Основное направление деятельности центра – предоставление услуг быстрого прототипирования на основе аддитивных технологий (AF – Additive Manufacturing).

Появление технологии 3D-печати относят к восьмидесятым годам прошлого века. Первый «дееспособный» 3D-принтер собрал Чарльз Халлом, один из основателей корпорации 3D Systems (на сегодня занимает лидирующие позиции в 3D-индустрии). Серийные продажи полноценных 3D-принтеров началась примерно с 2010 года.

Процесс 3D-печати основан на послойном «выращивании» физического объекта, то есть, поэтапного добавления строительного материала, в отличие от технологий, ставших за многие годы традиционными, где происходит удаление «лишнего» от достаточно большого объема исходного материала (например, получение изделий из массива дерева), в процессе которого образуются отходы производства, чего лишена технология послойного «выращивания» объекта.

Объёмные модели могут выращиваться/печататься из пластиков, жидких полимеров, гипса, бумаги, бетона, гидрогеля, металла и даже из живых клеток и шоколада.

Изначально 3D-технологии использовались преимущественно в традиционно технологически продвинутых отраслях – автомобильной, авиационной и аэрокосмической промышленностях, приборостроении, то есть, там, где «упрощение» производственных процессов имеет высокую экономическую составляющую.

Сегодня время, затраченное на внедрение инновационных решений, является важнейшим фактором успеха проектов, предусматривающих дальнейшую коммерциализацию продукта инноваций. Например, на момент начала продаж «новый» продукт, пройдя все стадии от идеи до потребителя, может оказаться носителем «вчерашних» технологий. Поэтому все чаще инженеры обращаются к быстрому прототипированию с целью сокращения сроков на создание новых продуктов.

Образовательные программы вузов предусматривают обучение студентов работе с 3D-принтерами, считая это весьма полезной частью учебного процесса для студентов инженерных специальностей.

Благодаря тому, что направление очень молодое, одновременно разработано несколько технологий получения прототипов путем добавления материала.

Основные различия 3D-печати заключаются в методе образования слоев, толщина которых может быть менее 50 микрон, и используемых расходных материалах. Основные методы основываются на плавке или спекании, в связи с чем компании предлагают широкий выбор расходного материала для построения – полимеры или порошкообразные материалы, вплоть до металлов. Очень востребовано применение разнообразных полимерных и металлических порошков.

Самой популярной является технология, разработанная в Массачусетском технологическом институте, которая имеет аббревиатуру, соответствующую названию вуза, «MIT» – Massachusetts Institute of Technology. В процессе «выращивания» происходит послойное «склеивание» частичек порошковых материалов за счет связующего состава на основе клея, впрыскиваемого на поверхность слоя через форсунки. Неоспоримым преимуществом технологии является возможность цветной «печати». Цветные модели нужны не только для решения дизайнерских задач, они активно используются также в НИОКР, связанных с конечно-элементными расчетами. Наш центр «начинался» с 3D-принтера – «ZPrinter 450» от компании Z Corporation, использующего эту технологию. Принтер и сейчас является очень востребованным.

В настоящее время Центр прототипирования Технопарка Югры располагает 3D-принтером «TPM Elite 3200» на базе 3D-системы SLS. Этот принтер имеет впечатляющие размеры камеры, в которой происходит «выращивание» прототипа (360х360х600 мм). В качестве оптимального расходного материала для этого принтера мы считаем порошкообразный полиамид. Изделия, полученные на его основе, отличаются повышенной прочностью, при этом оставаясь достаточно эластичными. Возможности такой печати актуальны для функционального моделирования, изготовления контрольных сборок, то есть, там, где заложена повышенная нагрузка. Единственный недостаток технологии – отсутствие цветовых решений, готовое изделие имеет только белый цвет (в дальнейшем может быть окрашено).

Самый доступный метод 3D-печати – послойное наплавление материала (FDM/FFF). Метод подразумевает создание слоев за счет экструзии быстро застывающего материала в виде микро-капель или тонких струй. Как правило, расходный материал (например, термопластик) поставляется в виде бобин, с которых струна «стягивается» в печатную головку – экструдер.

В технологии наплавления в качестве расходных материалов используются всевозможные полимеры, включая акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), поликарбонат (PC), полилактид (PLA), полиэтилен высокого давления (HDPE), смеси поликарбоната и ABS-пластика, полифениленсульфон (PPSU) и др. В сообществе энтузиастов 3D-печати существует несколько проектов, направленных на переработку использованного бытового пластика в материалы для использования в 3D-печати.

В нашем центре работают два 3D-принтера по технологии (FDM/FFF). Первый использует экологически безопасную нить «PLA», но имеет маленькую платформу для построения, второй принтер использует более популярную нить «ABS» и имеет еще большие, по сравнению с принтером «TPM Elite 3200», размеры платформы (650х500х500).

Самое дорогостоящее направление – послойное лазерное спекание (сплавление) металло-порошковых композиций. Развитие этого направления стимулировало и развитие технологий получения порошков металлов, например, порошков бронзы, специальных сплавов, драгоценных металлов.

На основе металлических порошков «выращивают» заготовки пресс-форм, специальные инструменты, детали сложной конфигурации, которые затруднительно или невозможно получить литьем или механообработкой, импланты и эндопротезы и многое другое. Если необходимо выпустить мелкую серию детали, уже очевидно, что экономически выгодно «вырастить» её на SLS-машине, чем изготавливать литейную или штамповочную оснастку. Детали, полученные в результате применения технологии HIP (Hot Isostatic Pressing – горячее изостатическое прессование) и соответствующей термообработки, не только не уступают литым или кованым изделиям, но и превосходят их по прочности на 20–30 %.

Разумеется, специалисты-производственники задумаются об окупаемости подобного оборудования, поскольку необходимо иметь линию устройств, с помощью которых можно за короткое время пройти путь от идеи до получения реального объекта с «натуральными» качествами, вплоть до мелкосерийного производства.

Поэтому необходимо в каждом отдельном случае создать такую инфраструктуру, которая должна обеспечить целый комплекс технологических процессов, а именно: 3D-моделирование, CAE- и САМ-технологии, технологии сканирования – оцифровку и ре-инжиниринг объектов, технологии литья пластика, металлов, непосредственно технологии 3D печати.

Если говорить о высоком уровне предоставления услуг быстрого прототипирования, то достаточно передать специалистам исходные данные в виде эскиза, чертежа будущего изделия и описать задачу: необходимые свойства материала, желательные сроки изготовления и требования к конечному виду изделия – модель из принтера или полностью обработанную деталь. На выполнение одного несложного заказа «с листа» требуется не более двух дней.

По статистике около 40 % заказов резидентов нашего технопарка – это единичные детали, около 60 % составляют заказы на изделия, состоящие из двух-пяти деталей (функциональные модели).

Мы описали не все технологии и возможности нашего центра, но с уверенностью заявляем, что на территории ХМАО – Югры создана полноценная 3D-инфраструктура, позволяющая инновационным компаниям значительно сократить сроки подготовки производства новых изделий. Теперь опытный образец можно получить всего за несколько дней и без финансовых издержек со стороны заказчика – резидента технопарка.

В данной публикации использованы материалы статьи К. Казмирчука (НИИ «Машиностроительные технологии», СПбГПУ) и В. Довбыша (НИИ «НАМИ») «Аддитивные технологии в российской промышленности. AF-технологии – эффективное звено современного производства». Электронный ресурс http://konstruktor.net/podrobnee-det/items/additivnye-texnologii-v-rossijskoj-promyshlennosti.html (Дата обращения: 15.04.2015 г.).