3D-печать для промышленности: подробнейший обзор новейшего оборудования и технологий

На выставке formnext традиционно собирается элита из мира аддитивных технологий и 3D-печати. Эксперты мирового уровня констатировали переход от создания прототипов к изготовлению деталей и заготовок из металлов и функциональных материалов.

Классические SLM-, EBM- и DMD-технологии при работе с металлами дополнили относительно новые CSF- и FDM-подобные технологии. Подробный обзор оборудования, материалов и передовых решений, представленных во Франкфурте-на-Майне, от эксперта Кирилла Казмирчука.

Технологии послойного синтеза

SLM – Selective Laser Melting – селективное лазерное плавление SLA – Stereo Lithography Apparatus – стереолитография SLS – Selective Laser Sintering - селективное лазерное спекание BM – Electron Beam Melting – плавление электронным лучом DMD – Direct Metal Deposition – прямое осаждение металла CSF – Cold Spray Forming – холодная газодинамическая наплавка FDM – Fused Deposition Modeling – осаждение расплавленного материала PolyJet – струйное нанесение материала (связующего)

Селективное лазерное плавление  (SLM - Selective Laser Melting)

Matsuura Lumex Avance-60

Гибридная система, которая использует SLM-процесс и 3-осевую ЧПУ-обработку в одном оборудовании.

Такой подход позволяет получать металлические детали с внутренними каналами малой шероховатости.

Рабочая зона: 600 х 600 х 500 мм

Материалы: Al, Ti, Ni, Co-Cr, Steel.

Trumpf TruPrint 5000

SLM-машина от компании, выпускающей широкую линейку лазерного оборудования. Особенность TruPrint 5000 – сменные рабочие модули. Они позволяют запускать построение без длительной подготовки. «Распаковка» построения происходит вне машины в специальной станции «распаковки-очистки».

Рабочая зона круглая:  Ø300 х 400 мм

Материалы: Al, Ti, Ni, Co-Cr, Steel.

 

SLM-Solutions SLM 800

Самая большая машина от компании – пионера в сегменте SLM-технологии. В начале 2017 года была анонсирована покупка компании SLM-Solutions гигантом промышленности General Electric. Сделка не состоялась по причине несовпадения мнений по стоимости акций. В результате GE приобрела другую компанию – Concept Laser.

Машина SLM 800 была анонсирована на formnext-2016 и представлена публике на выставке 2017 года.  В рамках выставки, по заявлению самой SLM-Solutions, было продано двадцать единиц этого оборудования.

Рабочая зон: 280 х 500 х 800 мм

Материалы: Al, Ti, Ni, Co-Cr, Steel.

С начала года продано более 15 машин SLM 500, преимущественно в Китай.

Electro Optical Systems M400-4

SLM-машина с рабочей зоной 400 х 400 х 400 мм

Материалы: Al, Ti, Ni, Co-Cr, Steel.

Используются четыре лазера, каждый охватывает четверть рабочей зоны. Это позволяет существенно сократить время построения большого количества небольших деталей, однако при изготовлении одной крупной время сокращается до 10%. Потенциально  за счет более равномерного процесса сплавления уменьшаются температурные деформации.

Additive Industries MetalFab1

MetalFab1 - это комплекс оборудования: SLM-машина + станция очистки + печь для термообработки. Технологически переходы проходят в изолированном пространстве, соответственно, уменьшается контакт оператора с металлическими порошками.

Рабочая зона 420 х 420 х 400 мм

Материалы: Al, Ti, Ni, Co-Cr, Steel.

Concept Laser (компания приобретена General Electric в начале 2017 г.)

Была представлена машина Atlas с рабочей зоной 1000 х 1000 х 1000 мм.

Показан прототип этой машины и деталь, построенная на платформе 1000 х 1000 мм.

Материалы: Al, Ti, Ni, Co-Cr, Steel.

Дата выпуска не обнародовалась.

На текущий момент актуальной моделью является X-line 2000 с двумя лазерами и рабочей зоной 800 х 400 х 500 мм.

Orlas Creator

Компания ORlaser известна тем, что несколько лет разрабатывает головки для горячей наплавки порошка лазером. Теперь же представлена и собственная SLM-машина с рабочей зоной Ø 100 мм x 110 мм.

Это небольшой аппарат с цилиндрической рабочей зоной. Дополнительно может оснащаться шпинделем для ЧПУ-обработки.

 

AddUp

Французская компания, развивающаяся при активном участии производителя шин Michelin. Основной продукцией являются машины послойного синтеза SLM.

Особенность этих установок в том, что они специализируются на использовании более мелкого металлического порошка (порядка 20 мкм), в то время как типичный размер частиц в аналогичном оборудовании составляет 40 – 60 мкм. Меньший размер частиц,  с одной стороны, дает лучшее качество поверхности и проработку мелких деталей геометрии, с другой – накладывает существенное ограничение на использование порошка. Более мелкодисперсный порошок сложнее в обращении, требует изолированных помещений и средств защиты операторов.

Рабочая зона: 350 x 350 x 350 мм.

DMG MORI

Компания – производитель станков с ЧПУ токарной, токарно-фрезерной и фрезерной групп. Около пяти лет продвигает на рынок гибридную технологию изготовления деталей из металла: наплавка DMD + ЧПУ-обработка. Гибридная технология в автопроме пригодна по большей части для ремонтных задач – восстановление шеек коленвалов, кулачком распредвалов.

В 2017 году была показана SLM‑машина LASERTEC 30 SLM собственной разработки с рабочей зоной 300 х 300 х 300 мм.

Показана применимость технологии для изготовления теплообменников и небольших кронштейнов со сложной геометрией.

 

ADIRA

Португальская компания, выпускающая широкую линейку оборудования для обработки металлов (гидравлические листогибы, гильотинная резка металла, лазерная резка и пр.). В аддитивных технологиях новичок, однако, представила, по их заявлениям, самую большую SLM‑машину с рабочей зоной 1000 х 1000 х 500 мм.

Машина использует всего один лазер, а большую зону позволяет охватывать принцип перемещаемой зоны построения. Построение происходит на платформе размером 1000 х 1000 мм, над ней перемещается квадратная камера с источником излучения и локальной подачей инертного газа. Процесс построения пошаговый, и металл сплавляется в необходимых местах. Потенциально такой подход предполагает больший расход инертного газа и ограничивает построение крупных деталей. На данный момент процесс отлажен только для сталей.

3D Systems

В линейке компании интересна SLM-машина ProX 320 с рабочей зоной 275 x 275 x 420 мм.

Также была анонсирована SLM‑машина DMP8500 с рабочей зоной 500 х 500 х 500мм. Преимущество машин 3D Systems – возможность работы как со стандартным порошком 40 60 мкм, так и с мелким порядка 20 мкм.

 

 

EBM-технологии

Arcam Q20Plus (приобретен General Electric в начале 2017 года)

Единственная компания  –  производитель EBM-машин. Оборудование специализировано на использование титановых сплавов. Использование электронного луча вместо лазера позволяет существенно повысить качество сплавления металла и повысить скорость.

Рабочая зона: Ø 350 х 380 мм.

Материал: Ti6Al4V.

Холодная газодинамическая наплавка (cold spray)

Суть технологии заключается в нанесении частиц порошка с помощью сверхзвуковой струи транспортного инертного газа. За счет высокой скорости частицы влипают в поверхность, обеспечивая плотную структуру металла. Потенциально такой подход позволяет строить заготовки в меньшие сроки, чем лазерная наплавка, из-за отсутствия нагрева и последующего охлаждения.

SPEE3D

Американская компания SPEE3D представила в 2017 году гибридную машину, позволяющую создавать металлические заготовки методом холодной газодинамической наплавки с последующей ЧПУ-обработкой.

Из-за технологических ограничений технология применима для создания заготовок для последующей ЧПУ-обработки. Качество поверхности, представленной на фото, сравнимо с литьем.

Могут наноситься алюминиевые и медные сплавы.

 

HERMLE

Немецкая компания - производитель станков с ЧПУ представила собственное гибридное оборудование CSF + ЧПУ-обработка.

Детали формируется последовательно из нескольких материалов, а холодная наплавка применяется для создания каналов охлаждения и полостей внутри пресс-форм. Более легкоплавкий металл наносится в необходимые зоны и выступает в роли удаляемой поддержки. Могут наноситься алюминиевые и медные сплавы.

Impact Innovations

Оборудование для холодной газодинамической наплавки с переключением материалов в процессе изготовления. Позволяет наносить алюминиевые и медные сплавы (в том числе и на поверхность неметаллов). Технология может быть полезна при создании биметаллических изделий (подшипники скольжения), а также при нанесении токопроводящих «дорожек» на текстолит или иные полимерные изделия.

Горячая наплавка

Суть технологии заключается в нанесении частиц порошка с помощью струи транспортного и защитного инертного газа, расплавление металла происходит при соприкосновении с нагретой лазером поверхности.

Для изготовления деталей технология пригодна очень ограниченно, в основном только для создания корпуса. Более применима для ремонта валов и других тел вращения.

InssTek, BeAM – соответственно, корейская и французская компании. Оборудование построено по схожему принципу и обладает аналогичными возможностями.

Есть возможность «переключать» материалы в процессе изготовления заготовок.

Большая рабочая зона у InssTek и составляет 4000 х 1000 х 1000 мм.

Изделия требуют последующей термической и механической обработки.

DMG MORI

Пионер в гибридной (наплавка + ЧПУ) технологии для металлических изделий. Сначала был выпущен комбинированный станок lasertec 65 3D, затем гибридную линейку пополнил lasertec 4300 3D.

Аналогичные станки сегодня изготавливает и компания Yamazaki Mazak.

CEFERTEC

Оборудование разработано при участии сервис-бюро FIT AG и, если говорить упрощенно, представляет собой сварочный аппарат для металла с ЧПУ.

Построен на базе портала и поворотного стола.

Технология позволяет быстро создавать заготовки из металла. Подход вызывает много вопросов к качеству изделий и свойствам, а также к неизбежному короблению при локализованном тепловом процессе.

Металлы и FDM-технология

Принцип построения – выдавливание пластичного материала (наполненного металлическим порошком) через фильеру. После создания полимерно-металлической модели ее спекают в печи (термической или микроволновой). На этом этапе происходит испарение полимерного связующего и спекание частиц металла. При этом усадка детали составляет 18-20%, см. фото ниже. ПО неподтвержденной информации, такая технология потенциально позволяет строить детали до 100 раз быстрее.

DesktopMetal и Markforged – американские компании, они используют схожую технологию, рабочая зона 330 х 330 х 330 мм и 250 x 220 x 200 мм соответственно. Стоит отметить существенное различие в степени готовности к поставкам. Если DesktopMetal не готова поставлять оборудование даже на местный рынок, то Markforged проявляет готовность осуществлять поставки как в США, так и в Европу. Особенность всего оборудования Markforged – отправка файла в построение происходит при подключении к Интернету и серверам компании, что поднимает вопрос о сохранении коммерческой тайны.

С одной стороны, FDM-технология выглядит перспективно, поскольку позволяет получать детали из металла без необходимости работы со сложными в обращении металлическими порошками. С другой стороны, остается множество вопросов, таких как максимальная толщина стенки (может быть ограничена из-за необходимости удаления связующего), отсутствие подобного оборудования с большой рабочей зоной, и т. п. Технология, безусловно, найдет свою нишу, однако ее нельзя рассматривать как «убийцу» или замену SLM-технологии.

X-Jet

Израильская компания, основной состав которой – это сотрудники Objet – пионера PolyJet-технологии.

Аналог этой технологии используется и в оборудовании X-jet: на платформу наносится жидкое связующее на водной основе, в котором распределены частицы металла или керамики. Наполнитель не слипается и не выпадает в осадок благодаря силам Ван-дер-Ваальса.

Детали также требуют обработки температурой (и, возможно, давлением) после процесса послойного синтеза. Производитель не уточняет детали техпроцесса, а образцы из металла и керамики, показанные на выставке, не превышают размеров нескольких сантиметров, однако детализация на высоком уровне.

Рабочая зона 500 х 280 х 200 мм.

Высокопрочные термопласты PEEK

Материалы группы PEEK (полиэфирэфиркетон) очень интересны для прямого производства благодаря своим показателям прочности и термостойкости. Термостойкость до 250 °C, а предел прочности 100 МПа (для сравнения, у алюминия в зависимости от сплава он варьируется в пределах от 100 до 350 МПа). Перерабатывать такой материал сложно из-за высокой температуры плавления - выше 340 °С. Сразу три FDM-машины для работы с PEEK были представлены: INNOVATOR 2 PEEK, INTAMSYS PEEK и GEWO 3D PEEK.

Самая крупная машина имеет рабочую зону 450 х 450 х 600 мм и температуру экструдера до 450 °С.

Песчаные принтеры для литейного производства

VoxelJet

ExOne и Voxeljet изначально были одним целым и создавали оборудование для работы с песчаными и полимерными материалами для задач литейного производства.

В 2003 году компании разделились, Voxeljet по-прежнему развивает оба направления, в то время как ExOne (в прошлом Prometal RCT) сосредоточилась лишь на песчаной технологии и частично на работе с материалами сталь-бронза.

В модельном ряду Voxeljet есть несколько систем, способных работать с песком для создания литейных форм и стержней. Все они аналогичны по механике и процессу оборудованию ExOne.

В рамках formnext-2017 компания представила систему, для работы с функциональными полимерными материалами. Технология в основе своей имеет уже освоенную PolyJet со светочувствительным связующим, это не только дает возможность добиваться улучшенных свойств, но и позволяет создавать изделия более высокого разрешения. Технология аналогична той, что была показана компания Hewlett Packard на выставке 2016 года.

Sentrol

Корейская компания, имеющая в линейке несколько промышленных машин аддитивного производства:

– песчаный PolyJet-принтер с рабочей зоной 300 х 420 х 150 (неорганическое связующее, более экологично);

– песчаный SLS-принтер с рабочей зоной 600 х 400 х 400;

– SLM-машина с рабочей зоной 350 х 300 мм;

– гибридная машина (наплавка + ЧПУ-обработка) с рабочей зоной 250 х 250 х 250 мм.

Порошки металические

На выставке были широко представлены крупнейшие производители металлопорошковых композиций: Haraeus, LPW, SMT China, Oerlikon, EPMA и Полема (Россия).

Атомайзер ATOone

Установка для выработки порошковых металлокомпозиций для машин послойного синтеза от польской компании 3D lab.

Это «офисный» атомайзер высотой не более 2 метров, типичный размер промышленных атомайзеров – 5-10 м в высоту и порядка 4 м в диаметре.

В качестве материала для переработки используется проволока, а мощности оборудования позволяют вырабатывать до 200 граммов в день.

Полимерные материалы и оборудование

Композиты

Markforged

Представлено FDM-оборудование, позволяющее работать с термопластиком, наполненным углеродными, кевларовыми и стекловолокнами. Они могут быть как непрерывными, так и рубленными.

Стоимость установки порядка 100- 1000 евро.

На фото сверху вниз:

– деталь из материала Onyx (рубленое волокно);

– деталь из материала Onyx (рубленое волокно) в разрезе;

– армированная непрерывным кевларом;

– армированная непрерывным стекловолокном;

– армированная непрерывным углеволокном.

Stratasys

Компания представила материал Nylon CF, совместимый с российской FDM‑машиной Fortus 450mc. Это полиамид, наполненный рублеными углеродными волокнами.

Он обеспечивает лучшие механические свойства по сравнению со стандартными ненаполненными материалами. На фото сравнение поведения материалов при нагружении (справа ABS, в центре Nylon CF, слева Nylon 12).

Настольные SLA и эластичные материалы

DigitalWax и atum 3D

Рабочая зона у большей машины 300 x 300 x 300 мм, доступны фотополимерные материалы, как функциональные, так и эластичные.

UNIZ SLA

Китайская компания UNIZ – новичок на рынке. Представлены две настольные SLA-машины с рабочими зонами: 315 х 185 х 450 и 192 х 122 х 200. Производитель заявляет, что это самая быстрая SLA-машина. Экспертам еще предстоит разобраться, что за материалы использует система и чем обусловлена скорость построения 2500 куб. см в час (50%-ное заполнение).

В обеих системах используется засветка фотополимера с помощью светодиодов (LCD-Stereolithography).

Keyence

Японская компания с многолетней историей. Занимается производством разнообразного высокоточного оборудования - от принтеров до микроскопов. Представила собственный 3D-принтер Agilista, использующий PolyJet-технологию. Упор делается на способность изготавливать эластичные и термостойкие изделия из силикона. Такое оборудование может быть полезно при изготовлении мелких серий громметов, уплотнителей дверей, патрубков воздуховодов и пр.

Рабочая зона: 297 х 210 х 200 мм.

Материалы: полимерные композиции на основе силикона, в том числе термостойкие до 100 °С.

SLS

Electro Optical Systems

SLS-машина P500 от EOS - одного из лидеров рынка. Рабочая зона 500 x 330 x 400 мм, два лазера 70W для ускоренной работы, температурой спекания до 300 °С и скоростью построения до 6,6 литров в час (на 20% больше, чем у рыночных аналогов).

Система оснащена сменной рабочей зоной с управляемым охлаждением, что повышает процент загрузки и стабильность размеров изделий. ПО SLS-машины позволяет соединяться с системой ERP предприятия и отслеживать в реальном времени процент выполнения задания.

Материал: полиамид, в разработке PEKK.

Sonda

Польская SLS-машина, способна работать с порошковым полиамидом.

Рабочая зона: 350 х 350 х 600 мм.

Большие SLA-машины

RPS

Компания RPS основана в Великобритании сотрудниками компаний DTM и 3D Systems и существует более десяти лет.

Начала деятельность с обслуживания и восстановления машин послойного синтеза.

В 2016 году была выпущена большая SLA-машина NEO 800 собственной разработки.

Рабочая зона: 800 х 800 х 600 мм.

Материалы: фотополимерные композиции от DSM Somos и любые другие.

RapLas

Стереолитографическая машина от европейской компании, производится в Китае.

Рабочая зона: 700 х 700 х 450 мм.

Материалы: фотополимерные композиции от DSM Somos и любые другие, в том числе есть собственные от Raplas.

Керамика

Для работы с керамикой, как правило, используют SLA-технологию, это компании Ceramaker и Lithoz.

При классическом SLA‑процессе создается заготовка, так называемая green model. После построения она проходит процедуру термообработки, где удаляется полимерная составляющая и спекаются частицы керамики.

Услуги

В Европе успешно развиваются производственные площадки, оказывающие услуги по изготовлению прототипов из полимеров, композитов и металлов, используя аддитивные технологии.

Лидируют на этом рынке такие компании, как PolyShape, Hoffmann, Citim GMBH, FIT AG. Последняя недавно открыла филиал в России.

В арсенале таких компаний широко представлено оборудование DMD, SLM, SLS, FDM, EBM, численность сотрудников аддитивного направления, как правило, составляет около 100-200 человек. Компании востребованы на рынке, далее приведены показатели доходности (revenue) за 2016 год: Hofmann GMBH – $833,2 млн., CITIM GMBH  – $27,3 млн.,  FIT AG  – $24 млн.

Следует отметить, что в октябре 2017 г. завод ACTech был приобретен компанией Materialise, и в ближайшее время на нем будет развиваться прямое производство деталей из металла с использованием аддитивных технологий.

Томография

VisiConsult и Werth - производители томографов, представили свои небольшие аппараты для томографии металлических и полимерных деталей. Отрасль начинает задумываться о контроле изделий. Это признак того, что детали все более используют как конечный продукт.

Программное обеспечение

Virfac Additive

Французская компания Geon X - производитель ПО для моделирования процессов сварки, в том числе сварки трением, планирования сварки, а также расчета процесса термообработки.

В 2016 г французы представили пакет Virfac Additive, позволяющий моделировать процессы сплавления металла в SLM‑машине и учитывать коробление, усадку, потенциальные тепловые узлы, возможные места образования дефектов и горячих трещин. Подобное ПО необходимо при использовании SLM-оборудования,  особенно на этапе освоения технологии и отладки процессов.

Аналоги этого ПО – MSC Simufact Additive, Ansys 3DSIM, 3D Xpert от 3D Systems и аналогичный пакет от SLM Solutions.

Autodesk Netfabb Generative Design

Программный пакет для оптимизации топологии с учетом нагрузок, которые воспринимает деталь в процессе работы. Целью является снижение массы и создание поля возможных решений с учетом целевых показателей по технологии изготовления, материалу или целевой себестоимости.

Количество решений зависит от точности задания исходных параметров. Чем точнее заданы параметры, тем меньше решений будет создано. Проект находится на стадии внутреннего тестирования. На фото представлены варианты снижения массы для разных технологий изготовления.

 

CellCore – ПО для оптимизации массы деталей с использованием принципов бионического дизайна. Позволяет снизить массу изделия до 30%.

Основные выводы

Применение аддитивных технологий расширяется с каждым годом. Все чаще машины послойного синтеза используются для создания конечного изделия из таких материалов, как PEEK, угленаполненный термопластик или металл.

Применение металлов растет, появились технологии безлазерного изготовления металлических изделий. Это существенно расширяет применимость технологий для производства определенных деталей  и позволяет использовать оборудование в «офисных» условиях.

Следует отметить тенденцию поглощений крупных игроков на рынке АТ. Если ранее сделки по слиянию проходили в сегменте оборудования для создания прототипов, где риски существенно ниже, то последние годы абсорбируются исключительно «металлические» компании.

2001 год – 3D systems купила DTM ($ 45 млн),

2012 год – Staratasys приобрела Objet ($ 4 млрд),

2016 год – General Electric стала владельцем Arcam и Concept Laser ($ 1.3 млрд),

2017 год – Materialise купила ACTech (€ 45 млн).

Прибыль компаний–поставщиков аддитивных услуг и поглощение крупных компаний рынка оборудования для 3D-печати более серьезными игроками с иных рынков свидетельствуют о малых рисках и еще раз подтверждают, что AT-технологии становятся все более дружелюбными, менее рискованными, они обеспечивают управляемые процессы и ускоряют производство.