Эксперты уверяют, что на 3D-принтере можно сегодня напечатать практически любую деталь. Процесс ограничивается лишь воображением дизайнера. При этом качество и прочность полученных запчастей не оставляют сомнений. Технология уже получила распространение в авиации и вскоре должна прийти в железнодорожную отрасль.

Как напечатать деталь?

Сегодня наибольшее распространение технология 3D-печати приобрела в аэрокосмической отрасли, нишевых сегментах автомобилестроения (изготовление гоночных машин) и в медицине. Здесь российские ученые следуют в русле мировых тенденций. Так, специалисты института металлургии, машиностроения и транспорта при политехническом университете Санкт-Петербурга недавно заявили о том, что впервые в России удалось напечатать на 3D-принтере протез тазобедренного сустава из титанового сплава по индивидуальному заказу для конкретного человека. Первые шаги делаются по внедрению этой технологии в транспортной сфере, где о намерениях применить 3D-принтер для производства авиационных деталей заявили самарские ученые. Они, как сообщили в пресс-службе Самарского государственного аэрокосмического университета (СГАУ), участвуют в создании 3D-принтера, который будет печатать металлические детали для аэрокосмической промышленности, а первым пользователем новой технологии станет самарское предприятие по выпуску авиационных и космических двигателей "Кузнецов", которое является индустриальным партнером проекта.

Уже в 2017-м оно должно получить первый готовый образец напечатанной детали. Планируется, что до конца текущего года в СГАУ будет создан макет головки сопла первого российского трехмерного высокопроизводительного принтера для печати из металла. Создаваемый 3D-принтер рассчитан на печать крупных элементов и узлов авиационных двигателей, изготавливаемых из жаростойких и тугоплавких металлов, - опор и камер сгорания. В перспективе новый высокопроизводительный принтер может заменить устаревшие и дорогостоящие технологии в двигателестроении, такие как штамповка деталей и литье.

Определенные перспективы использования 3D-печати есть и в железнодорожном машиностроении, уверены эксперты. Некоторые разработки в этом направлении уже ведутся мировыми лидерами отрасли, например компанией Siemens AG. Как рассказал главный инженер департамента сервисной поддержки заказчиков Siemens AG Сергей Эман, применение технологии 3D-печати дает возможность производить до 5% деталей для нужд железнодорожной отрасли, и уже сегодня данная технология позволяет изготавливать всю стандартную номенклатуру продукции, которую можно моделировать с помощью порошкообразной поверхности. При этом технология решает ряд задач, неразрешимых с точки зрения традиционных методов производства. Сегодня экономическую целесообразность изготовления конкретной детали определяет минимальный объем заказов, который регламентируется степенью загрузки оборудования, а также объемом сырья, которое есть в наличии или будет приобретаться.

Все это требует складов хранения и времени на доставку заказов, что в итоге оборачивается замораживанием как финансовых, так и материальных ресурсов. Наряду с этим существует и проблема морального старения моделей и конструкций, в которые должны вноситься актуальные изменения. Например, срок службы поездов Siemens составляет 30 лет и выше, в течение этого времени может появиться необходимость в новых функциях или же техническом внедрении каких-либо дополнительных требований заказчика. Решить подобные задачи в короткие сроки и обеспечить сервисное обслуживание при плановой или внеплановой замене запчастей (вне зависимости от того, имеются они на складе или же нет) как раз и позволяет новейшая технология 3D-печати. "Идеальное решение этой проблемы - любая запасная часть в любое время и по приемлемой цене. Именно 3D-печать помогает быстро и на месте решить такие проблемы обеспечения запасными частями заказчика", - подчеркнул С. Эман.

При 3D-печати изделия формируются путем послойного наращивания нужных конфигураций из того или иного материала, как правило, пластика. То есть трехмерная модель, созданная на компьютере, по сути, выращивается согласно заданной программе. При этом класс точности соответствует одному слою, который составляет от 15 до 80 мкм. Еще одним методом изготовления деталей является селективная вакуумная плавка.

Она используется для изготовления металлических деталей, при этом исходный материал может быть любым: алюминий, титан, нержавеющая сталь и т. п. Причем деталь можно изготавливать без формовочной модели, просто сканируя уже имеющийся образец. Главное отличие 3D-печати от инновационных технологий производства заключается в том, что она не зависит от объемов. При привычном производстве, например, с помощью формы, себестоимость детали будет тем меньше, чем больше их произведено. А при изготовлении на 3D-принтере стоимость детали остается неизменной.

При этом, в отличие от традиционной технологии производства, издержки на единицу продукции не зависят от сложности изготовления. Наоборот, чем сложнее конструкция и форма детали, тем выгоднее ее производить с помощью 3D-печати.

Неограниченный дизайн

Среди основных преимуществ 3D-печати эксперты называют возможность ничем не ограниченного инженерного дизайна. "Все, что вы можете себе представить, можно без ограничений воплотить, - рассказал представитель Siemens AG. - Наряду с этим достигается легкая конструкция и повышенная прочность деталей, что сопровождается уменьшением расходов на монтаж. Никаких ограничений при минимальных объемах. И никакого устаревания". Кроме того, интеграция детали осуществляется без дополнительных средств, а само производство - без применения дополнительных инструментов. Одним из практических примеров использования 3D-печати служит замена коробки надрессорной балки тележек, когда было экспериментально доказано, что прочность материала новой детали втрое выше, чем алюминиевой.

На сегодняшний день основным препятствием для применения этой технологии на производстве является высокая стоимость самого устройства. Так, 3D-принтер с возможностью нанесения металлического порошка стоит от $500 тыс. Однако массовый рост спроса на 3D-печать в самое ближайшее время способен удешевить этот метод. Стоимость детали напрямую зависит от ее объема и используемого материала, но уже сегодня в процессе разработки возможна оптимизация цен.

Ограничение возможностей производства сейчас есть и для крупногабаритных деталей, для которых необходим соответствующих размеров "печатный станок". Хотя, как показывает практика, для китайских производителей это уже не предел: архитектурная компания Winsun приступила к строительству жилых домов с помощью гигантского промышленного принтера длиной в 150 м и высотой в 6 м. Свои достижения есть и у американского автопрома. Минувшим летом компания Divergent Microfactories представила автомобиль Blade, основные детали которого напечатаны на 3D-принтере. По данным изготовителей, шасси у Blade весит на 90% меньше, чем у традиционных автомобилей, что позволяет развивать скорость порядка 97 км/ч за 2 секунды. Новинку планируется производить небольшими партиями на нескольких малозатратных предприятиях в разных странах. По некоторым оценкам, строительство одного такого завода, печатающего авто, может обойтись в $10-20 млн, а окупаемость ему обеспечит выпуск не менее 2,4 тыс. машин в год. Однако пока что изготовление небольшой детали из нержавеющей стали при ее производстве на принтере с одной печатающей головкой занимает не менее 4,5 часов. Впрочем, если увеличить количество лазерных головок, например, до 4, то можно сократить время в 3 раза.

Еще одной проблемой является нормативно-техническое сопровождение производства и сертификация изготавливаемой продукции. Поскольку технология - абсолютно новое явление научно-технической мысли, то и доказывать ее состоятельность приходится буквально с нулевого уровня наличия регламентирующих документов. При этом особенно важно учитывать требования к безопасности перевозок. Например, детали, изготовленные из пластика, должны соответствовать всем правилам и нормам пожарной безопасности.

Тем не менее данная технология очень быстро развивается. С учетом того, что ОАО "РЖД" все больше начинает эксплуатировать современные поезда типа "Ласточка", а в изготовлении деталей вагонов все более значительную долю занимают современные материалы, в том числе композитные, эксперты прогнозируют достаточно бурный рост 3D-печати в отраслевом машиностроении. И произойти это может буквально в течение ближайшего пятилетия. Наверное, полностью заменить целый склад с хранящимися там запасными частями на разные случаи жизни такой принтер не сможет. Однако он способен значительно упростить замену деталей со сложной геометрией или по единичному заказу.