Автори: Ольга Авраміді та Олександр Бурлака
Адитивними називають ті технології виробництва виробів, у яких матеріал не видаляється, а додається. Найбільш відомим їхнім проявом на сьогодні є 3D-друк. Їх можна використовувати зокрема й у виробництві ракет та космічних апаратів.
Які технології належать до адитивних і як вони працюють?
3D-друк — одна з форм технологій адитивного виробництва, де тривимірний об’єкт створюється шляхом накладання послідовних шарів матеріалу за даними цифрової моделі. Останніми роками він розглядається як основний метод виготовлення деталей складної форми.
Процес ще називають «вирощуванням», оскільки виріб виготовляється поступово, шар за шаром. Залежно від типу технології, створення предмета може відбуватися знизу вгору або зверху вниз.
Основною відмінністю від механообробки є те, що деталь утворюється «додаванням» матеріалу. Класична ж механічна обробка своєю чергою відбувається «відніманням» зайвого матеріалу від заготовки. Зайвий матеріал після обробки йде у стружку, що обумовлює нижчий КВМ (коефіцієнт використання матеріалу).
Різновиди 3D-друку для виробництва деталей
3D-друк — це насправді не одна, а кілька різних технологій, об’єднаних спільним принципом додавання матеріалу. Кожну з них можна використовувати для робіт зі своїм діапазоном матеріалів. Вони мають власні переваги та недоліки.
Мабуть, найрозповсюдженішим типом 3D-друку є технологія FDM (Fused Deposition Modeling). У ній формування деталі відбувається методом натоплення, коли кожен наступний шар створюється з рідкого пластику, що пропускається через екструдер.
Саме за цим принципом працюють більшість «побутових» 3D-принтерів, які можна встановити у себе вдома. У порівнянні з рештою, це дуже проста технологія. Адже все, що потрібно у її випадку — це забезпечити подачу пластикового дроту в нагрівальну головку.
При цьому використовувати для FDM можна практично будь-які дешеві термореактивні полімери, які тверднуть після зменшення температури. Вироби, які можна отримати таким методом, не відрізняються особливою міцністю, однак вони справді дуже дешеві і їм легко надати будь-якої форми.
Наступною технологією 3D-друку є SLM/DMP (Selective Laser Melting / Direct Metal Printing). Вона призначена для виготовлення виробів з металу. Звичайно, тримати їх у повністю розплавленому стані у великій кількості й у такому вигляді подавати через формувальне сопло достатньо проблематично.
Тому на практиці застосовується інший метод. Метал подрібнюють до порошкоподібного стану і в такому вигляді насипають шарами. А вже потім потужний лазер спрямовується на потрібні точки відповідно до 3D-моделі та розплавляє його, перетворюючи на моноліт.
Таким чином можна отримати достатньо складні й при цьому стійкі до різних механічних, хімічних та температурних впливів вироби та деталі. Саме цей метод зазвичай використовується для виготовлення робочих частин різноманітних агрегатів. Недоліком його є висока складність та енерговитратність технології.
Якщо ж у процесі пошарового спікання використовується не метал, а твердий пластик, то така технологія називається SLS (Selective Laser Sintering).
За допомогою лазерної установки та сканувального дзеркала промінь лазера спрямовується на необхідні ділянки порошку, спікаючи їх разом шар за шаром. Після спікання першого шару вирівнювальний механізм додає тонкий шар порошку поверх нього, і процес відбувається повторно до повної побудови об’єкта. Тобто відтворення об’єкта відбувається знизу вгору, а за рахунок заповнення камери порошком не потрібна побудова підтримувальних структур.
Від SLM/DMP SLS відрізняється меншою потужністю лазера та відчутно простішим режимом його роботи. З іншого боку, і міцність отриманих виробів виходить значно нижчою.
Наступним різновидом 3D-друку є MJP (MultiJet Printing) — багатоструминний друк із воску або фотополімеру.
Ці матеріали тверднуть під дією ультрафіолетового випромінювання. Тож саме ним і закріплюють кожен шар після нанесення. В іншому технологія проста: друкувальною головкою на робочу платформу шар за шаром наноситься матеріал (або їх поєднання).
Кожен шар відповідає шару заданої моделі 3D. «Фішкою» методики є кількість сопел: від кількох штук, до кількох сотень. Саме завдяки ним реалізована можливість друку кількома матеріалами одночасно, причому вони можуть суттєво відрізнятися за щільністю, в’язкістю та іншими характеристиками.
Загалом таким чином можна друкувати дуже швидко й отримувати при цьому матеріали з наперед заданою структурою. Недоліком є відносна дороговизна матеріалів. Проте все одно на сьогодні це другий за популярністю спосіб друку після FDM.
Деталі, надруковані методом MJP
MJF (Multi Jet Fusion) — поліамідний 3D-друк, де нагрівальний елемент покриває відразу всю робочу поверхню. Деталі матимуть вигляд, як і SLS.
Метод друку полягає у тому, що на робочу ділянку наносять перший шар поліаміду. Його покривають зв’язувальною речовиною в заданих координатах робочої ділянки. Потім принтер діє інфрачервоним світлом на весь шар. Частина порошку, покрита зв’язувальною речовиною, спікається. Після цього принтер наносить наступний шар поліаміду, і процес повторюється. Виріб формують шар за шаром, поки його не надрукують цілком.
SLA (Laser Stereolithography) — всередині 3D-принтера міститься ванна з рідким фотополімером. Поверхнею матеріалу рухається лазерний промінь, і там, де він торкається рідини, фотополімер застигає, створюючи шар виробу.
Ця методика нагадує SLS 3D-друк, але замість порошку виступає рідкий фотополімер. В іншому це те ж пошарове відтворення виробів за заданими параметрами 3D-моделі.
CJP (ColorJet Printing) — кольоровий 3D-друк, що використовує склеювання гіпсового порошку.
Технологія друку CJP працює з порошкоподібними матеріалами, окремі ділянки якого склеюються між собою за допомогою сполучної речовини. Спочатку на робочу платформу (на якій відбуватиметься побудова об’єкта) наноситься шар порошку, що відповідає висоті першого шару. Зазвичай, всі шари моделі рівні за висотою. Порошок вирівнюється валиком, надлишки видаляються. Далі на ділянки матеріалу, що відповідають перерізу першого шару, за допомогою друкувальної головки подається сполучна речовина. Далі робоча платформа опускається вниз на висоту одного шару та покривається новою порцією матеріалу. Сполучна речовина подається на ділянки, що відповідають другому шару. Усі етапи повторюються до повної побудови об’єкта.
Загалом 3D-друк на підприємствах використовують для таких цілей:
1. Отримання швидких перших прототипів.
2. Серійне виробництво робочих деталей.
Найрозповсюдженіший метод для отримання прототипів — це FDM-принтери. Вони дешеві, ними наповнений ринок, тому вони є майже на кожній фірмі. SLA-принтери використовують рідше, але вони дозволяють отримувати якісніші прототипи. CJP-друк можна віднести як до гібриду друку для прототипів так і декоративного.
Для серійного виробництва деталей найчастіше використовують SLM/DMP, SLS, MJF та MJP. Існує велика кількість галузей, де намагаються використовувати 3D-друк іншими матеріалами (медицина, будівництво, текстильне виробництво).
Які переваги та недоліки цієї технології
Кожен вид 3D-друку має свої конкретні переваги та недоліки, на які треба орієнтуватися при виборі методу для своїх потреб. Задач, які хочуть розв’язати за допомогою 3D-друку, з кожним днем стає все більше, тому весь час розробляють нові методи 3D-друку та обладнання.
Якщо порівняти деталі, які виготовленні класичними методами виробництва, такими як фрезерна обробка або литво і 3D-друковані, то можна виділити такі переваги та недоліки.
Почнемо з недоліків:
- Обладнання та матеріали для промислового 3D-друку доволі дороге.
- Деталі, виготовленні 3D-друком (навіть лазерним спіканням металевого порошку), все одно мають не однорідну структуру, а складаються із шарів. Це, звісно, негативно впливає на їхні властивості міцності.
- Якщо брати велику серію, то час виготовлення 3D-друком буде довший, ніж іншими методами, такими як, наприклад, литво (але це не стосується ракетобудування, бо тут поки немає великого серійного виробництва).
Не дивлячись на низку недоліків та відносну «молодість» технології, 3D-друк дуже популярний сучасний вид виробництва, а все завдяки ряду переваг:
- Майже безвідходне виробництво, порошок, який залишається, майже завжди можна використати повторно.
- Можливість створення виробів будь-якої складності. Обмежень щодо геометрії майже немає, тому замість 2–3 простих деталей можна виготовити 1 складну, що підвищить надійність та зменшить кількість кріплень (додаткові кріплення знижують надійність та збільшують масу).
- Можливість 3D-друку кількох виробів одночасно. Тут все залежить від габаритів моделі та розмірів камери принтера.
- Висока швидкість створення фізичних об’єктів. Менший час на підготовку виробництва. Написання програми займає менше часу, не треба додаткового обладнання та інструменту.
- Зменшення маси деталі за рахунок відсутності ряду обмежень в геометрії. Методами генеративного дизайну та топологічної оптимізації можна отримати деталі мінімальної маси за рахунок раціональної форми. Часто такі оптимізації приводять до складної форми деталі або до порушення ряду технологічних обмежень класичних методів виготовлення деталей (у таких випадках 3D-друк із його мінімальними вимогами до геометрії просто порятунок).
Для виготовлення яких частин ракет можна застосовувати 3D-друк
Застосування 3D-друку в ракетобудуванні можливе скрізь, єдине обмеження — це габарити робочих зон сучасних принтерів. Важливо також правильно підібрати метод адитивного виробництва, врахувавши умови роботи кожної деталі та вимоги до неї.
Варто також зазначити, що 3D-друк не має замінити всі види виробництва. Деякі важливі елементи космічної техніки, такі як трубопроводи, що працюють під тиском, цим методом на сучасному рівні виготовляти неможливо.
Що стосується електроніки, то тут 3D-друк також використовується для виготовлення друкованих плат. Існує кілька основних способів використання при їхньому виготовлені адитивних технологій:
- Моделювання сплавленого осадження. У цьому методі 3D-принтер використовує для виготовлення друкованої плати термопластичний матеріал (у формі, яка називається ниткою). Він нагріває пластикову нитку перед тим, як видавити через сопло, щоб створити сліди ланцюга. Загалом це є аналогом FDM.
- Лазерний друк. Потужні лазери розплавляють крихітні частинки, щоб отримати бажану конструкцію друкованої плати. Частинки можуть бути з різних матеріалів, включаючи метал, скло, кераміку та пластик.
Найскладнішим елементом ракети з точки зору конструкції й виготовлення є двигун, тому застосування 3D-друку варто починати з нього. Наявні технології мають обмеження щодо міцності деталей, які за їхньою допомогою можуть виготовлятися. Тому сьогодні ще не часто можна зустріти надруковані деталі, які працюють під тиском (такі як балони чи трубопроводи), оскільки структура деталей не є цілком монолітною, бо створена шарами, то збитковий тиск може призвести до руйнування.
Які компанії вже застосовують 3D-друк у ракетобудуванні
3D-друк у виробництві окремих деталей ракет використовують майже всі компанії, починаючи від Space X (частина деталей двигуна надрукована на 3D-принтері).
NASA провела успішні випробування ракетного двигуна, надрукованого на 3D-принтері, та досягла нового рівня в розробці інноваційної силової установки під назвою Rotating Detonation Rocket Engine (RDRE). Інженери Центру космічних польотів імені Маршалла NASA у Хантсвіллі (штат Алабама) успішно випробували нову модель RDRE, надруковану на 3D-принтері, протягом 251 секунди (або більше чотирьох хвилин), створюючи тягу понад 5800 фунтів. RDRE забезпечує величезний стрибок в ефективності проєктування.
Компанія Agnikul Cosmos (Індія) запустила ракету з надрукованим двигуном Agnibaan SOrTED (Suborbital Technological Demonstrator) — це перша ракета, запущена з приватного стартового майданчика, це перший у країні політ із напівкріогенним двигуном і перший у світі однокомпонентний двигун, надрукований на 3D-принтері, розроблений і виготовлений місцевими мешканцями.
Orbex Space замовляє найбільший промисловий 3D-принтер у Європі для швидкого налагодження ракетобудування. Очікується, що таким чином невдовзі щорічно виготовлятиметься 35 ракетних двигунів і турбонасосів.
Orbex доручила AMCM створити найбільший промисловий 3D-принтер у Європі, що дозволить інноваційній космічній компанії, що базується у Великій Британії, швидко друкувати складні ракетні двигуни власними силами. Виготовлений на замовлення 3D-принтер великого об’єму дозволить Orbex щорічно друкувати понад 35 великомасштабних ракетних двигунів і турбонасосних систем основного ступеня, оскільки компанія нарощує свої виробничі потужності для запусків.
Фірма Relativity Space пішла далі й намагається зробити повністю друковану ракету.
Технологія 3D-друку для Terran R стратегічно використовується для зменшення складності транспортного засобу та підвищення технологічності, при цьому компанія продовжує зосереджуватися на новому визначенні можливостей великомасштабного адитивного виробництва після успішного підтвердження життєздатності 3D-друкованих ракет із Terran 1.
Що треба для того, аби створити підприємство, де друкують ракети?
При тому, що технології 3D-друку ніби як неодноразово випробувані під час виробництва різноманітних деталей, організувати за їхньою допомогою виготовлення космічних ракет не так просто, як здається. І перше, що стає на заваді створення подібного виробництва — розмір деталей.
Зазвичай за допомогою адитивних технологій виготовляють об’єкти, розмір яких вимірюється міліметрами та сантиметрами. Деталі ж ракет можуть бути від десятків сантиметрів до метрів. Відповідно, робочий простір, всередині якого відбуватиметься формування деталі, повинен мати навіть більші розміри.
А це вже тягне за собою перегляд конструкції усього 3D-принтера, застосування на ньому потужніших електродвигунів та збільшення його маси. Виходить дуже серйозний промисловий агрегат.
До того ж, якщо товщина шару матеріалу лишається тією самою, то при збільшенні розмірів деталі, час її виготовлення виходить дуже значним. Виникає питання, чи може 3D-принтер весь цей час працювати у безперервному режимі, чи йому знадобиться технологічна перерва. А якщо вона таки має відбутися, то як це вплине на міцність зчеплення матеріалу в шарі, що формується, з тим, який затверднув ще кілька годин тому.
Крім того, не варто забувати, що деталі, які виготовляються на 3D-принтері, треба якось із нього знімати й рухати по цеху. А це означає, що підіймально-транспортне обладнання ніхто не скасовував.
Та й узагалі, найкраще місце для розташування 3D-принтера, що виготовляє деталі ракет, — авіакосмічне підприємство, що вже функціонує. Розміщувати його, де доведеться — не дуже ефективне рішення, адже це має бути спеціальна промислова будівля.
Усе це не означає, що адитивні технології неможливо використовувати у виробництві космічної техніки. Навпаки. Вони можуть справді полегшити його, особливо там, де мова про створення абсолютно нових зразків. Проте справа ця не така проста, як здається.
