Колледж предпринимательства №11

Содержание:

Introduction
Результаты использования метода послойного синтеза
Трудности на пути к большому рынку
Альтернативный вариант
3D-печать послезавтра
Обязательные навыки и компетенции
3D-печать завтра
Результаты обучения
You May Also Like
Должностные обязанности
Conclusions
References
3D-печать сегодня

Introduction

For decades, additive manufacturing (AM), also known as 3D printing (3DP), has grown and proliferated worldwide into a multibillion dollar industry encompassing many different technologies and types of materials. AM methods embody a group of emerging technologies that create a functional 3D object from any one of a variety of materials, including aluminum alloys, by adding material a layer at a time until the final shape is achieved.

The AM equipment utilizes computer controlled production methods based on digital data from a specific 3D model or computer aided design (CAD) data. In the case of metal shapes, the differences between AM methods and traditional subtractive or formative methods (extrusion, forging, shape casting, machining, grinding, etc.) bear consideration in lieu of the comparative economics of each of these methods with respect to material and production costs. Compared with traditional methods of producing metal shapes, metal AM has the ability to manufacture shaped objects with almost unlimited geometries directly from powder metal or wire. It also can produce components with a lighter weight, reduced assembly/joining requirements, less metal scrap, and without the need for tooling. On the positive side, metal AM has developed niche markets for prototyping and limited production parts; but on the negative side, the production costs and slow print/deposit speed of AM systems retard its potential for mass production in the near future.

Today, AM applies across the board relative to material types from plastics to metals, even ceramics and composites, and is growing rapidly in production volume and economic impact. The aluminum 3D objects produced today using AM methods in most cases refer to localized and selective fusion bonding utilizing digitally controlled laser or electron beam sources of aluminum alloy powders laid down in layers by stereolithography (3DP). However, other AM methods utilizing aluminum alloy wire are proliferating as the potential of AM is being realized for the manufacture of prototype and limited production parts.

Market analyses show a significant growth pattern for AM manufacturing, extending into the near future (Figure 1). According to the Wohlers Report 2017, there were 97 manufacturers globally that were producing and selling AM systems in 2016 with nearly half of the service providers surveyed running AM systems that produce metal parts.

Figure 1. Summary of Credit Suisse business report issued in the fall of 2013 on the AM/3D printing market growth estimating that opportunities in aerospace, automotive, health care, and consumer markets will sustain a growth rate of 20-30% in the future.

Результаты использования метода послойного синтеза

Литье в землю

Машиностроение. Первый прототип трехмерного автомобиля, развивающего скорость 112 км/ч, от компании Kor Ecologic. Кузов и детали для транспортного средства печатались на 3D принтере.

LMSD Swim – автомобиль, который производитель позиционирует как «умный и безопасный». Разработчики презентовали его осенью 2015 года. Транспортное средство на 2/3 напечатано на принтере. Для его изготовления использовались инновационные материалы – ABS-пластик и углеволокно.

Строительство. Объект, традиционное строительство которого занимает 2-3 года, можно построить за 15-20 дней, если применять строительную трехмерную печать. Это доказали инженеры-конструкторы из Дубая, создав «Офис будущего» в 2016 году.

Модульное здание высотой 6 метров, длиной 36 метров и шириной 12 метров они распечатали на принтере. Процесс занял 17 дней, еще 2 дня потребовалось на монтаж. Затраты на строительство составили 140 тысяч долларов. Объект полностью готов к эксплуатации.

Отель Lewis Grand на Филиппинах тоже построен с применением аддитивной печати. Автором проекта выступил россиянин Андрей Руденко.

Медицина. Томографическое исследование с высокоточной печатью больного органа и точной локацией патологии – один из наиболее распространенных и востребованных результатов внедрения инноваций. Благодаря этому виду диагностики и томографическим снимкам качество лечения удалось повысить в разы, сократить смертность пациентов.

Искусственное выращивание органов для пересадки в скором времени станет повседневной реальностью. Сегодня в медицинских лабораториях с успехом выращивается человеческая кожа для последующей пересадки, костные и хрящевые ткани.

Внедрение технологий позволяет печатать одноразовые стерильные инструменты, изготавливать высококачественные и точные имплантаты, зубные коронки, ортопедические протезы.

Крупные фармацевтические компании уже тестируют таблетки и другие лекарственные препараты с применением искусственного интеллекта. Это позволит сократить количество побочных эффектов, сроки выздоровления, снизить вероятность рецидивов.

Трудности на пути к большому рынку

Порошковая металлургия

Для внедрения технологии 3D-печати в массовое производство нужно решить принципиальные вопросы. Первый барьер — экономический. Стоимость изготовленных деталей слишком высока. Дело в том, что, во-первых, у 3D-принтеров низкая производительность. Металлическая деталь весом один килограмм изготавливается методом селективно-лазерного сплавления за сутки. Это очень низкий показатель, который не позволяет внедрять 3D-печатные элементы в крупносерийное производство. Во-вторых, оборудование для 3D-печати очень дорого стоит. Соответственно, в связи с тем, что производительность 3D-принтеров низкая, а стоимость высокая, — амортизация вносит существенный вклад в себестоимость. И, наконец, третье — высокая стоимость материалов для печати, что связно с отсутствием массового спроса.

Получается замкнутый круг, но сфера применения аддитивных технологий расширяется, и со временем его удастся разорвать.

Как только запрос на 3D-печать станет массовым, цены упадут в разы

Еще один барьер — сертификация. При производстве деталей необходимо подтверждение соответствия качества продукции установленным требованиям, особенно при использовании в
ответственных конструкциях .

Основная сложность при сертификации — необходимость большого количества специальных испытаний. Кроме того, для новых технологий требуется разрабатывать и утверждать программы и методики исследования. В результате этот процесс занимает много времени и становится очень дорогостоящим.

Кроме того, на данный момент недостаточно хорошо исследованы свойства напечатанных деталей в зависимости от того, в каком техническом процессе они используются. Дело в том, что при печати применяют разные технологии, инструменты и материалы, и разработанных стандартов пока недостаточно. Изменение всего одного-двух параметров при производстве может привести к тому, что прочное изделие начнет деформироваться или крошиться при эксплуатации. Поэтому нужно проводить больше исследований и испытаний, стандартизировать процессы, материалы и технологии.

Альтернативный вариант

Материаловед

Существуют и радикальные идеи о смене парадигмы производства. Самая фантастическая связана с производством автомобилей. Сейчас их сотнями тысяч выпускают на огромных заводах, после чего развозят по всему миру, что предполагает сложную логистику и колоссальные затраты. Сначала все детали будущего автомобиля нужно доставить от поставщиков из разных стран в сборочный цех, а потом готовую продукцию передать дилерам, которые передадут ее конечным потребителям.

Радикальная парадигма заключается в том, что автомобили будут производить небольшими партиями на территории локального дилера с помощью 3D-печати. При таком производстве сокращаются затраты на логистику, хранение запасов и персонал. Кроме того, если клиенту потребуется редкая деталь, не нужно несколько месяцев ждать доставки, ее можно изготовить на принтере здесь и сейчас.

Сегодня радикальная парадигма — утопия. Изменения будут происходить очень постепенно. И большим шагом в этом направлении может стать как сертификация, так и взаимозаменяемость изделий. Производители автомобилей должны разрешить своим поставщикам изготавливать одну и ту же деталь как с помощью традиционной технологии литья, так и на 3D-принтере. Но это произойдет не раньше, чем через 10 лет.

3D-печать послезавтра

На мой взгляд, через 30 лет большинство традиционных производственных технологий уйдут в прошлое. Останутся только высокопроизводительные технологии, такие как тонколистовая штамповка, прокат и металлические профили.

Технологию производства крупногабаритных несложных деталей, которые можно быстро изготовить традиционным способом, заменить на 3D-аналог сложно из-за их небольшой цены и высокой скорости производства. Уйдут в прошлое фрезерная обработка, литье, ковка, то есть традиционные способы изготовления деталей сложной формы.

Кроме того, с развитием технологии 3D-печати форма и внутренняя структура всех деталей будут все более сложными. Это нужно для повышения качества эксплуатации и срока службы. Если сейчас можно встретить конструкцию, которая собирается из 100 частей, для фиксации которых используется 1000 болтов, то в будущем ее можно заменить на один элемент сложной формы. Такие детали смогут выдерживать значительно большую нагрузку, а весить в два-три раза меньше, чем их современные аналоги.

Идем дальше. Разработать такую деталь человеку будет крайне проблематично и затратно, поэтому в проектировании значительную роль будет играть искусственный интеллект.

Такие детали смогут похвастаться бионическим дизайном и будут выглядеть более естественно. Их отличительной чертой станут плавные линии — как будто их создала сама природа. При проектировании будут использоваться такие же алгоритмы и принципы, как и при эволюционном развитии, только у компьютера это будет занимать часы и минуты, а не миллионы лет.

А вот домашние 3D-принтеры в каждой квартире в ближайшие 50 лет, скорее всего, не появятся. Все просто: человеку легче взять готовый продукт, чем прикладывать усилия для того, чтобы сделать все самому. Конечно, есть энтузиасты, которым это интересно, но их очень немного. Кроме того, нет такой технологии, которая позволяет без специального образования и богатого опыта изготовить что-то действительно полезное. И наконец, нет 3D-принтера, который способен создать множество объектов из разных материалов — одновременно и вилку, и ботинки. Кроме того, чтобы завоевать популярность, он должен иметь доступную цену и быть простым в использовании. Таких разработок нет и не будет даже в отдаленной перспективе.

Беседовал Данила Кочетов

Обязательные навыки и компетенции

Будущий инженер по аддитивным технологиям должен:

знать материаловедение;
в совершенстве владеть специализированным ПО и использовать его функционал в полном объеме;
знать основы бизнес-планирования;
уметь презентовать свой проект, четко сформулировав конечную цель, просчитав расходы и себестоимость производства;
креативно мыслить, искать новые интересные решения;
мысленно выстраивать всю технологическую цепочку;
уметь точно и быстро подбирать материалы, инструменты, другие ресурсы для реализации проекта.

Технолог должен быть готов к тому, что его инновационные проекты, идеи не на всех производствах востребованы. В России это направление только набирает обороты – удельный вес отечественных предприятий, использующих его, не превышает 1,5% в общем объеме мирового рынка. Эксперты прогнозируют ему дальнейшее развитие.

Мировое лидерство удерживают Германия, Америка и Китай. Бизнесмены и инвесторы из этих государств охотно сотрудничают с перспективными российскими специалистами, предлагая им достойные условия и оплату труда.

3D-печать завтра

Многие пытаются найти массовое применение 3D-принтерам в категории потребительских товаров.

Почти одновременно компании Nike, Reebok и Adidas заявили о разработках кроссовок с использованием 3D-печати. Их подошвы сложной сетчатой формой, которую невозможно создать литьем. Некоторые из них уже
можно купить в Москве . Это лимитированные серии, и для самих производителей, скорее, маркетинговый ход. Однако такие кроссовки по праву можно назвать серийно изготовленным изделием для потребительского рынка, которое создано с помощью 3D-принтера.

Не менее перспективно расширять область применения 3D-печати в сфере производства функциональных деталей, например дронов и космических кораблей. В связи с выводом группировок спутников связи
Starlink и
OneWeb запрос на 3D-печать в этом направлении будет только увеличиваться.

Все больше напечатанных деталей используется при создании суперкаров, где цена вопроса не так важна, как технические характеристики. И постепенно со спортивных автомобилей технологии могут перейти на премиальный сектор, потом на бизнес сегмент и так далее.

Результаты обучения

Демонстрировать и применять глубокие принципиальные профессиональные знания, знания о новейших достижениях, перспективных направлениях развития техники и технологий в сфере аддитивного производства (РО-1).
Идентифицировать, анализировать и решать практические инженерные задачи в новых, инновационных областях и направлениях профессиональной деятельности в условиях неопределенности и конкуренции (РО-2).
Использовать при решении проектных задач принципы, учитывающие человеческий фактор, функциональность, экономическую эффективность, надежность и экологическую безопасность, возможность совершенствования и улучшения (РО-3).
Разрабатывать, осуществлять и корректировать технологические процессы в области профессиональной деятельности, анализировать области применения технологий с учетом их ограничений (РО-4).
Использовать методы контроля и принципы системы контроля качества продукции в профессиональной деятельности (РО-5).

Должностные обязанности

В должностные обязанности специалиста входят:

Производство продукции методом послойного наращивания. Оно включает:

организацию подготовительных мероприятий, сырья;
запуск производства и контроль за его ходом;
составление производственной технической документации, необходимой отчетности.

Работа над технологическим процессом производства. Сюда входят:

подготовка 3D моделей деталей, комплектующих;
разработка программы управления трехмерной печатью;
разработка отдельных технологических этапов;
внедрение новой технологии в производство;
создание новых и модернизация действующих производственных цепочек аддитивными способами.

Управление аддитивными производствами. Оно подразумевает административные функции:

организацию работы с привлечением сотрудников и бригад подрядчиков;
руководство работой, включая своевременное обеспечение специалистов необходимыми ресурсами;
ведение технической документации и отчетности.

Conclusions

Addressing the question as to whether AM of aluminum alloys augments or challenges traditional manufacturing, the answer can be summed up in one word, “Frenemy.” On the positive side, aluminum AM processes open up markets not available to traditional aluminum manufacturers in terms of part complexity or customer requirements for rapid prototyping and delivery. Another positive, some mold makers in the aluminum industry look to hot work steel AM for repair and even die building; in fact, Light Metal Age will publish an article by Prof. Barbara Reggiani and her team at the University of Bologna on hot work steel AM for aluminum extrusion dies in its forthcoming June issue.

However, on the negative side, the subtractive manufacturing segment of the aluminum industry faces the biggest challenge from not only metal but also polymer AM. This is especially true for aluminum parts that are made in limited production quantities, especially when some of the high strength AM polymers can also be substituted and when time to complete and deliver is a driver.

References

“3D Printing,” Light Metal Age.
Wile, Rob, “CREDIT SUISSE: 3D Printing Is Going To Be Way Bigger Than What The 3D Printing Companies Are Saying,” Business Insider, September 17, 2013.
Goehrke, Sarah Anderson, “Wohlers Report 2017: The Real Authority on 3D Printing,” 3DPrint.com, April 5, 2017.
– Additive manufacturing – General principles – Terminology.
“3D metal printing technology without the compromise,” Fabrisonic.
Standardization Roadmap for Additive Manufacturing, Version 1.0, Prepared by: America Makes and ANSI Additive Manufacturing Standardization Collaborative (AMSC), February 2017.
FormNext.
Joys, J., R. Kasler, and L.R.Thomas, “Selecting Atomized Aluminum Powders for the Metal Additive Manufacturing Process,” Metal Additive Manufacturing, Fall/Autumn, Vol. 2, No. 3, 2016, pp. 71-76.
Wang, L., Y. Liu, and S. Chang, “Fabrication of Spherical AlSi10Mg Powders by Radio Frequency Plasma Spheroidization,” Metallurgical and Materials Transactions A, Vol. 47A, May 2016, pp. 2,444-2,453.
Martin, J.H., et al., “Recent Advances in Additive Manufacturing of High Strength 7000 Series Aluminum,” Advanced Materials & Processes, Vol. 176, No. 1, January 2018, pp. 18-22.
Trevisan, F., et al., “On the Selective Laser Melting (SLM) of the AlSi10Mg Alloy: Process, Microstructure, and Mechanical Properties” Materials, 10 (1), 76, 2017.
Manfredi, D. et al., “Chapter 1: Additive Manufacturing of Al Alloys and Aluminum Matrix Composites (AMCs),” Light Metal Alloys Applications, INTECH, June 11, 2014, p. 32.
“Materials Guide,” Sintavia.
“Advantages of Wire AM vs. Powder AM,” Sciaky Inc.
Williams, S., “Large Scale Metal Wire + Arc Additive Manufacturing of Structural Engineering Parts – Slide Presentation,” Cranfield University, U.K., July 13, 2016.
WAAM – Welding Engineering and Laser Processing Centre.
Wolcott, P.J., A. Hehr, and M.J. Dapino, “Optimized Welding Parameters for Al 6061 Ultrasonic Additive Manufactured Structures,” Journal of Materials Research, Vol. 29, No. 17, September. 14, 2014, pp. 2,055-2,065.
Friel, R.J. and R.A. Harris, “Ultrasonic Additive Manufacturing – A Hybrid Production Process for Novel Functional Products,” Procedia CIRP, Vol. 6, 2013, pp. 35-40.
Thomas, D. “Costs, Benefits, and Adoption of Additive Manufacturing: A Supply Chain Perspective,” International Journal of Advanced Manufacturing Technologies, Vol. 85, 2016, pp. 1,857-1,876.
Hurn, J. and T. Li,, SLM Solutions Group AG (AM3D.DE), Credit Suisse Small and Mid-cap Research Report, June 23, 2014.
Caffrey, T., T. Wohlers, and R.I. Campbell, “Executive Summary of the Wohlers Report 2016,” Wohlers, Fort Collins, CO, 2016.
Thomas, D. and S.W. Gilbert, “Cost and Cost Effectiveness of Additive Manufacturing: A Literature Review and Discussion,” NIST Special Publication 1176, December 2014.
Yoon,H.-S., et al., “A Comparison of Energy Consumption in Bulk Forming, Subtractive, and Additive Processes: Review and Case Study,” International Journal of Precision Engineering and Manufacturing-Green Technology, Vol. 1, No. 3, July 2014, pp. 261-279.
Baldinger, M., et al., “Additive Manufacturing Cost Estimation for Buy Scenarios,” Rapid Prototyping Journal, Vol. 22, No. 6, 2016, pp. 871-877.
Schwam, D., “Additive Manufacturing for Die Casting Applications,” paper presented at the NADCA 2015 Die Casting Congress and Exposition.
Xue, L, J. Chen, and S.-H. Wang, “Freeform Laser Consolidated H13 and CPM 9V Tool Steels,” Metallography, Microstructure, and Analysis, Vol. 2, 2013, pp. 67-78.
Kottman, M., et al., “Laser Hot Wire Process: A Novel Process for Near-net Shape Fabrication for High Throughput Applications,” Journal of Metals, Vol. 67, No. 3, 2015, pp. 622-628.
Klocke, F., et al., “State-of-the-art Laser Additive Manufacturing for Hot Work Tool Steels,” Procedia CIRP, Vol. 63, 2017, pp. 58-63.

Editor’s Note: This article first appeared in the February 2018 issue of Light Metal Age. To read more articles from this issue, please subscribe.

3D-печать сегодня

Несмотря на перечисленные проблемы, 3D-печать в некоторых областях производства весьма популярна. Себестоимость такой продукции фактически не зависит от объемов партии. А изготовление одной детали по традиционной технологии обойдется почти во столько же, что и партия из 500 единиц. Следовательно, там, где нужен индивидуальный подход, использование аддитивных технологий оправдано. Поэтому самые популярные направления в 3D-печати:

прототипирование ;
медицина;
ювелирная промышленность;
производственная оснастка .

Аддитивные технологии активно используются в ремонте узлов и агрегатов, когда нужно изготовить вышедшею из производства запчасть. Например, у автобусов и поездов очень широкий спектр
изделий , которые эксплуатируются десятками лет. За это время чертежи и технологии для старых деталей могут быть утрачены. Если что-то сломалось, то понять, как изготавливалась деталь, или найти подходящий аналог почти невозможно. Поэтому здесь много интересных кейсов для 3D-печати.

Следующее направление — стратегические проекты крупных компаний. Например, руководство General Electric решило, что в новом авиационном двигателе будут использованы 3D-печатные элементы. Это принципиальная позиция корпорации, вне зависимости от расходов. Так, компания GE стала первой, кто сертифицировал металлические детали, напечатанные на 3D-принтере. Экономическая целесообразность этого проекта весьма сомнительная, но General Electric делала ставку на технологическое развитие.

Кстати, это не единственный пример в авиации. При сборке самолетов Airbus уже использовались порядка 100 тысяч
деталей , напечатанных на 3D-принтере из пластика. Этот материал тоже сертифицирован.

Интерес к 3D-печати в авиакосмической отрасли можно объяснить тем, что здесь не нужны большие партии запчастей — авиаконцерн выпускает в месяц не больше 30–40 самолетов одной модели. Кроме того, в отрасли не принято экономить на стоимости деталей, по сравнению, к примеру, с автомобилестроением, где один завод может выпускать десятки тысяч легковых авто за тот же период.