Производственные технологии: Аддитивное производство (+ видео лекции) ^{Избранное}

Специалист по машиностроению Фардад Азарми о принципах 3D-моделирования, его применении в космической индустрии и о том, как печатают еду

Вместе со Сколковским институтом науки и технологий мы сняли курс «Производственные технологии», посвященный компьютерному моделированию и 3D-печати. В этой лекции преподаватель магистерской программы «Новые производственные технологии и материалы» Сколтеха Фардад Азарми рассказывает о том, как 3D-индустрия проникла в различные сферы производства.

Аддитивное производство, или 3D-печать, началось с идеи быстрого прототипирования в 1980-е годы. Инженеры хотели найти быстрое решение для своих идей, быстро увидеть то, что придумали, и показать другим людям: «Вот что мы хотим сделать, теперь давайте это построим». С 1980-х годов эта технология улучшилась, появились новые техники, но самая первая была стереолитография. С того времени началась разработка новых технологий 3D-печати, появились новые решения и возможность использовать для печати новые материалы.

Идея аддитивной технологии проста: если мы можем сделать 3D-модель объекта, мы можем загрузить эту модель в компьютер, компьютер нарежет эту модель на тонкие слои, детали, наше оборудование по отдельности создаст эти детали, и мы получим нужный объект. Все просто. У этой технологии есть много преимуществ. Одно из них ― эта технология очень быстрая. Мы убираем все лишние шаги традиционного производства. Мы просто делаем модель и создаем нужный объект. Таким образом мы снижаем расход материалов, создаем только то, что хотим. Все прочие детали и материалы, которые были бы нужны в других технологиях производства, больше не нужны.

Одно очень важное преимущество аддитивного производства состоит в том, что сложность объекта теперь не имеет никакого значения. Как говорится, больше нет ничего невозможного. Мы можем создать любой предмет независимо от его сложности и геометрии его внутреннего устройства, из любого материала. При этом сложность объекта никак не повлияет на его стоимость. Хотя это может быть расценено и как недостаток. В массовом производстве, если вы производите продукт в больших количествах, цена и стоимость производства падают. В аддитивном производстве сложность объекта не повышает стоимость продукта, но и массовое производство ее не уменьшит ― это можно рассматривать как недостаток.

Еще одна важная деталь в 3D-печати ― это обратная разработка. Вы видите деталь, и у вас есть возможность сделать ее модель или использовать свое инженерное чутье и знания. Либо у вас есть 3D-сканер, и вы можете отсканировать ее. Вот почему это называется обратной разработкой. Этой технологии нашли множество применений, особенно в последние несколько лет. Она привлекает самые разные индустрии.

В настоящее время для 3D-печати чаще всего используют пластик и полимерные материалы. Но самые современные, продвинутые 3D-принтеры могут работать также с металлом и керамикой. В зависимости от модели и требований с помощью технологий аддитивного производства можно напечатать объекты почти из любых материалов. Пластик довольно дешев и доступен, 3D-печать из него введена в коммерческую эксплуатацию. Но для металла и керамики стоимость производства пока еще остается высокой.

Технологии аддитивного производства можно классифицировать различными способами. У Американского общества по испытанию материалов (ASTM) есть своя классификация, основанная на особенностях используемых технологий и материалов. Например, такие технологии, как экструзия, струйные технологии, сращивание материала или фотополимеризация, используются для печати объектов из пластика и полимерных материалов. Некоторые из них можно использовать и для керамики. Например, у фотополимеризации есть два подвида. Один из них называется «цифровая светодиодная проекция», а другой ― «лазерная стереолитография». Они могут использоваться для создания керамических материалов методом аддитивного производства. Экструзия доступна на рынке. Сейчас в основном применяется такой ее вид, как моделирование методом наплавления. Также существуют такие технологии, как точечная подача порошка или расплавление материала в заранее сформированном слое. Их используют для металлов. В них используется лазер: материал различными способами вносится в лазерный луч, и так мы получаем нужные металлические объекты.

Я расскажу о продвинутом применении аддитивного производства. В настоящее время воздушно-космическая индустрия инвестирует много средств в исследования аддитивного производства. Например, GE недавно выделила более миллиарда долларов только на исследования в области аддитивного производства. Кстати, насколько я знаю, больше 80% их двигателей нового поколения для самолетов ― CFM LEAP, которые будут доступны к 2020 году, ― построено при помощи аддитивного производства. Топливные форсунки, лопасти в самолетах и других воздушных судах создаются при помощи этих технологий.

В автомобильной индустрии аддитивные технологии использовались на протяжении долгого времени, и даже сейчас их используют для создания различных запчастей. Но самое интересное использование 3D-печати в автомобильной индустрии ― разработки новых идей, дизайна линеек или отдельных машин. Разрабатывают прототип всей машины, например, из пластика, создавая его при помощи 3D-печати. Подумайте только: некоторые детали этих машин очень большие, так что 3D-принтеры, которые способны их напечатать, должны быть действительно продвинутыми. Это очень интересное использование аддитивных технологий в автомобильной промышленности. В газонефтяной промышленности при помощи 3D-печати создают различные части буров и другие детали.

Аддитивное производство также применяется в биомедицине и стоматологии. Вот один пример, который произошел недавно. Орел потерял свой клюв. Технологи смоделировали клюв и напечатали его из разных материалов, которые близки по свойствам настоящим тканям клюва орла. Клюв имплантировали, все прошло удачно, и клюв замечательно выглядит.

Техника, предметы домашнего обихода, архитектура, картографирование, строительные конструкции ― во всех этих сферах используется продукция, произведенная при помощи 3D-печати. Также нужно отметить и модную индустрию: теперь можно увидеть, что модели представляют платья, распечатанные на 3D-принтерах. Еще одно интересное применение аддитивных технологий ― пищевая промышленность. Многие рестораны в некоторых странах теперь печатают еду. Когда я впервые начал работать в этой сфере несколько лет назад и проводил семинары и презентации, я шутил, что однажды вы придете в ресторан, а официант спросит, какой вам напечатать бифштекс ― прожаренный, слабой прожарки или с кровью. И теперь это в некоторых заведениях происходит, это больше не шутка.

Как я уже упоминал ранее, использование 3D-печати для производства металлов и керамики стоит немного дороговато. Простите, не немного, а очень дорого. Оборудование дорогое. Сейчас одна из задач на будущее ― сделать оборудование для 3D-печати из металла и керамики более дешевым и доступным. Это будет одной из задач на будущее, одной из сфер роста аддитивного производства.