Технологии 3D печати давно и прочно обосновались во многих сферах производства. Космическая, медицинская, военная, автомобильная и многие другие отрасли постоянно и успешно применяют 3D моделирование и проектирование в своих новых разработках. Конечно, до серийного выпуска большинства изделий еще далеко, в связи с низкой скоростью печати, но это всего лишь вопрос времени и этому есть много подтверждений.
История вопроса
Попытки использовать 3D печать для создания автомобилей предпринимаются уже давно. Среди них можно отметить следующие.
Umbree от Kor Ecologic
В 2010 году на мотор-шоу SEMA в Лас-Вегасе был представлен продукт четырнадцатилетнего труда компании Kor Ecologic – автомобиль Urbee .
Начиная свои исследования в 1996 году, Джим Кор, основатель фирмы, заложил в основу проекта создания легкого, экономного и безопасного агрегата, который смог бы изменить взгляд на автомобилестроение. Надо сказать, ему это удалось. Модель, представленная в 2010 году, имела три колеса и состояла из 40 основных деталей, в то время как современные автомобили имеют их больше 20 000. Они напечатаны на 3D принтере Fortus 900mc компании Staratsys, которая стала крупным партнером и соинвестором проекта. Автомобиль оснащен небольшим двигателем внутреннего сгорания на 5 лошадиных сил и мощным электромотором. Средний расход топлива на трассе составлял 1,2 литра на 100 км, а максимальная скорость около 120 км/час.
Сегодня Kor Ecologic работает над усовершенствованной трехколесной моделью, которая станет на треть легче (550 кг), будет иметь двигатель на 7 лошадиных сил и получит более обтекаемый корпус. Стоимость прототипа составляет около 50 тыс. $, а на его 3D печать уходит около 2500 часов. Для привлечения всеобщего внимания в 2015 году Кор собирается проехать 4600 км через всю Америку на 38 литрах топлива, но для этого ему нужно будет найти 1 млн. $, который он планирует получить от инвесторов и простых людей.
Strati от Local Motors
Совсем недавно, на выставке International Manufacturing Technology Show (IMTS) в Чикаго, которая проходила в середине сентября 2014 года, компанией Local Motors был представлен «первый в мире автомобиль, распечатанный на 3D принтере».
Strati – автомобиль от Local Motors, распечатанный на 3D принтере
Он также и Urbee состоит из 40 деталей, но почему же его называют «первым»? Дело в том, что такой автомобиль впервые был напечатан за 44! часа, а по заявлениям компании в течение ближайших месяцев они собираются сократить время до 24! часов. Для изготовления был использован специальный BAAM принтер компании Cincinnati Incorporated, аддитивная технология FDM компании StratSys и ABS-пластик укрепленный углеродной нитью.
Как проходил процесс 3D печати можно посмотреть на видео
Максимальная скорость Strati составляет 64 км/час, а максимальный пробег находится в диапазоне от 190 до 240 км. До конца 2014 года автомобиль планируют запустить в серийную продажу, стоимость его будет составлять 18-30 тыс. $, в зависимости от комплектации. Стоит отметить, что напечатаны были далеко не все детали, механические узлы, такие как аккумулятор, подвеска, двигатель были взяты из Renault Twizy.
После завершения 3D печати специалисты компании собрали автомобиль и устроили тест-драйв.
Как можно заметить, на видео некоторые детали выполнены довольно грубо – это последствия ускорения процесса печати. В целом же – это хороший наглядный пример степени развития технологий 3D печати.
Сегодня Local Motors уже провела конкурс на лучшую модель для будущего серийного производства, в котором участвовали 200 претендентов со своими эскизами. Победил вариант уличного спорт-автомобиля с названием SF-01 Street Fighter . Ну что же, остается только ждать его появления.
Подробнее о технологии FDM
FDM (Fused Deposition Modeling) – это одна из технологий послойного воспроизведения 3D модели при помощи компьютера и 3D принтера. Данная технология была разработана компанией StratSys (США) около 20 лет назад. В отличие от большинства методов 3D печати здесь материал построения передается непосредственно в точку печати, где через подогретый экструдер производится его выдавливание и закрепление на стенке модели. Так слой за слоем «выращивается» готовое изделие и деталь за деталью собирается автомобиль.
В качестве материала используется АБС-пластик – тот же материал, из которого производятся детали конструктора LEGO. Он обладает следующими свойствами:
- Высокая эластичность и ударопрочность.
- Нетоксичность.
- Долговечность.
- Кислотостойкость.
- Стойкость к моющим средствам и щелочам.
- Термостойкость, выше 100°C.
- Большой диапазон эксплуатационных температур, от -40 до +90°C.
Для придания дополнительной прочности принтеры используют этот материал в виде композита, смешанного с углеродной нитью, что придает характеристики, не уступающие материалу многих марок современных автомобилей.
Будущее 3D печати автомобилей
Касаемо ВААМ 3D принтеров можно заметить, что технология аддитивного производства большого разрешения (Big Area Additive Manufacturing) не нова, в данном случае просто были увеличены размеры принтера во много раз. Пока что, такие технологии практически уперлись в свой потолок скорости, которую можно увеличивать только уменьшением точности печати (увеличением толщины слоя) и добавлением большего количества печатающих головок, что очень сложно в конструктивном плане.
С этой точки зрения более прогрессивными выглядят методы не точечного нанесения материала через сопла или экструдер (Direct Deposition) , а нанесение сразу целого слоя материала (Bed Deposition), сплавляемого лазером, скорость движения которого огромна и не требует механического перемещения печатающей головки.
Впрочем, остается только ждать новых концептуальных прорывов в технологиях 3D печати. И, учитывая скорость современного технического развития, возможно в ближайшем будущем мы увидим людей, которые ездят на оригинальных автомобилях, сделанных по собственным эскизам.
Н е так давно компания Daimler-Benz запустила промышленную 3D печать металлических компонентов из легких сплавов. Например, корпуса термостатов делают именно таким образом. Причем деталь получается практически готовой, не требуя дополнительной обработки, только снятие технологической опоры. А пластиковые детали «печатают» уже давно.
Самое время разобраться, что такое 3D печать, какая она бывает, и из чего сделаны детали, созданные с ее помощью. И главное, чем нам грозит применение новых технологий в ближайшем будущем.
Нельзя сказать, что 3D печать - технология новая и неизвестная. Появилась она более 30 лет назад, а сейчас печать металлических деталей в больших масштабах используется в медицинской промышленности для создания биопротезов, в ювелирном деле и даже в авиации.
Не обошлось без этой технологии в деле изготовления опытных образцов автомобильной промышленности. Солидная часть опытных образцов машин на выставках и тестовых экземплярах произведена с использованием этой технологии в той или иной степени. Причем применяется она как для создания уже «готовых» изделий - разрешение 3D принтера позволяет готовую продукцию - так и для последующей высокоточной механической обработки. Так создают детали цилиндропоршневой группы перспективных моторов или коробок передач.
Себестоимость «напечатанных» деталей
Традиционно считается, что цена печати металлических, да и пластиковых деталей на 3D принтере намного выше, чем цена «обычного» производства. Но ситуация меняется, и себестоимость производства и поставки традиционными путями и непосредственная печать подошли к границе, после которой ситуация изменится необратимо.
Надо заметить, что цена любой вещи в нашем окружении вовсе не равна ее себестоимости. И даже не себестоимости вместе с прибылью производителя. В цене заложена стоимость поставки, логистики, а часто еще и длительного хранения. Все эти факторы вместе повышают цену в несколько раз, а в случае с недешевыми крупными деталями, требующими особых условий хранения и транспортировки - даже на порядок или два. И это мы даже не пытаемся учитывать расходы на маркетинг, поддержку и разработку.
В общем, традиционное производство действительно максимально эффективно, особенно при больших объемах выпуска. Но сама система поставки нужных компонентов уже куда сложнее, и потому появляются ниши, в которых крайне эффективной оказывается технология, позволяющая производить детали малыми объемами непосредственно на месте производства. В том числе, в единственном экземпляре или с многочисленными модификациями. Например, с помощью 3D принтера…
Изготовить редкий вариант одной из деталей автомобиля при наличии чертежа куда проще, чем искать компоненты в хорошем состоянии на авто двадцатилетней давности. Особенно если деталь одна из самых часто ломающихся, а машина редкая. С использованием 3D сканирования можно создать образ детали «по сохранившимся обломкам» или на основе зеркального ее варианта.
 |
 |
 |
Ещё очень удобно вносить изменения: усилить слабое место корпуса, убрать лишние элементы или еще что-то подобное… И главное, не нужно создавать запас деталей, которые может быть, никогда не пригодятся. Будет достаточно материала, принтера и 3D модели в цифровом виде.
Основные поставщики программных CAD- продуктов давно оптимизировали их для работы с технологиями трехмерной печати, так что впервые реализуется идеальная формула производства: из чертежа сразу в готовое изделие. А ведь литье и мехобработка требуют множества дополнительных усилий, создания различных приспособлений и инфраструктуры… С трёхмерной печатью же получается почти «по щучьему велению» - и вот готовое изделие.
Массовое производство также имеет множество «экологических ниш» для 3D технологии. Объемные детали сложной формы, например, по цене могут оказаться даже дешевле, чем произведенные классическим способом с помощью литья или из цельной заготовки. Особенно если речь идет о размерах более метра при высокой точности изготовления.
Тонкостенные детали из легких сплавов также может оказаться дешевле «напечатать», чем отлить. Это не говоря уже о производстве пластиковых элементов и деталях малых серий. С развитием новых технологий появится возможность заметно улучшить пассивную безопасность машин за счет введения узлов с идеальным расчетом энергии поглощения, использовать куда более компактное расположение агрегатов и вообще дать волю фантазии.
Отношение к 3D печати как к «несерьезной» технологии пора оставить в прошлом. Произведенные с ее помощью металлические детали по прочностным характеристикам не уступают обычным литым, хотя используют несколько более дорогие сплавы. Но цена материала выше обычно на 15-20%, а потери при печати меньше в несколько раз. Да и с размерами все отлично, в Амстердаме «печатают» настоящий пешеходный мост длиной порядка 30 метров.
Материалы для 3D печати
Основная масса деталей, разумеется - пока пластик, но сплавы металлов и различные виды бетона также используются при 3D печати. Для автомобильной промышленности интереснее всего именно пластик и металлы. И выбор материалов достаточно большой. Наиболее перспективны для применения сталь и алюминий, но в машинах много электрических узлов, проводников сложной формы и других элементов, для которых пригодилась бы медь.
Из металлов в 3D печати самым популярным остается титан. У него отличные прочностные характеристики, и он востребован в сфере протезирования, в космической и авиапромышленности, которые пока лидируют по применению интересующей нас технологии.
Нержавеющая сталь с высоким содержанием кобальта и никеля также отлично подходит, и целый ряд промышленных принтеров работает с этим материалом, благо он сравнительно недорог. Конечно, он в разы дороже самых дешевых сортов стали, но, тем не менее, заметно дешевле цветных металлов. А прочность изделий из стали вам наверняка известна.
Алюминий как материал для 3D печати набирает популярность. Изделия из него легкие, обладают хорошей стойкостью к коррозии на открытом воздухе, плюс он удобен в обработке и опять же недорог. Сравнительно невысокая начальная цена установок, работающих с этим материалом, также важна. Он используется в «домашних» технологиях металлической 3D печати, доступных малым предприятиям. К сожалению, в порошковом состоянии он взрывоопасен, как, впрочем, и титан.
Кобальт-хром и инконель - это примеры специализированных сплавов для 3D принтеров стоматологического, медицинского и аэрокосмического назначения. Подобных материалов становится все больше. Специальные материалы для новой технологии будут появляться и дальше, по мере развития технологии потребуется занять все больше ниш.
Медь, золото, серебро - также весьма распространенные материалы для 3D печати. Разумеется, пока это в основном печать ювелирных изделий. Но медь и серебро также нашли применение как материал для изготовления монтажных плат для электроники. Правда, для этого часто используется не «настоящий 3D », а эдакий «2,5D» принтер, создающий детали с высотой рельефа в пределах нескольких миллиметров на керамической подложке.
Технологии 3 D печати
Что касается технологий, то для массового производства актуальнее всего наиболее дорогие EBM и DED технологии. За непонятными аббревиатурами скрываются Electron Beam Manufacturing (формирование изделия из порошкового металла под воздействием пучка электронов) и Directed Energy Deposition (осаждение металла из порошка или проволоки под воздействием лазерного луча или плазменной дуги). Обе технологии позволяют создавать изделия с качеством металла выше, чем у литья, с идеально однородной структурой и с высокой точностью.
EBM формирует расплав в строго определенной зоне, а DED буквально «выбивает» расплавленный металл на нужную поверхность. Обе технологии могут использоваться не только для создания новой детали, но и для восстановления уже существующей. Обе технологии позволяют менять состав материала в объеме, делать поверхность тверже основы, упрочнять особо уязвимые места и тому подобные «фокусы».
Основная проблема - скорость работы. Так, серийная машина Insstek MX3 с технологией DED имеет рабочую зону размером 1000 x 800 x 650 мм с толщиной слоя в 0,089-0,203 мм, а скорость работы порядка 2 слоя в минуту. Альтернативный Arcam Q 20Plus имеет рабочую зону 350 х 380 мм, точность изготовления детали до 140 нм и скорость работы порядка 4 литров объема детали в час.
Более массовая и менее точная технология SLM /DMLS тоже имеет хорошие перспективы. Именно технология SLM - selective laser melting , то есть, выборочное лазерное плавление, применена компанией Mercedes-Benz для производства автомобильных компонентов. Родственная технология SLS - selective laser sintering, что означает «выборочное лазерное спекание», применяется для пластмассовых деталей.
Причем компания собирается таким образом поставлять детали не только для новых, но и для своих классических автомобилей. И это будет настоящий «оригинал», только абсолютно новый и прошедший все тесты. Все эти технологии основаны на послойном спекании объема порошка лазерным лучом. Качество материала в этом случае ниже, чем у EBM /DED технологий, и деталь будет строго однородной. Но, тем не менее, на выходе качество не ниже, чем у обычного литья и штамповки.
Техпроцесс DMLS достаточно прост. В рабочую камеру подается необходимое количество металлического порошка, его слой разравнивается дозатором и удаляется лишний материал. После чего лазер «запекает» материал по необходимому контуру, а лишний материал опять же удаляется. Снова и снова, цикл за циклом, с точностью порядка 20 микрон и с толщиной слоя до 100.
Технология безотходная и достаточно быстрая. Уже доступны серийные принтеры, имеющие скорость выше 9 килограммов в минуту, а возможности распараллеливания процесса позволяют значительно ее повысить. Вот только стоимость оборудования растет в геометрической прогрессии вслед за габаритами деталей. Именно по такой технологии изготовлены из сплава инконель детали двигателя Super Draco (в частности, камеры сгорания) компании SpaceX Илона Маска, который автомобилистам больше знаком как создатель Tesla .
Для небольших объемов неплохо подходит куда более дешевая технология Binder Jetting. Эта технология интересна тем, что применяется для создания не только металлических деталей. Деталь по сути создается из частиц любого материала, склеенных между собой. Но если используется металл, то после создания ее можно «пропечь», и металлические частицы образуют единое целое. Качество материала, конечно, куда ниже. Но технология заметно дешевле остальных и позволяет создавать детали из композиций материалов.
Схожая технология используется в самом доступном 3D принтере для печати металлических деталей - Mini Metal Maker, ценой порядка 1 600 долларов. Правда точность уже не 20 и не 100 микрон, а не менее 500. Зато размеры почти не ограничены, ведь не требуется ни вакуум, ни особая среда в рабочей области.
Что в итоге?
Прогресс в области трехмерной печати идет настолько быстро, что в течение буквально десятка лет возможна революция в области производства автокомпонентов и логистики при ее обслуживании. Вряд ли появится возможность «распечатать» себе машину, но то, что традиционный рынок запчастей постепенно исчезнет – это наверняка.
Мы будем вспоминать уже не качество поставщиков, а качество принтеров и цифровых моделей. Узнаем, что такое DRM применительно к чертежам деталей. Ну и сможем, наконец, изготовить нужную деталь «точно такую же, но из золота и с рубинами». А какие возможности откроются у тех автолюбителей, которые не прочь что-то изменить в машине куда более кардинально! В общем, нас ждут интересные времена. Берегите себя.
Верите ли вы в то, что за 3D печатью будущее автоиндустрии?
Создать робота очень трудно и очень дорого. Это требует больших затрат, внушительного опыта в ряде дисциплин, а также готовности идти на определенные компромиссы по практическим соображениям. Но многие препятствия исчезли теперь, когда стало возможным напечатать робота на 3D-принтере, используя жидкие и твердые материалы одновременно.
Революционное открытие сделано в Массачусетском технологическом институте (MIT). Там придумали новый процесс 3D-печати, который прозвали «печатаемой гидравликой». Он позволяет изготавливать одновременно твердые и мягкие элементы робота, пишет Wired.
Метод основан на использовании струйного принтера, который создает материал слой за слоем. Каждый такой слой меньше половины ширины человеческого волоса. После того как слой нанесен, он испытывает на себе воздействие ультрафиолетового света высокой интенсивности. В ходе этого этапа материал, который должен стать в итоге твердым, затвердевает, а жидкие части остаются жидкими. Таким образом, твердые и мягкие элементы робота изготавливаются одновременно, а когда процесс печати завершен, робот может перемещаться самостоятельно.
В качестве опытного образца ученые напечатали небольшого робота весом около 680 граммов, длиной порядка 15 сантиметров. Процесс печати занял 22 часа, при этом он проходил практически без вмешательства людей: все, что от них требовалось, это прикрепить электродвигатель и батарейку.
«Возможность одновременной печати твердых веществ и жидкостей позволит создать совершенно новый класс подвижных механизмов. Этот процесс сокращает и упрощает ручную сборку, и это сделает возможным более широкое использование роботов, сделает их более доступными. Сейчас на то, чтобы сделать робота любой сложности, уходят годы. Вы должны быть экспертом в области механики, электроники, вычислительной техники, программного обеспечения. У вас должно быть много опыта. Но с помощью этого инструмента вы сможете подняться на уровень выше, сможете печатать все тело робота без необходимости собирать его вручную», — говорит руководитель исследовательской группы Даниэла Рус.
Ускорение процесса изготовления роботов позволит легче ставить эксперименты, создавать новые прототипы, отметая лишние функции и оставляя полезные. Дешевле и проще изготовить небольшой прототип с помощью 3D-принтера, изучить его функционал, а только потом делать модель в реальном размере.
Кроме того, новая технология открывает новые перспективы в сфере использования роботов. Например, это делает возможным создание одноразовых роботов, которые могли бы войти в опасные для человека районы, например, в места, подвергшиеся сильному ядерному излучению. Есть ситуации, когда не справится не только человек, но и обычная электроника, и в таких случаях могли бы помочь одноразовые роботы, которые можно относительно быстро и недорого напечатать. Когда процесс 3D-печати подвижных конструкций будет отлажен полностью, конструирование робота будет ненамного сложнее, чем создание куклы. Но конечный результат будет гораздо более полезным.
Канадский изобретатель Джим Кор собрал из распечатанных на 3D-принтере деталей небольшой городской автомобиль и теперь собирается проехать на нем 4600 км от Нью-Йорка до Сан-Франциско.
Правда, к управлению таким автомобилем придется привыкнуть, так как он передвигается на трех колесах. Машина может вместить двух пассажиров.
Автомобиль, названый своим создателем Urbee 2, состоит из металлического трубчатого каркаса, обшитого 50 пластиковыми элементами, и весит всего 544 килограмма. Благодаря малой массе Urbee 2 расходует очень мало топлива.
Отвечая на вопросы корреспондента Wired о надежности пластмассовой машины, Кор заявил, что она создается в соответствии со стандартами проектирования спорткаров, а, например, лобовое сопротивление пластикового гибрида примерно в два раза меньше, чем у современных гоночных моделей.
Urbee является гибридным: он оснащен двигателем внутреннего сгорания, работающим на бензине и этаноле, а также аккумуляторной батареей. Разгон до 40 км/ч осуществляется за счет электричества, далее подключается двигатель внутреннего сгорания – одна из немногих металлических частей в машине.
По оценке создателя, аккумулятор машины можно полностью зарядить от бытовой электросети или от солнечных батарей, установленных, к примеру, на крыше гаража. В своем 4600-километровом путешествии он намеревается потратить всего 40 литров топлива, правда, планируется ли подзаряжать аккумуляторы в дороге, изобретатель не уточнил.
Прежде чем взяться за разработку Urbee 2, Кор создавал тракторы, автобусы и даже проектировал бассейны. Кор создал собственную фирму Kor Ecologic, занимающуюся экологически чистой 3D-печатью.
Напомним, принтеры для объемной печати появились несколько лет назад, но пока с помощью чаще всего изготовляют не очень сложные пластиковые модели по трехмерным чертежам (скульптуры, уменьшенные модели крупных машин, самолетов или зданий, а также различные научные модели).
Сейчас такие разработки интересны в основном энтузиастам, но лет через какое-то время такие принтеры позволят распечатать в домашних условиях не только пару кроссовок, но и, например, интегральную микросхему, топливную ячейку или фотонный кристалл.
Однако серьезные люди уже используют гораздо более сложные и дорогие промышленные устройства вроде тех, на которых корпорация Lockheed Martin, один из основных подрядчиков американского военного ведомства, изготовляет методом скоростной трехмерной нанопечати печати большую часть деталей своих беспилотных самолетов Polecat.
ВВС США уже используют 3D-принтер на авиабазе Шепард для изготовления макетов беспилотников, а в инженерном центре ECBC Армии США 3D-печать уже давно используют для изготовления некоторых деталей детекторов мин.
Кроме того, специалисты центра недавно предложили сканировать каждого солдата перед отправкой на фронт, чтобы впоследствии в случае ранения была возможность распечатать идеально подходящий протез. Года полтора назад британские ученые смогли запустить в воздух первый в мире беспилотный летательный аппарат, также напечатанный на 3D-принтере.
Производство деталей на 3D-принтере позволит множеству небольших независимых компаний начать выпуск разнообразных моделей авто. Правда, на данный момент технология еще несовершенна. Несмотря на то, что 3D-принтеры каждый год дешевеют, они по-прежнему довольно дороги.
Так, на сборку одного автомобиля у Джима Кора уходит 2,5 тысячи часов, что обуславливает цену в 50 тыс. долларов. Изобретатель уже получил 14 предзаказов на Urbee 2.
Загрузка...
