Выставка FormNext 2018: новейшие технологии 3D-печати

В ноябре 2018 года Франкфурт-на-Майне превратился в мировую столицу аддитивных технологий. Выставка Formnext 2018 собрала почти двадцать семь тысяч специалистов со всего мира – на четверть больше, чем год назад. 632 экспонента представили новинки во всех сегментах выставки – оборудовании, материалах, программном обеспечении. В своем обзоре мы сфокусировались на инновациях для промышленных отраслей.

Прототип автомобиля с шасси, напечатанным аддитивным способом (сплав AlSi10Mg). Совместное решение компаний Divergent 3D и SLM Solution

Сегмент SLA-машин

Английская компания RPS второй год подряд показала NEO800 - одну из лучших SLA-машин на рынке. Аппарат способен синтезировать изделия до 800 x 800 x 600 мм, используя любые фотополимерные композиции, в том числе наполненные керамикой, как Somos Perform. По заверениям производителя, машина имеет на треть большую рабочую зону, чем аппараты аналогичных габаритов.

Китайцы из ProtoFAB показали на выставке семейство крупногабаритных SLA‑машин, в том числе самую крупную: SLA1100 с максимальной рабочей зоной 1100 х  600 х 450 мм. Неприятная особенность этого семейства – безальтернативное использование нового семейства материалов, разработанных и выпускаемой самой ProtoFab.

Классическая SLA-машина ProX 800 от 3D systems - бессменный участник экспозиции. Машина имеет рабочую зону 650 x 750 x 550 мм, и использует собственные, проверенные временем материалы. В линейке есть как фотополимеры для прототипирования и литья металлов: Accura Si60 и CastPro соответственно, так и функциональные, наполненные наночастицами керамики Xtreme, BlueStone и CeraMAX.

Система Figure 4 - видение цифрового аддитивного производства глазами 3D systems. Она состоит из нескольких производственных модулей (SLA‑машин), манипулятора и автоматической станции постобработки деталей. В силу небольшой рабочей зоны каждого модуля синтеза, система позиционируется как готовое решение для сервис-бюро в области зубопротезирования, однако при использовании спецматериалов Figure 4 может найти применение как для получения литейных QuickCast моделей, так и функциональных деталей.

Впервые на FormNext была представлена компания Carbon из Калифорнии, США. Демонстрировалась производственная ячейка, которая может состоять из нескольких АМ-машин, станции отмывки деталей и специального манипулятора. Идеологически и конструктивно этот комплекс близок с Figure 4 от 3D Systems.

Производственная ячейка Carbon

В семействе материалов нет прототипных, все являются функциональными в своей области, и линейка достаточно широка - от термостойких полиуретанов до эластичных, используемых в совместном с Adidas проекте Futurecraft 4D.

SLS- и Binder Jetiing- машины

Технология селективного лазерного спекания - одно из самых производительных решений в аддитивном производстве. Ее бурное развитие, и появление новых игроков на рынке является лишним тому подтверждением.

Японская компания Ricoh представила SLS-машину с большой рабочей зоной 500 х 500 х 480 мм. Аппарат совместим с материалами PA6, PA12, PP, а также стеклонаполненными PA6 и PA12. Важно, что система открыта для использования материалов любых производителей. Известно, что в Европе уже работает более 10 таких систем, в том числе в R&D центре BASF.

EOS - один из пионеров в области 3В-печати анонсировал существенный скачок производительности.  Новая технология компании EOS названа LaserProFusion. Она является разновидностью SLS, с той лишь разницей, что вместо одного классического CO₂ лазера (типичная мощность порядка 70 Вт) используется миллион светодиодных лазеров, суммарной мощностью до 5кВт. Каждый лазер отрабатывает свой пиксель и слой порошка «сканируется» мгновенно. По расчетам самой EOS, такая технология будет способна конкурировать с литьем под давлением на ТПА. Планируется представить оборудование в 2021 году.

Печать по технологии LaserProFusion может стать альтернативой литью под давлением

Немецкая Voxeljet анонсировала модернизированную песчано-полимерную систему VX1000- S IOB, способную работать с неорганическим связующим. Благодаря пятикратному росту производительности, скорость создания слоя составляет всего 12 секунд. На рынке такая машина будет доступна с середины 2019 года. Полимерные машины также остаются в фокусе компании. В в этом году была представлена машина VX200 HSS для работы с PA12, TPU, PP и EVA. Технология аналогичная той, что применяет HP.

Суперконструкционные материалы PEEK/PEKK/ULTEM

Материалы, которые сочетают высокие механические характеристики с высокую термостойкость, называют суперконструкционными. С каждым годом их ассортимент расширяется, и если на выставке 2017 года были представлены в основном PEEK и PEKK, то в 2018 активно продвигают угле- и стекло-наполненные материалы этого семейства.

Детали, изготовленные из материала ULTEM

Резкий рост числа компаний, освоивших такие материалы, обусловлен их непревзойденными свойствами. Однако такие материалы сложны в переработке, и требуют более высокотемпературного и износостойкого оборудования. Как правило, изготовление деталей из таких материалов предполагает использование SLS- или FDM-технологии.

В 2017 году существовало всего несколько компаний, которые успешно внедрили эти пластики в свою линейку материалов. В этом году уже более 25 компаний заявляют о поддержке суперконструкционных пластиков. Превосходные свойства материалов заставляют производителей оборудования быть в тренде и модернизировать свои машины под использование этих материалов. Ключевые характеристики этих материалов: химостойкость и температуростойкость.

Использование суперконструкционных материалов лидерами рынка

EOS использует порошковый PEEK и специальную SLS-машину P800 HTLS. Спекание полимера происходит при существенно более высоких температурах: до 385 °C (против 210 °C для стандартного PA), рабочая зона 700 x 380 x 560 мм.

Stratasys одной из первых начала использовать филамент PEI (материалы семейства ULTEM), а с 2018 года поддерживают и PEKK (торговое название Antero). Оба материала сочетают высокую прочностью, стабильность размеров и повышенную термо- и химостойкость, а также обладают диэлектрическими свойствами.

Помимо лидеров рынка перспективные материалы активно используют Apium (изначально один из первых производителей филамента РЕЕК), Roboze (ранее Indmatec), AON3D, Tractus3D, Rokit, Verashape и другие.

В разработку и выпуск суперконструкционных пластиков включились как небольшие компании, так и гиганты рынка, такие как Solvay и BASF. BASF предлагает порошки полиамида, наполненные 30 % стекловолокном и углеволокном для SLS-технологии, для технологии наплавления термопластичной нити разработан материал Ultrafuse PA-CF.

Sabic разрабатывает филаменты такие как Ultem 9085 и Ultem 1010, которые стойки к УФ, воздействию высоких температур и обладают повышенными механическими характеристиками в сравнении с обычными пластиками.

Обработка поверхности деталей FDM

Для достижения лучшего качества поверхности FDM-детали требуют обработки. Она может проводится, как в ручном, так и автоматическом режиме. На выставке представлены решения от компаний Stratasys, Zortax, PostPro3D. Все они работают по принципу химической обработки парами растворителя. В результате уменьшается шероховатость и улучшается герметичность изделий. Время обработки в таких машинах составляет от 1 до 2 часов для партии деталей. При этом изменение размеров, которое заявляют производители, составляет порядка 0.3 – 0.4 процента. Обрабатываются как детали из ABS, ASA и Nylon, так и химостойких материалов семейства ULTEM.

Rosler и Postprocess совместно создали новейшую гибридную машину DeciDuo для постобработки поверхности синтез-деталей. По заявлениям производителя, эта машина способна произвести постобработку выращенных любым способом деталей, в том числе и металлических.

Этапы обработки деталей на оборудовании DeciDuo

Машина работает по принципу обработки поверхности струей сжатого воздуха, а затем специальной жидкостью с абразивом. Детали, отрезанные от платформы, очищаются от остатков поддержек и приобретают сглаженную поверхность с сохранением мелкой геометрии.

Металлополимерные технологии

Работа с металлическими порошками достаточно трудоемка, требует средств защиты оператора и предполагает целый рад неудобств. Поэтому создаются новые способы, комбинирующие аддитивное производство, использование металлических порошков и простоту работы.

Наметилось два основных подхода: FDM-подобный и основанный на технологии BinderJetting. Первый предполагает использование материалов в виде нити, прутка или гранул.

Металлическая деталь, изготовленная по FDM-подобной технологии на оборудовании Markforged

Металлополимерные композиции состоят из полимерной матрицы, наполненной металлическим порошком. За счет полимерной составляющей перерабатывать такой фидсток можно с помощью экструдера. После завершения 3D-печати требуется химическое удаление полимерной матрицы, а затем термическое спекание, при котором происходит усадка материала на 18-20 %. По этому пути пошли компании, стоявшие у истоков этого метода в Массачусетском технологическом институте (MIT): MarkForged Metal X и DesktopMetal Studio, а также Stratasys и AIM3D.

Путем каплеструйного нанесения Metal Jet -связующего пошли Hewlett Packard (машина Metal Jet), Digital Metal и DesktopMetal (машина Production). В этом случае также требуется удаление связующего с последующим спеканием.

Следует отметить, что второй путь - BinderJetting-технология - является более ориентированным на серийное производство. Так уже сегодня VW и HP внедряют такие металлические детали в серийное производство автомобилей.

ExOne – известная своими песчано-полимерными принтерами представила новую систему 25Pro, для работы с металлическими порошками с использованием BinderJetting-технологии.

Аппарат способен синтезировать детали до 400 х 250 х 250 мм из сталей, вольфрама и карбида кобальта.

SLM-технология

EOS представил новую аддитивную машину M300-4 для работы с металлами, с возможностью комплектации четырьмя лазерами по 400 Вт, каждый из которых работает во всей области печати. В перспективе будет опционально доступна система с 8 лазерами. Установку позиционируют как самую высокопроизводительную машину, работающую до 10 раз быстрее конкурентов. Рабочая зона машины: 300 х 300 х 400 мм.

 Металлическая деталь компании GRAVITY, изготовленная на EOS M400

CUSTOMS MACHINES создает специальные решения с использованием машин EOS М-серии. Установка, созданная на базе EOS 400-4,  имеет увеличенные размеры камеры построения 450 х 450 х 1000 мм, что делает ее одной из самых больших аддитивных машин в мире. На данный момент поддерживаются стали и титановые сплавы.

Металлическая деталь, построенная на модифицированной машине EOS M400-4. Высота 1000 мм.

Компанией Trumpf официально представлена новая SLM-машина TruPrint 5000, оснащенная тремя лазерами. Как младшая модель TruePrint 3000, она  имеет сменные цилиндры построения и бункеры с порошком, благодаря чему смена материала возможна в кратчайшие сроки. Рабочая зона Ø300 х 400 мм. Материалы: Al, Ti, Ni, Co-Cr, Steel.

Детали Trumpf, сплав алюминия

Также была представлена новая технология лазерной печати драгоценными металлами и медью. Поскольку эти материалы отражают лазерный луч и плохо поддаются сплавлению, используется зеленый лазер.

Компания Arcam (аддитивная дочка корпорации GE) представила новую EBM-установку Spectra H. От прежних машин Q-серии ее отличает рабочая зона, увеличенная до Ø 250 х 430 мм, и более высокая мощность.

Традиционно машины послойного синтеза с электронно-лучевым сплавлением ориентированы на титановые сплавы.

Еще одна дочка GE - Concept Laser показала прототип промышленной модульной SLM-машины M-line. Она имеет полностью автоматическую систему для печати металлами и позиционируется как решение для серийного производства деталей авиационной тематики. Платформа построения 500 х 500 х 400 мм.

Особое внимание безопасной работе с металлическими порошками уделяет французская компания AddUp в машине FormUp AM Factory.  Базовые функции управления выполняются извне, чистка и обслуживание производятся внутри установки. Из-за мелкодисперсного порошка, который используется AddUp для получения лучшего качества поверхности, и представляющего высокий риск для здоровья, вход в систему ограничен. Обслуживание возможно только в специальных защитных костюмах. От внешней среды система полностью изолирована, специальные условия для ее установки не требуются. Машина модульная, может компоноваться в зависимости от потребностей клиентов. Базовый модуль печати имеет камеру построения 350 x 350 x 350 мм.

Внутри изолированной системы FormUp Factory

Американская компания 3D Systems представила обновление линейки DMP-машин. Обновлена существующая установка DMP 350 в сторону больше автоматизации - добавлена автоматическая подача и регенерация порошка. Однако, с одной стороны, это шаг в сторону большей автоматизации, с другой - уход от легкости смены материала, которой славилась машина.

Официально представлена машина DMP 500 – совместная разработка с Georg Fischer (более известна как +GF+). Также в сотрудничестве с +GF+ создан специальный горизонтальный электроэрозионный станок CUT AM 500 для демонтажа деталей с платформы.

Компания DMG развивает свои SLM-машины, в этом году акцент был сделан на качестве поверхности деталей. Благодаря встроенному ПО Optomet, машина способна анализировать химсостав порошка, гранулометрический состав, форму частиц и адаптироваться к изменившимся условиям. Согласно заявлению производителя, такой подход позволил снизить шероховатость с R_a=11 до R_a=6 мкм.

SLM Solutions также представила собственное ПО для подготовки производства и показала прототип автомобиля проекта Divergent (см. выше), большинство деталей в котором – это продукты топологической оптимизации и аддитивного производства. Автомобильная тематика – одно из основных направлений для SLM Solutions, это показывают и примеры применения деталей - крышка головки блока ДВС, знаменитый суппорт тормозной системы Bugatti и пр.

Сервис-бюро

Рост, развитие и укрепление крупных сервис-бюро является общей тенденцией для Европы. Аддитивные технологии приходят во все отрасли производства. Для российских компаний это отличная возможность найти партнеров для ускорения развития аддитивной составляющей на своем предприятии, получения опыта по оптимизации геометрии, отработке параметров печати и режимов постобработки.

Компании-поставщики деталей аддитивного производства

Немецкие компании - FIT, GKN, BÖLLINGER, Hofmann, CITIM, LENK, Rauch, M&H CNC Technik, BionicProduction, CFK; Французские - PolyShape, Safran, Volume-e, STYX Technologies; AnyShape (Бельгия); BLT (Китай).

Итоги

Экспозиция Formnext 2018 доказывает, что использование аддитивных технологий в производстве стремительно растет. Это связано с тем, что ожидания клиентов приблизились к возможностям оборудования и компетенциям исполнителей. Отличный пример – совместный проект GE additive и компании HRE Wheels, в рамках которого был создан колесный диск для автомобиля McLaren. Уникальный дизайн и минимальная масса обеспечиваются аддитивным способом производства  (EBM-технология) и использованием титанового сплава.

Концепт колесного диска от GE и HRE Wheels. Сборная конструкция - титановые детали на композитном ободе. При традиционном субтрактивном способе производства от 45 кг алюминиевой заготовки остается лишь 20 % материала. При аддитивном производстве в дело идет 95 %.

Важным трендом является и широкое применение суперконструкционых материалов PEEK, PEKK, PEI и др., способных во многих задачах заменить металлы.

Основными вызовами для 3D-индустрии до сих пор являются стоимость металлических порошков и обеспечение качества изделий.

Изделия, полученные с помощью аддитивных технологий, требуют обязательного контроля, поскольку запросы потребителей растут, соответственно возрастает и цена ошибки.

Можно отметить тенденцию к снижению стоимости материалов, однако уровень ожиданий потребителей еще не достигнут. И здесь у российского рынка большие надежды на отечественных производителей – компании «Русал» и «Полема». При должном подходе к качеству и соответствию материалов техпроцессам у них есть все шансы занять наш рынок.

К. Н. Казмирчук, начальник отдела перспективных

технологий и развития, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»

С. А. Танклевский, инженер-технолог отдела

перспективных технологий и развития

Ю. А. Морозова, инженер-технолог 1 категории  отдела

перспективных технологий и развития, ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ»