print

Финалист конкурса «Немецкая премия будущего – 2015»

21/09/2015
Берлин / Лихтенфельс (Германия), 16 сентября 2015 г. Франк Герцог, генеральный директор компании, поставляющей решения для 3D-печати металлом, номинирован на Немецкую премию будущего за 2015 г. Вместе с двумя партнерами по проекту он уже вышел в финал: юбилейный для Concept Laser год ознаменовался очередной вехой в истории компании. Немецкая премия будущего (Deutscher Zukunftspreis) за достижения в области техники и инноваций учреждена президентом Германии. Ее удостаиваются представители науки и промышленности, реализовавшие в Германии самые инновационные и перспективные проекты и инициативы. Среди лучших теперь и Франк Герцог. «После наград, полученных в 2014 г. (в т.ч. «50 лучших компаний Баварии»), и финала конкурса инноваций в немецкой промышленности эта номинация — большая честь для меня. Ведь она означает признание огромного потенциала разработанной мной технологии LaserCUSING».
 
Немецкая премия будущего-2015
 
Проект «3D-печать в гражданском авиастроении — начало промышленной революции» жюри конкурса отметило как новаторский и экономически перспективный. Команда проекта, куда вошли Питер Зандер (Peter Sander), директор компании Airbus (Гамбург) по новым технологиям и концепциям, Клаус Эммельман (Claus Emmelmann), генеральный директор компании Laser Zentrum Nord (Гамбург), и Франк Герцог (Frank Herzog), основатель и генеральный директор Concept Laser (Лихтенфельс), попала в финал конкурса «Немецкая премия будущего – 2015». Основой проекта стала первая титановая деталь, изготовленная по технологии аддитивного производства — кронштейн для внутренней части аэробуса Airbus A350 XWB. «Бионический» элемент крепежа и соединения внес весомый вклад в облегчение конструкции машины. Разработка объединила сразу несколько отраслей, открыв новые подходы к получению конструктивных элементов самолета и применению облегченных конструкций в гражданском авиастроении. Ранее эту деталь получали из алюминия (Al) методом фрезерования. Отпечатанная деталь из титана (Ti), теперь она весит почти на 30% меньше. 
 
 
Успех как результат ориентира на инновации
Франка Герцога считают одним из основоположников порошкового лазерного плавления на оборудовании планшетного типа. Из технологии спекания пластиков в 1998 г. появилась методика LaserCUSING. Занимаясь исследованиями, Франк Герцог предположил: что получается с пластиком, может получиться и с металлом. Среди первых серьезных проблем, с которыми пришлось столкнуться, — механическое напряжение в изделиях и не желавший полностью расплавляться металлический порошок. Однако сложности удалось преодолеть, благодаря разработке стохастического экспонирования и внедрению твердотельного лазера.
Итогом новаторской работы стало появление в 2000 г. компании Concept Laser. В 2001 г. на выставке Euromold во Франкфурте (Германия) производитель представил линейный прототип M3, первой в мире системы для промышленной 3D-печати металлом. Всего год спустя немецкая компания из Лихтенфельса отправляла первые машины в разные страны мира. 
Когда-то экзотическая технология аддитивного производства по методу 3D-печати металлами сейчас завоевала признание в самых разных отраслях: парк установленного оборудования в 400 систем говорит сам за себя. Прошедшие 15 лет ознаменовались для Concept Laser успешным технологическим развитием — множеством инноваций и патентов. Сейчас у компании свой отдел исследований и разработок, где трудятся более 50 человек. Кроме того, Concept Laser совместно с университетами и научно-технологическими институтами участвует в целом ряде исследовательских и практических проектов. На счету производителя более 50 зарегистрированных патентов. Еще около 100 заявок находятся на рассмотрении, и практически по всем в ближайшее время будут выданы патенты. При этом количество поданных компанией патентных заявок стабильно растет. 
В 2015 г. отмечающая юбилей компания показывает превосходные результаты и готова подтвердить их конкретными цифрами. Рост в 75% за прошедший год подтвердил, что высокие показатели для Concept Laser — уже норма. Если в 2014 г. было установлено 110 систем лазерного плавления, в 2015 г. их количество выросло до 150. Прирост продаж прогнозируется на уровне 35% даже по сравнению с предыдущим, весьма удачным годом.
 
Франк Герцог CEO Concept Laser
 
Технология LaserCUSING
Термин LaserCUSING представляет собой комбинацию из С, первой буквы в названии компании CONCEPT Laser, и слова FUSING (полное расплавление): изделие формируют слой за слоем, ориентируясь на данные 3D CAD.  Предложенная методика позволяет без применения инструментов получать продукцию сложных форм, проблемную и даже невозможную для традиционного производства. Технология LaserCUSING служит для печати механически и термически стабильных металлических элементов с высоким уровнем точности. В зависимости от сферы применения лазерные системы Concept Laser работают с нержавеющей и инструментальной сталью, кобальтохромовыми сплавами и сверхпрочными сплавами на никелевой основе, драгоценными металлами, включая сплавы золота и серебра. 
Мелкодисперсный металл расплавляется мощным оптоволоконным лазером и после охлаждения затвердевает.  Чтобы придать изделию определенную форму, лазерный луч направляют с помощью системы преломляющих зеркал (сканера).  Построение идет послойно; толщина слоя составляет 15–150 мкм: нижняя часть рабочей платформы опускается, после чего наносится и расплавляется новая порция порошка. Одно из преимуществ систем Concept Laser — выборочная проверка сегментов среза (так называемых «островков») при последовательной обработке. Эта запатентованная технология существенно снижает напряжение в изделиях очень большого размера.
 
 
Общие аспекты аддитивного производства
Аддитивное производство — это широкие возможности по выпуску облегченных конструкций и повышению эксплуатационных характеристик готовых изделий. Ключевые слова: функциональная интеграция, потенциал по снижению массы, бионика и топология, экономия ресурсов, сокращение отходов, геометрическая свобода, одноэтапное производство, минимум сборки, оперативный выпуск изделий «по требованию», оптимизация издержек (в том числе за счет круглосуточного выпуска продукции без участия оператора). Учитывая стоящие перед производством задачи, целый ряд отраслей уже отдает предпочтение лазерному плавлению перед традиционной машинной обработкой. Промышленные эксперты считают, что в цифровую эпоху важнейшими преимуществами аддитивных технологий станут автоматизация, качество, широкий ассортимент материалов, интеграция в промышленную среду и увеличение скорости построения. Место аддитивного производства в цепочке цифровых техпроцессов определено, в том числе, концепцией четвертой промышленной революции (Industry 4.0).
 
Concept Laser additive manufactoring process
 
Аддитивные технологии в авиастроении
Будучи частью концепции аддитивного производства, лазерное плавление металлов начинает играть важную роль в авиастроении. Главные аргументы в его пользу здесь те же — более оперативное получение продукции и снижение ее себестоимости, а также недоступная ранее свобода проектирования.  Тенденция характеризуется двумя ключевыми словами: «облегченный» и «бионический». Аддитивное производство меняет подходы к проектированию в авиастроении. Выражаясь языком авиаконструкторов, проектируемые детали будут выдерживать расчетные векторы сил и при этом удовлетворять требованиям малой массы.
При переходе на лазерное плавление элементы, связанные с обеспечением безопасности, можно сделать лучше, легче и прочнее изделий, выпускаемых по традиционным технологиям. Даже характеристики материала будут слегка отличаться. «Полученные по технологии аддитивного производства материалы характеризуются повышенной жесткостью и одновременно меньшей пластичностью. Однако при правильной тепловой обработке этого можно избежать», — поясняет Клаус Эммельман, доктор технических наук, профессор, генеральный директор Laser Zentrum Nord (Гамбург). Кроме того, экологичность аддитивных технологий и экономия ресурсов способствуют оптимизации затрат. 
 
 
Главные стимулы — свобода форм и облегченные конструкции
Аргументы в пользу лазерного плавления металлов в авиастроении — геометрическая свобода и снижение веса. Облегченные  конструкции призваны сокращать затраты авиалиний на обслуживание парка машин: за счет реального снижения веса они будут экономить горючее либо повышать грузоподъемность самолетов. Новые разработки подразумевают тысячи пробных кронштейнов для летных испытаний, выпускаемых малыми партиями. Аддитивное «послойное производство» позволяет проектировщикам разрабатывать новые варианты. По сравнению с традиционными литыми и фрезерованными компонентами снижение веса изделий при аддитивном производстве превышает 30%. Кроме того, аддитивное построение ведется непосредственно из файла CAD: сокращение издержек и сроков поставок за счет отказа от инструментария достигает 75%. Уже на первых этапах доступны функциональные образцы, сходные с серийными изделиями — без затрат на инструменты. Соответственно, даже в начале проектирования реально выявлять ошибки, оптимизируя работу над проектом. «Раньше на подготовку детали мы закладывали полугодовой бюджет; сейчас срок сократился до месяца», — подтверждает Питер Сандер, директор по новым технологиям и концепциям компании Airbus (Гамбург).
 
Бионика в проектировании деталей и изделий
Лазерное плавление металлов дает мелкопористые структуры, вплоть до напоминающих кость. В будущем детали самолетов станут «бионическими», уверен Питер Сандер. За миллионы лет природа сформировала готовые принципы функциональных и облегченных конструкций, способные эффективно экономить нам ресурсы. Сейчас в Airbus занимаются систематизированным анализом найденных в природе решений и их актуальностью для отрасли. Технологии автоматизированного лазерного экспонирования позволяют формировать слои изделия по определенной схеме, добиваясь нужной структуры, свойств поверхности, параметров жесткости. «Первые прототипы подтвердили огромный потенциал бионически-ориентированного подхода, способного радикально изменить проектирование и производство», — поясняет Питер Сандер.
 
Бионический дизайн и аддитивные технологии для Airbus 350
 
Качество - важный параметр
Для производителей самолетов мониторинг процесса построения деталей — одно из важнейших требований к промышленному техпроцессу. «Интегрированный мониторинг с помощью контрольного модуля QMmeltpool, разработанного компанией Concept Laser, подразумевает отслеживание построения на микроучастках вплоть до 1х1 мм2 с помощью камеры и фотодиода. Все процессы документируются», — рассказывает Сандер. В 2016 г. к этому модулю добавят решение QMmeltpool 3D. Применявшаяся ранее технология 2D-мониторинга с временной привязкой станет 3D-технологией с привязкой позиционной. Теперь система помимо данных по времени передает сигналы с пространственной привязкой, и в результате точность сопоставима с компьютерной томографией. На основании этих сигналов можно получить пакеты 3D-данных по конкретной детали и ее структуре, превратив их в исключительно точное 3D-описание детали. Распознавая локальные признаки дефектных изделий, система QMmeltpool 3D помогает свести до минимума последующие проверки и тестирование. Для экономии времени все данные доступны сразу после построения. Серия модулей для активного контроля качества также включает решения QMcoating, QMatmosphere, QMpowder и QMlaser. Отслеживая и измеряя ряд параметров, включая выходную мощность лазера и оптимальную структуру слоя металлического порошка, они документируют весь  производственный процесс. Предусмотрена возможность работы в закрытой системе, предотвращающей попадание пыли и грязи для повышения качества изделий. Это исключает воздействие факторов, способных негативно повлиять на качество. «Сейчас такой подход называют регулируемым производством, задача которого — обеспечить повторяемость и стабильность техпроцесса», — поясняет Франк Герцог. «Современное программное обеспечение для контроля качества отслеживает и фиксирует все важные данные: параметры лазера и зоны расплава, состав атмосферы с инертным газом. Это исключает связанные с загрязнениями проблемы», — подчеркивает Эммельман.
Компания Concept Laser может по праву считаться первопроходцем и в этой сфере: над модулями мониторинга / повышения качества здесь работают с 2004 г. 
 
 
Ресурсосберегающая «зеленая технология» 
При фрезеровании авиадеталей до 95% материала попадает в отходы и идет на переработку. С технологией лазерного плавления пользователь получает изделие «практически нужной формы» — отходы составляют порядка 5%. «В авиастроении важен показатель  «buy to fly»: сколько материала должен закупить производитель, чтобы получить готовую деталь. Для этой отрасли 90% —фантастический показатель, положительно влияющий на топливно-энергетический баланс», — объясняет Эммельман.  Очевидно, что технология особенно актуальна при работе с ценными и дорогостоящими материалами для авиастроения, включая титан. Производство без инструментария дополнительно экономит средства и время. Кроме того, для лазерного плавления характерны целевое энергопотребление и сбережение ресурсов. «LaserCUSING — экологически чистая технология, способная улучшить активно обсуждаемую ситуацию с влиянием производства на окружающую среду», — уверен Франк Герцог.
 
 
Поставка запчастей по схеме 2.0: оперативно, локально, по требованию
Новое направление «аддитивной аэронавтики» — запасные части. В будущем их будут выпускать по требованию прямо на местах, без инструментария. При выходе детали из строя замену ей изготовят прямо на предприятии. Создание децентрализованной сети производства с проработкой соответствующей глобальной и региональной стратегии сведет до минимума перевозки, а главное, сроки поставок. В результате сократятся связанные с техобслуживанием простои и осмотры авиапарка. В перспективе это означает существенное сокращение объемных складов с запчастями, где сейчас хранят детали, редко востребованные, но важные, учитывая длительный срок службы воздушных судов. Отсутствие необходимости замораживать средства на складские запасы повышает гибкость и серьезно экономит время на получение деталей, связанных с обеспечением безопасности. И это весьма актуально с учетом особого внимания авиаотрасли к издержкам. 
 
 
Прогнозы
Лазерное плавление как разновидность 3D-печати открывает доступ к более высокотехнологичным компонентам: практически по всем эксплуатационным характеристикам они превосходят изделия, изготовленные традиционным способом. Промышленные эксперты уже говорят о кардинальных изменениях в аэрокосмической отрасли. Актуальные здесь размеры партий стимулируют аэрокосмонавтику первой осваивать аддитивные технологии. Но по мере увеличения скоростей построения и рабочих камер эксперты рассчитывают увидеть первые результаты инноваций во всех отраслях промышленности. Ключевыми направлениями здесь станут автомобилестроение, стоматология и медицина, станкостроение и производство инструментов. Еще один немаловажный момент — новые модели ведения бизнеса, которые появляются при децентрализации производства (об этом наглядно свидетельствует пример компании  Laser Zentrum Nord). Производство вновь можно будет перевести из стран с низкой заработной платой в Европу и США, где традиционно были сосредоточены промышленность и научно-технические разработки: это станет мощным стимулом для дальнейших инноваций.
 

Перевод Олеси Зайцевой

Карта сайта