Возрождение отечественного производства — это не только освоение технологий, уже давно используемых за рубежом. Иногда бывает полезно с самого начала внедрить принципиально новые решения, пока зарубежные конкуренты тащат на себе груз прежних разработок. С другой стороны, на ближайшую перспективу перед нашей промышленностью стоит задача освоения мелкосерийного выпуска запчастей к оборудованию, недоступных из-за санкций. В обоих случаях может оказаться полезным использование 3D-печати.
Технологии, применяемые для изготовления тех или иных предметов, можно условно разделить на три основные категории:
- субстрактивные, когда берут кусок материала и отсекают от него все лишнее (например, обработка на токарном станке, фрезеровка, строгание);
- формовочные, предусматривающие изменение формы материала без существенного изменения его количества (например, литье, прессование, экструзия);
- аддитивные, при которых последовательно наносятся слои материала.
К аддитивным технологиям относятся папье-маше, выклеивание стеклопластика и 3D-печать. Первые две технологии являются морально устаревшими. Хотя они и используются по сей день, но уже не развиваются. Поэтому сейчас слова «аддитивные технологии» и «3D-печать» практически являются синонимами.
У производства на основе 3D-печати есть несколько преимуществ. Во-первых, возможность почти полной автоматизации процессов. Конечно, можно в автоматическом режиме изготовить деталь на обрабатывающем центре (токарно-фрезерный станок) с ЧПУ. Но для этого нужно сначала сделать заготовку с заданными параметрами, из которой будут вытачивать деталь. Существуют станки, осу-ществляющие отливку предметов из пластмассы в автоматическом режиме. Но здесь придется сначала изготовить форму для литья, что представляет собой сложный и дорогостоящий процесс с участием специалистов высокой квалификации. 3D-принтер может полностью изготовить деталь по заданному описанию, останется только отшлифовать поверхность готового изделия (некоторые принтеры этого не требуют) и, если нужно, нанести резьбу (с данной задачей даже наиболее совершенные методы 3D-печати пока справляются не очень хорошо).
Во-вторых, аддитивный процесс характеризуется гораздо меньшим уровнем отходов, чем субстрактивный. Материал, не израсходованный для данной детали, как правило, может быть использован без переработки для другого изделия.
В-третьих, использование 3D-печати позволяет изготовлять в едином технологическом цикле монолитное изделие, которое при традиционном подходе собирается из нескольких деталей, изготавливаемых на разных станках. Помимо упрощения производственного процесса, монолитное изделие получается более надежным и долговечным.
Главным недостатком аддитивных технологий является значительное время, затрачиваемое на изготовление готовой продукции. 3D-принтер тратит на производство одной детали время порядка единиц — десятков часов. Поэтому до сих пор основная сфера использования таких станков — мелкосерийное производство, изготовление экспериментальных прототипов, а также образцов, по которым создаются формы для литья.
Другая проблема, с которой приходится сталкиваться при 3D-печати — ограниченный выбор материалов. Впрочем, она успешно решается, и набор доступных материалов становится со временем все более широким.
Методы 3D-печати
Существует более десятка методов 3D-печати, каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. Далее мы рассмотрим те из методов, которые пригодны для создания деталей электрооборудования. Во всех перечисленных ниже категориях принтеров, кроме MJM, есть модели российского производства.
FDM (Fused Deposition Modeling — моделирование послойным наплавлением). Пластиковая нить подается в экструдер, где она нагревается и выдавливается в нужных местах поверх предыдущих слоев материала. В том случае, если под наносимым слоем ничего нет, перед печатью туда устанавливаются подпорки, которые потом удаляются. В принтерах, имеющих два экструдера, возможно заполнение таких пустот посредством 3D-печати материалом, растворяющимся в воде, с его последующим вымыванием. Недавно появились принтеры, где данная проблема полностью решена — в них платформа, на которой размещается изготавливаемая деталь, может вращаться по 5 осям. Наибольшее распространение в качестве материала для FDM получил АБС (ABS) пластик, который также широко применяется в электротехническом оборудовании. Многие FDM-принтеры способны работать с такими распространенными в электротехнике материалами, как ПММА и поликарбонат.
Главным преимуществом FDM, из-за которого данный метод получил наибольшее распространение, является дешевизна оборудования. Цены на 3D-принтер для учебных целей начинаются с 9000 руб., хороший любительский принтер стоит около 50 000 руб. (здесь и далее даются цены по состоянию на январь 2025 г.) Профессиональные модели стоят порядка 1 млн руб., но если в принтере платформа движется по 5 осям, то стоить он будет уже от 1,2 до 1,7 млн руб.
MJM (Multi Jet Modeling — многоструйное моделирование). Во многом схожа с FDM, но материал наносится не из одного-двух экструдеров, а с помощью печатающей головки, напоминающей головку струйного принтера. В зависимости от мо-дели головка может содержать от 100 до 400 сопел. Печать возможна термопластиком, воском или фотополимерной смолой, твердеющей под дей-ствием ультрафиолета. Последний вид материала мало пригоден для электротехнических применений в связи с тем, что он теряет прочность при нагреве. К тому же его электрические свойства не нормируются. Подпорки печатаются воском, после завершения процесса изготовления деталь нагревают до +60°C, и воск вытекает.
Метод MJM дает более высокое качество печати, чем FDM. Недостатком является высокая стоимость оборудования. Технология MJM запатентована американской фирмой 3D Systems, и на момент написания статьи она была единственным производителем таких принтеров в мире. Тем не менее MJM-принтеры продолжают поставляться на российский рынок (каким именно способом — автору статьи неизвестно), цена на них лежит в пределах от 4 до 8 млн руб.
MBJ (Metal Binder Jetting — струйное нанесение связующего для металла). Как следует из названия, этот метод используется для изготовления металлических деталей. Исходным материалом является мелкодисперсный металлический порошок. На него с помощью печатной головки с большим количеством сопел послойно наносится связующий материал, который быстро схватывается. Важно, что благодаря высокой вязкости связующего материала для образования пустот и нависающих элементов подпорки создавать не нужно. Из напечатанной заготовки связующий материал потом выжигается, затем заготовка запекается, чтобы отдельные частицы металла стали единым целым. Технология подходит для самых разных металлов, в том числе и меди.
Данный метод является одной из самых быстрых разновидностей 3D-печати: на формирование одного слоя уходит 2–3 с. Можно сказать, что он ближе всего подошел к возможности использования и в крупносерийном производстве. Недостатком является то, что в процессе выжигания связующего вещества и последующего спекания изготавливаемая деталь немного уменьшается в размерах и на это нужно вносить поправку при ее проектировании. MBJ-принтеры поставляются под заказ, поэтому данные об их цене в открытых источниках не публикуются.
SLM (Selective Laser Melting — селективное лазерное сплавление). Принцип работы на первый взгляд довольно простой — берем металлический порошок, последовательно направляем в нужные места сфокусированный лазерный луч, который вызывает плавление металла и, соответственно, соединение частиц порошка. Но на самом деле в этой технологии есть множество нюансов, в итоге принтер стоит от 10 до 20 млн руб.
Преимуществом является более высокая прочность деталей по сравнению с литьем. Для титановых сплавов SLM оказывается проще и дешевле в использовании, чем литье, которое применительно к указанному материалу является очень сложным процессом. Основной недостаток SLM — невозможность изготовления деталей из чистой меди, хотя такой принтер способен работать с не-которыми медными сплавами.
EBM (Electron Beam Melting — электронно-лучевое сплавление). Технология похожа на SLM, но вместо луча лазера используется пучок электронов. Печать осуществляется в вакууме. Метод применим к чистой меди, а также к чистому титану. По сравнению с SLM обеспечивается еще более высокая прочность получаемых изделий. Кроме этого, у EMB значительно выше скорость печати, чем у SLM. Недостаток — еще более высокая цена принтера, начинающаяся с 19 млн руб.
DLP (Digital Light Processing — цифровая обработка света). Исходный материал в виде мелкодисперсного порошка смешивается с фотополимером.
Определенные места в полученной смеси послойно засвечиваются ультрафиолетовым излучением посредством проектора системы DLP (отсюда и название метода), в результате чего они затвердевают. Незатвердевшие остатки сливаются и могут быть использованы повторно. Далее связующее вещество выжигается, а изделие подвергается спеканию. Метод DLP может использоваться для разных материалов, но наилучшим образом он подходит для керамики. Таким способом изготавливают детали, способные работать при высоких температурах, а также предметы, устойчивые к воздействию окружающей среды. Подобные детали есть и в электрооборудовании. Но пока нет данных об электроизолирующих свойствах получающихся данным методом изделий.
Самый дешевый DLP-принтер для любительского применения стоит 65 000 руб. Цены на профессиональные модели находятся в пределах от 200 тыс. до 8 млн руб. Недостатком DLP по сравнению с другими методами является высокая стоимость используемых фотополимеров, что увеличивает расходы на печать.
Изготовление диэлектрических деталей
Для изготовления опытных образцов (прототипов) пластмассовых деталей уже давно широко используются FDM-принтеры. Работая с прото-типом, можно оценить эргономичность конструкции, некоторые механические свойства, степень защиты от пыли и влаги. Если параметры прототипа оказались недостаточными, то изделие дорабатывается, печатается новый образец и снова проводятся испытания. Цикл повторяется до тех пор, пока не получится нужный результат. По его достижении переходят к сложному и дорогостоящему процессу изготовления формы для литья пластмассы под давлением.
3D-печать уже широко используется для промышленного изготовления дизайнерских светильников небольшими партиями, такие светильники можно купить в магазинах и на интернет-маркетплейсах. Осветительные приборы, напечатанные на 3D-принтере, стоят в 2–3 раза дороже аналогов, изготовленных обычным способом, но покупатели готовы переплачивать за уникальность дизайна. Возможностей FDM для изготовления светильника вполне достаточно, ведь современные светодиодные лампы не вызывают нагрева, критичного для АБС-пластика. Печатают светильники на 3D-принтере как мелкие фирмы, так и гиганты вроде Signify (бывшая Philips Lighting). Некоторые производители делают ставку при продвижении продукции не только на уникальность дизайна, но и на экологичность процесса 3D-печати, что соответствует модным тенденциям.
Печать мощных проводящих элементов
Для изготовления алюминиевых деталей посредством 3D-печати наиболее широкое распространение получила технология SLM. Поставщики расходных материалов для SLM-печати в России ориентированы на алюминиевые сплавы, обеспечивающие максимальную прочность. Содержание алюминия в них находится на уровне 90%, когда в электротехнике следует использовать алюминий чистотой не менее 99,5%. Поэтому с изготовлением токопроводящих алюминиевых деталей могут возникнуть проблемы.
С медью чуть проще — в продаже есть порошок меди чистотой до 99,9%, пригодный для использования в электротехнике. Изначально такой мате-риал предназначен для порошковой металлургии, но и в MBJ-принтерах его тоже можно использовать. Однако следует иметь в виду, что MBJ-технология может вносить небольшие загрязнения в медь, и пока нет данных, насколько это критично для проводимости.
Наилучшим вариантом для изготовления электропроводящих деталей из меди является технология EBМ, так как она гарантирует отсутствие возможных загрязнений. Но ее массовое использование затруднено из-за высокой стоимости оборудования.
Производство газотурбинных установок
Сейчас в России широко применяются газотурбинные электростанции, отличающиеся высоким КПД и экологичностью. Значительная их часть была произведена в США и странах Евросоюза. Помогут ли в деле освоения выпуска отечественных турбин аддитивные технологии?
Первые опыты использования 3D-печати при изготовлении турбин за рубежом относятся к началу 2010-х годов. Тогда на MJM-принтере печатали образец из воска, по которому изготавливали форму для литья.
Сам процесс литья ничем не отличался от изготовления турбины традиционным способом. Но потом поняли, что использование SLM гораздо выгоднее. Турбина для электростанции — штучный товар, для его изготовления большая скорость не требуется. Зато SLM, по сравнению с литьем, обеспечивает более высокую прочность изделий и меньшее количество составных частей турбины. Кроме этого, форма лопаток турбины, обеспечивающая наилучший КПД, технически не может быть получена посредством литья, но легко реализуется с использованием SLM.
В 2020 г. российская компания «Силовые машины» анонсировала начало работ по созданию новой газотурбинной установки ГТЭ-65.1. Как ожидается, лопатки ее турбины будут изготавливаться по технологии 3D-печати. На момент написания статьи серийный выпуск ГТЭ-65.1 пока еще не был начат.
Отечественная компания «ОДК-Сатурн» в 2023 г. начала выпуск газотурбинного двигателя ГТД-110М, предназначенного для использования на электростанциях. Центральный завихритель малоэмиссионной камеры сгорания в нем изготавливается из жаростойкого никелевого сплава по-средством 3D-печати по методу SLM.
3D-печать запчастей
Можно ли производить ставшие недоступными из-за санкций запчасти к зарубежной технике, просто снимая их размеры 3D-сканером и потом передавая эти данные на 3D-принтер? Увы, в подавляющем большинстве случаев это невозможно. Дело в том, что деталь, которая подлежит копированию, производится изначально массовым тиражом, посредством субстрактивных или формовочных технологий.
Оборудование для АЭС выпускается относительно малыми партиями, а значит, использование для его производства 3D-печати экономически выгодно. Возможно, поэтому наибольшую активность в деле внедрения данной технологии в нашей стране проявляет госкорпорация «Росатом». И первые шаги к тому, чтобы изготавливать детали для АЭС на основе аддитивных технологий, уже сделаны. Кроме этого, госкорпорацией была учреждена дочерняя структура «Росатом Аддитивные Технологии», которая создает по всей стране сеть центров аддитивных технологий общего доступа. Воспользоваться услугами таких центров могут как различные фирмы, так и частные лица.
Материалы, применяемые для 3D-печати, даже если называются так же, могут отличаться по своим свойствам. Отличаются и технологические операции. Прежде чем поставить задачу 3D-принтеру, со всем этим должен разобраться инженер, имеющий соответствующие знания и опыт.
Примеры успешного применения 3D-печати для изготовления запчастей к электроприборам уже есть. В Новосибирском государственном техническом университете «НЭТИ» таким способом сделали запасные части к импортному полиграфическому оборудованию, установленному в вузовской типографии. В Белгородском государственном аграрном университете создали замену деталей импортного доильного аппарата, осуществляющих массаж вымени коровы. Но в обоих случаях для изготовления аналога фабричной детали пришлось проводить небольшие научные исследования, а не просто копировать.
Выводы
3D-печать представляет собой мощный инструмент для решения многих задач, стоящих перед промышленностью. Возможность быстро и недорого изготовить опытный образец позволяет уменьшить сроки вывода новых товаров на рынок и повысить качество выпускаемой продукции. Изготовление серийной продукции непосредственно на 3D-принтерах позволит расширить ассортимент, учитывая запросы более узких групп потребителей. Снижается порог ввода в производственный бизнес, что позволяет реализовывать смелые идеи, пока не оцененные по достоинству инвесторами. Но важно помнить, что использование 3D-печати не должно стать самоцелью. Перед нами всего лишь инструмент, который будет приносить пользу только при его правильном использовании.