Материалы и технологические процессы аддитивного производства

• Классификация материалов
• Технологические процессы
• Контроль качества и испытания
• Инновации в производственных процессах
• Вопросы и ответы

Классификация материалов

Металлы (в т.ч. порошки Ti45Nb)

Металлы играют ключевую роль в аддитивном производстве, особенно в отраслях, где к деталям предъявляются серьёзные требования по прочности и долговечности — авиастроение, медицина, энергетика. Металлические порошки, такие как титановые, алюминиевые и никелевые сплавы, используются в лазерной и электронной аддитивной сварке, а также в прямом лазерном осаждении.

Особое внимание стоит уделить сплаву Ti45Nb — это титан-ниобиевая система, которая отлично себя зарекомендовала в медицинских имплантатах. Благодаря высокой биосовместимости, хорошей пластичности и умеренной жёсткости, такие порошки активно используются для изготовления костных протезов и стоматологических систем.

Преимущества применения металлических порошков:

• Высокая плотность готовых изделий при минимальной пористости.
• Повышенная прочность и износостойкость, подходящая для нагруженных деталей.
• Возможность точной подгонки химического состава под специфические нужды отрасли.

Полимеры и смолы

Полимерные материалы составляют значительную долю на рынке аддитивных технологий. В отличие от металлов, они недороги, универсальны в обработке и идеально подходят для прототипирования, мелкосерийного производства и даже финальных потребительских изделий.

Наиболее популярные типы полимеров — PLA, ABS, PETG, нейлон и высокотемпературные инженерные пластики, такие как PEEK и PEI. В сочетании с цифровыми технологиями создания моделей, полимеры позволяют воплощать идеи практически без ограничений по геометрической сложности.

Смолы (фотополимеры) активно применяются в SLA/DLP-процессах. Это материалы, застывающие под воздействием ультрафиолетового излучения. Они дают отличную детализацию и подходят для создания мелких точных элементов, особенно в ювелирной и стоматологической сферах.

Что важно учитывать при выборе полимеров:

Комбинированные материалы

Комбинированные или композитные материалы давно перешли из разряда экспериментальных в промышленное применение. Их основная задача — объединить лучшие свойства составляющих компонентов: жёсткость и прочность наполнителей с гибкостью полимерной основы или проводимость металлических частиц с лёгкостью пластика.

Часто используются полимеры, наполненные углеродным волокном, стекловолокном или металлической стружкой. Это позволяет создавать износостойкие конструкции, пригодные даже для работы в агрессивных средах. Также встречаются многослойные решения, где один материал используется как база для другого, например, керамико-металлические композиты в высокотемпературной печати.

Подобные материалы особенно интересны с точки зрения автоматизации и интеграции в серийное производство. Учитывая растущий спрос на цифровую грамотность специалистов, имеет смысл обратить внимание на образовательные программы в области аддитивных технологий, где уделяется внимание как выбору материалов, так и технологиям их применения.

Применение комбинированных материалов — это шаг к новой производственной культуре, где проектирование изделия учитывает не только форму, но и поведение материала на всех этапах жизненного цикла.

Технологические процессы

Селективное лазерное сплавление

Селективное лазерное сплавление (SLS или SLM) — один из самых точных методов аддитивного производства для металлов. Его суть заключается в послойном спекании порошка с помощью мощного лазерного луча в заранее заданной области. В результате формируется цельнометаллическая деталь, обладающая высокой прочностью и минимальной пористостью.

Этот процесс часто применяется при производстве ответственных компонентов в авиации, медицине и энергетике. Например, турбинные лопатки, которые изготавливаются по индивидуальному чертежу и требуют высокой точности геометрических параметров даже в самых мелких деталях. Также он отлично подходит для создания сложных внутренних каналов, которые невозможно реализовать традиционной обработкой.

Основные преимущества метода:

• Хорошая механическая прочность конечных изделий
• Минимальная потребность в постобработке
• Возможность печати изделия сразу в сборке, с подвижными элементами

Процесс требует высококачественного металлического порошка и стабильного поддержания температурного режима, поэтому запуск подобного производства требует технологически зрелого подхода к проектированию. Подробнее о подготовке технологических комплексов для аддитивного производства можно прочитать в этой статье.

Наплавка металлической проволокой

Наплавка проволокой (Wire Arc Additive Manufacturing, WAAM) — более доступная, но не менее ценная технология, особенно для крупногабаритных изделий. Вместо порошка здесь используется обычная сварочная проволока, а построение объекта ведется через послойную дуговую сварку.

Эта технология выгодно отличается скоростью и стоимостью производства. Детали получаются менее точными по сравнению с лазерными методами, но зато отлично подходят для последующей механической обработки. WAAM часто применяют для изготовления корпусных частей, опорных конструкций и нестандартных элементов, где высокая точность не критична на этапе печати.

Среди ключевых особенностей можно выделить:

• Очень высокая производительность (до нескольких килограммов металла в час)
• Доступные материалы – используются стандартные сварочные проволоки
• Подходит для ремонта и доработки деталей

Автоматизация WAAM-процессов требует слаженной работы между производственным оборудованием и программным обеспечением, особенно в части траектории наплавки и контроля качества слоев.

Экструзия и фотополимеризация

Методы экструзии (FDM) и фотополимеризации (SLA, DLP) часто ассоциируются с печатью из пластика, однако и они находят свое место в промышленном сегменте. Среди них особенно выделяются SLA и DLP — процессы послойного засвечивания жидкого фотополимера в определённые геометрические формы.

Фотополимеризация позволяет получать изделия с высоким качеством поверхности и отличной детальностью. Это преимущество используют, например, при производстве форм для литья металлов (воска или песка), ювелирных изделий и медицинских моделей.

Экструзия, в свою очередь, — наиболее распространённый метод, когда термопласт плавится и выдавливается через экструдер. Она привлекает своей простотой, доступной стоимостью оборудования и широким выбором расходных материалов. Крупные FDM-принтеры уже сегодня используются для создания архитектурных макетов, оснастки и прототипов в машиностроении.

Ниже приведено сравнение характеристик этих методов:

В 2025 году рынок продолжит развиваться в сторону специализации — каждая из технологий занимает своё место в цепочке цифрового производства. Выбор зависит от задачи: нужна ли высокая точность, скорость или доступность.

Контроль качества и испытания

Методы неразрушающего контроля

Неразрушающий контроль (НК) — ключевой этап в процессе производства изделий с использованием аддитивных технологий. Особенно это важно для отраслей с повышенными требованиями к безопасности и надежности, таких как аэрокосмическая, энергетическая и медицинская промышленность.

Чаще всего используются следующие методы:

• Рентгенографический контроль — позволяет выявить внутренние дефекты, неполную сплавку слоёв, микротрещины и пористость. Особенно актуален для изделий из металлических порошков.
• Ультразвуковая дефектоскопия — эффективна для выявления неоднородностей на глубине, но требует высокой квалификации оператора.
• Оптическая и лазерная сканирующая микроскопия — применяются на ранних стадиях производства и при финальной проверке точности геометрии.

Кроме классических подходов, производители часто внедряют автоматизированные системы мониторинга, устанавливаемые непосредственно в камеру печати. Они фиксируют параметры процесса в режиме реального времени и позволяют оперативно вмешаться при отклонениях.

Проверка физико-механических свойств

Помимо НК, необходимо провести испытания образцов на соответствие заявленным характеристикам. Это подтверждает пригодность материала и адекватность выбранного режима печати. В 2025 году большинство крупных производителей работают по комбинированной схеме, совмещая лабораторные тесты с автоматизированной оценкой на производственных линиях.

Типичные испытания включают:

Результаты таких испытаний позволяют не только убедиться в стабильности процесса, но и оптимизировать параметры печати для повышения экономичности производства. Производственные предприятия, ориентированные на серийный выпуск, уделяют особое внимание автоматизированной системе протоколирования результатов.

Сертификация изделий

Компании, работающие в рамках строгих отраслевых стандартов, стремятся пройти сертификацию своей продукции, особенно при выводе новых моделей на рынок. Сертификация может быть обязательной (например, при производстве компонентов для медицинской техники) или добровольной, как элемент повышения доверия клиентов.

Здесь значимым становится наличие сертифицированных процессов, а не только отдельных изделий. Это означает соблюдение единых стандартов на всех этапах — от подготовки 3D-модели до финишной обработки. Компании, которые планируют расширение в промышленных масштабах, всё чаще интегрируют такие стандарты уже на стадии проектирования производства. Подробнее о тенденциях в отрасли можно прочитать в статье Перспективы аддитивного производства в промышленности.

Для большинства изделий, выполненных методом селективного лазерного спекания (SLM), сертификация включает в себя не только подтверждение прочностных характеристик, но также контроль повторяемости партии. Основной фокус — снижение рисков, связанных с нестабильностью порошковых материалов или отклонениями в параметрах печати.

Комплексный подход к контролю качества — это не просто требование стандартов, а ключ к настоящей промышленной гибкости. Только при надёжной верификации свойств изделий можно говорить о масштабировании аддитивных технологий за рамки прототипирования в полномасштабное производственное решение.

Инновации в производственных процессах

Применение лазерных технологий

Лазерные технологии стали неотъемлемой частью аддитивного производства, особенно в сегменте металлургических компонентов. Точность лазерного луча позволяет детализировать изделия сложнейших геометрий, а высокая плотность энергии способствует надёжной сплавке порошковых материалов в прочную монолитную структуру.

Один из ключевых процессов — селективное лазерное плавление (SLM), которое используется для «печати» деталей из металлических порошков. Технология нашла активное применение в авиастроении, медицине и формовании инструментов. Так, турбинные лопатки и протезы теперь изготавливаются быстрее и с более высокой степенью индивидуализации.

Кроме SLM, лазер используется в процессе лазерной наплавки (DMLS и LMD), где можно восстанавливать изношенные детали или усиливать поверхности без полной замены изделия. Это особенно актуально для энергетического и нефтехимического оборудования.

Развитие порошковых материалов

Совершенствование порошковых материалов стало драйвером роста производительности и качества в аддитивных технологиях. Современные порошки отличаются более точным гранулометрическим составом, высокой чистотой и стабильностью параметров. Это критично для воспроизводимости результатов и прочностных характеристик изделий.

Сегодня применяются не только традиционные металлы вроде титана и алюминия, но и высоколегированные сплавы, керамика и даже биоразлагаемые композиты. Производители порошков в 2025 году уделяют особое внимание совместимости с лазерными системами разной мощности и длины волны.

Цифровизация и автоматизация операций

Оцифровка производственных цепочек не просто тренд, а способ радикально сократить время цикла и издержки. Внедрение MES-систем, автоматизированных рабочих ячеек и инструмента цифровой обратной связи меняет подход к выпуску каждом отдельному изделию. Машина самостоятельно получает данные из CAD-системы, адаптирует слой за слоем параметры построения и мгновенно передаёт отчёты о ходе печати.

Автоматизация затрагивает и постобработку: роботы берут на себя удаление поддержек, шлифовку, инспекцию. Это особенно важно для крупных партий, где стабильность качества сложнее обеспечить вручную.

Некоторые ведущие производства уже используют предиктивную аналитику: данные с датчиков внутри камер печати позволяют заранее выявлять и устранять потенциальные дефекты. Это не просто экономит ресурсы — это переосмысливает понятие гарантии в поставках.

• Цифровой двойник: модель изделия, которая обновляется в реальном времени на базе производственных данных.
• Автоматическое управление параметрами печати: корректировка мощности лазера и скорости подачи в зависимости от геометрии слоя.
• Интеграция с ERP: прозрачное планирование партий, отслеживание запасов и статуса изделий на каждом этапе.

Вопросы и ответы