Аддитивные технологии (AM Additive Manufacturing), или технологии послойного синтеза, сегодня одно из наиболее динамично развивающихся направлений «цифрового» производства. Они позволяют на порядок ускорить НИОКР и решение задач подготовки производства, а в ряде случаев уже активно применяются и для производства готовой продукции.

Развитию AM-технологий, безусловно, способствует существенное расширение номенклатуры металлопорошковых материалов. Если в начале нулевых годов это был перечень не более 5-6 наименований, то сегодня предлагаются десятки видов разнообразных композиций от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. И этот перечень стремительно расширяется.

Существует множество технологий, которые можно назвать аддитивными, объединяет их одно: построение модели происходит путем добавления материала (от англ. аdd – «добавлять») в отличие от традиционных технологий, где создание детали происходит путем удаления «лишнего» материала.

slaКлассической и наиболее точной технологией является SLA-технология (от Stereolithography Apparatus), или стереолитография, – послойное отверждение жидкого фотополимера лазером.

Существует много видов фотополимерных композиций, поэтому спектр применения прототипов, полученных по SLA-технологии, очень широк: макеты и масштабные модели для аэро- и гидродинамических испытаний, литейные и мастер-модели, дизайн-модели и прототипы, функциональные модели и т. д.

Селективное лазерное спекание – SLS-технология (Selective Laser Sintering), SelectiveLaserMelting) – еще одно важное направление аддитивных технологий.

Здесь строительным (модельным) материалом являются сыпучие, порошкообразные материалы, а лазер является не источником света, как в SLA-машинах, а источником тепла, посредством которого производится сплавление частичек порошка. В качестве модельных материалов используется большое количество как полимерных, так и металлических порошков.

Порошкообразный полиамид применяется в основном для функционального моделирования, макетирования и изготовления контрольных сборок. Полистирол используется для изготовления литейных выжигаемых моделей.

Технология SLS-печати наглядно продемонстрирована на видеоролике, представленном ниже:

https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=bgQvqVq-SQU

Отдельным направлением является послойное лазерное спекание (сплавление) металлопорошковых композиций. Развитие этого направления AM-технологий стимулировало и развитие технологий получения порошков металлов. На сегодняшний день номенклатура металлических композиций имеет широкий спектр материалов на основе Ni и Co (CoCrMO, Inconel, NiCrMo), на основе Fe (инструментальные стали: 18Ni300, H13; нержавеющая сталь: 316L), на основе Ti (Ti6-4, CpTigr1), на основе Al (AlSi10Mg, AlSi12). Производятся порошки бронз, специальных сплавов, а также драгметаллов – главным образом для нужд дентальной медицины.

Из металлических порошков «выращивают» заготовки пресс-форм, специальные инструменты, оригинальные детали сложной конфигурации, которые затруднительно или невозможно получить литьем или механообработкой, импланты и эндопротезы и многое другое. Уже сейчас при штучном и мелкосерийном производстве зачастую становится экономически выгодным «вырастить» небольшую партию деталей на SLS-машине, чем изготавливать литейную или штамповую оснастку. В сочетании с HIP (Hot Isostatic Pressing – горячее изостатическое прессование) и соответствующей термообработкой такие детали не только не уступают литым или кованым изделиям, но и превосходят их по прочности на 20–30%.

Очень широкие перспективы открываются для еще одной аддитивной технологии – технологии «струйной печати» – InkJet- или PolyJet-технологии. Эта технология предполагает нанесение модельного материала или связующего состава с помощью струйных головок. Особый интерес InkJet-технологии представляют для литейного дела.

sla2Они позволяют «выращивать» непосредственно литейные формы, т. е. «негатив» детали, и исключить стадии изготовления формовочной оснастки – мастер-модели и литейной модели. Компания ExOne (и ее дочернее предприятие ProMetal GmbH) выпускает машины типа S-Max, которые позиционируются не как «прототипирующие машины», а как вполне «рядовое» технологическое индустриальное оборудование, устанавливаемое в общей технологической цепи производства не только опытной, но и серийной продукции. Практически все автомобильные компании мира обзавелись такими машинами. Оно и понятно – с их помощью стало возможным не в разы, а на порядок сократить время прохождения НИОКР по критически важным для автостроителей позициям – литейным деталям: блоки и головки цилиндров двигателей, мосты и коробки передач, деталям, на изготовление которых в традиционном опытном производстве тратились месяцы, а с учетом экспериментальной доводки и подготовки производства – многие месяцы. Теперь конструктор может увидеть свой новый двигатель на испытательном стенде не через полгода, а через две недели после завершения технического проекта.

Электроннолучевая плавка

Технология EBM по сути, практически не отличается от SLS/DMLS печати металлом. Единственное отличие электро-лучевой плавки заключается в том, что вместо лазерного луча, металлоглина плавится при помощи направленных электроимпульсов.

Использование электронных пучков высокой мощности, действующих в вакууме, обеспечивает более высокую детализацию печатных объектов. Это объясняется тем, что корректировка электронного луча осуществляется не за счет движения печатной головки, а с помощью манипуляции магнитными полями, то есть на гораздо более точном уровне.

Промышленный 3D принтер Arcam Q10:03

Использование электромагнитных компонентов вместо лазерных линз делает EBM принтеры более рентабельными в сравнении с лазерным оборудованием. Кроме того, они обеспечивают более высокую производительность. Посмотреть, как работает аппарат данного типа можно на видео:

https://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=BMGNy1MgsyM

Значимость  и AM-бизнес.

В 2010 году создан консорциум AMC (Additive Manufacturing Consortium), который в настоящее время включает 33 члена, среди которых Boeing, General Electric, Lockheed Martin, Honeywell, RollsRoyce и ряд правительственных организаций.

В 2012 году в США по инициативе Президента Обамы создан научно-инновационный институт NAMII по аддитивным технологиям (National Additive Manufacturing Innovation Institute).

В Европе из тринадцати компаний-производителей аддитивных машин восемь выпускают машины для синтеза деталей из металла. Практически все они работают по проектам с ведущими университетами при значительной государственной поддержке.

В 2012 г Великобритания выделила £7 млн. на гранды для проведения НИОКР в области аддитивных технологий.

На базе университета г. Падерборн (Германия) компаниями Boeing, EOS GmbH, Evonik Industries, SLM Solutions, Siemens, Stratasys, Stkerjrgen Aerospace Composites, Blue Production, Eisenhuth создан Исследовательский центр DMRC (Direct Manufacturing Research Center).

В 2012 году реализовано 9 проектов при поддержке правительства земли Северный Рейн-Вестфалия (бюджет €11 млн. с софинансированием 50:50).

По заявлению Christine Furstoss (руководитель группы производства и технологии материалов компании General Electric) через 10 лет примерно половина деталей энергетических турбин и авиационных двигателей будет изготавливаться с помощью AM-технологий.

В последние годы компания Boeing значительно увеличила номенклатуру деталей, изготавливаемых по AM-технологиям. Сейчас таким образом изготавливается более 22 тысяч деталей 300 наименований для 10 типов военных и коммерческих самолетов, включая Dreamliner. По сообщениям представителей компании Boeing планирует производить новый беспилотный самолет практически полностью по AM-технологиям. В августе 2012 г совершил первый полет беспилотный самолет, построенный в Саутгемптонском университете (Англия) полностью по аддитивным технологиям. Число инсталляций AM-машин в Южной Африке к 2012 году составило 450 единиц, причем в 2011 году за счет государственных субсидий было закуплено оборудования на $5,5 млн., а общая сумма инвестиций составила $9,5 млн.

В 2011 году мировой лидер в области аддитивных технологий компания 3D Systems открыла свой собственный университет для подготовки специалистов и развития лазерных технологий послойного синтеза.

Высокопрофессиональные Интернет-ресурсы и независимые профессиональные объединения, такие как: www.wohlersassociates.com, www.additive3d.com.; Additive Manufacturing Users Group (США).

Лавинообразный поток публикаций, патентов. Количество выданных патентов США: 2009 г -265, 2010 г – 419, 2011 – 474; количество заявок на патент США: 2009 г – 678, 2010 г – 797, 2011 г – 827.

В Китае 45 университетов и 20 исследовательских организаций работают в области лазерной техники, в частности, и для нужд аддитивных технологий. В области разработок по лазерному напылению индекс научного цитирования (SCI) публикации китайских специалистов в международных журналах составляют 43%. В 22-х странах созданы национальные ассоциации по аддитивным технологиям, объединенные в альянс GARPA Global Alliance of Rapid Prototyping Associations.

Микропорошки.

Нужно отметить, что в мире существует несколько десятков крупных компаний-производителей металлопорошков по технологиям газовой, вакуумной или центробежной атомизации (США, Франция, Германия, Швеция, Япония, Китай и др.) Часть компаний приобретала атомайзеры у других компаний, часть – разрабатывала свои собственные конструкции. Но большинство последних не продает свои технологию, даже в качестве лицензий, акцентируя свой бизнес только на производстве порошка. Редким исключением является шведская компания Sandwik Osprey, которая в 80-х годах продала лицензию на технологии атомизации немецкой компании ALD Vacuum Technologies. Сама же Sandwik Osprey, имея оборудование собственной конструкции и «ноу-хау», не продает более ни оборудование, ни технологии, но превратилась в одного их лидеров мирового рынка по производству металлических порошков. Сами технологии атомизации, безусловно, относятся к топ-уровню и являются средоточием последних научных достижений в металлургии, гидро- и газодинамики, физики плазмы, электротехники и др.

Для сведения.

Оптовая цена порошковых материалов на европейском рынке примерно такова:

  • чистый титан — €230/кг,
  • Ti6Al— €200/кг,
  • сплав CoCr — €150/кг,
  • сплавы Al — €70-90/кг,
  • Inconel 625 — €75/кг.

Российским и СНГ- потребителям они обходятся как минимум вдвое, как правило — втрое дороже. (цены приведены за 1 кг на условиях EXW, т. е. без НДС, таможенных, транспортных и других затрат). При этом существует минимальный предел заказа – от 10 до 50 кг.

Рост рынка порошков ежегодно более 27% с 2008 по 2013 годы.

Общая оценка рынка — около 7 млрд долларов.

К 2020 году прогноз на 30 млрд. долларов.

Микропорошки 1- 10 микрон НИИ ТП:

04алмазные порошки, порошки карбида бора и титана, ниобия, диоксида циркония и пр.

полимерные модификаторы: от био-полимеров до инжиниринговых полимеров (умные полимеры)

измельчение высокочистых металлов для электронной промышленности и катализаторов:

05пример — ультра-микро порошок чистой меди 99, 99

06

микропорошок молибдена:

диспергирование нанотрубок  и фуллеренов- это добавки и модификаторы для тысяч новых продуктов с новыми свойствами — от бетона до красок и стекол, полимеров и пластмасс, керамики и металлургии.

В прошлом году мировой объём керамического рынка достиг почти 60 миллиардов долларов. Мировой прирост керамического рынка превышает девять процентов ежегодно.

07Semiconductor Materials Silicon Nanopowder Si

Развитию AM-технологий, безусловно, способствует существенное расширение номенклатуры металлопорошковых материалов. Если в начале нулевых годов это был перечень не более 5-6 наименований, то сегодня предлагаются десятки видов разнообразных композиций от обычных конструкционных сталей до жаропрочных сплавов и драгметаллов. И этот перечень стремительно расширяется.

НИИ ТП подготовило к рынку более 14 видов новых порошков.

Основные модельные материалы: Н. с. 316L и 17-4PH, и. с. H13, Al, Co-Cr, Ni, Ti, Inconel, Инконель 625, Инконель 600, 690, 713, 718, 738, сплавы Ti, Ni, Al;  Fe–TiH2–В4C, Хастеллой X, Стеллит 21, Cermets, C250, C276, стеллиты — 6, 21, 31; Ti-6Al-4V, Cu, Au, Pt, Ag + бронза, стекло, нанотрубки металлизированные, новые полимеры.

Под порошками понимают сыпучие материалы с характерным размером частиц до 1,0 мм. Порошки весьма условно классифицируют по размером частиц (по условному диаметру d), подразделяя их на нанодисперсные с d<0,001 мкм, ультрадисперсные — d =0,01-0,1 мкм, высокодисперсные d=0,1–10 мкм, мелкие — d= 10–40 мкм, средние — d=40–250 мкм и крупные — d=250–1 000 мкм.

В разных машинах АМ-технологий используются порошки различного фракционного состава. Одним из параметров, характеризующих порошок, является величина d50 – «средний диаметр частиц». Например, d50 = 40 мкм означает, что у 50% частиц порошка размер частиц меньше или равен 40 мкм. Так, в машинах Phenix Systems используется порошок с d50=10 мкм; для машин Conzept Laser дисперсность порошка лежит в переделах 25…52 мкм при d50=26,9 мкм; для Arcam размер частиц составляет 45-100 мкм, для машин SLM Solutions d50=10-30 и т. д.

За рубежом вопросы стандартизации по материалам для аддитивных технологий находятся в компетенции NIST National Institute of Standards and Technology (США); Международной организация по стандартизации ISO (комитет TC261 по аддитивным технологиям), и ASTM (международный комитет F по аддитивным технологиям). В настоящее время разработан только один стандарт (ASTM F) на материал Ti6Al для применения в технологиях Powder Bed Fusion. Поэтому основной специализацией НИИ ТП стала стандартизация порошков, в том числе абсолютно новых составов.

Стандартизированы:

никелевые жаропрочные сплавы (напр. Inconel 718, Rene , и т.д.) для деталей авиационных и стационарных турбин;

сплавы на основе кобальта для использования в медицине, стоматологии и производстве мишеней ионного распыления;

порошки для плазменного напыления (напр. NiCrAlY, CoCrAlY, и т.д.) для плазменного напыления защитных покрытий на детали из жаропрочных сплавов;

порошки для гранульной металлургии (напр. 17PH, 316L) для автомобильных деталей массового производства;

  • композиции для спекания в порошковом слое (напр. кобальтовые сплавы, драгоценные металлы) для применения в AM-‐машинах;
  • высоколегированные стали (напр. инструментальная сталь, быстрорезы) с очень высоким содержанием карбидов;
  • цветные металлы напр. медные или оловянные сплавы для различного применения;
  • порошки реактивных металлов -‐ Ti, Zr, Hf, V, Pt, Ir, Nb, Mo, и т. д.

Типичными материалами, получаемыми по технологии «Торнадо» без использования сложных процессов атомизации, принятых на сегодня в мире, являются тугоплавкие и активные материалы, например TiAl, FeGd,FeTb, Zr и Cr. «Торнадо» может также использоваться для многих других конструкционных материалов на основе Fe, Ni, Co.

hjnhk

Общий вид порошков карбида вольфрама, полученных по различным технологиям: а, в, д, – дробление после литья; б, г, ж – после распыления (а, б – внешний вид; в, г – поверхность; д, ж – микроструктура)