Революция в производстве: 4 прорывных применения крупноформатной 3D-печати

Крупноформатная 3D-печать постепенно выходит на первый план как экономичное и гибкое решение для производства крупных деталей и компонентов. При этом большинство доступных сегодня 3D-принтеров разработано для мелких изделий — каковы перспективы технологий, способных печатать лопатки турбин или целые крылья самолетов?

В этой статье мы рассмотрим существующие технологии крупноформатной 3D-печати и реальные кейсы, демонстрирующие их потенциал.

Что такое крупноформатная 3D-печать?

Как производственная технология, 3D-печать всё чаще находит применение: от расщепленных подшипников и автомобильных компонентов до медицинских имплантов и обуви. Но все эти детали объединены одним — относительно небольшим размером.

Крупноформатная 3D-печать пока остаётся нишевой технологией, однако она способна решить многие проблемы, с которыми сталкиваются производители крупных деталей.

Компоненты больших размеров, вроде крыльев самолётов, тяжелы и громоздки, требуют длительной подготовки и крупного инструментария. В итоге это увеличивает затраты и сроки изготовления.

3D-печать позволяет производить крупные детали быстрее и дешевле. Благодаря свободе проектирования такие детали получают ключевые преимущества: облегчение и повышение производительности. Если крупный компонент можно напечатать за один цикл, а не собирать из частей, это дополнительно сокращает время монтажа.

Технологии крупноформатной 3D-печати

Существует несколько коммерчески доступных технологий для крупноформатной печати. Ниже — обзор основных из них.

Крупноформатная 3D-печать пластиков

Big Area Additive Manufacturing (BAAM)

Одна из крупнейших технологий 3D-печати на сегодня — BAAM (Big Area Additive Manufacturing). Разработана в Национальной лаборатории Оук-Ридж (ORNL) в партнерстве с Cincinnati Inc. Впервые представлена на IMTS 2014, где напечатали целый автомобиль.

Принтер с экструдером на портальной системе создаёт детали до 6 × 2,4 × 2 м из термопластов: ABS, PPS, PC, PLA, PEI.

С момента запуска BAAM применялась для полноразмерных прототипов корпусов подводных лодок, беспилотных транспортных средств и др.

Large Scale Additive Manufacturing (LSAM)

Технология LSAM от американской Thermwood (2016 г.) фокусируется на промышленном производстве. Объём печати — 10 × 40 футов (~37 кв. м), печать возможна как горизонтально, так и вертикально.

Уникальная черта — гибридный подход: аддитивные и субтрактивные технологии в одном станке. Состоит из печатающей портала и второй — пятиосевого ЧПУ-фрезеровского портала. Все этапы производства выполняются на одной машине, ускоряя процесс.

Экструдер из специальных сталей печатает при температуре до 450 °C, что позволяет использовать высокотемпературные композитные термопласты. LSAM ориентирована на производстве инструментов: форм, приспособлений для авто и аэрокосмической отраслей.

Крупноформатные 3D-принтеры BigRep

BigRep, основанная в 2014 г., ставит цель сделать крупноформатную печать доступной и простой. Первая машина BigRep ONE v1 имела объём 1 м³ за ~$40 000. Третья итерация всё ещё одна из лучших по цене за единицу объёма.

Лайн BigRep замыкает пробел между настольными и дорогими промышленными принтерами, адресуясь к малым и средним компаниям.

Крупноформатная металлическая 3D-печать

Electron Beam Additive Manufacturing (EBAM)

В металлической печати Sciaky предлагает одни из крупнейших систем на базе EBAM. Например, EBAM 150 — объём 3708 × 1575 × 1575 мм.

EBAM использует электронный пучок для плавки металла в виде проволоки — аналогично сварке. Подходит для широкого спектра свариваемых материалов: титан, инконель, нержавейка.

Sciaky позиционирует EBAM как более быструю и дешёвую альтернативу крупным ковкам и литью. Патентованная система замкнутого контроля обеспечивает улучшенные свойства и микроструктуру для военных, флота и авиации.

Wire Arc Additive Manufacturing (WAAM)

WAAM также использует проволочную заготовку, но плавку обеспечивает электрическая дуга. Детали до 10 м длины из титана, никеля, нержавейки, алюминия, бронзы.

Применение: крупные металлические детали — сосуды под давлением, панели фюзеляжа. Идеально для ремонта и восстановления: лопатки турбин, формы, штампы.

Крупноформатная 3D-печать песком

Лидер — voxeljet (с 2002 г.). В 2011 г. представили VX4000 — один из крупнейших песочных принтеров (4 × 2 × 1 м). ExOne предлагает системы до 2,2 × 1,2 × 0,7 м.

Обе используют Binder Jetting: жидкий связующий агент селективно наносится на слой песка, скрепляя частицы.

Песочная 3D-печать особенно ценна для литейного дела: быстрее и дешевле создаёт крупные сложные формы и сердечники для литья металлов.

3 отрасли, которые выиграют от крупноформатной 3D-печати

Рассмотрим, как три отрасли используют преимущества: сокращение сроков, уменьшение отходов, новые геометрии.

Аэрокосмическая промышленность

Традиционно 3D-печать в авиации использовалась для мелких деталей и инструментов. Крупноформатная печать открывает новые возможности: сокращение длительных сроков (до года при ковке/обработке) и материальных отходов (до 80%).

Крупноформатная печать изготавливает детали за долю времени с минимальными отходами. Ключевое преимущество — консолидация: многодетальные узлы печатаются как единое целое, радикально сокращая монтаж.

Кейс: Lockheed Martin печатает аэрокосмические детали

Часто используемая технология — EBAM от Sciaky. Ключевая причина: способность производить высокопроизводительные детали до 6 м высотой и 1,2 м ширины быстрее традиционных методов.

Lockheed Martin с 2014 г. печатает гигантские титановые купола (диаметр 116 см) для топливных баков спутников. Бак состоит из традиционного титанового цилиндра и двух напечатанных куполов, сваренных вместе.

Благодаря точной депозиции материала отходы снижены на 80%. Скорость депозиции до 11 кг/ч сократила срок поставки с 2 лет до 3 месяцев — на 87% быстрее.

Lockheed Martin считает такие баки шагом к трансформации проектирования и поставки космических технологий, где крупноформатная 3D-печать играет ключевую роль.

Кейс: Bell Helicopters использует 3D-печать для крупного инструмента лопаток

В отличие от Lockheed Martin (конечные детали), Bell применяет полимерную печать для инструмента. Производство инструментов в авиации — долго и дорого. Bell обратилась к LSAM от Thermwood для форм лопаток вертолётов.

Требования: качество поверхности, точные допуски, устойчивость к автоклавной обработке (повышенное давление и температура).

LSAM идеален: 6-метровый инструмент из углеродопластика на базе PESU, выдерживающего автоклав. Гибридная природа LSAM позволяет печатать и финиш обрабатывать на одной машине.

Результат: изготовление за дни вместо месяцев. Аддитивное проектирование позволило создать внутренние опоры, не касающиеся обратной стороны полости формы — воздух свободно циркулирует в автоклаве, обеспечивая равномерное отверждение.

Это демонстрирует новые проектные возможности для крупных сложных аэрокосмических компонентов.

Строительство

3D-печать в строительстве на ранней стадии, но потенциал огромен. Тренд — 3D-печатные формы для префабрикации.

Опалубка — временная форма для бетонирования (мосты, фундаменты, стены). Традиционно из дерева: недолговечна (15–20 заливок), ограничена геометрией ручного труда.

Крупноформатная 3D-печать упрощает создание опалубки, даёт большую сложность и долговечность.

Кейс: 3D-печатные префабрикатные формы трансформируют фасад 42-этажного здания

Реновация 42-этажного жилого/коммерческого здания в Нью-Йорке. Gate Precast отвечала за новый фасад. Деревянные формы заняли бы до 9 месяцев, размеры до 2,6 × 1,7 × 0,5 м.

Решение: партнёрство с ORNL и BAAM. Формы печатались за 8–11 ч + 8 ч обработки для чистовой поверхности. Материал — ABS с укороченным углеродным волокном для прочности.

Результат: форма выдерживает до 200 заливок против 15–20 у дерева. Без BAAM сроки были бы нереальны.

3D-печать дала более долговечные, сложные формы за меньшее время. Не заменит деревянную опалубку полностью, но даёт архитекторам реальную альтернативу для префабрикации.

Литейное дело

Крупноформатная 3D-печать всё чаще применяется в литейном производстве. Бизнес: литьё металла в специальные формы и сердечники.

Технология позволяет обойти дорогое и долгое создание моделей, сердечников, форм. Конвенциональное литьё: от чертежа до готовой детали — месяцы. Хранение форм на складе — дорого, особенно для крупных/редких. Дефицит квалифицированных моделейщиков — ещё одна проблема.

3D-печать требует только дизайн-файл, устраняя ручное изготовление и сборку сложных сердечников. Формы за дни вместо недель/месяцев. Печать по требованию минимизирует физический склад и затраты на хранение.

Кейс: Teignbridge печатает пропеллеры с 3D-печатными моделями для литья

Teignbridge — кастомные пропеллеры и propulsive systems для буксиров, яхт, траулеров, паромов. 40 лет использовали многостадийное литьё. Этап: модель (паттерн) -> песок -> форма. Традиционно: фрезеровка из дерева/пениполистирола — трудоёмко и долго.

Решение: крупноформатная FDM-печать на BigRep ONE. Объём позволяет печатать целую пластиковую модель за раз. Выгоды: сокращение цикла и труда.

Традиционный подход: квалифицированный ЧПУ-оператор тратит до 20 ч на фрезеровку, сборку, пост-обработку. 3D-печать автоматизирует процесс, сокращая трудозатраты на 90%.

Помимо FDM, есть песочная 3D-печать — создаёт песчаную форму напрямую, минуя модель. Системы до 4000 × 2000 × 1000 мм, но дорогие. Всё чаще компании признают преимущества: литьё быстрее, гибче, дешевле.

Большие возможности крупноформатной 3D-печати

Технология пока нишевая. Причина: многие компании не знают преимуществ аддитивного производства, а тем более крупноформатного. Сложно найти бизнес-кейс.

Сложность: многие системы запредельно дороги. Компании, желающие поэкспериментировать, не могут позволить.

Ситуация меняется: рынок растёт, появляются доступные варианты вроде BigRep.

Потенциал расширения на другие рынки. Автопром — один из них. Автопроизводители могли бы прототипировать крупные детали: спойлеры, панели кузова, не влезающие в текущие принтеры.

«Любой автомобиль состоит из множества мелких компонентов, помещающихся в современные объёмы печати, — говорит Гарольд Сирс из Ford Motor Company в интервью AMFG. — Но есть и крупные компоненты, которые не помещаются. Мы хотим, чтобы производители рассматривали системы с большим объёмом печати».

Спрос есть, движимый сокращением сроков и затрат. Индустрия должна развивать технологию, чтобы закрыть эту потребность, открывая новые возможности — буквально и в переносном смысле.