Аддитивные технологии

Аддитивные технологии — чудо или мыльный пузырь Индустрии 4.0?

Аддитивные технологии (далее АТ) — сегодня одна из наиболее динамично развивающихся отраслей инновационного производства. Мы видим, как 3D принтеры появляются в офисах и домохозяйствах, продажи оборудования и материалов растут по экспоненте, анонсируются новые технологии, старые патенты становятся общественным достоянием, открывая дорогу новым производителям, как создаются сервисные компании с внушительным парком оборудования, а на выставках и конференциях звучат громкие слова про ключевую роль АТ в Индустрии 4.0. Но стоит вникнуть в тему поглубже, и тут картина становится менее радужной и оптимистичной, тем более, в российской промышленности.
16 апреля 2019

Перечислим несколько основных вызовов в этом сегменте. Снятие технологических ограничений, присущих традиционным технологиям, сопровождается другими ограничениями АТ. Стоимость изготовления изделий и их компонентов аддитивными способами иногда в разы превышает традиционные альтернативы. При этом сложность технологических процессов накладывает свой отпечаток на качество выпускаемых деталей, еще больше увеличивая их себестоимость. Кроме того, в условиях санкционных ограничений осложнен доступ к зарубежным материалам, рынок отечественных материалов полон барьеров для негосударственных компаний-производителей. Отсутствие стандартов не позволяет использовать технологии в серийном производстве. 

В результате, когда перед предприятием встает вопрос об использовании в производстве той или иной аддитивной технологии, очень часто окончательный выбор делается в пользу традиционных методов изготовления, описанных в технологических картах в соответствии с существующими стандартами и конструкторской документацией.

Сервисные компании с парком оборудования жалуются на нехватку заказов, установки, купленные предприятиями на волне ажиотажа, простаивают в цехах, время от времени печатая сувенирную продукцию, и лишь некоторым компаниям удается найти эффективное применение и достичь успеха в использовании АТ на производстве.

Возникает закономерный вопрос: являются ли аддитивные технологии индустриальным чудом или же это — большой мыльный пузырь Четвертой промышленной революции?

Отвечая на него, необходимо досконально разобраться в том, что именно препятствует достижению экономического и технологического эффектов от внедрения. В качестве примера предлагается взять одну из наиболее распространенных технологий аддитивного производства в промышленности — селективное лазерное сплавление СЛС (Selective laser melting SLM).

Итак, вот основные барьеры на пути достижения экономического и технологического эффектов от внедрения СЛС :

— Использование консервативного подхода к конструированию деталей с учетом ограничений, присущих традиционным технологиям;

— Использование консервативного формата описания спецификации детали;

— Сложность подготовки 3D модели к аддитивному производству (оптимизация геометрии, ориентация на платформе построения, проектирование поддерживающих структур);

— Сложность технологического процесса, связанного с множеством параметров, требующих тщательного контроля (мощность лазера, скорость и стратегия сканирования, атмосфера газов в камере построения и др.)

— Необходимость контроля качества используемых материалов (сферичность, распределение по гранулометрическому составу, элементный анализ, анализ примесей).

Консервативный подход к конструированию деталей, на мой взгляд, сегодня является основной причиной неготовности рынка к использованию АТ в промышленности. Стоимость «печати» детали, запроектированной под изготовление по субстрактивной технологии (механическая обработка), или под литье, лишь в редких случаях может быть дешевле традиционных методов.

Эффект здесь может достигаться за счет изменения геометрии в пользу уменьшения массы, объединения элементов сборки в одну деталь, тем самым сокращается трудоемкость изготовления, обеспечивается уникальная функциональность, например, за счет проектирования внутренних полостей и каналов, или обеспечения особой структуры материала внутри детали или на ее поверхности.

Очень часто, работая с подобными кейсами, мы просим своих клиентов описать «конструкцию мечты». Иными словами, показать, как должна выглядеть деталь с точки зрения оптимального выполнения своего функционала без учета каких-либо технологических ограничений. Проблема заключается в том, что эта задача в большинстве случаев является непосильной для человеческого мозга. Но при использовании методологии аддитивного проектирования вместе со специальными программными инструментами она может быть успешно решена.

Данный пример наглядно демонстрирует возможности изменения подхода к конструированию изделия с использованием методологии аддитивного проектирования. Эффект здесь достигается за счет топологической оптимизации и объединения элементов конструкции. Итоговая деталь объединила в себе сборку из 4 деталей и 16 элементов крепежа, при этом масса снизилась в 5 раз.

Вообще, термины «топологическая оптимизация» и «бионический дизайн» за последние годы уверенно укоренились в лексиконе конструкторов. На предприятиях активно изучают доступные на рынке программные инструменты, университеты проводят эксперименты по оценке сходимости результатов оптимизации и математических расчетов с реальными данными по прочности, появляются новые образовательные программы для подготовки кадров.

Суть бионического дизайна заключается в определении оптимального распределения материала при условии обеспечения требуемых механических характеристик конструкции. Иными словами, в получении формы детали такой, какой ее бы сделала природа.

Топологическая оптимизация рычага автомобиля с использованием ПО CATOPO, для которого масса была снижена в два раза, при этом его прочность практически не изменилась. Источник: www.infcs.ru

В CAE системах присутствуют различные математические модели (механики деформируемого твердого тела, механики жидкости и газа и др.), используя которые, можно с высокой точностью смоделировать поведение реальных объектов. Благодаря этому удалось уменьшить количество реальных испытаний и заменить их компьютерным моделированием.

Можно выделить несколько типов CAE систем: мощные системы с большим количеством математических моделей и легкие узконаправленные системы. Как правило, чем больше математических моделей встроено в CAE систему, тем сложнее и дольше необходимо обучать персонал для работы с ней, а также интегрировать ее в предприятие.

Следующим барьером использования технологии является ее сложность с точки зрения обеспечения стабильности параметров процесса, а также понимания ее особенностей и ограничений. Некоторые думают, что 3D принтер, подобно классическому офисному принтеру, автоматически выдает годную деталь после загрузки 3D модели и нажатии клавиши START. Фактически, дела обстоят намного сложнее. Результат процесса во многом зависит от квалификации оператора, а также конструктора, отвечающего за подготовку 3D модели к производству.

Процесс селективного лазерного сплавления полон нюансов и связан с высокими термическими нагрузками, в связи с чем важнейшей задачей является контроль напряжений, возникающих в ходе изготовления. Отсутствие квалификации в данном вопросе может привести к деформации заготовки. Все это, конечно же, отразится на себестоимости конечной детали, если ее вообще получится изготовить в технологическом допуске.

Многие годы решение этой проблемы сводилось к накоплению опыта оператора установки и его пониманию изменения теплофизических свойств материалов при воздействии термических нагрузок. При частом изменении номенклатуры деталей, что свойственно данному методу изготовления, процент брака был очень высоким.

Решением проблемы сегодня служат специальные программные инструменты, позволяющие быстро и эффективно обеспечить подготовку 3D модели к производству.

Автоматическая оптимизация расположения детали на платформе построения, оптимизация поддерживающих структур с возможностью создания вариативной плотности перфорации в зависимости от перегрева и возникающих короблений, создание компенсирующих деформаций, моделирование процесса, с целью оценки коробления заготовки и итоговых деформаций — все это  доступные инструменты, позволяющие с первого раза получить годную заготовку в допуске без траты дорогостоящего машино-времени и материала.

Описанная здесь методология проектирования вместе со специальными программными инструментами позволяют получить экономический и технологический эффекты от внедрения аддитивной технологии в существующую инфраструктуру предприятия. Тем не менее переходный процесс может занять месяцы и годы в случае необходимости сертификации конечных изделий, в состав которых входят детали, изготовленные с применением АТ.

Использование консервативного формата описания спецификации детали также накладывает свои ограничения при использовании аддитивных технологий. Сегодня большая часть конструкторской документации разработана в виде двухмерных проектов в формате чертежей, дополненных 3D моделями. Такой формат данных требует синхронизации сразу трех уровней специалистов на этапе подготовки к производству: конструктор, технолог, оператор, так как машина не умеет читать чертежи.

В 2015 году группа компаний из этого технологического сегмента организовала консорциум для создания и использования нового формата файлов 3MF, призванного решить проблему формата описания в будущем. В состав консорциума вошли компании 3D Systems, Autodesk, Dassault Systemes, FIT AG, GE Global Research, HP, Materialise, Microsoft Corporation, Shapeways, Siemens PLM Software, SLM Solutions Group AG, Stratasys, Ultimaker.

Целью организации является определение формата 3D-печати, который позволит проектным приложениям отправлять полнофункциональные 3D-модели в наборы других приложений, платформ, услуг и принтеров.

Этот формат файла будет содержать следующую информацию: 3D модель, основные свойства, происхождение цифровой подписи, цифровая подпись, сертификат цифровой подписи, параметры машины, эскиз, 3D текстура, дополнительные метаданные.

Развитие подобного формата данных послужит драйвером к использованию аддитивных технологии в серийном производстве. Более того, это обеспечит возможность реализации еще одного направления Индустрии 4.0 по созданию распределенных производств, что сегодня активно обсуждается в кругах НТИ.

Возвращаясь к вопросу о том, являются ли аддитивные технологии индустриальным чудом, или все это большой мыльный пузырь новой промышленной революции, хочется сказать, что, в конце концов, пока это всего лишь одна из производственных технологий со своими ограничениями и особенностями. Но при смене парадигмы в конструировании с детальным пониманием самого процесса, невероятное действительно становится возможным. Чудеса чаще случаются с теми, кто хорошо разбирается в природе их происхождения.