Аддитивное производство прошло фазу, в которой якобы должно было заменить всё подряд, — и теперь можно сказать, где ему место на самом деле.
Что происходит после печати
Принтер заканчивает работу, а деталь ещё не готова.
В зависимости от процесса и применения дальше может понадобиться снять деталь с платформы построения, удалить поддержки, провести термообработку для снятия напряжений, горячее изостатическое прессование для закрытия внутренней пористости, механическую обработку критичных поверхностей — потому что точность и шероховатость «как напечатано» недостаточны, — финишную обработку, очистку внутренних каналов от застрявшего порошка и контроль.
Печать — это видимый этап, и часто меньшая часть стоимости. Бизнес-кейсы, которые сравнивают время печати со временем механообработки, сравнивают не то, что нужно.
Два следствия, которые стоит проговорить прямо.
Пропускную способность определяет постобработка. Организация, купившая принтер без мощностей для финишной обработки, купила одно узкое место, которое кормит другое узкое место.
Внутренние элементы могут стать обузой. Сложные внутренние каналы — главное преимущество аддитивного производства, и они же — то место, где застревает порошок и где контроль сложнее всего. Спроектировать их легко, а проверить — нет.
Где аддитивное производство действительно выигрывает
Пять случаев, сформулированных как реальные случаи, а не как потенциал.
Малые партии. Без оснастки нет и её амортизации, поэтому при малых объёмах аддитивное производство часто дешевле любого процесса с оснасткой.
Сложная геометрия, которую нельзя изготовить иначе. Внутренние каналы охлаждения, решётчатые структуры, топологически оптимизированные формы. Если альтернатива не дорогая, а вообще невозможная, сравнение простое.
Объединение деталей. Замена сборки из множества деталей одним напечатанным компонентом убирает крепёж, соединения, трудозатраты на сборку и точки отказа. Здесь часто и находится настоящая ценность, и она невидима, если сравнивать стоимость детали со стоимостью детали.
Оснастка. Кондукторы, приспособления и формы, включая литьевые формы с конформным охлаждением, — одно из самых коммерчески проверенных применений.
Запчасти. Снятые с производства компоненты для оборудования, которое всё ещё эксплуатируется, — там, где альтернатива это восстановление оснастки или замена всей машины.
Где не выигрывает
Так же конкретно, потому что именно честные границы делают убедительными сами выигрыши.
Серийное производство простых деталей. Традиционные процессы быстрее и дешевле в пересчёте на единицу, и никакое улучшение не меняет форму этой кривой.
Там, где важны шероховатость и точность. Поверхности «как напечатано» обычно требуют механообработки для функциональных поверхностей, — а это возвращает в процесс традиционную обработку.
Там, где свойства материала должны быть гарантированы и прослеживаемы. Свойства меняются в зависимости от параметров печати, ориентации, положения на платформе и конкретного принтера, — из-за этого квалификация становится серьёзным объёмом работы.
Там, где материал недоступен или невыгоден. Порошок дорог, а диапазон квалифицированных материалов у́же, чем в традиционном производстве.
Место направления в домене
«Аддитивное производство и 3D-печать» — пятое из десяти направлений в домене Astra Trainer «Передовое производство», связанное с производственной инженерией — в части выбора процесса, с инженерией качества и надёжности — в части квалификации, и с проектированием изделий и CAD — в части проектирования под аддитивное производство.
Оно сильно зависит от передовых материалов, особенно металлургии и энергетических материалов, потому что свойства напечатанной детали — это металлургический результат самой печати. Партнёрам, внедряющим аддитивное производство, обычно нужны сразу компетенции в процессе, проектировании и квалификации, а не только умение управлять машиной. Все десять направлений — здесь.
Ограничение — проектирование, а не машина
Самый ясный кадровый вывод в этом направлении.
Машины доступны и совершенствуются. Сервисные бюро печати означают, что организация может получить доступ к возможностям без капитальных затрат. Внедрение ограничивают люди, способные проектировать под эту технологию.
Четыре вещи, которые требует проектирование под аддитивное производство и не требует традиционное.
Мышление в направлении построения. Анизотропия означает, что свойства различаются вдоль и поперёк слоёв печати. Ориентация влияет на прочность, шероховатость поверхности, потребность в поддержках и стоимость, — и это нужно решить ещё на этапе проектирования.
Проектирование без поддержек. Нависающим элементам нужны опорные структуры, которые стоят материала, времени и труда на удаление, а из внутренних элементов их иногда невозможно убрать вообще. Самонесущая геометрия — это конструкторский навык.
Понимание, когда объединять. Умение увидеть, что шесть деталей могут стать одной, и понимание того, как это скажется на сборке, контроле и ремонте.
Проектирование под весь маршрут целиком. Включая то, как деталь будет закреплена для механообработки, как из неё выйдет порошок и как её будут контролировать.
Конструктор, обученный только традиционному проектированию, спроектирует обычную деталь, дорого изготовленную аддитивным способом, — и это самая частая причина разочарования в проектах аддитивного производства.
Роли, названные по именам
Инженеры по проектированию под аддитивное производство. Дефицитная роль — и та, что раскрывает ценность технологии.
Инженеры по аддитивным процессам. Параметры, настройка печати, ориентация и стратегия поддержек.
Операторы машин и техники печати. Включая обращение с порошком.
Техники постобработки. Удаление поддержек, финишная обработка и механообработка. Ограничение пропускной способности.
Металлурги и инженеры-материаловеды — для квалификации порошка и свойств деталей.
Специалисты по контролю, особенно по компьютерной томографии для внутренних элементов, — один из немногих методов, позволяющих заглянуть внутрь напечатанной детали.
Инженеры по квалификации и сертификации для регулируемых применений.
Специалисты по обращению с порошком и безопасности.
Кого можно обучить этому направлению
Станочники и программисты ЧПУ. Понимают закрепление заготовки, допуски и финишную обработку — это как раз половина, связанная с постобработкой. Именно они и будут механически обрабатывать напечатанную деталь.
Инженеры-конструкторы. Им не хватает слоя проектирования под аддитивное производство — это переквалификация с самой высокой отдачей здесь.
Металлурги и техники-материаловеды. В квалификацию порошка и деталей — их существующие знания применяются напрямую.
Инструментальщики. В применения для оснастки — одно из самых проверенных применений и прямое продолжение того, что они уже делают.
Техники неразрушающего контроля. В контроль аддитивных деталей, который требует методов, приспособленных под внутреннюю геометрию.
Сварщики. Неожиданная, но обоснованная переквалификация для процессов прямого подвода энергии, которые ближе к сварке, чем к печати.
Металлический порошок опасен. Мелкодисперсные металлические порошки несут риск взрыва горючей пыли, а некоторые — включая сплавы титана и алюминия — особенно реактивны. Вдыхание металлических порошков несёт риск для здоровья, а у некоторых материалов есть особые пределы воздействия. Работа с некоторыми материалами требует процедур в инертной атмосфере, соответствующей вытяжки, средств индивидуальной защиты и мер контроля, определённых компетентной оценкой риска. Обучение формирует понимание и осведомлённость об опасностях. Оно не является оценкой риска или разрешением работать с каким-либо конкретным материалом.
Что важно унести с собой
Печать — это дешёвая половина. Постобработка, контроль и квалификация часто стоят дороже, а бизнес-кейсы обычно их не учитывают.
Аддитивное производство выигрывает при малых партиях, невозможной иначе геометрии, объединении деталей, оснастке и запчастях, — и проигрывает по себестоимости единицы в серии и там, где важны чистота поверхности и гарантированность свойств.
Настоящая ценность обычно кроется в объединении деталей, а сравнение стоимости детали со стоимостью детали её скрывает.
Ограничение — это компетенция в проектировании, а не доступ к машинам, а традиционно обученный конструктор выдаёт обычную деталь, дорого изготовленную.
А станочники ЧПУ, конструкторы и металлурги — три переквалификации, которые имеют значение, при этом сварщики неожиданно хорошо подходят для процессов прямого подвода энергии.
Почему бизнес-кейсы аддитивного производства разочаровывают?
Потому что они сравнивают время печати со временем механообработки и не учитывают постобработку, контроль и квалификацию, которые часто стоят дороже самой печати.
Где аддитивное производство реально выигрывает?
При малых партиях, геометрии, которую нельзя изготовить иначе, объединении деталей взамен сборок, оснастке — включая формы с конформным охлаждением, — и снятых с производства запчастях.
Что ограничивает внедрение?
Конструкторы, способные проектировать под аддитивное производство. Ориентация построения, самонесущая геометрия, суждение об объединении и проектирование под весь маршрут — это навыки, которым не учит традиционное проектирование.
Почему квалификация дорого стоит?
Потому что свойства материала зависят от параметров печати, ориентации, положения на платформе и конкретного принтера, — поэтому подтверждение стабильности свойств требует значительного объёма доказательств.
Кому проще всего перейти в роли аддитивного производства?
Станочникам ЧПУ — в постобработку и настройку, инженерам-конструкторам — в проектирование под аддитивное производство, металлургам — в квалификацию, инструментальщикам — в применения для оснастки, и сварщикам — в прямой подвод энергии.