Когда идея обретает 3D-форму

Развитие аддитивных технологий или 3D-печати началось с идеи быстрого прототипирования (rapid prototyping) в начале 1980 годов. Прототипы изделия создавались для проверки расчетов, исправлений и утверждения опытного образца перед тем, как запускать массовое производство. Возможность оперативного создания прототипа и быстрой проверки его характеристик была технологическим рывком для многих производственных компаний и стала стимулом к росту рынка.

Промышленные компании заметили новую технологию и стали использовать ее для изготовления оборудования и оснастки, это ощутимо сократило подготовительный этап производства и первоначальную стоимость.

Технология совершенствовалась и появилась возможность печати функционирующего продукта, а не только прототипа, поэтому понятие «быстрого прототипирования» уже не отражало все возможности 3D-печати и возник термин «аддитивное производство».

Аддитивное производство – процесс послойного соединения материалов для создания объектов на базе данных трехмерной модели. Идея простая: если можно создать 3D-модель объекта, то такую модель нужно загрузить в компьютер, компьютер нарежет модель на тонкие слои и детали, специальное оборудование по отдельности воссоздаст эти детали и получится нужный объект.

У 3D-печати много достоинств:

• гибкость, которая позволяет в короткие сроки произвести сложный кастомизированный продукт;
• создание деталей сложной конфигурации;
• быстрая передача цифровой 3D-модели в любую точку мира, где есть соответствующий принтер;
• короткий этап разработки и быстрый запуск в производство;
• принцип «сложно и бесплатно» – изготовление одной детали стоит столько же, сколько и большая партия;
• децентрализация производства и упрощение логистики;
• печать деталей для ремонта в местах его проведения;
• печать в момент возникновения потребности.

Кроме бесспорных преимуществ аддитивных технологий, имеются и ограничения в применении, которые тормозят расширение областей применения:

– размер деталей, который зависит от размера принтера;

– высокая себестоимость (цена материалов, использующихся для печати);

– энергозатраты;

– точность изготовления и др.

Если детали можно печатать в любом месте, где есть подходящий 3D-принтер, то возникает вопрос сохранения интеллектуальной собственности. Это беспокоит как традиционных производителей, так и компании, которые разрабатывают новые детали и оборудование для собственного применения.

Первое в мире офисное здание напечатали в Дубаи. Белый футуристичный офис печатался, в основном, на огромном 3D-принтере (размеры 6х36х12 м), который выполнил основную работу. Печать производилась путем экструзии цементной смеси слой за слоем. Такое использование технологий впечатляет, но стоит помнить, что здание отличается степенью детализации от турбины самолета. Для получения качественного результата должен быть высочайший контроль процесса производства.

Именно такой контроль был осуществлен при создании самолета Boeing 777X, который в январе 2020 года совершил первый полет. Мировые СМИ называют это событие поворотным моментом в истории аддитивного производства, потому что оба двигателя этого самолета содержат почти 300 деталей, напечатанных на 3D-принтере. 80% этих деталей составляют титан-алюмидные лопасти двигателя. Комплектующие были изготовлены GE Avio Aero в Италии и GE Additive Technology Center в США. GE9X – самый мощный двигатель в мире для коммерческих самолетов.

Согласно исследованию Frost & Sullivan ежегодные темпы роста мирового рынка 3D-технологий составляют 15%. При сохранении CAGR (совокупного среднегодового темпа роста) на таком уровне прогнозируется увеличение объема рынка с $5,31 млрд в 2018 году до $21,5 млрд в 2025 году.

Shell активно применяла аддитивные технологии на этапе проектирования нефтегазовой буровой станции Stones в Мексиканском заливе. Инженеры Shell говорили о существенном сокращении времени, например, пластиковый прототип буя был создан за 4 недели, кроме того, была установлена наиболее эффективная последовательность его сборки, что сэкономило несколько месяцев по сравнению с традиционным подходом. Кроме того, с помощью лазерной наплавки компания создала устройство, которое разделяло побочные продукты нефтепереработки на составляющие для получения более ценных химических продуктов. При этом не использовался внешний источник для нагрева.

Французская атомная компания Framatom в этом году впервые изготовила урановые топливные объекты с помощью аддитивных технологий. Этот прорыв будет способствовать разработке и производству урановых топливных пластин для исследовательских реакторов и облучаемых медицинских мишеней, которые используются для диагностики онкозаболеваний.

Другая область применения – медицина. Инженеры казахстанских компаний MBionics и 3D PM создали бионический протез руки. Специалисты MBionics занимались подбором электроники и разработкой программного обеспечения, а 3D PM обеспечила моделирование и 3D-печать деталей протеза на основе сканирования культи. Помимо этой разработки компании также участвуют в совместных проектах с Национальным научным центром хирургии им. А.Н.Сызганова и Научно-практическим центром социальной реабилитации МТСЗН РК.