Будущее в 3D: как повысить качество
аддитивного производства

Технологии 3D-печати играют в современном производстве все более важную роль. Производители оборудования, разработчики программ, фабрики 3D-печати и контрактные производители пытаются сделать эти технологии эффективнее и стабильнее — нестабильность 3D-печати уже не один десяток лет смущает менеджеров. Инженеры и руководители уделяют особое внимание тому, чтобы распечатанные продукты получались одинаковыми по размеру, а также по таким свойствам, как пористость, прочность, температура и химическая стойкость.

Современного уровня 3D-печати — она же «аддитивное производство» — достаточно для многих продуктов: форм, игрушек, зубных протезов, очков и линз, печатных плат, некоторых антенн и сенсоров, а также не несущих весовой нагрузки деталей из металла или пластика для локомотивов, самолетов, военного и тяжелого промышленного оборудования.

Однако это лишь небольшая часть потенциального рынка, где могла бы использоваться 3D-печать при более стабильном качестве исполнения. Понимая это, игроки на рынке аддитивного производства бросают все силы на поиск решений. Чтобы печатаемые объекты каждый раз получались одинаковыми, они разрабатывают новую аппаратуру, программы и системы управления.

Аппаратура. Сложно улучшить качество 3D-печати, не задумываясь о качестве самих принтеров (например, двигателей, печатающих головок, лазеров) и вспомогательных устройств — сенсоров температуры и влажности или рентгеновских камер, которые следят за качеством и исправляют ошибки при послойной печати. Калифорнийская фирма по производству принтеров Velo3D — один из поставщиков аппаратуры с функциями контроля в процессе печати. В ее принтерах установлены сенсоры, отслеживающие, например, уровень кислорода, влажности и оставшегося порошка. Такой контроль позволяет компании улучшить выход и качество воспроизведения изделий для многих типов продуктов без необходимости постобработки (то есть доработки продукта после 3D-принтера).

Чтобы улучшить процесс печати, можно также использовать традиционные (субтрактивные) инструменты производства, приводя каждый слой к нужному эталону. В принтерах другой калифорнийской фирмы, 3DEO, есть сенсоры, собирающие в реальном времени данные о точности размеров и параметров процесса. На основе этих данных с помощью микрорезцов 3DEO слой за слоем подрезают края и внутренние детали — например, решетки или отверстия, чтобы достичь требуемых допусков и нужной геометрии.

Программы и данные. Искусственный интеллект и машинное обучение тоже играют важную роль в повышении качества 3D-печати. С их помощью можно оптимизировать конфигурацию материалов, свойства конструкции, настройки и процессы принтера и условия среды при производстве продукта. Все эти технологии поддерживают производственные циклы с обратной связью, что позволяет автоматически исправлять дефекты во время печати и существенно снижать разницу между продуктами, распечатанными на разных принтерах и в разное время.

Например, новая израильская компания PrintSys разработала искусственный интеллект, который анализирует результаты тысяч распечаток. Алгоритм определяет факторы, которые позволяют улучшить показатели стабильности и выхода, сэкономить деньги и улучшить все важные для клиента аспекты качества, и предлагает технологии печати, материалы, параметры и даже изменения конструкции, которые помогут достичь заданных целей.

Старые программы для ориентации и укладки частей в камере принтера также усовершенствованы на базе сложных вычислительных алгоритмов, просчитывающих за доли секунды идеальный способ обеспечить заданную геометрию в конкретном устройстве. Такие решения есть у мировых гигантов 3D-печати: например, Materialise (Бельгия), Siemens (Германия) и Autodesk (США). А пенсильванские разработчики ПО ANSYS предлагают инструменты для дизайна при аддитивном производстве и симуляции печати металлических деталей, позволяющие получать нужный результат с первого раза.

Новые платформы для аддитивного производства — например, 3DPrinterOS, разработанная калифорнийской фирмой 3D Control Systems — могут управлять точностью воспроизведения изделий на тысячах принтеров по всему миру. Такие платформы удаленно контролируют несколько 3D-принтеров и распределяют задачи исходя из свойств доступных машин. 3D Control Systems часто устанавливают свои программы прямо на принтеры, чтобы обеспечить стабильное качество печати за счет устранения распространенных ошибок — например, выбора неправильных файлов печати, неровных пластинок или неподходящих параметров сопла.

Системы управления. Чтобы улучшить надежность и стабильность печати, можно также использовать старые, проверенные техники управления. Например, прозрачные системы оценки вендоров и сертификации поощряют естественный конкурентный отбор и стимулируют стремление к единообразию и его сохранению. Лучшие компании получают больше клиентов, а худшим приходится быстро исправляться — или проигрывать. Например, фирмы Xometry и Fictiv, поставляющие промышленные детали на заказ, проводят строгие программы отбора и сертификации поставщиков, чтобы выбрать тех, кто обеспечивает максимальную стабильность и качество. Лучшие поставщики получают доступ к крупным, приоритетным проектам, что стимулирует остальных тоже работать над стабильным качеством печати.

Другой, новый метод управления включает «намеренное ограничение» — то есть целенаправленное ограничение оптимальных параметров работы принтеров. Принтеры бывают разные, и, зная все их ограничения и пределы возможностей, — например, по размеру, выбору материала и объему партии, производитель сможет лучше всего использовать сильные стороны своего устройства. Так, принтеры 3DEO специализируются на небольших металлических деталях сложной формы максимальным объемом один кубический дюйм. Это позволяет 3DEO не только получить максимум от своих принтеров в решении тех задач, которые они выполняют действительно хорошо, но и добиться оптимальных экономических результатов за счет полной загрузки рабочего цикла.

Устранены пока не все источники искажений: в частности, имеют значение методы подключения принтеров к сети, формат и структура данных и их путь по узлам в системе. Но фирмы разрабатывают протоколы и платформы для управления распределенными системами производства, и эти вопросы постепенно решаются. Скоро аддитивные платформы соберут стандартный набор данных о принтерах, которые позволят существенно повысить стабильность печати.

В современном мире — мире неопределенного спроса, гибкого цифрового производства, пандемии и других перебоев глобальной торговли — распределенное, локальное производство будет становиться все важнее. Долгий процесс перестройки производства грозит компаниям упущенными возможностями, особенно если качество новых продуктов не будет стабильным с самого начала. Можно рассчитывать, что 3D-печать будет развиваться и дальше, а значит, ее стабильное качество будет иметь все большее значение.

Об авторах

Ричард Д’Авени (Richard D’Aveni) — профессор стратегии школы бизнеса Така Дартмутского колледжа, автор книги «The Pan-Industrial Revolution: How New Manufacturing Titans Will Transform the World».

Анкуш Венкатеш (Ankush Venkatesh) — научный сотрудник Дартмутского колледжа, специалист по аддитивному производству.