 установками в 2016 г. (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Динамика роста продаж установок аддитивного производства металлами

Причины роста связаны с повышением качества печати и самого оборудования¹. Можно предположить положительную динамику и в дальнейшем, поскольку в настоящее время компании-производители активно решают проблемы повышения производительности и оптимизация эффективности производства. Компания IDTechEx (Великобритания) прогнозирует, что к 2029 г. мировой рынок ЗО-печати металлами (оборудование и расходные материалы) достигнет 19 млрд долл. (рис. 1.4)^{1 ^[3] ^[4].}

Рис. 1.4. Прогноз роста годового дохода мирового рынка ЗР-печати:

? — материалы; Щ — принтеры

К очевидным преимуществам методов аддитивного производства (АП) следует отнести следующие.

1. Возможность получения изделий сложной формы, в том числе со сложной внутренней структурой, для повышения их эксплуатационных качеств. Особенно данный аспект вызывает интерес в авиационной и ракетно-космической технике при создании термонагруженных элементов (тонкостенные конструкции с внутренними каналами охлаждения) и силовых элементов конструкции с высокими показателями конструктивно-массового совершенства.
2. Экономия сырья ввиду использования практически всего количества материала-порошка, которое необходимо для производства изделия, а также повторного применения неиспользованного объема. Небольшое количество отходов вызвано необходимостью для большинства методов АП временных технологических поддержек между рабочей платформой и синтезируемой деталью и припуска на механическую обработку^[5].
3. Сокращение числа технологических операций, этапов технологической цепочки производства и, как следствие, времени выпуска.
4. Ускорение внедрения изменений и новых решений, которое обеспечивается мобильностью и скоростным обменом данными между конструктором и непосредственно производством. Прямая передача компьютерных трехмерных моделей в установку АП, минуя выпуск конструкторской и технологической документации, позволяет разработчику сократить цикл разработки: изготовление опытного образца, испытания и отработка, внесение изменений и оптимизация, изготовление доработанного образца.
5. Экономическая эффективность при единичном и мелкосерийном производстве.
6. Уменьшение числа комплектующих частей в создаваемых узлах и агрегатах.
7. Широкая номенклатура металлопорошковых композиций: жаропрочные- и коррозионностойкие стали, алюминиевые, титановые сплавы и драгоценные металлы.

8. Физико-механические свойства получаемых материалов не уступают свойствам материалов в традиционных заготовках (прокат, поковки) и изделиях (литье)^[6].
9. Достаточно большие рабочие зоны для синтеза изделий (до 500 х 500 х 500 мм для технологий синтеза на подложке и нескольких метров — для методов прямой подачи энергии и материала). Причем активно ведутся работы по увеличению габаритов рабочих зон аддитивных установок. При этом возможно одновременное построение нескольких деталей при условии размещения их в рабочем объеме установки.
10. Относительная легкость обучения персонала. Динамичное развитие программного обеспечения с высокой степенью автоматизации процессов разработки трехмерных моделей, инженерного анализа и послойного синтеза изделий не требует высокой квалификации пользователя.

Однако следует перечислить основные недостатки технологий АП на текущий момент, связанные как со спецификой методов послойного синтеза, так и с отсутствием ряда научно- технических решений по их устранению или минимизации:

— низкая производительность, повышение которой приводит к ухудшению качества изделий;
— плохая шероховатость поверхности изделий;
— низкая точность изготовления, обусловленная короблением изделий вследствие возникновения остаточных температурных напряжений;
— высокая стоимость оборудовании и сырья;
— отсутствие отработанных методов неразрушающего контроля качества конечной продукции.

Традиционные технологии отличает значительное число основных этапов, которых нет при реализации АП как ключевой части цифрового производства. Методы АП позволяют в полной мере раскрыть потенциал цифрового производства изделий. Разработка электронной документации и использование технологии быстрого прототипирования позволяют оперативно и с минимальными затратами сил и времени создавать, дополнять, модернизировать различные детали и изделия, сокращать этапы технологической подготовки производства, что крайне важно в условиях жесткой конкуренции на рынке наукоемкой продукции. Использование исходной цифровой модели в качестве базовой позволяет создавать индивидуальные уникальные изделия, вносить изменения в имеющиеся детали и узлы путем корректировки исходной модели. Таким образом, возможно и экономически рентабельно создание большого количества типоразмеров изделий, а также вариантов одной и той же детали.

Почти отсутствующие технологические ограничения по изготовлению сложнопрофильных деталей методами АП расширяют возможности применения современных численных методов многошаговой оптимизации геометрии изделия, таких как топологическая оптимизация¹. Эти подходы дают возможность получить структуру аморфной формы, позволяющую снизить массу при сохранении прочности и жесткости изделия. Более того, возможно создание оболочечных структур с сетчатым или ячеистым наполнением разных форм и размеров. Подобные структуры, часто встречающиеся в природе (кости млекопитающих), получили название «бионический дизайн», или «генеративный дизайн». На сегодняшний момент реализация бионического проектирования представлена во множестве современных программных комплексов инженерного анализа, как например: Ansys Additive Suite^[7] ^[8], MSC Simufact Additive^[7], которые активно совершенствуются в этой области, объединяя в единый цикл разработку оптимизированной геометрии, поверочные расчеты и моделирование непосредственно процесса послойного синтеза.

Глава 2

Авторы: Галиновский Андрей, Голубев Евгений, Коберник Николай, Филимонов Алексей

[1] ANSYS Additive Manufacturing Solutions Transform Aerospace and Defense,Biotech and Automotive Industries. [Электронный ресурс] // ANSYS : [сайт].[2018]. URL: https://www.ansys.com/about-ansys/news-center/04-19-18-ansys-additive-manufacturing-solutions-transform-aerospace-defense-biotech-automotive(дата обращения: 21.11.2019).
[2] Seifi М. et al. Overview of materials qualification needs for metal additivemanufacturing // The Journal of The Minerals, Metals & Materials Society. 2016.Vol. 68. № 3. P. 747—764.
[3] Seifi М. et al. Overview of materials qualification needs for metal additivemanufacturing; Horn T. J., Harrysson O. L. A. Overview of current additivemanufacturing technologies and selected applications // Science Progress. 2012.Vol. 95. № 3. P. 255—282; Lewandowski J. J., Seifi M. Metal additive manufacturing:a review of mechanical properties // Annu. Rev. Mater. Res. 2016. Vol. 46. № 1.P. 151—186.
[4] Core B., Dr. 3D Printing Metals 2019—2029. [Электронный ресурс] . URL: https://www.idtechex.com/en/research-report/3d-printing-of-metals-2019-2029/667 (дата обращения: 11.12.2019).
[5] Eschenauer Н. A., OlhoffN. Topology optimization of continuum structures:a review // Appl. Mech. Rev. 2001. Vol. 54. № 4. P. 331—390.
[6] Carter L. N. et al. The influence of the laser scan strategy on grain structureand cracking behaviour in SLM powder-bed fabricated nickel superalloy // Journalof Alloys and Compounds. 2014. Vol. 615. P. 338—347.
[7] Simufact Additive — Simulate Additive Manufacturing Processes. [Электронный ресурс] // MSC Software : [сайт]. [2018]. URL: http://www.mscsoftware.com/product/simufact-additive (дата обращения: 21.11.2019).
[8] ANSYS Additive Manufacturing Solutions Transform Aerospace and Defense,Biotech and Automotive Industries [Электронный ресурс] // ANSYS : [сайт].[2018]. URL: https://www.ansys.com/about-ansys/news-center/04-19-18-ansys-additive-manufacturing-solutions-transform-aerospace-defense-biotech-automotive(дата обращения: 21.11.2019).
[9] Simufact Additive — Simulate Additive Manufacturing Processes. [Электронный ресурс] // MSC Software : [сайт]. [2018]. URL: http://www.mscsoftware.com/product/simufact-additive (дата обращения: 21.11.2019).