Почему 3D-печать революционирует современное производство

В последние годы вокруг аддитивного производства (и 3D-печати) было огромное количество ажиотажа. Но действительно ли технология реализуема для всех производителей? Это зависит.

От частей тела до домов, 3D-печать, также известная как аддитивное производство в производственном секторе, быстро перешла от заголовков технической моды для потребителей к жизнеспособному, доступному средству строительства вещей, таких как медицинские импланты, автомобильные и авиационные детали и пластиковые прототипы для промышленных дизайнеров.

Что такое аддитивное производство именно? MIT Technology Review описывает его как промышленную версию 3D-печати, где машина «строит объект, добавляя сверхтонкие слои материала один за другим». В отличие от традиционной механической обработки, которая вычитает или удаляет элементы из существующего материала (как в обычной металлообработке, фрезеровке и ЧПУ-обработке) — аддитивное производство строит с нуля.

Каковы преимущества аддитивного производства? Оно предлагает компаниям более широкие варианты для инноваций и индивидуальной адаптации производства к внутренней оснастке и потребностям клиентов в деталях и материалах — и снижение затрат за счет «уменьшения количества потерянного материала при фabricции, улучшения выходной продукции и/или сокращения трудозатрат», согласно Deloitte University Press в статье, описывающей 3D-применения для оснастки.

3D-печать: внедрение аддитивного производства растет

Согласно исследованию от PwC и The Manufacturing Institute, примерно две трети производителей уже внедрили технологию в какой-то форме, и более половины уже используют её для прототипирования — значительный скачок по сравнению с всего два года назад, когда 35% производителей пробовали технологию.

И как предполагает опрос, производители ожидают, что быстрый рост вокруг аддитивного производства только наберет больше скорости. Более половины производителей ожидают, что аддитивное производство будет использоваться для крупносерийного производства в ближайшие пять лет, по сравнению с всего 38% всего два года назад.

Рынок аддитивного производства для металлов подтверждает эти выводы. Согласно исследованию SmarTech Publishing «Аддитивное производство с металлическими порошками 2017», рынок систем аддитивного производства и материалов металлических порошков составил более 950 млн долларов в 2016 году — и ожидается рост до 6,6 млрд долларов к 2026 году.

3D-печать, вызовы аддитивного производства: время и стоимость

Несмотря на огромный ажиотаж вокруг аддитивного производства, есть некоторые ограничения для понимания. Во-первых, аддитивное производство может быть медленным для производства. Выработка того объема, который достигается с ЧПУ-обработкой металлов, не является сравнением яблок с яблоками.

«Для металлов это другая проблема», — говорит Гордон Стайлз, основатель и президент Star Rapid, в интервью Engineering.com. «Нет смысла 3D-печатать что-либо, что спроектировано для ЧПУ-обработки; это естественно будет намного медленнее печатать, потому что время печати относится к объему материала. Большинство металлических деталей, спроектированных для ЧПУ, объемны и поэтому занимают много времени на 3D-принтере».

Несколько компаний работают над ускорением процесса, отмечает Стайлз. Но улучшенная технология вызовет еще одну серьезную проблему для бизнеса: стоимость. Аддитивное производство может быть дорогим, поэтому важно понимать все «рычаги затрат», находит Джейсон Т. Рэй, консультант по промышленной стратегии передовых производств.

«Из-за новизны AM [аддитивного производства] и высоких первоначальных инвестиционных затрат на покупку машин, варианты использования часто превращаются в молоток, ищущий гвозди, а не в процесс, основанный на соотношении затрат и выгод», — отмечает Рэй в статье «Расчет стоимости аддитивного производства» для Disruptive magazine. «Когда это происходит, акцент на перепроектировании снижается, и компании в итоге производят компоненты, изначально спроектированные для традиционных методов производства, и таким образом захватывают лишь долю конечных выгод, связанных с AM».

Но как отчет Ноттингемского университета показал, это может не быть так навсегда. Их теория: по мере того как технологи станков становится более продвинутой, экономическое обоснование внедрения аддитивного в производство становится более реалистичным. Однако, пока станки остаются прежними, стоимость будет продолжать оставаться высокой.

«Пока мы ограничены сегодня, через 10 лет мы увидим сотни доступных материалов», — сказал Стайлз Engineering.com. «Проблема не в доступности материалов, а в времени и усилиях, необходимых для смены материалов. Сегодня это занимает около 24 часов для переналадки станка под новый материал».

Однако есть случаи, когда ЧПУ-обработка может быть дороже аддитивного производства. Но есть только один верный способ узнать.

«Лучший способ — просто получить котировку за два процесса у вашего поставщика услуг быстрого прототипирования», — объясняет Стайлз. «Однако одно эмпирическое правило: если деталь может быть отработана ЧПУ, то, вероятно, дешевле её отработать ЧПУ — и в 90% случаев это верно».

Кроме того, Стайлз также подчеркивает тот факт, что некоторые аддитивные материалы могут потребовать дальнейшей работы от ЧПУ-обработки, включая удаление опор. И что большее, тепло представляет, вероятно, самую большую проблему всех, угрожая буквально разорвать изделия на части.

3D-печать на заводах: пластик, детали, оснастка, гибрид

Несмотря на вызовы, при прототипировании в пластике аддитивное производство может иметь серьезные преимущества. При ЧПУ-обработке для прототипирования с пластиком проблема в его цилиндрических резах, которые затрудняют обработку внутренних квадратных углов, распространенных в таких дизайнах. С 3D-печатью возможности кастомизации — и проб и ошибок в прототипировании — имеют смысл для проектировщиков продуктов, деталей и инструментов.

Аддитивное производство «идеально для малых объемов, нуждающихся в быстром обороте и выигрышах в наладке, оснастке и подобных подготовительных временах, даже хотя фактические времена на деталь могут быть намного выше, чем при чисто субтрактивном процессе», — находит Боб Уорфилд, CEO и основатель CNC Cookbook, в статье о гибридной обработке (где аддитивные и субтрактивные процессы сосуществуют).

Обоснование аддитивного производства для деталей и оснастки

Реальные варианты использования аддитивного производства заслуживают внимания. Некоторые крупные промышленные производители полностью используют потенциал аддитивного. Вот несколько примеров от крупных промышленных игроков.

GE ожидает сэкономить на 25 000 топливных форсунках для реактивных двигателей LEAP, которые она производит ежегодно, несколькими способами. Во-первых, аддитивные техники используют меньше материала при производстве. Конвенциональные техники требовали 20 деталей для тщательной сварки — и они производили тонну утильного, потраченного материала, отмечает MIT Technology Review.

«Решение массово производить критически важную металлическую деталь для использования в тысячах реактивных двигателей — значимый этап для технологии», — пишет Мартин Ламоника из MIT Technology Review. «И в то время как 3D-печать для потребителей и малых предпринимателей получила много публичности, именно в производстве технология может иметь самое значимое коммерческое влияние».

Аддитивный процесс здесь использует гибридные металлические порошки, которые лазерно распыляются для формирования, что делает деталь легче, приводя к экономии топлива для авиалиний. Процесс дешевле для производителя — и новая деталь снижает затраты клиента, что является настоящим win-win.

В оснастке Deloitte делает убедительный кейс для использования аддитивного — детализируя реальные примеры, где быстрое прототипирование через аддитивные процессы значительно сократило сроки для литья и внутреннего изготовления оснастки. Deloitte описывает, как Ford Motor Company воспользовалась аддитивным в значительной степени для своих двигателей EcoBoost, опор роторов, крышек коробок передач и тормозных дисков для Ford Explorer.

«Компания использует AM для быстрого создания песчаных форм и сердечников, используемых для литья прототипных деталей», — отмечает Deloitte. «Это помогло Ford сократить сроки до четырех месяцев и сэкономить компании миллионы долларов».

Кейс для гибридной обработки: аддитивное и субтрактивное

Говоря о гибриде, производители инструментов аддитивного производства начали разрабатывать гибридные станки с аддитивными и субтрактивными способностями — и они довольно зрелищны. Эти «гибридные» станки сочетают геометрическую свободу 3D-печати с точной природой ЧПУ-обработки.

«Представьте случай, когда вам нужно делать экстремально малые объемы экстремально сложных деталей, например, запасные части для турбин в сервисном объекте», — пишет Уорфилд. «Станок вроде этого может быть просто идеальным».

Однако, со многими из этих новых инструментов, производители ограничены производством одиночных деталей и часто не могут производить напрямую из цифровых файлов — чего они могли бы достичь с чисто аддитивными стратегиями.

«Нужно думать о металлической 3D-печати как об освобождающей технологии», — подчеркивает Стайлз. «Теперь вы можете проектировать казалось бы невозможные детали и все равно получать их изготовленными, но ключ — держать объем материала на минимуме».

Для крупных производителей аддитивное производит влияние. Но даже как отмечает Deloitte, это влияние нужно ставить в правильный контекст инноваций:

«В настоящее время AM для изготовления оснастки не революционизирует цепочку поставок или дизайн продукта так сильно, как улучшает эффективность и эффективность цепочек поставок и продуктов. Однако по мере того как AM-технология продолжает улучшаться и использование AM для оснастки продолжает расти, она может получить способность влиять на цепочки поставок и продукты компаний более напрямую, увеличивая способность компаний инновировать».

Внедрил ли ваш цех аддитивное производство полностью? Каковы ваши крупнейшие вызовы с технологией? Дайте нам знать в комментариях ниже.