Аддитивная печать. Аддитивные технологии. Аддитивное производство из нержавеющей стали

Как известно, существует несколько методов 3D печати, однако все они являются производными аддитивной технологии производства изделий. Вне зависимости от того, какой 3D принтер вы используете, построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Несмотря на то, что термин Additive Manufacturing используется отечественными инженерами очень редко, технологии послойного синтеза фактически оккупировали современную промышленность.

Экскурс в прошлое Additive Manufacturing

Цифровое производство нашло свое применение в медицине, космонавтике, производстве готовой продукции и прототипировании. Хотя 3D печать принято считать одним из главных открытий двадцать первого века, в действительности аддитивные технологии появились на несколько десятилетий раньше.

Родоначальником отрасли стал Чарльз Халл, основатель компании 3D Systems. В 1986 году инженер собрал первый в мире стереолитографический 3D-принтер, благодаря чему цифровые технологии сделали огромный рывок вперед. Приблизительно в то же время Скотт Крамп, позже основавший компанию Stratasys, выпустил первый в мире FDМ-аппарат. С тех пор, рынок трехмерной печати стал стремительно расти и пополняться новыми моделями уникального печатного оборудования.

Первое время обе технологии SLA и FDM развивались бок обок исключительно в направлении промышленного производства, однако в 1995 году назрел перелом, сделавший аддитивные методы изготовления продукции общедоступными. Студенты Массачусетского технологического института, Джим Бредт и Тим Андерсон, внедрили технологию послойного синтеза материала в корпус обычного настольного принтера. Именно так была основана компания Z Corporation, долгое время считавшаяся лидером в сфере бытовой печати объемных фигур.

Технология аддитивного производства — Эпоха инноваций

В наши дни AF-технологии используются повсеместно: научно-исследовательские организации с их помощью создают уникальные материалы и ткани, промышленные гиганты используют 3D принтеры для ускорения прототипирования новой продукции, архитектурные и конструкторские бюро нашли в 3D печати нескончаемый строительный потенциал, в то время как дизайн-студии буквально вдохнули новую жизнь в дизайнерский бизнес благодаря аддитивным машинам.

Наиболее точной аддитивной технологией считается стереолитография – методом поэтапного послойного отверждения жидкого фотополимера лазером. SLA принтеры используются преимущественно для изготовления прототипов, макетов и дизайнерских компонентов повышенной точности с высоким уровнем детализации.

Селективное лазерное спекание изначально появилось, как усовершенствованный метод отверждения жидкого фотополимера. SLS-технология позволяет в качестве чернил использовать порошкообразные материалы. Современные SLS-принтеры способны работать с керамической глиной, металлическим порошком, цементом и сложными полимерами.

В литейной отрасли недавно появились PolyJet-аппараты, работающие по классической AF-технологии. Они оборудованы струйными печатными головками, заправленными быстро-застывающим материалом. На сегодняшний день InkJet 3D принтеры нешироко распространены, однако не исключено, что уже через несколько лет трехмерная струйная печать станет столь же распространена, как и классические печатные устройства. Первопроходцем в данной отрасли стала компания ExOne с ее прототипирующей машиной S-Max.

Самыми дешевыми по-прежнему остаются FDM-принтеры – устройства, создающие трехмерные объекты путем послойного наплавления филамента. Наиболее распространенными принтерами данного типа остаются аппараты, печатающие расплавленной пластиковой нитью. Они могут оснащаться одной или несколькими печатными головками, внутри которых находится нагревательный элемент.

Несмотря иа то что методы изготовления печатных плат, основанные на травлении фольгированного диэлектрика, вследствие высокого уровня их оснащенности занимают доминирующее положение в массовом производстве, имеются серьезные тенденции исключить субтрактив-ный метод ввиду ряда его недостатков. Возможность для этого представляет аддитивный метод, приобретающий все большее значение. При этом методе исходным является нефольгированный диэлектрик (например, стеклотекстолит), на поверхность которого (как и на стенки просверленных отверстии) наносится желаемый рисунок печатной платы.

Существенными преимуществами аддитивного метода по сравнению с субтрактнвным методом являются:

более высокая надежность, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином гальваническом процессе;

однородность соединений между проводниками и металлизацией отверстии;

отсутствие подтравливания;

отсутствие гальванического защитного покрытия при травлении; экономия меди, химикатов для травления и уменьшение затрат на нейтрализацию сточных вод;

упрощение технологического процесса .

Ниже рассматриваются два основных варианте аддитивного метода изготовления печатных плат: химический и химико-гальванический. Б первом варианте проводяшне слои получают на основе восстановительного осаждения; этот процесс по сравнению с другими бестоковыми

методами позволяет осаждать весьма толстые слои (до 10 мкм)

Наряду с вышеперечисленными общими преимуществами аддитивный метод обладает некоторыми особенностями. Толщина слоя равномерна в отверстиях и иа поверхности, а осаждаемые слои меди обнаруживают хорошие механические и физические свойства (твердость, износостойкость, паяемость). Недостатками метода являются высокая стоимость изделий (в 3-4 раза выше, чем при гальваническом осаждении) и низкаи скорость осаждения.

Чтобы устранить недостатки химического метода, часто обращаются к комбинированным методам. При этом на поверхности нефоль-гированного диэлектрика сначала химически получают связанный с подложкой слой меди толщиной до 5 мкм, который при последующем селективном гальваническом нараишвашш служит рисунком печатных проводников, а по окончании наращивания вытравливается, где это не» обходимо. ТЛриншт и важнейшие операции этого метода представлены.

Недостатком является неравномерная толщина покрытия в отверстиях из-за неравномерного распределения плотности тока гальванических ванн и возникновение переходной зоны между химически восстановленной и гальванически осажденной медью.

Необходимую для химического осаждения активацию диэлектрика можно осуществить как с помощью включения катализатора в диэлектрик прн его производстве, так и с помощью растворов двухлорнстого олова и хлористого палладия. При использовании диэлектрика с внедренным катализатором первой операцией после сверления отверстий: является создание негативного рисунка схемы на основе фоторезиста»

поэтому в восстановительной ванне осаждается только рисунок печатных проводников и осуществляется металлизация отверстий. Так как активацию с помощью растворов можно производить только на всеГг поверхности печатной платы, то создание защитного рельефа возможно толыго после создания медного елся толщиной 5 мкм. После химического или гальванического усиления меди необходима относительно короткая операция травления для удаления медного покрытия толщиной 5 мкм с нежелательных мест.

Особенно экономичен аддитивный метод при изготовлении МПП с металлизированными отверстиями, так как все его достоинства в наибольшей степени проявляются прн получении рисунков отдельных слоев и наружных рисунков печатной платы с соответствующими металлизированными отверстиями.

Ведущие страны мира активно включаются в 3D-гонку. Так, в 2012 г. в Янгстоуне, Огайо, открылся Национальный инновационный институт аддитивного производства NAMII - первый центр аддитивных технологий из пятнадцати создаваемых в США. Машинный парк института уже насчитывает 10 аддитивных машин, три из которых являются самыми современными машинами для создания металлических деталей.

Терминология и классификация

Суть аддитивных технологий заключается в соединении материалов для создания объектов из данных 3D-модели слой за слоем. Этим они отличаются от обычных субтрактивных технологий производства, подразумевающих механическую обработку - удаление вещества из заготовки.

Аддитивные технологии классифицируют:

по используемым материалам (жидким, сыпучим, полимерным, металлопорошковым);
по наличию лазера;
по способу фиксирования слоя построения (тепловое воздействие, облучение ультрафиолетом или видимым светом, связующим составом);
по способу образования слоя.

Есть два способа формирования слоя. Первый заключается в том, что сначала насыпают на платформу порошковый материал, распределяют его роликом или ножом для создания ровного слоя материала заданной толщины. Происходит селективная обработка порошка лазером или другим способом соединения частиц порошка (плавкой или склеиванием) согласно текущему сечению CAD-модели. Плоскость построения неизменна, а часть порошка остаётся нетронутой. Этот способ называют селективным синтезом, а также селективным лазерным спеканием, если инструментом соединения является лазер. Второй способ состоит в непосредственном осаждении материала в точку подведения энергии.

Организация ASTM, занимающаяся разработкой отраслевых стандартов, разделяет 3D-аддитивные технологии на 7 категорий.

Выдавливание материала. В точку построения по подогретому экструдеру подаётся пастообразный материал, представляющий собой смесь связующего и металлического порошка. Построенная сырая модель помещается в печь для того, чтобы удалить связующее и спечь порошок - так же, как это происходит в традиционных технологиях. Эта аддитивная технология реализована под марками MJS (Multiphase Jet Solidification, многофазное отверждение струи), FDM (Fused Deposition Modeling, моделирование методом послойного наплавления), FFF (Fused Filament Fabrication, производство способом наплавления нитей).
Разбрызгивание материала. Например, в технологии Polyjet воск или фотополимер по многоструйной головке подается в точку построения. Эта аддитивная технология также называется Multi jetting Material.
Разбрызгивание связующего. К ним относятся струйные Ink-Jet-технологии впрыскивания в зону построения не модельного материала, а связующего реагента (технология аддитивного производства ExOne).
Соединение листовых представляет собой полимерную плёнку, металлическую фольгу, листы бумаги и др. Используется, например, в технологии ультразвукового аддитивного производства Fabrisonic. Тонкие пластины из металла свариваются ультразвуком, после чего излишки металла удаляются фрезерованием. Аддитивная технология здесь применяется в сочетании с субстрактивной.
Фотополимеризация в ванне. Технология использует жидкие модельные материалы - фотополимерные смолы. Примером могут служить SLA-технология компании 3D Systems и DLP-технология компаний Envisiontec, Digital Light Procession.
Плавка материала в заранее сформированном слое. Используется в SLS-технологиях, использующих в качестве источника энергии лазер или термоголовку (SHS компании Blueprinter).
Прямое подведение энергии в место построения. Материал и энергия для его плавления поступают в точку построения одновременно. В качестве рабочего органа используется головка, оснащённая системой подвода энергии и материала. Энергия поступает в виде сконцентрированного пучка электронов (Sciaky) или луча лазера (POM, Optomec,). Иногда головка устанавливается на «руке» робота.

Эта классификация гораздо больше говорит о тонкостях аддитивных технологий, чем предыдущие.

Сферы применения

Рынок аддитивных технологий в динамике развития опережает остальные отрасли производства. Его средний ежегодный рост оценивается в 27% и, по оценке компании IDC, к 2019 г. составит 26,7 млрд долларов США по сравнению с 11 млрд в 2015 г.

Однако АТ-рынку ещё предстоит раскрыть неиспользованный потенциал в сфере производства товаров широкого потребления. До 10% средств компаний от стоимости производства товара расходуется на его прототипирование. И много компаний уже заняли данный сегмент рынка. Но остальные 90% идут в производство, поэтому создание приложений для быстрого изготовления товаров станет основным направлением развития этой отрасли в будущем.

В 2014 г. доля быстрого прототипирования на рынке аддитивных технологий хотя и уменьшилась, оставалась наибольшей - 35%, доля быстрого производства росла и достигла 31%, доля в создании инструментов оставалась осталась на уровне 25%, остальное приходилось на исследования и образование.

По отраслям экономики применение АТ-технологий распределилось так:

21% - производство потребительских товаров и электроники;
20% - автомобилестроение;
15% - медицина, включая стоматологию;
12% - авиастроение и космическая отрасль производства;
11% - производство средств производства;
8% - военная техника;
8% - образование;
3% - строительство.

Любители и профессионалы

Рынок АТ-технологий разделяется на любительский и профессиональный. Любительский рынок включает 3D-принтеры и их обслуживание, которое включает сервис, расходные материалы, программное обеспечение, и рассчитан на отдельных энтузиастов, сферу образования и визуализацию идей и облегчения коммуникации на начальной стадии развития нового бизнеса.

Профессиональные 3D-принтеры дорогостоящи и подходят для расширенного воспроизводства. У них большая зона построения, производительность, точность, надёжность, расширен ассортимент модельных материалов. Эти машины на порядок сложнее и требуют освоения особых навыков работы с самими устройствами, с модельными материалами и программным обеспечением. Как правило, оператором профессиональной машины становится специалист по аддитивным технологиям с высшим техническим образованием.

Аддитивные технологии в 2015 году

Согласно отчёту Wohlers Report 2015, с 1988 по 2014 г. в мире было установлено 79 602 промышленных 3D-принтера. При этом 38,1% устройств стоимостью более 5 тыс. долларов США приходится на США, 9,3% - на Японию, 9,2% - на Китай, и 8,7% - на Германию. Остальные страны мира находятся в значительном отрыве от лидеров. С 2007 по 2014 годовой объём продаж настольных принтеров вырос с 66 до 139 584 устройств. В 2014 г. 91,6% продаж приходился на настольные 3D-принтеры и 8,4% - на промышленные установки аддитивного производства, прибыль от которых, однако, составила 86,6% от общего объёма, или 1,12 млрд долларов США в абсолютном выражении. Настольные машины довольствовались 173,2 млн долларов США и 13,4%. В 2016 г. ожидается рост продаж до 7,3 млрд долларов США, в 2018 г. - 12,7 млрд, в 2020 г. рынок достигнет 21,2 млрд долларов.

Согласно Wohlers, FDM-технология превалирует, насчитывая около 300 брендов по всему миру, ежедневно пополняясь новыми модификациями. Некоторые из них продаются только локально, поэтому очень сложно, если вообще возможно, найти информацию о количестве брендов выпускаемых 3D-принтеров. С уверенностью можно сказать, что их количество на рынке увеличивается с каждым днём. Наблюдается большое разнообразие в размерах и применяемых технологиях. Например, берлинская компания BigRep производит огромный FDM-принтер под названием BigRep ONE.2 по цене 36 тыс. евро, способный печатать объекты размером до 900 х 1055 х 1100 мм с разрешением 100-1000 микрон, двумя экструдерами и возможностью использовать разные материалы.

Промышленность - за

Авиационная промышленность усиленно инвестирует в аддитивное производство. Применение аддитивных технологий позволит снизить расход материалов, затрачиваемых на изготовление деталей, в 10 раз. Ожидается, что компания GE Aviation будет ежегодно печатать 40 тыс. форсунок. А компания Airbus к 2018 г. собирается печатать до 30 т деталей ежемесячно. Компания отмечает значительный прогресс в характеристиках произведённых таким способом деталей по сравнению с традиционным. Оказалось, что кронштейн, который был рассчитан на 2,3 т нагрузки, в действительности может выдерживать нагрузку до 14 т при снижении его веса вдвое. Кроме того, компания печатает детали из алюминиевого листа и топливные коннекторы. В самолётах Airbus насчитывается 60 тыс. частей, напечатанных на 3D-принтерах Fortus компании Stratasys. Другие компании авиакосмической индустрии также используют технологии аддитивного производства. Среди них: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce и SpaceX.

Цифровые аддитивные технологии уже используются в производстве разнообразных потребительских товаров. Компания Materialise, предоставляющая услуги аддитивного производства, сотрудничает с компанией Hoet Eyeware в изготовлении очков для коррекции зрения и солнечных очков. 3D-модели предоставляются множеством облачных сервисов. Только компании 3D Warehouse и Sketchup предлагают 2,7 млн образцов. Не остаётся в стороне и индустрия моды. RS Print использует систему, измеряющую давление подошвы, для печати индивидуальных стелек. Дизайнеры экспериментируют с бикини, обувью и платьями.

Быстрое прототипирование

Под быстрым прототипированием понимают создание прототипа изделия за максимально короткий срок. Оно входит в число основных применений технологий аддитивного производства. Прототип - это прообраз изделия, необходимый для оптимизации формы детали, оценки её эргономики, проверки возможности сборки и правильности компоновочных решений. Вот почему сокращение срока изготовления детали позволяет значительно сократить время разработки. Также прототип может являться моделью, предназначенной для проведения аэро- и гидродинамических испытаний или проверки функциональности деталей корпуса бытовой и медицинской техники. Много прототипов создаётся в качестве поисковых дизайнерских моделей с нюансами в конфигурации, цветовой гамме раскраски и т. д. Для быстрого прототипирования используются недорогие 3D-принтеры.

Быстрое производство

Аддитивные технологии в промышленности имеют большие перспективы. Малосерийное производство изделий со сложной геометрией и из специфических материалов распространено в судостроении, энергетическом машиностроении, восстановительной хирургии и дентальной медицине, аэрокосмической промышленности. Непосредственное выращивание изделий из металла здесь мотивировано экономической целесообразностью, так как этот оказался менее затратным. С использованием аддитивных технологий производят рабочие органы турбин и валов, импланты и эндопротезы, запасные части для автомобилей и самолётов.

Развитию быстрого производства способствовало и значительное расширение числа доступных металлопорошковых материалов. Если в 2000 годах насчитывалось 5-6 видов порошков, то сейчас предлагается широкая номенклатура, исчисляемая десятками композиций от конструкционных сталей до драгоценных металлов и жаропрочных сплавов.

Перспективны и аддитивные технологии в машиностроении, где их можно использовать при изготовлении инструментов иприспособлений для серийного производства - вставок для термопласт-автоматов, пресс-форм, шаблонов.

Ultimaker 2 - лучший 3D-принтер 2016 года

По мнению журнала CHIP, который провёл тестирование и сравнил характеристики бытовых 3D-принтеров, лучшими принтерами 2016 года являются модели Ultimaker 2 компании Ultimaker, Reniforce RF1000 компании Conrad и Replicator Desktop 3D Printer компании MakerBot.

Ultimaker 2+ в его улучшенной модели использует технологию моделирования методом наплавления. 3D-принтер отличается наименьшей толщиной слоя, равной 0,02 мм, небольшим временем расчёта, низкой стоимостью печати (2600 руб за 1 кг материала). Основные характеристики:

размер рабочей камеры - 223 х 223 х 305 мм;
вес - 12,3 кг;
размер головки - 0,25/0,4/0,6/0,8 мм;
температура головки - 180-260°C;
разрешение слоя - 150-60/200-20/400-20/600-20 микрон;
скорость печати - 8-24 мм 3 /с;
точность XYZ - 12,5-12,55 микрон;
материал - PLA, ABS, CPE диаметром 2,85 мм;
программное обеспечение - Cura;
поддерживаемые типы файлов - STL, OBJ, AMF;
- 221 Вт;
цена - 1 895 евро базовая модель и 2 495 евро расширенная.

По отзывам покупателей, принтер лёгок в установке и использовании. Отмечают высокое разрешение, саморегулирующееся ложе, большое разнообразие используемого материала, использование открытого программного обеспечения. К недостаткам принтера относят открытую конструкцию принтера, которая может привести к ожогу горячим материалом.

LulzBot Mini 3D Printer

В обзоре журнала PC Magazine Ultimaker 2 и Replicator Desktop 3D Printer также вошли в тройку лучших, но здесь на первом месте оказался принтер LulzBot Mini 3D Printer. Его спецификации таковы:

размер рабочей камеры - 152 х 152 х 158 мм;
вес - 8,55 кг;
температура головки - 300°C;
толщина слоя - 0,05-0,5 мм;
скорость печати - 275 мм/с при высоте слоя 0,18 мм;
материал - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, полиэстер, нейлон, поликарбонат, PETG, PCTE, PC-ABS, и др. диаметром 3 мм;
программное обеспечение - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl и др.;
потребляемая мощность - 300 Вт;
цена - 1 250 долларов США.

Sciaky EBAM 300

Одной из лучших промышленных машин аддитивного производства является EBAM 300 компании Sciaky. Электронно-лучевая пушка наносит слои металла со скоростью до 9 кг в час.

размер рабочей камеры - 5791 х 1219 х 1219 мм;
давление вакуумной камеры - 1х10 -4 Тор;
потребляемая мощность - до 42 кВт при напряжении 60 кВ;
технология - экструзия;
материал - титан и сплавы титана, тантал, инконель, вольфрам, ниобий, нержавеющая сталь, алюминий, сталь, сплав меди с никелем (70/30 и 30/70);
максимальный объём - 8605,2 л;
цена - 250 тыс. долларов США.

Аддитивные технологии в России

Машины промышленного класса в России не выпускаются. Пока только ведутся разработки в "Росатоме", лазерном центре МГТУ им. Баумана, университете «Станкин», политехническом университете Петербурга, Уральском федеральном университете. «Воронежсельиммаш», выпускающий учебно-бытовые 3D-принтеры «Альфа», разрабатывает промышленную аддитивную установку.

Такая же ситуация и с расходными материалами. Лидером разработки порошков и порошковых композиций в России является ВИАМ. Им производится порошок для аддитивных технологий, использующийся при восстановлении лопаток турбин, по заказу пермского «Авиадвигателя». Прогресс есть и у Всероссийского института лёгких сплавов (ВИЛС). Разработки ведутся различными инжиниринговыми центрами по всей Российской Федерации. "Ростех", Уральское отделение РАН, УрФУ ведут свои разработки. Но все они не способны удовлетворить даже небольшой спрос в 20 т порошка в год.

В связи с этим правительство поручило Минобрнауке, Минэкономразвитию, Минпромторгу, Минкомсвязи, РАН, ФАНО, "Роскосмосу", "Росатому", "Росстандарту", институтам развития создать согласованную программу разработок и исследований. Для этого предлагается выделить дополнительные бюджетные ассигнования, а также рассмотреть возможности софинансирования за счёт средств ФНБ и других источников. Рекомендовано поддержать новые в т. ч. аддитивные, РВК, "Роснано", фонду «Сколково», экспортному агентству "ЭКСАР", "Внешэкономбанку". Также правительство в лице Минпромторга подготовит раздел государственной программы по развитию и повышению конкурентоспособности промышленности.

Мастер хорош лишь настолько, насколько хороши его инструменты. Так и 3d принтер хорош лишь настолько, насколько хороши используемые им . Все мы слышали об аддитивном производстве (АП), но чтобы эта технология, прошла от быстрого создания прототипов до массового производства, ей нужно преодолеть множество препятствий.

Несомненно, одним из самых крупных барьеров в превращении 3d печати в производственный процесс, являются ограничения, связанные с материалами. Мы прошли уже большой путь от дней, когда применялись только фирменные пластмассовые нити. В последние годы быстро развивается АП с использованием металла, и тенденция открытых платформ для полимеров для 3d печати, поощряет многих игроков, таких как DuPont, создавать новые применения материалов для аддитивного рынка.

Состояние отрасли аддитивного производства

Можно даже не говорить о росте рынка АП в последние десять лет. Более того, имеющиеся прогнозы предполагают, что рынок 3d печати продолжит обгонять традиционные технологии производства, такие как литье под давлением и станки с ЧПУ. Прогноз для АП с применением металла еще более оптимистичен, что объясняет, почему компании, такие как Vulcan Laboratories, которые ранее концентрировались на АП с применением полимеров, начали инвестировать в применение металла.

Заметные изменения индустрии АП легче воспринять, оценив, насколько продвинулась эта отрасль за такое короткое время. «В 2008 году 3d печатью занималась горстка компаний, выпускавших пару принтеров в год в исследовательских целях. Но теперь вся отрасль развивается со скоростью, значительно отличающейся от той, которая была 10 лет назад», — говорит Джон Кавола (John Kawola), президент компании Ultimaker .

Гордон Стайлз (Gordon Styles), президент и основатель компании Star Rapid , отметил изменения материалов для АП. «Десять лет назад я бы и подумать не мог, что можно печатать материалами высокой прочности, химически устойчивыми и отражающими тепло, — говорит он. — Это было до недавнего времени, но стартап Markforged делает именно это. Вместо более крупных корпораций, предложивших эту технологию, Markforged первой начала создавать детали с ониксом, и даже использует нить из кевлара, углеволокна и стекловолокна HSHT».

Как показывают слова Каволы и Стайлза, контраст между 2008 и 2018 годами в отрасли 3d печати, весьма заметный. За десять лет мы прошли от нескольких компаний до сотен, мы видели взрывной рост возможностей для настольной 3d печати, одновременно с резким падением цены. И мы прошли от теоретических рассуждений об использовании металла и других материалов в 3d печати, до аддитивного производства деталей для аэрокосмической индустрии.

Катушки с нитью, в целлофановой обертке для защиты от влаги

Для сравнения, хотя телефон RAZR V3 от Motorola был самым популярным телефоном в свое время, в 2008 году у нас уже были iPhone, Facebook, Twitter и многое другое. В терминах технологий производства, 2008 год стал годом, когда на IMTS был предложен открытый стандарт связи MTConnect.

Другими новинками IMTS 2008 были многофункциональные станки, машинная обработка пластмасс и композитных материалов. Все эти технологии добились прогресса за последние десять лет, но ни она из них не сравнится с взрывным ростом АП, который мы видели и продолжаем видеть сегодня.

Материалы аддитивной индустрии

Согласно отчету Wohlers Report 2017, рынок материалов для АП вырос с 2016 года на 17 процентов. Это медленнее роста рынка полимерного АП в целом, среднегодовой рост которого (CAGR) составил 29 процентов с 2010 по 2017 годы. Это не должно удивлять: рынок материалов еще не устоялся, и намного проще выпустить новый 3d принтер, чем разработать новый материал для печати.

Разнообразие материалов все еще представляют проблему в АП, хотя и не столь выраженную, как десять лет назад. «Если вернуться в 2008 год, то почти все компании использовали фирменную пластмассу в качестве материала — объясняет Кавола. – Для поставщика, когда потребитель мог покупать только у вас, доходы были высоки. Но если взять материалы, с которыми работали в то время, то их, может быть, были десятки, а не сотни, как сейчас».

Использование фирменных материалов — это хороший способ сохранять монополию, но он сдерживает разработку новых материалов. Если клиент не имеет выбора и должен покупать только у вас, то неважно, предлагает ли ваш конкурент другой материал с лучшими возможностями, поскольку барьер для перехода клиента к нему — покупка нового 3d принтера — слишком высок.

Подобная сегментация рынка также не поощряет инновации у поставщиков материалов. Если вы — DuPont, то намного выгоднее разработать материалы для 3d печати на базе нейлона, которые могут быть использованы на различных принтерах, чем создавать заказную формулу для каждого бренда.

К счастью, рынок материалов для АП в последние годы стал значительно более открытым, как объясняет Стайлз: «Сегодня мы видим, что большинство производителей принтеров открыты к развитию и использованию сырья покупателей и сторонних поставщиков. Это может быть вызвано количеством конкурентов с невысокими ценами и тем фактом, что разработки и проверка новых материалов являются дорогостоящими, и могут иметь очень узкую нишу применения. Это особенно верно для сплавов металлов».

«Поэтому отрасль 3d печати — включая такие компании, как Ultimaker и HP — перешла в последние годы к открытым платформам для материалов, — говорит Кавола. — Это распахнуло дверь крупным компаниям, производящим материалы по всему миру — DuPont, Dow, Owens Corning, Mitsubishi, DSM и многие другие. Я думаю, что это играет большую роль для подталкивания 3d печати в направлении производства, поскольку лучшие специалисты в мире полимерных материалов, начинают использовать материалы, применяемые в литье под давлением, и адаптируют их для 3d печати».

Но при использовании АП в производстве остается проблема сертификации материала. «Проверка материалов для АП и доказательство того, что полученные изделия не хуже, если не лучше изделий получаемых традиционными методами, является основным препятствием в применении АП в производстве, — говорит Стайлз. — Для этого требуются средства и время. В производственной среде необходимо доказывать возможность достижения того же качества для разных поставщиков, а также распространять и увеличивать их количество «.

«Высокие требования стабильного качества для сырья сложно удовлетворить при обширной базе поставки, не говоря уж о различиях в технологии производства и используемых источниках сырья у поставщиков. Все эти факторы необходимо учитывать», — добавляет он.

Возможности материалов для аддитивного производства определенно растут, поскольку в дело вступают крупные поставщики материалов, но какие материалы сегодня действительно пригодны для производственного применения?

Типы материалов для АП

Хотя существует множество материалов, которые можно использовать в АП — включая песок, стекло, керамику, и даже шоколад — в настоящей статье рассматриваются только две категории материалов, играющие наибольшую роль в производственных применениях: полимеры (например, термопластмассы) и металлы.

Металлические материалы для 3d печати

Рынок металлических материалов для АП рос еще быстрее, чем весь рынок АП, и причиной этого являются материалы. В отличие от 3d принтеров, использующих полимеры, которым требуется развитие совершенно новой отрасли материалов, 3d принтеры, использующие металлы, работают с проволокой или (что гораздо чаще) с металлическим порошком, получая их от уже существующих поставщиков.

Конечно, если нужно изготовлять металлические детали высокого качества, требуется использовать порошок, специально разработанный для АП, т.е., в котором соблюдается однородность размеров частиц. Тем не менее, использование одинаковых материалов для металлического покрытия и 3d печатью способствовало развитию порошковой индустрии. Это означает, что можно изготоваливать металлические детали по технологии АП из того же самого материала, из которого они изготавливались до этого.

Да и само по себе, АП предоставляет новые возможности для материалов, которые не использовались при традиционном производстве. Например, некоторые методы 3d печати металла позволяют наносить слои различных металлов — алюминия, тантала и никеля — при изготовлении одной детали. С другой стороны, процесс 3d печати также вносит и новые проблемы, и источники ошибок, включая пористость, остаточные напряжения и деформации.

Но вообще, если металл хорошо ведет себя при сварке или отливке, он также подходит для АП. Как отмечалось выше, уже существует широкий диапазон металлов и сплавов, которые можно использовать в 3d печати, либо в форме порошка, либо в виде проволоки. К ним относятся:

Алюминий
Кобальт
Инконель
Никель
Драгоценные металлы (золото, серебро, платина)
Нержавеющая сталь
Тантал
Титан
Инструментальная сталь
Вольфрам.

Рассмотрим более подробно три металла из этого списка.

Аддитивное производство с титаном

Титан является одним из наиболее популярных материалов для 3d печати в производстве, особенно в аэрокосмических и медицинских приложениях. Он объединяет легкость алюминия с прочностью стали, и он не токсичен. Однако этим преимуществам противостоит относительно высокая стоимость титана. Поэтому снижение отходов делает АП привлекательным вариантом для получения титановых деталей.

Порошковый титан легко воспламеняется и взрывается при контакте с водой, при температурах, превышающий 700о C. По этой причине 3d печать с титановым порошком выполняется в вакуумных или в аргоновых камерах. Также можно выполнять 3d печать, используя плавку титановой проволоки электронным лучом (EBM), что устраняет риски взрывной реакции.

К двум наиболее распространенным титановым сплавам, используемым в АП, относятся 6Al-4V и 6Al-4V ELI.

3d печать с алюминием

Алюминий, легкий и универсальный металл, можно использовать для 3d печати аэрокосмических компонентов, и деталей гоночных автомобилей. Хотя он не обладает прочностью стали, алюминий намного легче ее и более устойчив к коррозии. Они также дороже стали, хотя и не настолько, как титан.

Основное преимущество применения алюминия в 3d печати заключается в возможности производства деталей с мелкими элементами и тонкими стенками (до 50 микрон). Алюминиевые детали, изготовленные методами АП, имеют более текстурную, матовую поверхность, в отличие от шлифованной поверхности при производстве алюминиевых деталей на станках

Распространенным алюминиевым сплавом для 3d печати является AlSi10Mg.

Аддитивное производство из нержавеющей стали

По сравнению с алюминием, титаном и большинством других металлов из приведенного списка, нержавеющая сталь является более доступным вариантом. Она может использоваться для 3d печати водостойких деталей высокой прочности и плотности, и используемых в экстремальной среде, такой как реактивные двигатели самолетов и ракет. Были проведены исследования применимости нержавеющей стали 316L для производства корпусов ядерных реакторов при помощи АП. Несмотря на то, что сталь 316L обычно поддается нетепловой обработке, отчет компания Renishaw предполагает, что процесс АП порождает более прочные сплавы, чем при ковке металла, обеспечивая усилие растяжения, превышающее 600 МПа. Детали из нержавеющей стали изготавливаются на 3d принтере либо путем непосредственного нанесение металла, либо используя композитный материал со связывающим веществом. Детали можно покрывать другими металлами для изменения внешнего вида или свойств поверхности.

Распространенными сплавами нержавеющей стали, используемыми в АП, являются 17-4PH, 15-5-PH, ASM 316L и 304L.

Термопластичные материалы для 3d печати

Рынок материалов для термопластичного или полимерного АП развивался несколько десятилетий, а с появившейся тенденций к открытым платформам материалов 3d печати, он стал более устойчивым. Как говорит Кавола: «ОЕМ покупают свои материалы для литья под давлением у крупных компаний, производящих пластмассу. Если эти компании также выпускают нить или порошок для 3d печати, то можно на стадии создания прототипов применять их в 3d принтерах, и затем те же материалы применять для литья под давлением. Идея относительно нова, и возникла лишь в последние годы».

Использование одних и тех же материалов для 3d печати и литья под давлением дает ряд преимущества. Среди них уверенность применения одних и тех же материалов во всем процессе, от прототипов до производства. Есть и менее явные преимущества, такие как отсутствие дополнительной сертификации материалов, увеличивающей время их принятия.

«Процессы литья под давлением и 3d печати для изготовления той же самой детали различаются, но если используется одинаковый материал, то компания получает преимущества от принятия технологий АП», — говорит Кавола.

Стайлз особо отмечает появление одного популярного материала: «В этом году мы увидели появление PEEK, бесцветного, органического, термопластичного полимера для различных производственных систем, — говорит он. — PEEK очень популярен в автомобильной, медицинской, аэрокосмической и химической отраслях. Он устойчив к ударам (твердый), прочный, долговечный, его температура плавления превышает 300ОC, и кроме того, FDA разрешила использовать его при контакте с пищевыми продуктами».

Список полимерных материалов для 3d печати намного длиннее списка металлов, но среди наиболее популярных материалов можно назвать следующие:

Ацеталь
Акриловое волокно
Aкрилонитрил бутадиен стирол (ABS)
Акрилонитрил стирол акрилат (АSA)
Ударопрочный полистирол (HIPS)
Нейлон
Поликарбонат (PC)
Полиэфирэфиркетон (PEEK)
Полиэтилентерефталат (PET)
Полиэтилентерефталат триметилена (PETT)
Модифицированный гликолем полиэтилентерефталат (PET-G)
Полилактид (PLA)
Полипропилен (PP)
Поливиниловый спирт (PVA)
Термопластичный эластомер (TPE)
Полиэфиримид ULTEM

Как и в случае металлов, рассмотрим детально три материала из этого списка.

АП с Акрилонитрил бутадиен стиролом (ABS)

До сих пор весьма популярным материалом 3d печати является ABS. Хотя в целом PLA более популярен, но почти всегда для производства лучше использовать ABS благодаря его прочности, долговечности и невысокой стоимости. Для применения на 3d принтере, ABS необходимо нагреть до относительно высокой температуры в 230-250О C, и поэтому он требует подогрева основания принтера для обеспечения правильного охлаждения и предотвращения деформаций.

Детали из ABS получают с использованием методов наплавления (FDM), послойного склеивания, стереолитографии (SLA) или фотополимерной печати. Основным недостатком ABS является его токсичность, выделяемые ядовитые испарения при достижении точки плавления. Полученные на 3d принтерах детали из ABS часто используются для отливки конечных продуктов или инструментальных приложениях.

3d печать с нейлоном

Нейлон (полиамид) представляет собой синтетический полимер. Он прочнее, чем ABS, хотя и дороже. Он гибкий и демонстрирует прекрасную память материала. Послойное склеивание деталей, полученных на 3d принтере, также выводит нейлон на уровень выше среднего.

Чувствительность нейлона к влаге требует его применения в АП либо в вакууме, либо при высокой температуре. Хранить его нужно в герметичных контейнерах. Некоторые детали из нейлона могут сжиматься, что делает его менее точным материалом, чем ABS.

Популярные марки нейлона для АП: Taulman 618, Taulman 645 и Bridge Nylon.

Аддитивное производство с поликарбонатом (PC)

Поликарбонат (торговая марка Lexan), представляет собой легкий и плотный материал с великолепной прочностью на растяжение. Его прозрачность позволяет использовать его для разнообразных приложений, даже при производстве солнцезащитных очков. Усиленный углеродом PC, может применяться для создания впускных коллекторов и других деталей, подвергаемых воздействию высокой температуры.

PC растворяется в дихлорметане, и плавится при температуре 260-300О С, что довольно много для 3d печати. Несмотря на прозрачность, при необходимости PC может быть окрашен. Как и ABS, он требует нагрева основания принтера для обеспечения склеивания и снижения деформации.

Материалы для 3d печати

Эти компоненты M781 были получены на 3d принтерах во время шестимесячной совместной программы RDECOM, ManTech и America Makes. Их цена на тысячи долларов ниже, чем у аналогичных компонентов, созданных стандартными методами производства.

Несмотря на весь прогресс, 3d печать остается скорее нишевой технологией, чем основным направлением в производстве. Кавола объясняет сегодняшнее место АП в секторе в целом, рассматривая две крайности спектра производства;

«Одной крайностью является производство деталей Lego, затрачивая по полцента на каждую, — говорит он. — Вы никогда не сможете конкурировать здесь, используя 3d печать, по крайней мере, не при моей жизни. Другая крайность — применение 3d печати в стоматологии, где все делается в единичном экземпляре. Поэтому наилучшая возможность для 3d печати в производстве находится там, где выпускаются от 100 до 1000 деталей».

Когда вопрос касается материалов, Стайлз отмечает один из аспектов, которые следует учитывать. «Люди должны знать стоимость сырья и производства, — говорит он. — Многие просто не понимают, насколько дорогостоящим может быть процесс АП. Понимание затрат может помочь принимать информированное решение о применении 3d печати традиционной технологии, такой как литье под давлением или обработка на станках с ЧПУ».

Аддитивный метод

Аддитивным методом изготавливают прецизионные ДПП на нефольги-рованном основании по 5-му классу точности. В отличие от субтрактивных методов в аддитивном методе применяют нефольгированный диэлектрик, на который селективно осаждают медь. Толщина химически осаженной на диэлектрик меди составляет порядка 25.35 мкм, удельное электрическое сопротивление - Омм (выше чем у гальванической -), относительное удлинение - 4.6 %, прочность сцепления с диэлектриком - не менее 0,4 Н/3 мм. При аддитивном методе в качестве материала основания ДПП применяют нефольгированный стеклотекстолит:

с клеевыми пленками (адгезионными) на поверхности типа СТЭФ;

с введенным в объем диэлектрика катализатором, который

способствует осаждению меди на диэлектрик - типа СТАМ;

с эмалью.

Технологический процесс изготовления зависит от применяемого материала. Основные этапы аддитивного метода изготовления на материале СТАМ приведены на рис. В.6.

Преимущества аддитивного метода:

высокий класс точности - 5-й;

равномерность меди на поверхности и в отверстиях при отношении толщины ДПП к диаметру отверстия 10: 1;

короткий технологический цикл;

сокращение количества оборудования по сравнению с субтрактивными методами;

снижение расхода меди, так как ее осаждают селективно в соответствии с рисунком ДПП;

возможность использования для химического меднения солей меди из травильных отходов.

К недостаткам аддитивного метода относятся:

высокое удельное электрическое сопротивление химической меди;

наличие адгезионного слоя на поверхности, подверженного старению;

тенденция химической меди к растрескиванию под воздействием сильных термических ударов и др.

Метод фотоформирования

Метод фотоформирования является одним из вариантов аддитивного метода. Он применяется для изготовления ДПП и слоев МПП на нефольгированном основании 5-го класса точности. В качестве материала

основания используют слоистые диэлектрики, керамику, металл с покрытием из смолы. Для получения рисунка методом фотоселективной активации применяют фотоактиваторы (фотопромоторы) - светочувствительные растворы солей меди или серебра на основе органических кислот (винной, глутаминовой и др.). Фотоактиваторы наносят на подложку, затем проводят экспонирование; под действием УФ-излучения ионы меди восстанавливаются, формируя отчетливое изображение рисунка схемы. Проявление рисунка осуществляют в ванне химического меднения, в которой в результате автокаталитического процесса происходит восстановление меди. Основные этапы метода фотоформирования приведены в табл.7.

Таблица.7. Основные методы фотоформирования.

Одним из вариантов метода фотоформирования является вычерчивание световым лучом рисунка схемы по нанесенному на нефольгированный диэлектрик фотоактиватору, после чего на восстановленный металл осаждают медь химическим способом. Методом фотоформирования можно получить ДПП или слои МПП по 5-му классу точности и выше.