Авторы: Ольга Аврамиди и Александр Бурлака
Аддитивными называют те технологии производства изделий, в которых материал не удаляется, а прилагается. Наиболее известным их проявлением на сегодняшний день является 3D-печать. Их можно использовать в том числе и в производстве ракет и космических аппаратов.
Какие технологии относятся к аддитивным и как они работают?
3D-печать — одна из форм технологий аддитивного производства, где трехмерный объект создается путем наложения последовательных слоев материала по данным цифровой модели. В последние годы он рассматривается как основной метод изготовления деталей сложной формы.
Процесс еще называют «выращиванием», поскольку изделие производится постепенно, слой за слоем. В зависимости от типа технологии, создание предмета может происходить снизу вверх или сверху вниз.
Основным отличием от механообработки является то, что деталь образуется «сложением» материала. Классическая же механическая обработка в свою очередь происходит «вычитанием» лишнего материала от заготовки. Излишний материал после обработки идет в стружку, что обуславливает более низкий КВМ (коэффициент использования материала).
Разновидности 3D-печати для производства деталей
3D-печать — это не одна, а несколько различных технологий, объединенных общим принципом добавления материала. Каждую из них можно использовать для работ со своим диапазоном материалов. У них есть свои преимущества и недостатки.
Пожалуй, наиболее распространенным типом 3D-печати является технология FDM (Fused Deposition Modeling). В ней формирование детали происходит методом натопления, когда каждый последующий слой создается из жидкого пластика, пропускаемого через экструдер.
Именно по этому принципу работает большинство «бытовых» 3D-принтеров, которые можно установить у себя дома. В сравнении с остальными, это очень простая технология. Ведь все, что нужно в ее случае — это обеспечить подачу пластиковой проволоки в нагревательную головку.
При этом использовать для FDM можно практически любые дешевые термореактивные полимеры, затвердевающие после уменьшения температуры. Изделия, которые можно получить таким методом, не отличаются особой прочностью, однако они действительно очень дешевые и им легко придать любую форму.
Следующей технологией 3D-печати является SLM/DMP (Selective Laser Melting / Direct Metal Printing). Она предназначена для изготовления металлических изделий. Конечно, держать их в полностью расплавленном состоянии в большом количестве и в таком виде подавать через формовочное сопло достаточно проблематично.
Поэтому на практике применяется другой метод. Металл измельчают до порошкообразного состояния и в таком виде насыпают слоями. А потом мощный лазер направляется на нужные точки в соответствии с 3D-моделью и расплавляет его, превращая в монолит.
Таким образом можно получить достаточно сложные и при этом устойчивые к различным механическим, химическим и температурным воздействиям изделия и детали. Именно этот метод обычно используется для изготовления рабочих частей различных агрегатов. Недостатком его является высокая сложность и энергозатратность технологии.
Если же в процессе послойного спекания используется не металл, а жесткий пластик, то такая технология называется SLS (Selective Laser Sintering).
С помощью лазерной установки и сканирующего зеркала луч лазера устремляется на необходимые участки порошка, спекая их вместе слой за слоем. После спекания первого слоя выравнивающий механизм добавляет тонкий слой порошка поверх него, и процесс происходит повторно до полного построения объекта. То есть воспроизведение объекта происходит снизу вверх, а за счет заполнения камеры порошком не требуется построение поддерживающих структур.
От SLM/DMP SLS отличается меньшей мощностью лазера и более простым режимом его работы. С другой стороны, и прочность полученных изделий получается значительно ниже.
Следующей разновидностью 3D-печати является MJP (MultiJet Printing) — многоструйная печать из воска или фотополимера.
Эти материалы затвердевают под действием ультрафиолетового излучения. Поэтому именно им и закрепляют каждый слой после нанесения. В остальном технология проста: печатающей головкой на рабочую платформу слой за слоем наносится материал (или их комбинация).
Каждый слой соответствует слою заданной модели 3D. «Фишкой» методики является количество сопел: от нескольких штук, до нескольких сотен. Именно благодаря им реализована возможность печати несколькими материалами одновременно, причем они могут существенно отличаться по плотности, вязкости и другим характеристикам.
В целом таким образом можно печатать очень быстро и получать при этом материалы с заранее заданной структурой. Недостатком является относительная дороговизна материалов. Однако все равно на сегодня это второй по популярности способ печати после FDM.
Детали, напечатанные методом MJP
MJF (Multi Jet Fusion) — полиамидная 3D-печать, где нагревательный элемент покрывает сразу всю рабочую поверхность. Детали будут иметь такой же вид, как и SLS.
Метод печати заключается в том, что на рабочий участок наносят первый слой полиамида. Его покрывают связующим веществом в заданных координатах рабочего участка. Затем принтер действует инфракрасным светом во весь слой. Часть порошка, покрытая связующим веществом, спекается. После этого принтер наносит следующий слой полиамида, и процесс повторяется. Изделие формируют слой за слоем, пока его полностью не напечатают.
SLA (Laser Stereolithography) — внутри 3D-принтера содержится ванна с жидким фотополимером. По поверхности материала движется лазерный луч, и там, где он касается жидкости, фотополимер застывает, создавая слой изделия.
Эта методика напоминает SLS 3D-печать, но вместо порошка выступает жидкий фотополимер. В остальном это то же послойное воспроизведение изделий по заданным параметрам 3D-модели.
CJP (ColorJet Printing) — цветная 3D-печать, использующая склеивание гипсового порошка.
Технология печати CJP работает с порошкообразными материалами, отдельные участки которого склеиваются между собой с помощью связующего. Сначала на рабочую платформу (на которой будет происходить построение объекта) наносится слой порошка, соответствующий высоте первого слоя. Как правило, все слои модели равны по высоте. Порошок выравнивается валиком, излишки удаляются. Далее на участки материала, соответствующие сечению первого слоя, с помощью печатающей головки подается связующее вещество. Затем рабочая платформа опускается вниз на высоту одного слоя и покрывается новой порцией материала. Связующее вещество подается на участки, соответствующие второму слою. Все этапы повторяются до полного построения объекта.
В общей сложности 3D-печать на предприятиях используют для следующих целей:
- Получение быстрых первых прототипов.
- Серийное производство рабочих деталей.
Самый распространенный метод для получения прототипов — это FDM-принтеры. Они дешевые, ими наполнен рынок, поэтому они есть почти на каждой фирме. SLA-принтеры используют реже, но они позволяют получать более качественные прототипы. CJP-печать можно отнести как к гибриду печати для прототипов, так и декоративной.
Для серийного производства деталей чаще всего используют SLM/DMP, SLS, MJF и MJP. Существует большое количество отраслей, где пытаются использовать 3D-печать другими материалами (медицина, строительство, текстильное производство).
Какие преимущества и недостатки этой технологии
Каждый вид 3D-печати имеет свои конкретные преимущества и недостатки, на которые нужно ориентироваться при выборе метода для своих потребностей. Задач, которые хотят решить с помощью 3D-печати, с каждым днем становится все больше, поэтому все время разрабатывают новые методы 3D-печати и оборудования.
Если сравнить детали, изготовленные классическими методами производства, такими как фрезерная обработка или литье, и 3D-печатные, то можно выделить такие преимущества и недостатки.
Начнем с недостатков:
- Оборудование и материалы для промышленной 3D-печати довольно дорогие.
- Детали, изготовленные 3D-печатью (даже лазерным спеканием металлического порошка) все равно имеют не однородную структуру, а состоят из слоев. Это, конечно, негативно влияет на их свойства прочности.
- Если брать большую серию, то время изготовления 3D-печатью будет дольше других методов, таких как, например, литье (но это не касается ракетостроения, потому что здесь пока нет большого серийного производства).
Несмотря на ряд недостатков и относительную «молодость» технологии, 3D-печать очень популярный современный вид производства, а все благодаря ряду преимуществ:
- Почти безотходное производство, порошок, который остается, почти всегда можно использовать повторно.
- Возможность создания изделий любой сложности. Ограничений по геометрии почти нет, поэтому вместо 2–3 простых деталей можно изготовить 1 сложную, что повысит надежность и уменьшит количество креплений (дополнительные крепления снижают надежность и увеличивают массу).
- Возможность 3D-печати нескольких изделий одновременно. Здесь все зависит от габаритов модели и размера камеры принтера.
- Высокая скорость создания физических объектов. Меньше времени на подготовку производства. Написание программы занимает меньше времени, не надо дополнительного оборудования и инструмента.
- Уменьшение массы детали за счет отсутствия ряда ограничений в геометрии. Методами генеративного дизайна и топологической оптимизации можно получить детали минимальной массы за счет рациональной формы. Часто такие оптимизации приводят к сложной форме детали или к нарушению ряда технологических ограничений классических методов изготовления деталей (в таких случаях 3D-печать с ее минимальными требованиями к геометрии просто спасение).
Для изготовления каких частей ракет можно применять 3D-печать
Применение 3D-печати в ракетостроении возможно везде, единственное ограничение — это габариты рабочих зон современных принтеров. Важно также правильно подобрать метод аддитивного производства, учитывая условия работы каждой детали и требования к ней.
Стоит также отметить, что 3D-печать не должна заменить все виды производства. Некоторые важные элементы космической техники, такие как трубопроводы, работающие под давлением этим методом, вообще изготовлять невозможно.
Что касается электроники, то здесь 3D-печать также используется для изготовления печатных плат. Существует несколько основных способов использования при их изготовлении аддитивных технологий:
- Моделирование сплавленного осаждения. В этом методе 3D-принтер использует для изготовления печатной платы термопластичный материал (в форме, которая называется нитью). Он нагревает пластиковую нить, прежде чем выдавить через сопло, чтобы создать следы цепи. В общем это аналог FDM.
- Лазерная печать. Мощные лазеры расплавляют крошечные частицы, чтобы получить желаемую конструкцию печатной платы. Частицы могут быть из разных материалов, включая металл, стекло, керамику и пластик.
Самым сложным элементом ракеты с точки зрения конструкции и изготовления является двигатель, поэтому применение 3D-печати следует начинать с него. Существующие технологии имеют ограничения по прочности деталей, которые с их помощью могут производить.
Какие компании уже применяют 3D-печать в ракетостроении
3D-печать в производстве отдельных деталей ракет используют почти все компании, начиная от Space X (часть деталей двигателя напечатана на 3D-принтере).
NASA провела успешные испытания ракетного двигателя, напечатанного на 3D-принтере, и достигла нового уровня в разработке инновационной силовой установки под названием Rotating Detonation Rocket Engine (RDRE). Инженеры Центра космических полетов имени Маршалла NASA в Хантсвилле (штат Алабама) успешно опробовали новую модель RDRE, напечатанную на 3D-принтере, в течение 251 секунды (или более четырех минут), создавая тягу более 5800 фунтов. RDRE обеспечивает огромный скачок в эффективности проектирования.
Компания Agnikul Cosmos (Индия) запустила ракету с напечатанным двигателем Agnibaan SOrTED (Suborbital Technological Demonstrator) — это первая ракета, запущенная с частной стартовой площадки, это первый в стране полет с полукриогенным двигателем и первый в мире однокомпонентный двигатель, напечатанный на 3D-принтере, разработанный и изготовленный местными жителями.
Orbex Space заказывает крупнейший промышленный 3D-принтер в Европе для быстрого налаживания ракетостроения. Ожидается, что таким образом вскоре ежегодно будет изготавливаться 35 ракетных двигателей и турбонасосов.
Orbex поручила AMCM создать крупнейший промышленный 3D-принтер в Европе, что позволит базирующейся в Великобритании инновационной космической компании быстро печатать сложные ракетные двигатели собственными силами. Изготовленный по заказу 3D-принтер большого объема позволит Orbex ежегодно печатать более 35 крупномасштабных ракетных двигателей и турбонасосных систем основной ступени, поскольку компания наращивает свои производственные мощности для запусков.
Фирма Relativity Space пошла дальше и пытается сделать полностью печатную ракету.
Технология 3D-печати для Terran R стратегически используется для уменьшения сложности транспортного средства и повышения технологичности, при этом компания продолжает сосредотачиваться на новом определении возможностей крупномасштабного аддитивного производства после успешного подтверждения жизнеспособности 3D печатных ракет с Terran 1.
Что нужно для того, чтобы создать предприятие, где печатают ракеты?
При том, что технологии 3D-печати вроде как неоднократно опробованы при производстве различных деталей, организовать с их помощью изготовление космических ракет не так просто, как кажется. И первое, что мешает созданию подобного производства — размер деталей.
Обычно с помощью аддитивных технологий изготавливают объекты, размер которых измеряется миллиметрами и сантиметрами. Детали ракет могут быть от десятков сантиметров до метров. Соответственно, рабочее пространство, внутри которого будет происходить формирование детали, должно иметь даже большие размеры.
А это уже влечет просмотр конструкции всего 3D-принтера, применение на нем более мощных электродвигателей и увеличение его массы. Выходит очень серьезный промышленный агрегат.
К тому же, если толщина слоя материала остается той же, то при увеличении размеров детали, время ее изготовления получается очень значительным. Возникает вопрос, может ли 3D-принтер все это время работать в непрерывном режиме, или ему понадобится технологический перерыв. А если он таки должен состояться, то как это повлияет на прочность сцепления материала в формируемом слое с тем, который затвердел еще несколько часов назад.
Кроме того, не стоит забывать, что детали, которые изготавливаются на 3D-принтере, надо как-то с него снимать и двигать по цеху. А это значит, что подъемно-транспортное оборудование никто не отменял.
Да и вообще, лучшее место для размещения 3D-принтера, изготавливающего детали ракет, — уже функционирующее авиакосмическое предприятие. Размещать его, где придется — не очень эффективное решение, ведь это должно быть специальное промышленное здание.
Все это не означает, что аддитивные технологии невозможно использовать в производстве космической техники. Наоборот. Они могут действительно облегчить его, особенно там, где речь идет о создании совершенно новых образцов. Однако дело это не такое простое, как кажется.
