Гибридные установки: 3D-печать и мехобработка «в одном флаконе»

Рост спроса на высокопроизводительное оборудование побуждает конструкторов к тому, чтобы разрабатывать комбинированные решения, совмещая несколько производственных операций на одной технологической платформе. В результате на смену трёхкоординатным обрабатывающим центрам приходят пятикоординатные, качество сварных швов улучшается за счёт совмещения лазерной и дуговой сварки, а работа производителей металлических профилей становится проще благодаря лазерным труборезам.

Тенденция к синергии проникла и в сферу аддитивных технологий: первые гибридные установки, совмещающие 3D-печать изделий и последующую механическую обработку, появились на мировом рынке более 10 лет назад.

Без обработки не обойтись

Одним из главных преимуществ 3D-печати, которую сразу оценили промышленники, стал заложенный в технологию принцип «складывай, а не вычитай». В этом и заключается основное отличие аддитивных методов производства от субтрактивных, при которых материал удаляют из заготовки для получения определённой формы.

Для производителя это означает, что при 3D-печати он может использовать ровно столько материала, сколько необходимо для изготовления изделия, и при этом создавать детали любой формы и сложности. Например, с внутренними каналами, резьбой или криволинейными поверхностями, которые на обычном токарном или фрезерном станке выполнить, мягко говоря, непросто.

Однако в реальности оказывается, что изготовление аддитивными методами не исключает дополнительную обработку изделия. Особенно если речь идёт о высокоточных деталях для авиационной или космической промышленности. Примечательно, что сегодня именно эти направления аналитики считают наиболее перспективными для внедрения промышленной 3D-печати.

«Основные российские потребители аддитивных технологий сконцентрированы в авиационной и космической отраслях, ОПК, на которые приходится почти половина всего отечественного рынка, а также в медицине и машиностроении, где наблюдается рост применения 3D печати», — отмечает операционный директор Ассоциации развития аддитивных технологий (АРАТ) Антон Барданов.

Такие решения позволяют не только создавать новые изделия, но и восстанавливать повреждённые дорогостоящие или дефицитные комплектующие. Например, компоненты газотурбинных установок, детали насосного оборудования и т. д. Словом, речь идёт о штучных изделиях высочайшего качества и точности, выполняемых преимущественно из металлов.

SLM-печать — одна из самых популярных в России: по данным АРАТ, на её долю приходится около 65%. Однако, как и любая другая аддитивная технология, она имеет свои недостатки, и один из них — необходимость пост-обработки печатных деталей для улучшения качества поверхности или удаления подложек. Эта операция может занимать от 30 до 70% времени, затраченного на весь процесс выращивания изделия. Неудивительно, что специалисты задумались о том, чтобы совместить 3D-печать и постобработку деталей на одном станке.

«Гибридные аддитивные установки — достаточно молодое технологическое решение, у которого большие перспективы применения в широком спектре отраслей промышленности. Специфика эксплуатации гибридного оборудования заключается в использовании станка с ЧПУ и 3D-принтера на одной платформе.

По сути, данная технология является совмещением классической механической обработки и аддитивного выращивания. Таким образом, за одну установку можно производить данные операции по различным алгоритмам», — поясняет ведущий инженер-­технолог Центра аддитивных технологий ГК «Диполь» Алексей Симаков.

По его словам, гибридные станки впитали в себя преимущества двух технологических процессов, которые находят применение практически на любом производстве. Например, совмещая технологию прямой лазерной наплавки (DED) с последующей пост-обработкой, можно не только выпускать изделия со сложной геометрией, но и выполнять ремонт деталей с дефектами. Но есть и нюансы.

«Помимо преимуществ, гибридные установки принимают на себя и часть недостатков обоих методов. Например, при лазерной наплавке качество конечного изделия зависит как от материала, так и от требуемой геометрии, которая к тому же имеет ряд ограничений. Также на результат влияют точность и биение станковой части», — подчёркивает Алексей Симаков.

В процессе выращивания в изделиях появляются внутренние напряжения. И, если их не снять, при механической обработке деталь может непредсказуемо деформироваться. Чтобы предотвратить это, проводят термическую обработку изделия.

Здесь возникает другая сложность: заготовке нужно дать остыть, что увеличивает время изготовления детали. Наконец, напечатанные изделия по своим механическим характеристикам отличаются от выполненных традиционными методами (с помощью литья или проката), что затрудняет подбор режимов резания.

Эти и другие нюансы тормозят широкое распространение гибридов в промышленности. Но для тех, кто просчитал риски, рынок предлагает достаточно большой ассортимент оборудования.

Модульное решение

Чтобы получить гибридную установку, конструкторы используют различные схемы. Например, можно добавить аддитивную функцию на имеющийся металлорежущий станок или обрабатывающий центр. Реализовать такое решение позволяют модульные приспособления с лазерной головкой для 3D-печати. За счёт их конструкции пользователи могут совмещать аддитивные и субтрактивные технологии для производства деталей без изменения конструкции станка с ЧПУ.

Например, специалисты японской фирмы Yamazaki Mazak ещё в 2015 году представили рынку установку INTEGREX i‑400AM, оснащённую наплавляющими головками AMBIT от компании Hybrid Manufacturing Technologies. По заявлению производителя, станок предназначен для мелкосерийного выпуска и ремонта труднообрабатываемых материалов.

Под действием оптоволоконного лазера металлический порошок слой за слоем формирует заготовку, которая затем подвергается высокоточной 5‑осевой обработке. Технология позволяет использовать разные виды металлов, что упрощает ремонт изношенных или повреждённых деталей.

По тому же пути пошли специалисты испанской компании Meltio. Они разработали головку для 3D-печати, которую можно установить практически на любой фрезерный станок с ЧПУ, портальную систему или промышленный робот-­манипулятор. Оснащённая системой развёртывания, эта насадка активируется на этапе выращивания заготовки из металла и складывается, когда к работе приступает режущий инструмент, движущийся по пяти осям координат.

С помощью этого оборудования можно печатать изделие с применением металлического порошка или проволоки либо совмещать обе эти технологии. По замыслу разработчика, такое решение оптимально подходит для оптимизации предприятий автомобильной, аэрокосмической и других отраслей промышленности, где нужны нестандартные решения.

Американская компания 3D Hybrid Solutions представила сразу три инструмента для 3D-печати металлом, предназначенные для установки на станки с ЧПУ. Они позволяют выращивать изделия с применением металлических прутков и дуговой сварки (WAAM), а также методами прямого лазерного осаждения или холодного газодинамического напыления.

«Важно воспринимать различные аддитивные и обрабатывающие технологии как инструменты, а не отдельные производственные методы. В этом кроется экономичность гибридных технологий. Точно так же, как в металлообработке используются разные инструменты для различных материалов, мы предлагаем применять печатающие головки в зависимости от обстоятельств.

Возьмём, к примеру, медь: холодное газодинамическое напыление обеспечивает эффективное выращивание за счёт высокой кинетической энергии и пластической деформации, тогда как печать лазерами сталкивается с проблемами ввиду высокой теплопроводности и отражающих характеристик этого металла», — приводит слова основателя 3D Hybrid Solutions Карла Ханка портал 3Dtoday.ru.

Одна платформа — две операции

Как мы уже говорили, тенденция к созданию универсального оборудования в промышленности воплотилась во множестве вариаций многофункциональных станков, совмещающих возможности нескольких специализированных устройств. Это позволяет существенно экономить площади в производственных цехах, снижать затраты на приобретение оборудования и его обслуживание, а также упрощать технологический процесс и повышать его эффективность.

Но в случае с гибридными установками всё не так очевидно. Их конструкция зачастую не позволяет одновременно выполнять выращивание детали и её обработку. Например, станки серии GTarc от немецкого производителя Gefertec GmbH совмещают технологию электродуговой наплавки проволоки с последующей механической обработкой.

Или обрабатывающие центры компании DMG MORI: они сочетают в себе технологии лазерной наплавки и фрезерования, но выполняются обе операции только по очереди. В частности, с помощью LaserTEC 65 Hybrid пользователь может сначала вырастить изделие методом лазерной наплавки, а затем запустить его мех-обработку по пяти осям координат. Или сперва отфрезеровать деталь из заготовки, а после нанести твёрдый сплав на участки, подверженные повышенной нагрузке.

Впрочем, есть и исключения. Модель LASERTEC 4300 DED hybrid позволяет чередовать режимы аддитивной обработки и резания, благодаря чему можно создавать изделия с более сложной геометрией. Ещё один пример такого подхода демонстрирует Sodick OPM250L — полноавтоматический аддитивно-­лазерный 3D-принтер, который также оснащён функцией скоростной фрезерной обработки.

За опцию печати отвечает иттербиевый волоконный лазер, позволяющий выращивать детали методом прямого селективного спекания металлических порошков (DMLS), а за фрезеровку — шпиндель с частотой вращения до 45 тыс. оборотов в минуту. Пользователю не нужно ждать, пока она полностью вырастит деталь, чтобы начать её обработку — обе операции выполняют попеременно. Это позволяет сократить длительность производственного цикла.

Станки серии LUMEX производства корпорации Matsuura Machinery Corp. представляют собой комбинацию селективного лазерного спекания и обрабатывающей платформы, которая вмещает до 20 инструментов. Причём технология станка позволяет шпинделю достигать внутренних структур модели по мере её печати. В компании считают, что такой способ больше всего подходит для изготовления пресс-форм и штампов, поскольку способствует ускорению производственного процесса.

В 2021 году американская компания Titan Robotics выпустила аддитивно-­субтрактивную систему Atlas HS, которая может выполнять фрезерование изделий как после, так и в процессе выращивания. Оборудование работает с гранулированными полимерными и композиционными материалами по технологии экструзионной 3D-печати.

Каждый слой после укладки можно подвергнуть мехобработке, а перед выращиванием следующего — убрать образовавшийся мусор с помощью вакуумной насадки. Разработка системы велась при поддержке Управления экономического развития и международной торговли штата Колорадо, выделившего грант в размере 250 тыс. $.

Российская наука в деле

Пока мы говорили о зарубежном оборудовании, но это не означает, что российским инженерам гибридные решения неподвластны. За последние пять лет такие установки появились и у отечественных производителей. Например, на выставке «Металлообработка‑2019» Пермский национальный исследовательский политехнический университет и группа компаний «Гибридное аддитивное производство» представили свою разработку — установку АТ‑300, которая совместила наплавку металлических материалов, механическое упрочнение и финишную механическую обработку.

«Цикл изготовления крупногабаритных деталей авиационной и других отраслей машиностроения занимает несколько месяцев, а иногда и годы. Гибридные технологии 3D-наплавки, позволяющие в разы сократить сроки изготовления и себестоимость деталей, жизненно необходимы для быстрого выведения продуктов на рынки и обеспечения конкурентоспособности российских производителей», — пояснил руководитель проекта Дмитрий Трушников.

По пути совмещения функций пошли и учёные Института лазерных и сварочных технологий при Санкт-­Петербургском государственном морском техническом университете. Правда, информации об их разработке в открытых источниках немного. Известно только, что в семействе установок прямого лазерного выращивания от ИЛИСТ представлен гибридный комплекс на базе ЧПУ-станка.
Гораздо более активно свою разработку «пиарит» госкорпорация «Ростех».

В 2020 году входящее в её структуру АО «Объединённая двигателестроительная корпорация» ввело в эксплуатацию станок, объединивший возможности аддитивного формования деталей не только с параллельной механической (токарной и фрезерной) обработкой, но и с лазерной сваркой. Сопло и инструмент расположены параллельно, а мощность волоконного лазера даёт возможность одновременно выполнять сварку и восстановление повреждённой детали.

«Цифровой комплекс совмещает функции 3D-принтера и нескольких обрабатывающих станков, что позволяет существенно сократить время разработки и вывода на рынок новых авиационных двигателей. Гибридный станок за несколько часов создаёт на базе трёхмерной цифровой модели деталь, на изготовление которой традиционным способом требуется несколько месяцев. Эта технология также открывает широкие перспективы для кооперации между предприятиями авиационного кластера „Ростеха”», — подчеркнул первый заместитель генерального директора госкорпорации Владимир Артяков.

Проект реализован в филиале АО «ОДК» «НИИД» в сотрудничестве с Санкт-­Петербургским политехническим университетом, который отвечал за разработку технологии, и ООО СКБ «Станкостроение», ответственным за механику. Как отметил начальник отдела «Лазерная обработка» филиала ОДК «НИИД» Сергей Щербаков, подобные комплексы выпускают не на продажу, а для опытного производства и только в малогабаритном формате.

В том же 2020 году на форуме «Армия» концерн «Калашников» представил гибридный обрабатывающий центр. Kalashnikov IZH H600 сочетает комбинацию технологии лазерной наплавки и 5‑осевую фрезерную обработку, что позволяет изготавливать детали и сборочные единицы сложной геометрической формы массой до 300 кг. По данным пресс-­службы концерна, на создание этого станка Фонд развития промышленности предоставил льготный заём в размере 80 млн руб­лей по программе «Конверсия», а общие инвестиции в проект превысили 100 млн.

«Промышленный шеринг и „гибридные” хабы — вопрос обозримого будущего. Эти технологии позволяют не просто производить в разы более эффективно, но и буквально программировать свой­ства конечной продукции», — заявил генеральный директор ГК «Калашников» Дмитрий Тарасов.

В 2022 году гибрид с функциями 3D-принтера, лазерного и фрезерного станков представили в Московском политехническом университете. По данным пресс-­службы вуза, разработка Unimorph реализована в рамках дисциплины «Проектная деятельность». Её участниками стали студенты различных направлений: от специалистов в области автоматизации технологических процессов и производств до промышленных дизайнеров.

Они решили не брать за основу чужие разработки и создавали установку с нуля. Предполагалось, что на пути коммерциализации станок интегрируют в школы, университеты и мастерские, которые таким образом смогут использовать для создания прототипов и макетов одно устройство вместо нескольких.

Эстафету подхватили в Нижегородском государственном технологическом университете: в январе 2025 года на сайте вуза появилась информация о том, что там разработан гибридный роботизированный станок, объединивший технологию 3D-печати металлами с механической обработкой.

«Если говорить простым языком, то мы совместили станок с роботом, практически исключили из цепочки оператора, но добавили систему диагностики и управления на основе моделей машинного обучения. Комплекс может накапливать опыт, самообучаться, проверять свою работу, исправлять ошибки и применять полученные знания для решения технологических задач», — пояснил руководитель направления, доцент кафедры «Технология и оборудование машиностроения» Дмитрий Шатагин.

По замыслу авторов разработки, комплекс предназначен для применения не только в научных исследованиях, но и в производственных целях. Например, в атомном машиностроении, на предприятиях оборонно-­промышленного комплекса и в других отраслях, где есть необходимость в изготовлении небольших партий металлических деталей сложной формы.

Учёные заявляют, что с помощью такого центра технологическую подготовку к производству изделий можно выполнять до 50 раз быстрее. А, если речь идёт о единичной или мелкосерийной продукции, станок станет полноценной заменой дорогостоящей технологии литья.

Как сообщает пресс-­служба вуза, в разработку вложено около 50 млн руб­лей. Финансирование выделили Российский научный фонд и ООО «ЕМГ», с которым университет сотрудничает по линии Нижегородского образовательного центра.

Ещё больше функций

Как показывает опыт «Ростеха», гибридные станки могут объединять 3D-печать не только с механической обработкой, но и с другими технологическими операциями. Подтверждает это и опыт японской компании Okuma, которая выпускает гибридные и многофункциональные обрабатывающие центры в сотрудничестве с Trumpf — немецким производителем лазерных систем.

На станках серии LASER EX можно выполнять фрезерные и токарные работы, шлифование, лазерное напыление металлов и термическую обработку заготовок самых различных форм и размеров. Причём технология позволяет к одному лазерному источнику присоединить до шести гибридных станков.

Возвращаясь к вопросу деформации изделий в процессе 3D-печати, стоит упомянуть, что разработчики этого оборудования вместо традиционной термической обработки предусмотрели закалку, чтобы повысить точность готовых изделий и общую производительность.

По пути многофункциональности пошли специалисты ООО «НПК «Морсвязьавтоматика» (МСА), которые разрабатывают универсальную гибридную платформу, способную послужить базой для нескольких установок, использующих разнообразные методы обработки.

В зависимости от размещённого оборудования станок сможет выполнять функции 5‑координатного фрезера и 3D-принтера для печати полимерными материалами (термопластами) — на данный момент эти опции уже реализованы. Теперь конструкторы работают над тем, чтобы интегрировать в установку опции 3D-печати методом лазерной наплавки, автоматической выкладки углеродных или стеклолент, 5‑кординатной лазерной резки и сварки, а также инкрементальной формовки листового металла.

«5‑координатная фрезерная головка является на сегодняшний день основной, так как детали, изготовленные с помощью крупноформатных аддитивных технологий, как правило, требуют дальнейшей механической обработки. Второй инструмент выбирается в зависимости от решаемой задачи. Он устанавливается на независимую ось Z. Если рассматривается возможность использования нескольких различных инструментов, то платформа может быть оснащена системой их быстрой смены», — пояснил технический директор «МСА» Ренат Хакимов.

На данный момент оборудование тестируется: специалисты отрабатывают технологию крупноформатной печати термопластичными материалами. Её применяют для быстрого производства различных формообразующих конструкций, таких как матрицы для выкладки полимерных композиционных материалов и формы для вакуумной инфузии. Эти изделия широко используют в авиа- и судостроении, автомобильной промышленности, архитектуре.

По словам Рената Хакимова, проект разрабатывается инициативно, и первым потребителем платформы выступает сама компания. Технология уже опробована в разработке прототипов устройств и концепт-­моделей, а также в оценке эргономики и эстетики пультовых конструкций. Интерес к ней проявляют и клиенты фирмы, но до реальных заказов дело пока не дошло.

В компании также подчеркнули, что на российском рынке гибридные установки такого размера пока не представлены. Что же касается соперничества с зарубежными производителями, то российские конструкторы признают, что немного отстали от них, но готовы приложить максимум усилий, чтобы наверстать упущенное. В планах «МСА» представить технологию отраслевому сообществу на выставке Rosmould в июне 2025 года.

В то же время американская компания Creative 3D Technologies заявила о создании решения, которое окрестила «фабрикой в коробке». Платформа EVO так же, как решение российских инженеров, должна объединить несколько производственных технологий в одном устройстве.

Правда, заявленные функции несколько скромнее. Среди них 3D-печать с поддержкой SLA-детализации, возможность экструзии гранул и пасты, а также автоматизация с помощью технологии Pick and Place, фрезерование и трассировка схем.

В компании пояснили, что гибридные технологии открывают новые горизонты для производства и в долгосрочной перспективе могут изменить саму структуру индустрии. Кроме того, они способствуют развитию инженерного и научного сообщества, позволяя быстро разрабатывать и тестировать новые идеи.

Текст: Мария Кармакова. Фото редакции PromoGroup Media.