Приложение Б (рекомендуемое). Аддитивные технологии

Приложение Б
(рекомендуемое)

Аддитивные технологии

Аддитивные технологии изначально планировались как безотходные, что крайне важно для защиты окружающей среды.

Что такое аддитивные технологии? Как их определять и, соответственно, толковать? В отечественной нормативной документации эти определения пока не даны.

Ответ на этот вопрос не так прост и потребует от научного сообщества определенных усилий для выработки лаконичного и точного определения на русском языке.

Пока же воспользуемся зарубежным опытом [8].

Вопрос терминологии отдельно рассматривался в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), которая занимается разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. ASTM (в своем стандарте ASTM F2792.1549323-1) так определяет аддитивные технологии: "Процесс соединения материалов с использованием пространственной трехмерной модели, как правило, слой за слоем, в отличие от субтрактивной технологии производства" (The process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies).

Рекомендованы два основных термина - Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), поэтому в дальнейшем будем использовать АМ-технологии, а также "легитимные" синонимы (additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication), которые в русскоязычном варианте могут быть корректно переведены как "аддитивные технологии". Их также можно называть технологиями послойного синтеза. Тем не менее, в интернет-сообществе, в образовательном процессе, в популярной научно-технической литературе и разговорной речи профессионалов можно услышать и прочитать: "выращивание", "3D-печать", "3D-принтер", "3D-принтинг". Де-факто эти термины узаконили себя без санкции ASTM, и их также следует принять в качестве легальных синонимов.

Термин "Rapid Prototyping" (быстрое прототипирование) рекомендовано изъять из обращения, как безнадежно утративший смысл современных аддитивных технологий. Прототипирование - это лишь часть, и теперь уже не доминирующая, аддитивных технологий.

Как известно, существует несколько методов 3D-печати, однако все они являются производными аддитивной технологии производства изделий. Вне зависимости от того, какой 3D-принтер вы используете, построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Несмотря на то, что термин Additive Manufacturing используется отечественными инженерами очень редко, технологии послойного синтеза фактически оккупировали современную промышленность.

В международном сообществе, также, как и в России, устоявшейся классификации аддитивных технологий пока не принято. Различные авторы подразделяют их:

- по применяемым строительным или модельным материалам (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т.д.);

- по наличию или отсутствию лазера;

- по методам подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т.д.);

- по методам формирования слоя.

Но не всякие технологии соединения материала являются аддитивными, а только те, которые создают объект по данным 3D-модели или из САD-данных, т.е. на основе трехмерной компьютерной модели. Это второе ключевое слово - CAD. Третье ключевое слово здесь - "послойно". Хотя отметим осторожность американцев в определении: они написали все-таки "usually", т.е. "как правило", "обычно", видимо, допуская, по меньшей мере, теоретическую возможность и не послойного построения.

Наиболее точной аддитивной технологией считается стереолитография - методом поэтапного послойного отверждения жидкого фотополимера лазером. SLA принтеры используются преимущественно для изготовления прототипов, макетов и дизайнерских компонентов повышенной точности с высоким уровнем детализации.

Сегодня в России создана система, позволяющая создавать 3D-изделия по любому типу входных данных. Можно даже получать томографические данные пациента и создавать биосовместимые импланты.

В настоящее время трудно найти область деятельности, куда не вошли аддитивные технологии: это аэрокосмическая промышленность, медицина, криминалистика, искусство, палеонтология. Кроме того, аддитивная технология лежит в основе современного цифрового производства, а в ее основе - машина лазерной стереолитографии, которая позволяет постепенно создавать сложнейшие изделия.

Так, одним из ключевых направлений новой стратегии инновационного развития Росатома определены аддитивные технологии, позволяющие изготавливать (фактически печатать) на специальных принтерах самые разные и сложные объекты. Это направление активно развивается в мире. В данном случае речь идет о технологиях аддитивной металлургии, где "выращивание" нужных объектов происходит с помощью так называемого селективного лазерного плавления (SLM, selective laser melting) металлических порошков.

В Росатоме намечена разработка пакета нормативно-технических документов в области аддитивных технологий (технические условия, предварительные национальные стандарты) и организация производства порошков металлических сплавов, а также многолазерных SLM-комплексов.

В настоящее время уже производится синтезированная металлическая технологическая оснастка, изготавливаются инструменты, детали авиалайнеров, спутников, ракет, подводных лодок, имеются десятки тысяч протезов и имплантов, ювелирных изделий и многое другое, что невозможно было себе представить несколько лет назад. И есть все основания полагать, что аддитивные технологии уже в самом ближайшем времени приобретут статус стратегически важных, приоритетных технологий машиностроения.

В профессиональном языке авиастроителей есть фразеологизм "buy-to-fly" ratio, который можно перевести как "отношение того, что купил, к тому, что полетело", т.е. сколько материала было куплено и сколько реально "полетело" в качестве деталей в составе самолета. По разным данным, это отношение составляет 15:1 или даже 20:1 для сложных деталей. Использование аддитивных технологий позволяет свести этот показатель до 1,5-2,0:1 [1], что вписывается в критерий для "безотходного процесса" по ГОСТ 14.322.

В статье [9] показана принципиальная возможность дальнейшего развития аддитивных технологий при изготовлении деталей методом наращивания. Экспериментально определены условия рационального осуществления процесса при послойном наращивании экспериментальных образцов. Установлено, что наряду с величиной технологического тока и накопленного разряда решающее значение имеют частота и продолжительность контакта в течение одного периода вибраций рабочего электрода. Сформулированы основные требования к составу и параметрам технологического оборудования. Даны рекомендации по параметрам предложенного технологического процесса.

AF-технологии относят к технологиям XXI-го века. Кроме очевидных преимуществ в скорости и, зачастую, в стоимости изготовления изделий, аддитивные технологии имеют важное достоинство с точки зрения охраны окружающей среды и, в частности, эмиссии парниковых газов и "теплового" загрязнения. Аддитивные технологии имеют огромный потенциал в деле снижения энергетических затрат на создание самых разнообразных видов продукции [10].