Рассмотрены методы уменьшения карбонового следа при применении аддитивных технологий. Приведены способы оптимизации производственного процесса с целью уменьшения углеродного выброса. Дано описание режима печати Vase mode, рассмотрено применение отечественной технологии 5D-печати компании Stereotech, приведен зарубежный опыт компании Colossus (Бельгия) в рамках экономики замкнутого цикла.

Введение

Аддитивные технологии — комплекс производственных подходов к изготовлению трехмерных изделий из цифровой модели, как правило, осуществляющееся методом послойного добавления материала. Основной материал для печати — пластик, но также используются металлы, керамика, стекло и другие материалы. 3D-печать имеет множество применений в различных отраслях, таких как медицина, автомобильная и авиационная промышленность, дизайн и архитектура. Она позволяет быстро и точно создавать прототипы, запчасти и даже органы для трансплантации [1]. При всех своих преимуществах процесс 3D-печати требует использования электроэнергии, что может приводить к выбросу углекислого газа и других вредных веществ. Также
использование специальных материалов, таких как пластики, фотополимерные смолы, композитные материалы, может приводить к загрязнению окружающей среды [2]. Таким образом, основными направлениями в рамках снижения карбонового выброса в 3D-печати выступает энергопотребление (время печати) и расходные материалы. Рассмотрим способы снижения карбонового следа в аддитивном производстве посредством оптимизации его процессов.

Оптимизация 3D-модели

Оптимизация 3D-модели позволяет сэкономить время и материалы, так как она уменьшает число ненужных фрагментов модели улучшает структуру модели. Например, удаление лишних фрагментов или уменьшение число полигонов может сократить время печати и использование материалов. Для этих целей разработан специальный режим 3D-печати — Vase mode (режим «вазы»). Vase mode — это особый режим печати на 3D-принтере, который используется для создания гладких и однородных объектов, напоминаю щих форму вазы. В этом режиме печатается только один слой по всей высоте модели, без заполнения внутреннего пространства и без создания слоев. Это позволяет сократить время печати и использование материалов, так как не требуется создавать множество слоев и заполнять внутренние полости. Для печати в режиме Vase mode необходимо использовать определенные настройки, такие как толщина стенок и скорость печати. Также важно правильно подготовить модель перед печатью, чтобы она была готова для этого режима:

  • Проверить модель на наличие закрытых полостей и пересечений;
  • Проверить 3D-модель на отсутствие нависающих элементов, угол которых относительно вертикали составляет
    не более 35 гр. При этом допустимо наличие углов до 45 гр в небольшой зоне, протяженностью не более 20 см по горизонтали при использовании большой ширины фактической линии 3D-печати;
  • Проверить модель на наличие ошибок в программе для срезки. В частности, при некорректном выборе ширины
    линии и высоты слоя можно получить отверстия в готовом изделии, что не только является браком, но и может привести к ошибке при укладке вышестоящих слоев.

Результат использования режима Vase mode можно рассмотреть на примере изготовления крупного арт-объекта
компанией Studia3D.com (Москва, https://studia3d.com) на Черемушкинском рынке (Москва) — женщин, олицетворяющих разные дары природы. На рис. 1 выделен один из изготавливаемых элементов от общей модели, которая печаталась на 3D-принтере Colossus по технологии FGF. Высота данного элемента составляет 1,5 м (общая высота конструкции — 5 м). 3D-печать этого элемента в режиме Vase mode составила 30 ч, что в 12 раз меньше, чем 3D-печать без использования этого режима.

Рис. 1. 3D-печать крупного арт-объекта в режиме Vase
mode

Оптимизация управляющей программы и плана печати (на примере FDM2
технологии)

Любая 3D-печать начинается с трехмерной модели, которую разрабатывает специалист под определенные требования к 3D печати с учетом выбранной технологии производства и материала. Тем не менее 3D-принтеру необходима не модель, а специальный код (G-code), который разрабатывает инженер-технолог из исходной модели. Данный код включает полную информацию о перемещении печатающей головки, скорости, высоты слоя и прочих параметров. Более того, инженер-технолог определяет оптимальную ориентацию модели на печатной платформе с ключевым показателем в виде минимального использования поддерживающего материала и максимального использования рабочего объема устройства.

Оптимизация управляющей программы позволяет:

а) уменьшить потребление материала путем сокращения использования поддерживающего материала б) уменьшить время печати путем эффективного заполнения рабочего объема. Последнее обуславливается тем, что в среднем требуется от получаса на подготовку машины к работе (нагрев рабочего стола, калибровка и т. д.) и столько же на охлаждение, обработку стола после печати. Оптимально выстроенный план печати высвобождает как временные, так и материальные ресурсы, что напрямую влияет на формируемый на предприятии карбоновый след.

Примером эффективной оптимизации плана печати является решение компании Studia3D.com. В период пандемии компании поступил большой заказ на изготовление защитных экранов для московского медицинского учреждения. Защитный экран состоит из заслонки и держателя, последний изготавливался методом 3D-печати по технологии FDM из PET-G3 пластика. Изначально каждый держатель печатался отдельно, что значительно повышало
время печати и общие энергозатраты, поэтому было принято решение оптимизировать модель и управляющую
программу на печать сразу нескольких держателей друг над другом. Данная оптимизация позволила сократить общее время печати партии в 6 раз (рис. 2)

Рис. 2. Пример оптимизации управляющей программы и
плана печати

Генеративный дизайн (на примере SLM печати).

Генеративный дизайн [3] — это подход к созданию дизайна, который использует алгоритмы и компьютерные
программы для генерации форм, текстур и других элементов дизайна. В этом подходе человек задает параметры (проекта, модели), а программа, основанная на нейросетях, принимает, анализирует, сравнивает эти данные, ранжирует и улучшает результаты. Далее человек выбирает лучший вариант из предложенных системой. Алгоритмы помогают в работе архитекторов, дизайнеров. Работа генеративной нейронной сети заключается в том, что она генерирует что-то новое обобщенное (среднее), что нравится большинству заказчиков услуг. Для работы такого алгоритма сеть необходимо предварительно обучить на примере множества вариантов дизайн-решений. Другими словами, генеративный дизайн позволяет автоматизировать рутинный труд дизайнера, архитектора, проектировщика, конструктора. Генеративный дизайн может быть особенно полезен в 3D-печати, где он используется для создания сложных и уникальных форм, которые трудно или невозможно создать вручную. Основными параметрами, которые выбираются в генеративном дизайне при использовании 3D-печати, выступает сохранение прочностных характеристик изделия при минимизации массы изделия. Это обусловлено тем, что основной спрос на металлическую 3D-печать приходится на авиакосмическую, ракетную отрасль, самолетостроение и кораблестроение. В данных отраслях необходимо получить не просто функционирующую, прочную деталь, но и деталь с минимально возможной массой [4]. Генеративный дизайн позволяет удалить нефункциональный объем детали при сохранении прочностных характеристик изделия, что ведет как к уменьшению времени печати, расхода материала, так и конечной стоимости изделия (рис. 3). Примечательно, что использование генеративного дизайна позволяет не только оптимизировать процесс 3D-печати, но и удовлетворить рыночные потребности функционального характера, что не так частно встречается в вопросах повышения экологичности коммерческих
предприятий.

Рис. 3. Пример оптимизации топологии детали

Новые производственные технологии — 5D печать

Несмотря на то, что 3D-печать является новой производственной технологией, в ее контуре образуются
передовые технологии, такие как, например, 5D-печать, разработанная компанией Stereotech (Волгоград, https://5dtech.pro/). Под 5D-печатью подразумевается пятиосевая печать, технология которой была впервые запатентована в России, также компанией Stereotech получен сертификат соответствия СЕ на всю линейку производимой продукции. При пятиосевой 3D-печати печатная головка может двигаться вверх и вниз, вправо и влево, вперед и назад, а также вращаться вокруг двух дополнительных осей, благодаря чему нити материала можно укладывать внахлест, тем самым повышая прочность изделий на разрыв. Это также позволяет создавать объекты с более сложными формами и контурами. Так, на выставке «Металлообработка-2023» компания поделилась своими достижениями в рамках экономии расходного материала и времени печати на примере одного из изготавливаемых
изделий. Технология 5D печати позволила сэкономить 59% расходного материала и сократила время производства
вдвое (рис. 4).

Рис. 4. Пример экономии ресурсов при использовании
5D-печати

3D-печать в рамках экономики замкнутого цикла

Компания Colossus (Бельгия, https://www.colossusprinters. com/) выпустила самый крупногабаритный переносной
3D-принтер со шнековым экструдером, позволяющим печатать из переработанных материалов гранульного типа, что значительно упрощает процесс рециклинга. Помимо этого, компания Colossus является членом европейского консорциума The one project (https://www.theoneproject.eu), который занимается модернизацией производственных
площадок при помощи технологий переработки отходов для различных отраслей промышленности.

Компания уже анонсировала проект безотходного аддитивного производства в рамках экономики замкнутого цикла На текущий момент компания реализовала: а) первую нить APET, на 100% переработанную в рамках экономики замкнутого цикла; б) первую 100% сортировку с замкнутым циклом в режиме реального времени для rPET [5];
в) первый переносной крупномасштабный 3D-принтер FGF Colossus, разработанный для переработанных материалов. В планах компании находится разработка модульной конструкции, размещенной в переносных контейнерах,которая может быть установлена в любом месте. Она позволяет перерабатывать все типы ребристых или пленочных пластиков на месте с производительностью до 500 кг/ч.

Заключение

Рассмотренные решения в области снижения уровня карбонового следа при применении аддитивных технологий
свидетельствуют о значимом резерве отрасли. Основными направлениями повышения экологичности 3D-печати
выступают как прямое потребление электроэнергии, так и снижение использования расходных материалов. Реализовать данные меры возможно за счет оптимизации 3D-модели, плана печати, а также использовании генеративного дизайна. Отметим, что такие передовые технологии, как 5D-печать открывают новые возможности в области снижения углеродного выброса в аддитивном производстве.

Список литературы

  1. Захаров Н. А. Аддитивные технологии в промышленности // Автоматизация в промышленности. 2022. № 4.
  2. Pilz T., Nunes B., Maceno M., Cleto M. and Seleme R. Systematic analysis of comparative studies between additive and conventional manufacturing focusing on the environmental performance of logistics operations. Gestão & Produção, 2020. 27(3), e5289. DOI: 10.1590/0104-530X5289-20
  3. Пахтаева А. Я. Методы генеративного дизайна // НОЭМА. 2021. № 2 (7).
  4. Карпова Т. Эффективные кейсы для авиаиндустрии // Аддитивные технологии. 2023. № 3.

Дегтярева Анна Николаевна — аспирант НИТУ «МИСИС», Studia3D — заместитель генерального директора по развитию, Сапёлкин Максим Эдуардович — аспирант НИТУ «МИСИС», руководитель проекта АО «РАСУ», Голубев Олег Валентинович — канд. техн. наук, доцент, НИТУ «МИСиС». E-mail: anvishnevskay@mail.ru

  1. FGF (Fused Granulate Fabrication) — метод 3D-печати на основе экструзии, при котором пластиковые грануляты (пластиковые гранулы) плавятся и подаются через сопло.
  2. FDM (Fused Deposition Modeling) — печать методом послойного наложения.
  3. PET-G — полиэтилентерефталатгликоль (ПЭТГ).
  4. SLM (Selective laser melting) — селективное (выборочное) лазерное плавление
  5. rPET (recycled polyethylene terephthalate) — переработанный пластик ПЭТ (полиэтилентерефталат)