Эпоха "электронных кузнецов"

Как родился 3D-принтер?

Изобретателем 3D-принтера принято считать американца Чака Халла, директора компании 3D Systems. В 1984 году он запатентовал аппарат для так называемой стереолитографии — ведь само слово "3D-принтер" появилось много лет спустя. Стереолитограф Халла "печатал" объёмные детали и фигуры из специального жидкого полимера, который становился твёрдым в ультрафиолетовом свете. Собственно, "печатью" этот процесс называть не вполне верно — мощный и тонкий ультрафиолетовый луч двигался согласно компьютерной модели по ёмкости с фотополимеризующейся жидкостью, как бы "замораживая" её в нужных местах.

Следующий шаг сделал Скотт Крамп, владелец компании Stratasys. Всего два года спустя после Халла он разработал и начал выпускать устройство, работающее по принципу, используемому и по сей день: "печатающая" головка принтера, управляемая компьютером, двигалась согласно трёхмерной модели и слой за слоем "выращивала" деталь капельками расплавленного пластика. Сам же термин "3D-принтер" впервые прозвучал в 1995 году в стенах Массачусетского технологического института.

В середине 2000-х появились первые принтеры для домашнего использования, печатавшие термоголовками, в которые подавалась пластмассовая проволока. Называлось это FDM — технология послойного наплавления. Стоили они несколько десятков тысяч долларов... Сегодня аналогичные устройства может позволить себе едва ли не каждый — цены стартуют с 8–10 тысяч рублей! На домашних 3D-принтерах можно напечатать необычную кружку, компьютерную мышку, фигурку-игрушку, шестерёнку для сломавшейся кофемолки и многое другое. Технология трёхмерной печати расширилась необыкновенно: огромные строительные принтеры печатают дома из бетона, компактные кулинарные принтеры — сувенирные композиции из шоколада…

Новая эра в 3D-печати

Из пластика можно печатать не слишком прочные детали и предметы — сам материал мягкий... Но несколько лет назад в 3D-мире началась новая эра — эпоха печати из металлических материалов. Наибольшее промышленное применение получило два типа аддитивных технологий изготовления металлических деталей — прямой подвод энергии и материала (DMD) и синтез на подложке (PBF). В первом случае печатающая головка слой за слоем движется по контуру будущей детали, подавая порции металлического порошка или проволоки, а мощный источник теплового излучения (лазерный, электронный луч, плазма) расплавляет его, формируя цельнометаллическую деталь. Во втором случае сплавляются области предварительно нанесённых слоёв металлического порошка. Эти революционные технологии принято называть аддитивным производством из металла — Metal Additive Manufacturing.

Детали, которые делаются цельными по методу Metal AM, поражают воображение своей пространственной сложностью; выполнить их классическими методами даже на самых современных металлообрабатывающих станках невозможно! За счёт ажурной конструкции детали, изготовленные на машинах аддитивной печати из металлических порошков, способны выдерживать нагрузки, как у монолита, будучи при этом в несколько раз легче. Такие металлические "кружева" незаменимы в биомедицине, авиации и космонавтике, в точной механике, при изготовлении пресс-форм и так далее. К примеру, итальянская компания GE Aviation печатает для Boeing лопатки турбин низкого давления из алюминида титана, медицинские клиники печатают протезы, ювелиры — золотые украшения…

В отличие от простейших домашних 3D-принтеров, печатающих пластиком, металлические AM-машины — это сложнейшие устройства, стоящие сотни тысяч долларов. Сегодня подобной техникой располагают лишь серьёзнейшие инновационные производства и крупнейшие НИИ.

В России сейчас реализуется более 20 проектов по созданию отечественного оборудования для 3D-печати.

— Сегодня наблюдается крайне низкая осведомлённость о преимуществах аддитивных технологий среди ключевых людей, которые отвечают за технологическое развитие предприятий, — отмечает первый проректор Уральского федерального университета Сергей Кортов:

— Главные конструкторы и технологи нуждаются в обучении, чтобы использовать современные технологии. В данный момент в университете ведётся работа по формированию перечня направлений образовательных программ для подготовки специалистов в данной области — именно они в будущем будут внедрять новые технологии на предприятиях.

— Пока 3D-принтеры, печатающие металлическими порошками, стоят сотни тысяч долларов, но в самом ближайшем будущем цены заметно снизятся, — говорит

профессор кафедры цветных металлов и золота НИТУ МИСиС Александр Громов:

— Первый лазер появился в 1960 году, а уже в 80-х массовыми стали лазерные проигрыватели компакт-дисков, стоимость лазерного диода — несколько центов! Лазеры прошли путь от лаборатории до дешёвой бытовой техники за двадцать лет, сотовым телефонам потребовалось десять — сроки распространения и внедрения технологий стремительно сокращаются. Следующий же этап развития — аддитивные машины, печатающие композитные изделия из самых разнородных материалов — металлов, керамики, полимеров — в одном изделии.

Материалы из будущего

Для 3D-печати из металла нужны две составляющие — собственно, сама Additive Manufacturing машина (принтер) и металлический порошок. Он относительно дорогостоящий, поскольку требования к его качеству и однородности чрезвычайно высоки. И то и другое в России уже производят, причём почти полностью из отечественных материалов. Порошки, к примеру, выпускаются из алюминия и его многочисленных сплавов, а также других металлов.

— Когда в России появилась технология аддитивной печати, большинство разновидностей порошков были импортными, — говорит Борис Ермаков, главный инженер Объединённого научно-технологического института при Санкт-Петербургском политехническом университете:

— Сегодня мы изготавливаем машины для производства практически любых порошков по требованию заказчиков. В основном ими являются предприятия авиакосмической отрасли, располагающие собственными принтерами, и небольшие компании, которые просто хотят делать порошки на заказ.

В наши дни распространение аддитивных технологий в гораздо большей степени сдерживается стоимостью оборудования для печати, нежели стоимостью материалов. Если ещё недавно, к примеру, популярный сплав AlSi10Mg, произведённый за рубежом, стоил около 100 евро за килограмм, то усилиями российского алюминиевого гиганта РУСАЛ стоимость отечественного аналога удалось снизить в разы. На заре появления в области аддитивной печати работали только стартапы — сейчас уже крупнейшие компании, производящие металлообрабатывающее оборудование, выпускают аддитивные машины. Начиналось всё с прототипирования — а сейчас делаются уже серийные детали. Когда-то сфера трёхмерной печати из металлических сплавов ограничивалась только наукоёмкими отраслями, авиацией и космонавтикой — а сегодня уже в автопроме 3D-принтеры применяются для изготовления серийных узлов. К примеру, Audi несколько лет печатает легкосплавные детали подвески — пока, конечно, не для массовых моделей, а для спортивной RS-серии, но это только начало!

— Мы проводим научные исследования по разработке новых сплавов для аддитивных машин совместно с ведущими российскими университетами: взаимодействуем с МИСиС, МГУ, СПбГМТУ, СФУ и другими, — рассказывает Владимир Королёв, директор Департамента аддитивных технологий Института лёгких материалов и технологий (ИЛМиТ), где разрабатывают новые сплавы для аддитивной печати:

— Взять, к примеру, активно разрабатываемые в мире скандий-содержащие сплавы на основе алюминия, которые имеют широкие перспективы для использования в различных областях промышленности — начиная от изготовления морских судов и заканчивая космическими кораблями. Скандий — очень дорогостоящий металл, и мы сейчас разрабатываем сплав, который при тех же характеристиках может содержать значительно меньшее количество скандия, чем существующий в Европе патентованный сплав Scalmalloy.

Или, скажем, жаропрочный алюминиевый сплав для автомобильного двигателестроения с рабочей температурой более 250 градусов, что соответствует лучшим существующим литейным аналогам. Процесс эволюции техники предполагает постоянное снижение веса при увеличении характеристик работоспособности и производительности — для этого требуются материалы гораздо более совершенные, нежели существующие.

Среди прочих направлений работы ИЛМиТ — создание композиционных материалов для 3D-печати, а также развитие материалов и технологий для печати деталей с использованием проволоки. А это значит, что широкое применение аддитивных технологий в разных отраслях российской промышленности — вопрос ближайшего времени. Но, учитывая скорость развития данного направления во всём мире, время — это деньги, и инвестиции сейчас обеспечат конкурентное преимущество завтра.