Технический прогресс незаметно, но неотвратимо меняет окружающий мир. Сейчас мы можем покупать запчасти для своих автомобилей через интернет на другом краю земного шара, еще тридцать лет назад это казалось немыслимым, а мы уже от этого устали. Не всегда заказанная с трудом деталь соответствует нашим ожиданиям. Велик процент подделок, заранее эту вероятность не просчитаешь. И далеко не всегда этот заказ занимает приемлемое время. Чаще приходится подолгу ждать. Однако технологии позволяют уже сегодня изменить эту неприятную ситуацию. О чем мы говорим? – в недавнем прошлом была освоена промышленная 3D-печать металлических запчастей из легких сплавов на заводах автомобильного гиганта Daimler-Benz. Сейчас они производят с помощью 3D-печати, например, корпуса термостатов. Этот способ оказался более эффективным, чем традиционный. Деталь получается полностью готовой и не требующей обработки. 3D-печать пластиковых деталей была освоена и того раньше, и успешно используется в настоящее время в промышленности.
Давайте рассмотрим, что же представляет собой 3D-печать, в чем ее особенности и как она может использоваться в машиностроении в ближайшем будущем. Технология 3D-печати имеет уже более чем 30-летнюю историю. Сейчас 3D-печать металлических деталей используется в авиации, в ювелирном деле и в медицине, где с помощью печати изготовляются биопротезы.
Вообще 3D-печать чаще всего используется в изготовлении опытных образцов деталей, в том числе в автомобильной промышленности. С помощью печати можно изготавливать готовые детали, не требующие дальнейшей обработки, так и детали, которые впоследствии обрабатываются механическим высокоточным способом. При помощи 3D-печати, в частности, создаются элементы поршней и цилиндров для экспериментальных двигателей и коробок передач.
Сколько стоит деталь, напечатанная на 3D принтере
Поскольку технология достаточно молода, изначально стоимость 3D-печати была гораздо выше, чем традиционный способ изготовления деталей. Однако с развитием технологии стандартно стоимость ее падает. В настоящее время стоимость вплотную подошла к массовому уровню, еще немного и она станет общедоступной. После этого ситуация во многих областях рынка кардинальным образом изменится.
Изготовить таким способом можно не только однотипные детали, но и детали с разными усовершенствованиями и модификациями. Главное, что должно иметься – это чертеж детали. Но даже если его нет, с помощью 3D-сканирования можно воссоздать нужную деталь достаточно легко.
Данная технология позволяет с легкостью вносить требуемые изменения в изготавливаемые детали, например, убрать или добавить какие-то элементы, усилить слабое место корпуса или наоборот, сделать корпус тоньше в некоторых местах. 3D-печать может с легкостью переводить в готовую деталь любой чертеж. Изготовление сложных деталей упрощается за счет упразднения множества дополнительных шагов производства, таких как литье и последующая механическая обработка, необходимых при традиционном способе изготовления. Таким образом, за счет упразднения массы способов обработки при производстве сложных деталей методом 3D-печати они могут быть дешевле, чем при традиционном способе производства.
Надо сказать, что 3D-печать металлических деталей использует более дорогие сплавы (на 10-15%), но за счет того, что сама печать достаточно дешева по сравнению с традиционным производством, и потери сплава при печати мизерны, в конечном итоге детали получаются более дешевыми, при этом по прочностным характеристикам они не уступают литым. В настоящее время ограничения на размер деталей, производимых методом печати, практически сняты. В Амстердаме, например, печатается 30-метровый по длине пешеходный мост.
Какие материалы используются при 3D-печати
Подавляющий объем производимых методом 3D-печати деталей для автомобилей изготавливается сейчас из пластика, кроме того, используются сплавы металлов. Металлические детали изготавливаются из стали и алюминия. В перспективе использование меди в силу того, что в автомобиле масса медных электрических узлов и проводников. Также в силу своей высокой прочности в 3D-печати используется титан. Его применение находит свое место в космической и авиационной промышленности, а также в области протезирования.
Еще один металл, используемый в 3D-печати – это нержавеющая сталь с добавлением никеля и кобальта. Этот материал дешевле многих сплавов из цветных металлов, и хотя его стоимость дороже обычной стали, его использование в 3D-печати экономически оправдано.
Также используется алюминий. Это недорогой и стойкий к окислению металл с хорошими прочностными характеристиками. Стоимость изготовления алюминиевых деталей методом 3D-печати невысока и доступна небольшим предприятиям. Единственное осложнение вызывает взрывоопасность порошкового алюминия.
В ювелирной промышленности для 3D-печати ювелирных изделий используется золото, серебро и медь. Также медь и серебро применяются для изготовления монтажных печатных плат в электронных компонентах. Принтеры для печати таких схем обеспечивают печать с высотой не более нескольких миллиметров на подложке из керамики.
Какие существуют технологии 3D-печати
Если говорить о технологиях печати, самыми дорогими из них являются EBM (Electron Beam Manufacturing) и DED (Directed Energy Deposition) технологии. EBM-технология формирует изделие из порошкового металла под воздействием пучка электронов. Пучок электронов формирует расплав в строго заданной зоне. Directed Energy Deposition технология формирует деталь осаждением металла из порошка или проволоки под воздействием плазменной дуги или луча лазера. Эта технология обеспечивает «выбивание» расплавленного металла на поверхность детали. Поскольку эти технологии являются дорогими, они оправдывают себя только в массовом производстве. При этом обе вышеназванные технологии обеспечивают качество изготовления деталей выше, чем у деталей, изготовляемых традиционным способом (литье). С помощью данных технологий можно как создавать новые детали, так и восстанавливать существующие. Особенностями обоих технологий является возможность упрочнять уязвимые места детали, делать поверхность детали прочнее, чем ее внутренность и менять состав металла в объеме детали.
С какой скоростью работают в настоящее время промышленные 3D-принтеры? Это зависит не от технологии, различаются в основном показатели различных принтеров. Так, 3D-принтер ArcamQ20Plus с рабочей зоной размером 350*380 мм и точностью изготовления детали до 140 нм за час создает объем детали порядка 4 литров. В то же время 3D-принтер Insstek MX3, работающий по технологии DED, обеспечивает толщину слоя в 0,089-0,203 мм. С рабочей зоной размером 1000*800*650мм он обеспечивает скорость около 2 слоев в минуту.
Похожая технология используется для создания пластиковых деталей. Она носит название SLS, то есть selective laser sintering. В переводе это значит «выборочное лазерное спекание».
С помощью 3D-печати SLM-методом Mercedes-Benz будет производить детали не только для новых автомобилей, но и для классических моделей. Эта технология, несмотря на то, что она проще, чем рассматриваемые нами вначале EBM и DED-технологии, может обеспечивать качество не ниже, чем у обычного литья или штампованных деталей. Материал по всей толщине детали будет строго однороден, но для традиционных деталей большего и не требуется.
Рассмотрим технологию DMLS. Эта технология проста: металлический порошок в необходимом количестве подается в рабочую камеру, разравнивается дозатором, лишний порошок удаляется, остальное запекается лазером по контуру детали. Толщина слоя до 100 микрон, точность – до 20 микрон. Отходов нет. Скорость, обеспечиваемая промышленными 3D-принтерами по этой технологии – больше 9 кг в минуту. При распараллеливании процесса печати скорость можно увеличить и еще больше. Такая технология, например, используется компанией Илона Маска SpaceX, которая создала автомобиль Tesla. В частности, с помощью 3D-печати методом DMLS изготавливались камеры сгорания двигателя Super Draco из сплава инконель.
Примерно такой же принцип применен и в максимально доступном по цене 3D-принтере Mini Metal Maker для печати изделий из металла. Его цена около 1600 долларов и он обеспечивает точность порядка 500 микрон. Это, конечно, не 20, зато для печати ему не требуются особые рабочие камеры, размеры детали ввиду этого ничем не ограничены.
Как видим, технологии 3D-печати становятся массовыми, при такой скорости прогресса в ближайшую десятилетку нас ждет революция в производстве запчастей для автомобилей. Если будет возможно распечатать любую деталь быстро, недорого и в полном соответствии с оригиналом, рынок запчастей в сегодняшнем виде перестанет существовать.
Вместо того чтобы гоняться за качественными запчастями, мы будем гоняться за качественными металлическими порошками для 3D-принтеров, спорить на автофорумах не о качестве запчастей, а о новых моделях принтеров, позволяющих делать детали с заданными прочностными характеристиками. Во всяком случае, когда в каждом гаражном кооперативе можно будет установить 3D-принтер для печати запчастей, это в корне поменяет ситуацию на рынке.
