eng
Выпуск #5/2022
Д. С. Трубашевский
Eppur si muove, или забудьте все, что вы знали о классической 3d-печати
Eppur si muove, или забудьте все, что вы знали о классической 3d-печати
Просмотры: 1364
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2022.16.5.358.368
Главная цель аддитивного производства (АП) – это значительное повышение производительности серийного производства. Динамичное развитие аддитивных технологий (АТ) связано с перспективами их автоматизации при внедрении в конструкции станков модульных компоновочных решений. Рассмотрены схемы, в которых рабочий стол представляет собой важный элемент для автоматизации производства и увеличения производительности всего технологического комплекса. Использование круглого стола с полярными координатами может повлиять на производительность АП. Рассмотрены разные АТ, в том числе MJM, STEP, MoldJet, HSR, для демонстрации использования таких столов.
Главная цель аддитивного производства (АП) – это значительное повышение производительности серийного производства. Динамичное развитие аддитивных технологий (АТ) связано с перспективами их автоматизации при внедрении в конструкции станков модульных компоновочных решений. Рассмотрены схемы, в которых рабочий стол представляет собой важный элемент для автоматизации производства и увеличения производительности всего технологического комплекса. Использование круглого стола с полярными координатами может повлиять на производительность АП. Рассмотрены разные АТ, в том числе MJM, STEP, MoldJet, HSR, для демонстрации использования таких столов.
Теги: 3d printers 3d printing 3d printing of electronic components 3d-печать 3d-печать электронных компонентов 3d-принтеры additive manufacturing additive technologies automation cartesian reference system full-scale production multi-materiality piezoelectric heads polar coordinate system robotic process automation rotational 3d printing wearable electronics автоматизация аддитивное производство аддитивные технологии декартовая система координат мультиматериальность носимая электроника полярная система координат пьезоэлектрические головки роботизация ротационная 3d-печать серийное производство
Eppur si muove,
или забудьте все,
что вы знали о классической 3d-печати
Д. С. Трубашевский
ООО «Современное оборудование», Москва, Россия
Главная цель аддитивного производства (АП) – это значительное повышение производительности серийного производства. Динамичное развитие аддитивных технологий (АТ) связано с перспективами их автоматизации при внедрении в конструкции станков модульных компоновочных решений. Рассмотрены схемы, в которых рабочий стол представляет собой важный элемент для автоматизации производства и увеличения производительности всего технологического комплекса. Использование круглого стола с полярными координатами может повлиять на производительность АП. Рассмотрены разные АТ, в том числе MJM, STEP, MoldJet, HSR, для демонстрации использования таких столов.
Ключевые слова: аддитивное производство, аддитивные технологии, 3d-печать, 3d-принтеры, автоматизация, роботизация, серийное производство, декартовая система координат, полярная система координат, мультиматериальность, пьезоэлектрические головки, ротационная 3d-печать, 3d-печать электронных компонентов, носимая электроника
Статья получена: 05.07.2022
Статья принята: 04.08.2022
ВВЕДЕНИЕ
Ошибочно приписываемая Галилео Галилею фраза: «Eppur si muove! И все-таки она вертится!», как и многие красивые легенды без фактов и доказательств, сегодня прочно прижилась в народе. Однако я хочу привести удивительные примеры с доказательствами успешно функционирующих сегодня систем 3d-печати с особой компоновкой, которые можно с уверенностью назвать разработками, вносящими весомый вклад в динамичный мир аддитивного производства. Почему в названии статьи я говорю про классическую 3d-печать? Дело в том, что несколько последних десятилетий позволили первым аддитивным технологиям укорениться и стать определенного рода классическим стандартом нового производства и новых изделий независимо от бренда-разработчика 3d-принтера. Сегодня же мир АТ продвинулся далеко вперед и может похвастаться новыми разработками, которые по причине инерционности рынка пока не имеют достойной популярности. Давайте условимся, что обсуждать в данной статье мы будем промышленные или профессиональные производственные системы, которые отличаются в лучшую (кроме цены) сторону от настольных 3d-принтеров своей надежностью, качеством, универсальностью, точностью, габаритами и производительностью.
Позвольте начать немного издалека, но не с надоевших всем историй первого появления ручной, а потом и цифровой технологии послойного синтеза объектов. Любой завод интересуют новые управленческие, цифровые и производственные технологии получения рентабельной продукции с их быстрой диффузией без значительной трансформации рутинных операций. Это зачастую происходит в самом начале пути их непрерывного совершенствования, если таковую цель ставит менеджмент завода. В дальнейшем же менеджмент может рискнуть и пойти на глобальные изменения с прорывными решениями, что точно заставит нервничать и активно включиться в работу по трансформации технологии производства многие службы завода. Так вот на первых этапах руководство старается помочь отстающим отделам и процессам с помощью лоскутных (локальных) трансформаций. И поверьте, к технологиям 3d-печати приходят тогда, когда уже многое было испробовано, а ожидаемый эффект не был достигнут. И вот, тыдыщ! Наконец-то доходит очередь до АТ.
Долгий и скрупулезный анализ рынка позволяет сделать неутешительные выводы менеджментом завода: аддитивными технологиями сегодня невозможно полноценно заменить традиционные серийные технологии, но для опытного производства и отработки новых вариантов продукции рискнуть можно. Рискнули, заказали, настроили, испытали… И вот для оправдания затрат звучит уже следующий нарратив: бионический дизайн – облегчение веса – индивидуализация – компактизация – агрегация… И, возможно, во всем производственном цикле узла / товара (чем он короче, тем эффект более ярко выражен) счастливый собственник получит 1–10% сокращения затрат / времени (в зависимости от объема использования АП). Но что сделано, то сделано.
Коллектив конструкторов и технологов начинает трансформировать классические навыки проектирования и производства и все чаще использовать в своей работе новое инженерное мышление, воплощаемое инновациями мира 3d-печати. Движение вперед шаг за шагом с инновациями – и завод уже может отказаться от АП, поскольку в КД и техпроцессы не мытьем, так катаньем было включено АП. Вот в этот самый момент и можно говорить о диффузии АП, ставшего неотъемлемой частью современного производства завода. Руководители отделов рапортуют об успехах топологической оптимизации конструкций, небывалых локальных экономических эффектах, компактном производстве деталей на минимальных площадях без использования инструментальной оснастки. Вроде все выглядит оптимистично, кто-то даже находит возможность для инвестиций для масштабирования производства. Но все ждут от АП немного другого…
Повышение производительности для серийного производства
Главная цель АП – значительное повышение производительности для серийного производства. Для высокоразвитых стран АП – не что иное, как просто бизнес. Даже самый современный 3d-принтер у одного хозяина редко служит более 3–5 лет. За это время он успевает морально (редко физически) устареть и не отражает возможности АП в текущем моменте. Поэтому, чтобы оставаться в тренде и в рынке, промышленник избавляется от старых систем и приобретает новые.
В России все обстоит несколько иначе. Не секрет, что стоимость иностранного оборудования и материалов импортного производства, ввиду таможенных пошлин, логистики и налогов, может отличаться в 1,5–2 раза от цены закупки, соответственно окупаемость будет заметно дольше общемировой практики. Находить такие высокие инвестиции, несмотря на высокое качество продукции, но при отсутствии заметной окупаемости в 3–5 лет, крайне сложно: ведь здесь работают законы бизнеса. Также стоит честно признать, что в России недостаточно высокий уровень инновационных разработок, требующих максимально быстрого и простого изготовления ответственных компонентов без утомительной подготовки производства – а это все влияет на загрузку аддитивного оборудования. Поэтому обновляемость парка дорогих систем иностранного производства в России не самая высокая в мире. Другими словами, в России долго работают на устаревшем оборудовании, менее точном, удобном и производительном.
Позвольте, скажете вы, а как же российские разработчики? Разве не способны они производить системы, повторяющие возможности успешных зарубежных производителей, принимая во внимание очевидное отсутствие таможенных пошлин и сложной логистики, использования недорогих российских комплектующих? Позволит ли это повлиять на удешевление производимых систем и, как следствие, повысить привлекательность конечной продукции из-за снижения затрат на активные основные фонды? Вы будете правы: пожалуй, способны. Но давайте зададимся вопросом о настоящей мировой рыночной инновационности: присутствует ли она у российских разработок? Но что самое главное: показывают ли российские 3d-принтеры кратное увеличение производительности благодаря фирменным разработкам? Постарайтесь ответить на эти вопросы самостоятельно.
И наконец, раз уж мы стали с вами говорить на тему автоматизации серийного аддитивного производства будущего, то стоит обратить внимание на киберфизические (англ. Cyber-physical System) и модульные компоновочные решения как наиболее перспективные в этом смысле (рис. 1) [1].
О столах и платформах
Для многих восприятие профессиональных и промышленных 3d-принтеров и печати на них изделий из пластмасс, керамики, песка и металла чаще всего лежит в образе декартовой системы координат с тремя линейными осями X, Y, Z и соответствующими квадратными или прямоугольными столами. В этом случае обычно говорят о 3d-печати в 2,5d осях – полноценной механической работе головки по осям X и Y. Вдоль вертикальной оси Z обычно перемещается уже стол на заранее назначенную высоту слоя, часто одинаковую на всем рабочем цикле печати. Это наиболее простая реализация принципа 3d-печати (рис. 2–3) [2, 3].
Но есть и другая, менее распространенная схема, в которой именно рабочий стол, а не головка совершает движения вдоль оси Y или даже вдоль двух осей XY / XZ, а головка движется по оставшийся оси, например оси Z (Примечание: в обиходе российских «десктоп»-аддитивщиков часто для обозначения данной схемы применяется пренебрежительный термин «дрыгостол»).
Не обойдем стороной лазерную и электроннолучевую технологии LB-PBF / SLM, PBF / SLS, EB-PBF (рис. 4), в которых лазерный или электронный луч после соответствующей подготовки проецируется на рабочую поверхность стола с материалом, то есть выполняет всю работу по перемещениям вдоль осей X и Y.
Стол перемещается также по оси Z дискретно, на величину, равную высоте слоя. Более сложное представление уже предусматривает добавление одной или трех поворотных осей, вращающихся вокруг линейных осей. Такая схема свойственна для систем, наследующих компоновку классического портального или консольного ЧПУ оборудования.
Справедливости ради стоит отметить использование круглых вращающихся столов (поворотных) в таких технологиях, как:
металлические DED-P (рис. 5), DED-W (рис. 5–6) (консоли, порталы, робототехнические комплексы (РТК)). Обратите внимание, что съемная платформа построения может иметь различный вид геометрической фигуры при условии соблюдения допустимых отклонений формы плоских поверхностей;
металлическая LB-PBF (рис. 4) и пластиковая SLS с круглыми колодцами (обычно это более доступные по стоимости решения, но не предлагающие столы с большими габаритами);
пластмассовая и композитная FDM / CFC (РТК) (рис. 5).
Такие столы сводят к минимуму износ и вибрацию всех компонентов оборудования, что положительно влияет на надежность системы и качество получаемых изделий.
Тем не менее все эти круглые столы чаще всего используются лишь для удешевления и удобства использования нескольких осей в ограниченных габаритах станка. А как же полярная система координат, в которой каждая точка на плоскости определяется двумя числами – полярным углом и полярным радиусом? Технологии DED-P, DED-W, FDM / CFC могут ее использовать, хоть полярная система и не совсем удобна в работе для инженера. Остановит ли это безумного до идей ученого или разработчика?
Ну что ж, кажется, теперь мы готовы поговорить о самом главном.
Предтечи аддитивного производства будущего
Итак, повышение производительности до уровня классических технологий – едва достижимая, но привлекательная цель для любой АТ. Как этого можно достичь в перспективе нескольких десятилетий? Рецепта вы, скорей всего, не найдете. Но никто не мешает нам представить АП будущего, или хотя бы один из его важных составляющих компонентов – вид рабочего стола и специфику его работы.
Чтобы лучше понять тенденции, давайте начнем с эпохальных разработок в хронологической последовательности. Мы не будем уделять много времени полному описанию техпроцесса, оставим это в качестве домашнего задания любознательному читателю.
Evolve Additive Solutions со своей технологией скоростной печати пластмассами STEP (англ. Selective Thermoplastic Electrophotographic Process) (рис. 7) появилась в 2017 году [5]. Сегодня АП как никогда близко к завоеванию значимой части рынка классического производства. Но произойти это должно только при увеличении скорости производства в десятки, а лучше в сотни раз. И вот как раз разработка Evolve Additive Solutions приближает нас к этому моменту.
Стол, правда, здесь движется линейно вдоль оси X вперед-назад и синхронизирован с вращением множества барабанов. Барабаны, в свою очередь, выполняют множественные функции, включая аккуратный перенос каждого слоя будущей детали с пленки на поверхность стола. При описании технологии STEP я всегда привожу пример с традиционной типографией, в которой печатные машины путем оттиска передают изображение на рулонный материал основы с использованием трафарета и формы посредством электрофотографии.
Здесь действует почти тот же принцип, только место трафарета занимает сам модельный и вспомогательный материал. Конечное изделие из технического аморфного или полукристаллического термопласта получается изотропным по всем трем осям с возможностью полноцветной печати и печати мультиматериалами. Стоимость одной детали и качество поверхности сопоставимы с традиционным производством. Захватывает дух от всего этого, правда? Такие системы очень сложны в копировании (реверс-инжиниринге) и могут применяться исключительно в промышленных масштабах. Это почти то, что нам нужно: чрезвычайно быстро, относительно компактно, с возможностью печати действительно массивных деталей, учитывая большую длину стола. И что немаловажно, эта технология может быть защищена рядом нетривиальных патентов.
Компания Tritone Technologies основана в 2017 году [7]. Сердцем ее является уникальная гибридная технология MoldJet, совмещающая в себе 3d-печать по технологии под общим названием MJM (англ. Multi Jet Modeling), MBJ / BJT (англ. Metal Binder Jetting / Binder Jetting Technology) (рис. 8), и традиционной MIM / CIM (англ. Metal / Ceramic Injection Molding).
Это технологическое решение позволяет создавать с помощью пьезоэлектрической струйной головки послойно литейную форму из материала поддержки и тут же заполнять ее полости модельным материалом из металлополимерной (MIM) или керамополимерной (CIM) композиции. И такая инновационность в изобретении израильских разработчиков не единственная. Весь процесс происходит на карусели (рис. 9), состоящей из 4–6 платформ, попеременно заезжающих под устройство технологической операции (печать, первичная термообработка, контроль). Заявляется производительность от 220 см3 до 1 600 см3 для систем Dim и Dominant соответственно [8, 9]. Здесь мы опять наблюдаем вращение как логичный способ компактизации, ускорения и автоматизации серийного производства. Жаль, что процесс не является по-настоящему непрерывным, как в случае с фотополимерными смолами (поговорим об этом чуть позже), а дискретен по своей сути.
В 2021 году Stratasys, Inc преподносит сразу несколько сюрпризов в виде потрясающей концепции роторных (рис. 10) 3d-принтеров J5 DentaJet, J5 MediJet, J35 Pro, J55 Prime с полярной системой координат [11]. Представленные принтеры хороши во всем: потрясающий дизайн от дизайнеров BMW, унаследованный от FDM семейства F123, высокая производительность, мультиматериальность, надежность, компактность. В общем, все, что ждет самый требовательный потребитель от офисной цветной 3d-печати. Казалось бы – вот она концепция мечты принтера будущего! Однако ограничениями являются низкие эксплуатационные характеристики получаемых изделий из фотополимеров, а также недостаточно высокий уровень автоматизации.
Да простит меня дорогой читатель, но последний «фрукт» для нашего натюрморта несколько не соответствует ранее принятой хронологической последовательности моего повествования. Сделано это было намеренно для расстановки всех точек над «i» в конце данного обзора-расследования. Немецкая компания dp Polar GmbH [2] применяет технологию ротационной печати в полярных координатах High-Speed Rotative AM (HSR) с помощью пьезоэлектрических струйных печатающих головок Xaar 1003 английского производителя Xaar [12]. Конечно же, такие головки предназначены для технологии струйного нанесения фотополимеров MJM (подобная технология используется у 3d Systems, Inc – MultiJet Printing [13] и у Stratasys, Inc – PolyJet [14]).
Еще с 2019 года dp Polar заявила о себе как о компании, целью которой является покорение промышленного кастомизированного производства с помощью АТ. Заявляется скорость около 10 л / час с потенциальным объемом построения в будущем за один цикл, равным 700 л. Автоматизация решена здесь очень элегантным образом. Одна из восьми секций роторного стола в любой момент времени может быть заменена вручную или с помощью РТК на совершенно пустую или специально подготовленную для печати какого-либо функционального слоя или элемента (рис. 11–12). Далее секция может передаваться на следующую технологическую операцию, например растворения материала поддержки.
Компания dp Polar GmbH уже говорит о возможности использования ее систем AMpolar для мультиматериальной печати, включая 3d-печать электронных компонентов AME (англ. Additive Manufactured Electronics) (рис. 13) на любых поверхностях и многослойных структурах токопроводящими чернилами и диэлектриками, включая носимую электронику (англ. Wearable Electronics) (рис. 14). Именно эта концепция, по моему мнению, может лежать в основе разработки принтера будущего.
Выводы
Cегодня мы становимся свидетелями не прототипов и демонстраторов, а достойных серийных 3d-принтеров, предтеч будущего АП, совмещающих в себе мультиматериальную и многокомпонентную печать (пластмассы, электроника, металлы, керамика) за один технологический цикл, например с помощью пьезоэлектрических головок. Причем автоматизация логично и успешно решена или будет решена с помощью РТК. Такое безлюдное производство вполне может занять свое место в цифровых «фабриках будущего», освобождая человека от рутинного труда.
Воспользуются ли такими решениями разработчики систем для серийного аддитивного производства? Как они будут решать вопросы автоматизации? Пожалуй, у нас остается два варианта: покорно ждать ответы на свои вопросы или вступить в ряды разработчиков, с самого начала нацеливаясь на решения для комплексной автоматизации аддитивного производства.
REFERENCES
Trubashevskij D. S. Additivnye zarisovki ili resheniya dlya tekh, kto ne hochet prodolzhat’ teryat’ den’gi. – Voronezh: Izd. «Umnoe proizvodstvo». 2021. ISBN 978-5-600-02999-6. Трубашевский Д. С. Аддитивные зарисовки или решения для тех, кто не хочет продолжать терять деньги. – Воронеж: Изд. «Умное производство». 2021. ISBN 978-5-600-02999-6.
URL: https://dppolar.de
URL: https://www.stratasys.com/en/3d-printers/printer-catalog/3d-printer-tech-style/:
URL: https://www.gefertec.de/
URL: https://www.evolveadditive.com/our-history/
URL: https://vimeo.com/392962837
URL: https://tritoneam.com/about-us/URL: https://tritoneam.com/wp-content/uploads/Tritone-Dim-Product-Sheet‑1.pdf
URL: https://tritoneam.com/wp-content/uploads/Tritone-Dominant-Product-Sheet.pdf
URL: https://youtu.be/PT5MrHkSQHE
URL: https://youtu.be/bVsTOmzLN5o
URL: https://www.xaar.com/en/news/2020/xaar‑1003‑printhead-delivers-for-industrial‑3d-printing
URL: https://www.3dsystems.com/multi-jet-printing
URL: https://www.stratasys.com/en/guide-to‑3d-printing/technologies-and-materials/polyjet-technology/URL:
https://youtu.be/Fhig5EqqQnY
URL: https://www.nano-di.com/
URL: https://wyss.harvard.edu/news/low-cost-wearables-manufactured-by-hybrid‑3d-printing/
АВТОР
Дмитрий Трубашевский, Директор по продажам, ООО «Современное оборудование», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-0295-9835
или забудьте все,
что вы знали о классической 3d-печати
Д. С. Трубашевский
ООО «Современное оборудование», Москва, Россия
Главная цель аддитивного производства (АП) – это значительное повышение производительности серийного производства. Динамичное развитие аддитивных технологий (АТ) связано с перспективами их автоматизации при внедрении в конструкции станков модульных компоновочных решений. Рассмотрены схемы, в которых рабочий стол представляет собой важный элемент для автоматизации производства и увеличения производительности всего технологического комплекса. Использование круглого стола с полярными координатами может повлиять на производительность АП. Рассмотрены разные АТ, в том числе MJM, STEP, MoldJet, HSR, для демонстрации использования таких столов.
Ключевые слова: аддитивное производство, аддитивные технологии, 3d-печать, 3d-принтеры, автоматизация, роботизация, серийное производство, декартовая система координат, полярная система координат, мультиматериальность, пьезоэлектрические головки, ротационная 3d-печать, 3d-печать электронных компонентов, носимая электроника
Статья получена: 05.07.2022
Статья принята: 04.08.2022
ВВЕДЕНИЕ
Ошибочно приписываемая Галилео Галилею фраза: «Eppur si muove! И все-таки она вертится!», как и многие красивые легенды без фактов и доказательств, сегодня прочно прижилась в народе. Однако я хочу привести удивительные примеры с доказательствами успешно функционирующих сегодня систем 3d-печати с особой компоновкой, которые можно с уверенностью назвать разработками, вносящими весомый вклад в динамичный мир аддитивного производства. Почему в названии статьи я говорю про классическую 3d-печать? Дело в том, что несколько последних десятилетий позволили первым аддитивным технологиям укорениться и стать определенного рода классическим стандартом нового производства и новых изделий независимо от бренда-разработчика 3d-принтера. Сегодня же мир АТ продвинулся далеко вперед и может похвастаться новыми разработками, которые по причине инерционности рынка пока не имеют достойной популярности. Давайте условимся, что обсуждать в данной статье мы будем промышленные или профессиональные производственные системы, которые отличаются в лучшую (кроме цены) сторону от настольных 3d-принтеров своей надежностью, качеством, универсальностью, точностью, габаритами и производительностью.
Позвольте начать немного издалека, но не с надоевших всем историй первого появления ручной, а потом и цифровой технологии послойного синтеза объектов. Любой завод интересуют новые управленческие, цифровые и производственные технологии получения рентабельной продукции с их быстрой диффузией без значительной трансформации рутинных операций. Это зачастую происходит в самом начале пути их непрерывного совершенствования, если таковую цель ставит менеджмент завода. В дальнейшем же менеджмент может рискнуть и пойти на глобальные изменения с прорывными решениями, что точно заставит нервничать и активно включиться в работу по трансформации технологии производства многие службы завода. Так вот на первых этапах руководство старается помочь отстающим отделам и процессам с помощью лоскутных (локальных) трансформаций. И поверьте, к технологиям 3d-печати приходят тогда, когда уже многое было испробовано, а ожидаемый эффект не был достигнут. И вот, тыдыщ! Наконец-то доходит очередь до АТ.
Долгий и скрупулезный анализ рынка позволяет сделать неутешительные выводы менеджментом завода: аддитивными технологиями сегодня невозможно полноценно заменить традиционные серийные технологии, но для опытного производства и отработки новых вариантов продукции рискнуть можно. Рискнули, заказали, настроили, испытали… И вот для оправдания затрат звучит уже следующий нарратив: бионический дизайн – облегчение веса – индивидуализация – компактизация – агрегация… И, возможно, во всем производственном цикле узла / товара (чем он короче, тем эффект более ярко выражен) счастливый собственник получит 1–10% сокращения затрат / времени (в зависимости от объема использования АП). Но что сделано, то сделано.
Коллектив конструкторов и технологов начинает трансформировать классические навыки проектирования и производства и все чаще использовать в своей работе новое инженерное мышление, воплощаемое инновациями мира 3d-печати. Движение вперед шаг за шагом с инновациями – и завод уже может отказаться от АП, поскольку в КД и техпроцессы не мытьем, так катаньем было включено АП. Вот в этот самый момент и можно говорить о диффузии АП, ставшего неотъемлемой частью современного производства завода. Руководители отделов рапортуют об успехах топологической оптимизации конструкций, небывалых локальных экономических эффектах, компактном производстве деталей на минимальных площадях без использования инструментальной оснастки. Вроде все выглядит оптимистично, кто-то даже находит возможность для инвестиций для масштабирования производства. Но все ждут от АП немного другого…
Повышение производительности для серийного производства
Главная цель АП – значительное повышение производительности для серийного производства. Для высокоразвитых стран АП – не что иное, как просто бизнес. Даже самый современный 3d-принтер у одного хозяина редко служит более 3–5 лет. За это время он успевает морально (редко физически) устареть и не отражает возможности АП в текущем моменте. Поэтому, чтобы оставаться в тренде и в рынке, промышленник избавляется от старых систем и приобретает новые.
В России все обстоит несколько иначе. Не секрет, что стоимость иностранного оборудования и материалов импортного производства, ввиду таможенных пошлин, логистики и налогов, может отличаться в 1,5–2 раза от цены закупки, соответственно окупаемость будет заметно дольше общемировой практики. Находить такие высокие инвестиции, несмотря на высокое качество продукции, но при отсутствии заметной окупаемости в 3–5 лет, крайне сложно: ведь здесь работают законы бизнеса. Также стоит честно признать, что в России недостаточно высокий уровень инновационных разработок, требующих максимально быстрого и простого изготовления ответственных компонентов без утомительной подготовки производства – а это все влияет на загрузку аддитивного оборудования. Поэтому обновляемость парка дорогих систем иностранного производства в России не самая высокая в мире. Другими словами, в России долго работают на устаревшем оборудовании, менее точном, удобном и производительном.
Позвольте, скажете вы, а как же российские разработчики? Разве не способны они производить системы, повторяющие возможности успешных зарубежных производителей, принимая во внимание очевидное отсутствие таможенных пошлин и сложной логистики, использования недорогих российских комплектующих? Позволит ли это повлиять на удешевление производимых систем и, как следствие, повысить привлекательность конечной продукции из-за снижения затрат на активные основные фонды? Вы будете правы: пожалуй, способны. Но давайте зададимся вопросом о настоящей мировой рыночной инновационности: присутствует ли она у российских разработок? Но что самое главное: показывают ли российские 3d-принтеры кратное увеличение производительности благодаря фирменным разработкам? Постарайтесь ответить на эти вопросы самостоятельно.
И наконец, раз уж мы стали с вами говорить на тему автоматизации серийного аддитивного производства будущего, то стоит обратить внимание на киберфизические (англ. Cyber-physical System) и модульные компоновочные решения как наиболее перспективные в этом смысле (рис. 1) [1].
О столах и платформах
Для многих восприятие профессиональных и промышленных 3d-принтеров и печати на них изделий из пластмасс, керамики, песка и металла чаще всего лежит в образе декартовой системы координат с тремя линейными осями X, Y, Z и соответствующими квадратными или прямоугольными столами. В этом случае обычно говорят о 3d-печати в 2,5d осях – полноценной механической работе головки по осям X и Y. Вдоль вертикальной оси Z обычно перемещается уже стол на заранее назначенную высоту слоя, часто одинаковую на всем рабочем цикле печати. Это наиболее простая реализация принципа 3d-печати (рис. 2–3) [2, 3].
Но есть и другая, менее распространенная схема, в которой именно рабочий стол, а не головка совершает движения вдоль оси Y или даже вдоль двух осей XY / XZ, а головка движется по оставшийся оси, например оси Z (Примечание: в обиходе российских «десктоп»-аддитивщиков часто для обозначения данной схемы применяется пренебрежительный термин «дрыгостол»).
Не обойдем стороной лазерную и электроннолучевую технологии LB-PBF / SLM, PBF / SLS, EB-PBF (рис. 4), в которых лазерный или электронный луч после соответствующей подготовки проецируется на рабочую поверхность стола с материалом, то есть выполняет всю работу по перемещениям вдоль осей X и Y.
Стол перемещается также по оси Z дискретно, на величину, равную высоте слоя. Более сложное представление уже предусматривает добавление одной или трех поворотных осей, вращающихся вокруг линейных осей. Такая схема свойственна для систем, наследующих компоновку классического портального или консольного ЧПУ оборудования.
Справедливости ради стоит отметить использование круглых вращающихся столов (поворотных) в таких технологиях, как:
металлические DED-P (рис. 5), DED-W (рис. 5–6) (консоли, порталы, робототехнические комплексы (РТК)). Обратите внимание, что съемная платформа построения может иметь различный вид геометрической фигуры при условии соблюдения допустимых отклонений формы плоских поверхностей;
металлическая LB-PBF (рис. 4) и пластиковая SLS с круглыми колодцами (обычно это более доступные по стоимости решения, но не предлагающие столы с большими габаритами);
пластмассовая и композитная FDM / CFC (РТК) (рис. 5).
Такие столы сводят к минимуму износ и вибрацию всех компонентов оборудования, что положительно влияет на надежность системы и качество получаемых изделий.
Тем не менее все эти круглые столы чаще всего используются лишь для удешевления и удобства использования нескольких осей в ограниченных габаритах станка. А как же полярная система координат, в которой каждая точка на плоскости определяется двумя числами – полярным углом и полярным радиусом? Технологии DED-P, DED-W, FDM / CFC могут ее использовать, хоть полярная система и не совсем удобна в работе для инженера. Остановит ли это безумного до идей ученого или разработчика?
Ну что ж, кажется, теперь мы готовы поговорить о самом главном.
Предтечи аддитивного производства будущего
Итак, повышение производительности до уровня классических технологий – едва достижимая, но привлекательная цель для любой АТ. Как этого можно достичь в перспективе нескольких десятилетий? Рецепта вы, скорей всего, не найдете. Но никто не мешает нам представить АП будущего, или хотя бы один из его важных составляющих компонентов – вид рабочего стола и специфику его работы.
Чтобы лучше понять тенденции, давайте начнем с эпохальных разработок в хронологической последовательности. Мы не будем уделять много времени полному описанию техпроцесса, оставим это в качестве домашнего задания любознательному читателю.
Evolve Additive Solutions со своей технологией скоростной печати пластмассами STEP (англ. Selective Thermoplastic Electrophotographic Process) (рис. 7) появилась в 2017 году [5]. Сегодня АП как никогда близко к завоеванию значимой части рынка классического производства. Но произойти это должно только при увеличении скорости производства в десятки, а лучше в сотни раз. И вот как раз разработка Evolve Additive Solutions приближает нас к этому моменту.
Стол, правда, здесь движется линейно вдоль оси X вперед-назад и синхронизирован с вращением множества барабанов. Барабаны, в свою очередь, выполняют множественные функции, включая аккуратный перенос каждого слоя будущей детали с пленки на поверхность стола. При описании технологии STEP я всегда привожу пример с традиционной типографией, в которой печатные машины путем оттиска передают изображение на рулонный материал основы с использованием трафарета и формы посредством электрофотографии.
Здесь действует почти тот же принцип, только место трафарета занимает сам модельный и вспомогательный материал. Конечное изделие из технического аморфного или полукристаллического термопласта получается изотропным по всем трем осям с возможностью полноцветной печати и печати мультиматериалами. Стоимость одной детали и качество поверхности сопоставимы с традиционным производством. Захватывает дух от всего этого, правда? Такие системы очень сложны в копировании (реверс-инжиниринге) и могут применяться исключительно в промышленных масштабах. Это почти то, что нам нужно: чрезвычайно быстро, относительно компактно, с возможностью печати действительно массивных деталей, учитывая большую длину стола. И что немаловажно, эта технология может быть защищена рядом нетривиальных патентов.
Компания Tritone Technologies основана в 2017 году [7]. Сердцем ее является уникальная гибридная технология MoldJet, совмещающая в себе 3d-печать по технологии под общим названием MJM (англ. Multi Jet Modeling), MBJ / BJT (англ. Metal Binder Jetting / Binder Jetting Technology) (рис. 8), и традиционной MIM / CIM (англ. Metal / Ceramic Injection Molding).
Это технологическое решение позволяет создавать с помощью пьезоэлектрической струйной головки послойно литейную форму из материала поддержки и тут же заполнять ее полости модельным материалом из металлополимерной (MIM) или керамополимерной (CIM) композиции. И такая инновационность в изобретении израильских разработчиков не единственная. Весь процесс происходит на карусели (рис. 9), состоящей из 4–6 платформ, попеременно заезжающих под устройство технологической операции (печать, первичная термообработка, контроль). Заявляется производительность от 220 см3 до 1 600 см3 для систем Dim и Dominant соответственно [8, 9]. Здесь мы опять наблюдаем вращение как логичный способ компактизации, ускорения и автоматизации серийного производства. Жаль, что процесс не является по-настоящему непрерывным, как в случае с фотополимерными смолами (поговорим об этом чуть позже), а дискретен по своей сути.
В 2021 году Stratasys, Inc преподносит сразу несколько сюрпризов в виде потрясающей концепции роторных (рис. 10) 3d-принтеров J5 DentaJet, J5 MediJet, J35 Pro, J55 Prime с полярной системой координат [11]. Представленные принтеры хороши во всем: потрясающий дизайн от дизайнеров BMW, унаследованный от FDM семейства F123, высокая производительность, мультиматериальность, надежность, компактность. В общем, все, что ждет самый требовательный потребитель от офисной цветной 3d-печати. Казалось бы – вот она концепция мечты принтера будущего! Однако ограничениями являются низкие эксплуатационные характеристики получаемых изделий из фотополимеров, а также недостаточно высокий уровень автоматизации.
Да простит меня дорогой читатель, но последний «фрукт» для нашего натюрморта несколько не соответствует ранее принятой хронологической последовательности моего повествования. Сделано это было намеренно для расстановки всех точек над «i» в конце данного обзора-расследования. Немецкая компания dp Polar GmbH [2] применяет технологию ротационной печати в полярных координатах High-Speed Rotative AM (HSR) с помощью пьезоэлектрических струйных печатающих головок Xaar 1003 английского производителя Xaar [12]. Конечно же, такие головки предназначены для технологии струйного нанесения фотополимеров MJM (подобная технология используется у 3d Systems, Inc – MultiJet Printing [13] и у Stratasys, Inc – PolyJet [14]).
Еще с 2019 года dp Polar заявила о себе как о компании, целью которой является покорение промышленного кастомизированного производства с помощью АТ. Заявляется скорость около 10 л / час с потенциальным объемом построения в будущем за один цикл, равным 700 л. Автоматизация решена здесь очень элегантным образом. Одна из восьми секций роторного стола в любой момент времени может быть заменена вручную или с помощью РТК на совершенно пустую или специально подготовленную для печати какого-либо функционального слоя или элемента (рис. 11–12). Далее секция может передаваться на следующую технологическую операцию, например растворения материала поддержки.
Компания dp Polar GmbH уже говорит о возможности использования ее систем AMpolar для мультиматериальной печати, включая 3d-печать электронных компонентов AME (англ. Additive Manufactured Electronics) (рис. 13) на любых поверхностях и многослойных структурах токопроводящими чернилами и диэлектриками, включая носимую электронику (англ. Wearable Electronics) (рис. 14). Именно эта концепция, по моему мнению, может лежать в основе разработки принтера будущего.
Выводы
Cегодня мы становимся свидетелями не прототипов и демонстраторов, а достойных серийных 3d-принтеров, предтеч будущего АП, совмещающих в себе мультиматериальную и многокомпонентную печать (пластмассы, электроника, металлы, керамика) за один технологический цикл, например с помощью пьезоэлектрических головок. Причем автоматизация логично и успешно решена или будет решена с помощью РТК. Такое безлюдное производство вполне может занять свое место в цифровых «фабриках будущего», освобождая человека от рутинного труда.
Воспользуются ли такими решениями разработчики систем для серийного аддитивного производства? Как они будут решать вопросы автоматизации? Пожалуй, у нас остается два варианта: покорно ждать ответы на свои вопросы или вступить в ряды разработчиков, с самого начала нацеливаясь на решения для комплексной автоматизации аддитивного производства.
REFERENCES
Trubashevskij D. S. Additivnye zarisovki ili resheniya dlya tekh, kto ne hochet prodolzhat’ teryat’ den’gi. – Voronezh: Izd. «Umnoe proizvodstvo». 2021. ISBN 978-5-600-02999-6. Трубашевский Д. С. Аддитивные зарисовки или решения для тех, кто не хочет продолжать терять деньги. – Воронеж: Изд. «Умное производство». 2021. ISBN 978-5-600-02999-6.
URL: https://dppolar.de
URL: https://www.stratasys.com/en/3d-printers/printer-catalog/3d-printer-tech-style/:
URL: https://www.gefertec.de/
URL: https://www.evolveadditive.com/our-history/
URL: https://vimeo.com/392962837
URL: https://tritoneam.com/about-us/URL: https://tritoneam.com/wp-content/uploads/Tritone-Dim-Product-Sheet‑1.pdf
URL: https://tritoneam.com/wp-content/uploads/Tritone-Dominant-Product-Sheet.pdf
URL: https://youtu.be/PT5MrHkSQHE
URL: https://youtu.be/bVsTOmzLN5o
URL: https://www.xaar.com/en/news/2020/xaar‑1003‑printhead-delivers-for-industrial‑3d-printing
URL: https://www.3dsystems.com/multi-jet-printing
URL: https://www.stratasys.com/en/guide-to‑3d-printing/technologies-and-materials/polyjet-technology/URL:
https://youtu.be/Fhig5EqqQnY
URL: https://www.nano-di.com/
URL: https://wyss.harvard.edu/news/low-cost-wearables-manufactured-by-hybrid‑3d-printing/
АВТОР
Дмитрий Трубашевский, Директор по продажам, ООО «Современное оборудование», Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-0295-9835
Отзывы читателей
