Сердце на ладони

Или Безграничные возможности аддитивных технологий

Юноши, входящие в жизнь, иногда испытывают трудности в выборе будущей профессии. Каждому хочется, чтобы она сочетала в себе и традиционные технологии, и возможность инновационного развития, и гарантировала долгую служебную карьеру. В этом смысле инженерные или конструкторские специальности будут нужны на любом производстве и во все времена, а научно-технические знания, полученные в вузе, помогут молодым специалистам в более узкой специализации, востребованность которой вызвана ускорением научно-технического прогресса. И в этом смысле одними из передовых являются аддитивные технологии (от английского to add - добавлять), производящие настоящую революцию во многих отраслях. Построены они не на снятии излишков материала с детали, а, наоборот, на послойном изготовлении изделия по трехмерной модели, полученной в САПР. Происходит это за счет добавления материала в виде пластиковых, керамических, металлических порошков и их связки термическим, диффузионным или клеевым методом.  Для наглядности это можно сравнить с выращиванием кристаллов солей, чем занимался не один школьник. Только процессы "рождения" детали намного сложнее и использует добрый десяток различных приемов. 

Чтобы понять, в чем кроется секрет аддитивных технологий и такого стремительного вторжения их на рынок, мы отправляемся в “Технополис “Москва”, который расположился на обширных площадях у станции метро “Текстильщики”. Здесь одним из резидентов “Технополиса” стала компания “Аддитивный инжиниринг”, входящая в Группу Компаний SIU System, а нашим любезным гидом согласилась стать исполнительный директор SIU System Мария Борисова. 

Почувствуй себя творцом!

В большом помещении, условно разделенном на рабочие зоны, островок со столами и персональными компьютерами для сотрудников компании представляется небольшим атоллом, а все свободное пространство отдано пятнадцати 3D-принтерам. Кажется, что именно эти машины, управляемые искусственным интеллектом, и являются главными в “Аддитивном инжиниринге”. Хотя Мария Борисова легко развеяла это заблуждение. Конечно же, основную роль играют компетентные специалисты, а они в компании подобраны из лучших инженеров и конструкторов, выпускников технических вузов столицы. И творят эти люди, в буквальном смысле, новую реальность. Убеждаешься в этом, рассматривая выставленные изделия, отпечатанные на принтерах из различных материалов.

Глядя на сопло реактивного двигателя, похожее на царскую корону, с удивлением с тыльной стороны увидел тончайшую скань металлической сетки, призванной отводить от рабочей зоны излишнее тепло. Немного разбираясь в материаловедении, я был поражен этим инженерным творением, которое невозможно исполнить традиционными способами обработки металла. Ни сложнейшим литьем, ни тем более ковкой или фрезеровкой сделать такой ажурный узор не удастся. Средневековые ювелиры трудились над таким стальным "кружевом" месяцами. А принтеру это оказалось по силам за несколько часов (30 часов, если работает 3 лазера и около 80 часов – если лазер один). 

"Коронный" заказ от авиастроителей. 

В качестве доказательства исполнительный директор провела небольшую экскурсию по рабочей зоне, объясняя назначение каждого из принтеров и показывая, что они могут делать. Одни деловито посверкивали ярким лучом лазера. Это шла печать очередного изделия. На других - операторы настраивали программное обеспечение для новой работы. На полках в углу цеха были выставлены образцы металлических, керамических или полимерных изделий, среди которых яркими цветами выделялось человеческое сердце. Гипс выдавал искусственность его происхождения, но артерии, сердечные мышцы были настолько реалистичны, что становилось немного не по себе. К счастью, это был просто муляж, хотя "Аддитивный инжиниринг" уже сегодня делает "запчасти" к человеческому организму. Правда, в основном, это касается суставов, позвонков и … зубов. Новейшие технологии позволяют устранить поврежденные кости или исправить неправильный прикус быстро и с такой точностью, будто эти детали скелета отливались в мастерской ее величества самой Природы. А еще новые материалы не отторгаются человеческим организмом, что обеспечивает успех операции и последующего выздоровления.

Модель сердца

Технологический прорыв

Ювелирные украшения сложнейшей формы или миниатюрные копии знаменитых скульптур тоже являются продуктами 3D-печати, но основное предназначение аддитивных технологий - это сложный мир техники. Особые печатающие устройства, работающие и с металлами, и с пластиком, совершили негромкую, но все же революцию в машиностроении. Традиционными способами изготовления деталей машин на протяжении веков были литье или механическая обработка металла. И тот, и другой способ с точки зрения конструктора или технолога имеют целый ряд как достоинств так и недостатков. Прежде всего, при работе допускается большой расход металла. При литье отливку будущей детали специально делают большего размера, чтобы путем последующей обработки вручную или на специальных станках доводить ее до нужных габаритов. Граммы, а иногда и целые килограммы металла превращаются в стружку, которую потом вынуждены отправлять на переплавку. Чугун или сталь сравнительно дешевы, а ведь в металлургии используются легирующие добавки из редкоземельных металлов, которые улучшают качество стали. Вольфрам, молибден, ванадий многое дают, однако их  получение весьма затратное. 

3D-печать позволяет творить чудеса. И в изготовлении, и в экономии материалов. Представьте себе некий агрегат, который по близкой аналогии называют принтером, в картридж которого загрузили не привычные всем чернила, а металлический порошок. В сменных модулях находится, скажем, алюминий, а в другом - титан, вольфрам или иной легирующий металл. Послойная печать позволяет печатать многокомпонентные детали вместе, без последующей сборки, то есть можно поместить одну деталь внутрь другой или напечатать подшипник в сборе.  Именно такая способность аддитивной технологии позволяет придавать изделиям новые потребительские качества: повысить прочность, облегчить вес, улучшить внутреннюю структуру материала. При традиционной технологии сделать это невозможно. А для принтера, который печатает металлом - запросто! И вот как это происходит.

Задание скопировано в "мозг" принтера. Еще минута и начнется процесс печати.

На подвижную платформу автоматически подается тонкий слой металлического порошка. Он выравнивается до тончайшего слоя в несколько десятков микрон. Человеческий волос по сравнению с ним представляется огромным деревом! А дальше луч лазера, управляемый компьютером, плавит порошок, спекая его в однородную массу послойно. Так происходит слой за слоем.

Любопытно смотреть в это время на монитор принтера. На нем при каждой операции возникает рисунок, напоминающий "нарезку", сделанную компьютерным томографом. Как бы ни был тонок печатаемый слой, компьютер обработает его числовые значения и даст команду механизму подачи. Платформа опускается ровно на толщину полученного слоя и механизм снова подает новую порцию металлического порошка. При этом практически отсутствуют отходы производства!
 

Трудно быть богом?

Роман братьев Стругацких под таким заголовком дал повод посмотреть, как подсмотренные у природы секреты могут пригодиться современным конструкторам и технологам. На столе перед Марией Борисовой лежала неказистая пластиковая ручка. Но исполнительный директор объяснила, что за этой кажущейся простотой стоит сложное изделие. Это специальный рычаг, способный выдерживать большие нагрузки. Секрет его прочности не в особом  пластике, а в металлической сетке-арматуре, скрытой внутри изделия.

Многим доводилось видеть, как строители сегодня заливают фундамент или возводят стены домов. Сначала сваривают из металлических прутьев каркас, потом вокруг него возводят опалубку и внутрь заливают бетонный раствор.

Мне думается, что эта строительная технология получила идею от изучения строения костей человека или животного. Для уменьшения веса скелета и придания несущим костям особой прочности природа в процессе эволюции методом проб и ошибок за миллионы лет "придумала" своеобразную внутреннюю сетку из кальция, которая находится внутри полой кости и прикреплена к ее стенкам. Это и придает им особую прочность. Например, кости бедра ноги человека выдерживают вертикальную нагрузку весом с легковой автомобиль!

Аддитивные технологии позволяют топологически оптимизировать деталь, сделав конструкцию с полостями. Таким образом, изделие становится легче и прочнее. Инженеры-конструкторы теперь могут позволить себе проекты, которые еще пару десятков лет назад казались плодом вымысла писателей-фантастов. При помощи компьютерных технологий они могут проектировать объемные модели самых сложных узлов, о которых раньше не думали.  И это не выдумка.
 

Игрушки для взрослых дядей

На одном из стеллажей помещен полый земной шар, не имеющий ни единого шва, а внутри него на тонкой ажурной цепочке раскачивается...  Дед Мороз. Эта забавная и оригинальная игрушка на самом деле призвана продемонстрировать возможности аддитивных технологий и обучить операторов 3D-принтеров. Объемные модели будущих изделий, созданные на компьютерах, в цифровом виде попадают в "мозг" принтера, и специальное программное обеспечение делает пространственную разметку. После чего и начинается собственно объемная печать. Слой за слоем, в зависимости от выбранной технологии печати. 

Сегодня в мире уже разработано свыше 30 технологий объемной печати. Они различаются не только по виду и способам подачи рабочего и связующего материала, но и по ходу площадки, на которой формируется печатное изделие. Одни детали растут вверх, послойно поднимаясь над площадкой, другие словно висят вниз головой, и частички материала прикрепляются снизу. В природе есть подобные феномены - это известковые сталагмиты и сталактиты, вырастающие в пещерах. А еще такими бывают привычные всем сосульки. Только "сосульки", рожденные 3D-принтером, имеют четкую форму и вполне реальные потребительские свойства.

В зависимости от назначения принтера, в нем для плавления используются промышленные лазеры или специальные нагревающие элементы, если рабочим материалом выступает пластик. Иногда для получения трехмерной модели используют цветной воск, как делали в прошлом скульпторы или ювелиры. Так в новой технологии тесно сплетаются инновационные и традиционные способы изготовления деталей.

Технологии печати постоянно совершенствуются и пополняются новыми видами. Некоторые из них создаются в России. Ученые Томского университета вообще придумали технологию, которая позволяет печатать изделия, буквально парящие в воздухе. Они так и назвали свое детище - левитационная печать. Микроскопические частички, повинуясь командам компьютера, притягиваются друг к другу и образуют сложную деталь. Она спекается и становится прочной, как и задумал человек.

Зеленоградская марка

Так как же устроен принтер, позволяющий выполнять объемную печать из самых разных материалов?

Для того, чтобы узнать это, отправимся в небольшое загородное путешествие в подмосковный Зеленоград. Здесь расположена компания Piсaso3D, которая уже десять лет производит отечественные принтеры. Создали ее два молодых энтузиаста - Андрей Исупов и Максим Анисимов. За это время их детище стало настоящим предприятием, одним из немногих в стране, которые выпускают такое уникальное оборудование.

Технология печати, примененная в этих принтерах, называется Fused Filament Fabrication [FFF], что буквально переводится как производство способом наплавления нитей. Катушки с пластиковыми нитями помещаются в принтер, нить подается к месту создания трехмерной модели, плавится и осаждается на детали.  

Созданные таким способом модели могут помогать конструктору проверить тщательность расчетов, поскольку представляют собою точную копию будущей сложной детали. Моделисты получают наглядное представление, как будет выглядеть будущее изделие перед запуском серии товаров. Принтеры могут использоваться даже в домашних условиях для развития технического творчества ребенка.

Программисты Picaso3D создали специальное программное обеспечение, которое позволяет легко осуществлять самую сложную печать. Как говорится, дело ограничивается только вашей фантазией.

Вячеслав Ярцев продемонстрировал нам забавные игрушки и копии величественных зданий, напечатанные на зеленоградских принтерах. И пояснил, что архитекторы проявляют большую заинтересованность в этой технологии. "Построить" самое сложное сооружение и увидеть его миниатюру воочию - это позволяет оценить архитектурный замысел и представить будущий проект на суд обычных зрителей или авторитетных коллег. 

Шаги за горизонт

Будущее 3D-печати большое и перспективное. И сферы применения достаточно обширны. Даже наши небольшие экскурсии наглядно показали, что новые изделия могут применяться и в медицине, и в машиностроении, и в ювелирном деле, и в обувном производстве, и даже в кондитерском. Печать... шоколадом уже не редкость, а 3D-ручки стали привычными игрушками. Более того, многие родители, желающие развивать творческие способности детей, купили небольшие 3D-принтеры для дома.  

Так что, присмотритесь к объемной печати, может быть, кто-нибудь сможет найти в этой области место для применения своих знаний и фантазий. А принтеры помогут вашим дерзновенным мечтам обрести зримые черты!

В Канаде, к примеру, напечатали таким способом виолончель, которая по своему звучанию не отличается от творений великих итальянских мастеров Амати или Страдивари. Легкая разборная конструкция музыкального инструмента позволяет легко перевозить виолончель без страха повредить бесценное изделие...

Как знать, может быть, завтра вы сами определите для себя свое будущее: стану специалистом в области аддитивных технологий!

Александр Прасол, фото автора и Иванова Ивана Ивановича  

Источник