Eng
RusРеволюция в металлообработке через аддитивные технологии
Мировая индустрия производства изделий из металлов переживает коренные изменения. Согласно отчёту Wohlers Report 2024: Additive Manufacturing and 3D Printing State of the Industry (Wohlers Associates, 2024, www.wohlersassociates.com), рынок аддитивных технологий превысил $22,8 млрд в 2023 году, демонстрируя ежегодный рост более 20%. При этом металлургические применения занимают около 24% рынка.
Исторически наиболее широко применялись лазерные технологии (SLM, DMLS) и методы струйной печати (Binder Jetting). Однако рост цен на специализированные металлические порошки, энергозатратность оборудования и высокая стоимость серийного производства стимулируют интерес к альтернативным подходам — прежде всего к Material Extrusion (MEX) и его подвиду Fused Granulate Fabrication (FGF).
Что такое MEX/FGF?
MEX — это послойная печать изделий за счёт выдавливания материала через экструдер. В рамках FGF применяются не филаменты, а гранулированное сырьё, что позволяет использовать более дешёвые и доступные материалы, аналогичные тем, что применяются в технологиях MIM (Metal Injection Molding).
Факторы, стимулирующие рост интереса к MEX/FGF:
• Удешевление сырья (гранулы дешевле специализированных порошков в 3–5 раз).
• Более низкие требования к энергетике оборудования.
• Возможность печати крупногабаритных изделий.
• Простота масштабирования производственных мощностей.
Динамика роста рынка 3D-печати (2015–2030). Источник данных: Wohlers Report 2024,
Актуальность для глобальной и российской промышленности
На фоне глобальных цепочек поставок, потрясённых пандемией и геополитическими изменениями, локализованное, адаптивное и недорогое производство становится стратегическим преимуществом. MEX/FGF позволяет компаниям:
• Быстро разрабатывать и выводить на рынок новые изделия.
• Снижать зависимость от зарубежных поставок высокотехнологичных материалов.
• Реализовывать прототипирование и мелкосерийное производство в кратчайшие сроки.
Распределение технологий на рынке 3D-печати в 2024 году. Источник данных: Wohlers Report 2024,
Этапы и технология MEX/FGF — от гранулы до металлической детали
Технология MEX/FGF (Fused Granulate Fabrication) позволяет производить металлические изделия за счёт шнековой экструзии гранулированного материала с последующим удалением связующего и спеканием. Эта цепочка включает четыре ключевых этапа, каждый из которых требует точной настройки и контроля качества.
1. Подготовка материала
Используемый материал состоит из металлического порошка (обычно 75–90%) и термопластичного связующего (полиолефины, полиамиды и др.). Гранулы разрабатываются с учётом текучести, равномерности наполнения и стабильности при нагреве.
Параметры:
• Размер частиц: 0–20 мкм (металл).
• Температура плавления связующего: 120–180°C.
• Объёмное наполнение порошком: до 90% в MIM-подходе.
2. 3D-печать (экструзия)
Сырьё подаётся в шнековый экструдер, где пластифицируется и выдавливается через сопло. Послойное нанесение происходит в соответствии с цифровой моделью.
Контролируемые параметры:
• Температура печатающей головки: 180–230°C.
• Диаметр сопла: 0,4–1,2 мм.
• Высота слоя: 0,1–0,3 мм.
• Скорость печати: 10–60 мм/с.
Этапы технологии MEX/FGF
3. Вымывание (дебайндинг).
Удаление связующего
После печати заготовки проходят стадию удаления полимерного связующего. Существует три основных способа дебайндинга:
• Каталитический дебайндинг (Catalytic debinding)
Применяется для быстрого удаления связующего в атмосфере азота с использованием катализатора (например, азотной кислоты).
Температура: 120–150 °C.
Преимущества: высокая скорость процесса.
Недостатки: высокая стоимость оборудования, сложность контроля, опасность при работе с катализаторами.
• Термический дебайндинг (Thermal debinding)
Удаление связующего за счёт медленного нагрева в печи.
Температура: 200–450°C.
Преимущества: простота процесса.
Недостатки: риск деформации изделий, длительное время цикла, необходимость точного контроля температуры и атмосферы.
• Сольвентный дебайндинг (Solvent debinding)
Использование органических растворителей для удаления растворимой части связующего.
Температура: 20–80°C (в зависимости от растворителя).
Преимущества: мягкость процесса, снижение рисков деформации.
Недостатки: необходимость работы с химическими жидкостями и утилизации растворителей.
Этап вымывания критичен для сохранения геометрической точности изделия и предотвращения дефектов структуры.
4. Спекание
Заключительный этап — спекание металлического каркаса в печи. Металлические частицы спекаются, образуя плотную монолитную структуру.
Параметры спекания:
• Температура: 1100–1500°C (для наиболее распространённых металлов).
• Время выдержки: до 16 часов.
• Атмосфера: вакуум, аргон, водород или восстановительная среда.
Финальная плотность: до 96–99% от теоретической плотности исходного металла. При правильной термической обработке физико-механические свойства и характеристики таких изделий (прочность, твёрдость, плотность, коррозионная стойкость) сопоставимы с изделиями, полученными методом традиционного литья под давлением или MIM (Metal Injection Molding). Это открывает возможность применения продукции, полученной методом MEX/FGF, в ответственных конструкциях, требующих высоких эксплуатационных характеристик. Примеры конкретных материалов:
• 316L (нержавеющая сталь): после MEX/FGF- спекания достигает прочности на растяжение до
480–550 МПа, пластичности более 40%, высокой коррозионной стойкости, аналогичной литейным аналогам.
• Ti6Al4V (титан — алюминий — ванадий): достигает прочности до 900–950 МПа и отличной удельной прочности, что позволяет использовать детали в авиации и медицинской технике.
• 17‑4PH (прецизионная коррозионностойкая сталь): после обработки демонстрирует высокую твёрдость (до 38‑42 HRC) и стойкость к агрессивным средам.
Эти результаты показывают, что изделия, напечатанные по технологии MEX/FGF, подходят для применения в медицине, энергетике, нефтегазовой промышленности и высокоточной инженерии.
Преимущества технологии MEX/FGF — технологические, экономические и стратегические аспекты
1. Технологические преимущества
• Гибкость в выборе материалов: возможность использования широкого спектра металлических порошков, включая нержавеющие стали, титановые сплавы, медные и никелевые материалы.
• Печать изделий разных габаритов: благодаря шнековой подаче гранул возможна реализация изделий до нескольких метров в длину.
• Упрощение требований к оборудованию: отсутствие необходимости в прецизионных лазерах или струйных головках снижает требования к точности компонентов принтера.
• Высокое качество итоговых изделий: при правильной постобработке изделия достигают характеристик, сопоставимых с литьём под давлением.
2. Экономические преимущества
• Снижение стоимости сырья: гранулированные материалы в 3–5 раз дешевле порошков, используемых в SLM и Binder Jetting.
• Уменьшение эксплуатационных расходов: отсутствие высокоэнергетических лазеров снижает энергопотребление.
• Удешевление оборудования: конструкции с шнековым экструдером проще и дешевле в производстве и обслуживании.
• Снижение себестоимости изделий: за счёт сырья, оборудования и энергопотребления итоговая себестоимость изделия ниже на 30–50% по сравнению с другими методами аддитивного производства.
3. Стратегические преимущества
• Простота масштабирования: возможность плавного перехода от единичного производства к серийному выпуску без необходимости полной замены оборудования или перенастройки процессов.
• Локализация производства: возможность развёртывания малых и средних производственных мощностей вблизи конечного потребителя.
• Гибкость серий: быстрая адаптация к мелкосерийному производству и прототипированию.
• Независимость от внешних поставок: использование доступных гранул вместо импортируемых порошков снижает риски в условиях ограничений и санкций.
Применение технологии MEX/FGF — кейсы, отрасли, потенциал
1. Международные кейсы применения
• AIM3D (Германия)
Немецкая компания AIM3D разработала экструдер CEM-E1, способный печатать металлическими гранулами с использованием технологии FGF. Он поддерживает работу со стандартными MIM-порошками, используется в машиностроении, медицине и авиации.
Подробнее: aim3d.de/en/
• JuggerBot 3D (США)
JuggerBot 3D предлагает промышленную платформу Tradesman Series™ для FGF-печати металлическими композитами. Применяется для быстрого производства деталей в аэрокосмической и автомобилестроительной сферах.
Подробнее: juggerbot3d.com
• Piocreat (Китай)
Компания Piocreat разработала FGF-принтеры, работающие с металлическими порошками и гранулами. Решения применяются для изготовления крупных металлических деталей с минимальными затратами.
Подробнее: piocreat3d.com
2. Перспективные отрасли применения
• Авиация и космос: изготовление неответственных и полуструктурных деталей, быстрое прототипирование, ремонт и замена элементов, а также снижение веса конструкций благодаря оптимизированной геометрии.
• Энергетика и машиностроение: компоненты турбин, крепёж, корпуса насосов.
• Медицина: индивидуальные хирургические инструменты и импланты.
• Нефтегазовая и химическая промышленность: износостойкие и антикоррозионные детали, сопла, адаптеры.
• Оборонная промышленность: мелкосерийное и опытное производство корпусов, кожухов, деталей, требующих прочности и устойчивости.
• Железнодорожный транспорт и судостроение: изготовление и ремонт нестандартных металлических компонентов.
• Лёгкая промышленность и архитектура: дизайнерские металлические элементы, каркасы, фасадные панели.
3. Потенциал для применения в России
• В условиях санкционного давления и необходимости импортозамещения технология MEX/FGF может стать основой для локализованного производства запчастей.
• Возможность быстрого реагирования на производственные задачи, включая опытно-конструкторские и ремонтные.
• Перспектива развития на базе университетов, технопарков и малых производств.
MEX/FGF — это не просто альтернатива другим методам 3D-печати. Это технология, обладающая способностью встраиваться в существующие производственные цепочки и гибко адаптироваться под задачи отраслей с разным уровнем требований и доступными ресурсами.
M-Shape — российская разработка в области MEX/FGF-печати металлом
В условиях растущей потребности в технологической независимости, локализации производств и сокращении издержек компания M-Shape предлагает комплексное решение на базе технологии MEX/FGF, которое сочетает в себе отечественные инженерные разработки, материалы и поддержку внедрения. Компания не копирует западные аналоги, а развивает собственную технологическую платформу, адаптированную под задачи российского рынка.
Что входит в экосистему M-Shape:
• Настольный 3D-принтер со шнековым экструдером, спроектированный для стабильной работы с металлическими гранулами. Оборудование разработано для НИОКР, прототипирования и мелкосерийного выпуска деталей.
• Собственные MIM-гранулы и металлонаполненные филаменты, оптимизированные по вязкости, усадке и совместимости с типовым промышленным оборудованием.
• Полный цикл: печать — вымывание — спекание, реализуемый через модульную архитектуру, что позволяет масштабировать технологию по мере роста задач предприятия.
• Полная локализация: от материалов до инструкций — всё создано и поддерживается в России, без зависимости от зарубежных поставок.
В чём практическое преимущество перед зарубежными аналогами
• Стоимость: решение M-Shape в 2–3 раза доступнее, чем импортные MEX/FGF-системы, при сопоставимом уровне точности и плотности изделий.
• Гибкость: компания работает под задачи клиента, адаптируя конфигурацию оборудования, параметры материалов и процессы постобработки.
• Поддержка: инженерное сопровождение, обучение и адаптация методик выполняются на русском языке, в рамках одной часовой зоны и нормативной базы.
Потенциал внедрения и актуальность для российских компаний
Технология MEX/FGF развивается как на глобальном, так и на локальном уровне, и M-Shape предлагает решения, позволяющие российским компаниям подключиться к этому тренду на приемлемых условиях.
Компактные принтеры, совместимые с отечественными материалами и инфраструктурой, позволяют:
• ускорить цикл разработки изделий в НИОКР и инжиниринговых бюро;
• использовать MIM-гранулы для прототипирования и испытаний без необходимости в дорогостоящих порошках;
• локализовать мелкосерийное производство, особенно актуальное в условиях нестабильных логистических цепочек и ограниченного импорта.
MEX/FGF-подход также снижает барьер входа в металлопечать для организаций, не готовых инвестировать в оборудование лазерной печати. Благодаря M-Shape предприятия и университеты получают возможность экспериментировать, обучать и производить на базе единого отечественного решения.
Сравнение с альтернативными технологиями
Технология MEX/FGF, реализованная в решении M-Shape, выгодно отличается от других распространённых методов производства металлических изделий.
Это делает MEX/FGF-подход особенно привлекательным для тех, кто ищет оптимальное соотношение стоимости, гибкости и технологической независимости.
M-Shape предлагает инженерно обоснованный подход к внедрению технологии MEX/FGF: от оборудования и материалов до сопровождения внедрения. Это инструмент для системного повышения производственной гибкости и технологической независимости в условиях ограниченных ресурсов и высокой неопределённости.
M-Shape — это не просто принтер или материал.
Это инженерная платформа, с которой можно выстраивать собственный независимый производственный процесс: от идеи до готового металлического изделия.
Заключение
Технология MEX/FGF (Fused Granulate Fabrication) представляет собой перспективное направление в области аддитивного производства, позволяющее использовать металлические гранулы и компаунды для создания изделий с высокой точностью и механическими свойствами, сопоставимыми с традиционными методами. В отличие от других технологий, таких как SLM или Binder Jetting, MEX/FGF обеспечивает более низкие затраты на оборудование и материалы, а также упрощённые процессы постобработки.
Решение M-Shape, разработанное в России, предлагает полностью локализованную экосистему для внедрения MEX/FGF-технологии. Она включает в себя собственные разработки оборудования, материалов и методик, адаптированных к требованиям отечественной промышленности и образования. M-Shape предоставляет доступное и эффективное решение для предприятий, стремящихся к технологической независимости и оптимизации производственных процессов.
В условиях ограниченного доступа к зарубежным технологиям и необходимости импортозамещения внедрение MEX/FGF с использованием решений M-Shape становится стратегически важным шагом для российских компаний. Это позволит не только сократить издержки, но и повысить гибкость и скорость разработки новых продуктов.
Таким образом, MEX/FGF-технология и решение M-Shape открывают новые возможности для развития отечественного производства, обеспечивая конкурентоспособность и устойчивость в современных условиях.
Если вы ищете решение, которое действительно работает, учитывает ваш контекст и может быть внедрено в течение нескольких недель, — свяжитесь с компанией mshape.ru.
Автор: Дмитрий Цымбал,
операционный директор и сооснователь M-Shape, https://t.me/dmitry_tsymbal
Источник журнал "Аддитивные технологии" № 2-2025
