Стандартизация аддитивного производства: шаги и вызовы для промышленного внедрения

Необходимость стандартизации аддитивного производства

Аддитивное производство отличается от традиционных технологий тем, что качество конечного изделия зависит не только от дизайна, но и от множества переменных параметров:

• разнообразие технологий:  FDM ,  SLS ,  SLA ,  DMLS ,  EBM ,  MJF  и другие методы имеют разные физические принципы работы, что требует отдельных стандартов для каждого;

• материальная гетерогенность: в аддитивных технологиях используется множество материалов – от полимеров до титановых сплавов, каждый из них требует специфических параметров обработки и контроля;

• зависимость от параметров печати: температура, скорость печати, мощность лазера, толщина слоя – все эти факторы влияют на механические свойства изделия;

• отсутствие единой методики тестирования: пористость, трещины, деформация – дефекты, характерные для аддитивной печати, требуют новых подходов к неразрушающему контролю.

«Без стандартизации эти особенности технологии создают серьезные барьеры для их внедрения в регулируемые отрасли. Например, в аэрокосмической промышленности и медицине требуются сертификаты на каждую деталь, что невозможно сделать без общепринятых стандартов качества», – отмечает Ольга Квашенкина, гендиректор холдинга SNDGLOBAL (контрактный разработчик электроники), кандидат физико-математических наук.

«Проблема в том, что без четких стандартов невозможно обеспечить стабильное качество изделий: от партии к партии механические и эксплуатационные характеристики могут отличаться. Пока не решен этот вопрос, не получится перейти от экспериментального прототипирования в режим серийного выпуска промышленной продукции. В качестве примера приведу наш проект по запуску линии подошвенных систем для специальной защитной обуви. Эти подошвы имеют сложные геометрические структуры, которые должны гасить ударные нагрузки и поддерживать стопу в течение 12-часовой смены. Подошвы мы печатали на промышленном 3D-принтере из эластомера. Хотя использовали идентичные цифровые модели и материалы, наблюдали от партии к партии недопустимый разброс в таких критических параметрах, как упругость и сопротивление износу. В одной партии подошвы гасили удары на 35%, как положено, а в другой – только на 20%. В результате покупатели жаловались на дискомфорт, а сами подошвы быстрее изнашивались. Такая нестабильность ставила под сомнение саму возможность промышленного применения аддитивных технологий для ответственных узлов», – рассказал Михаил Ипатов, PR-директор ГК «Спецобъединение».

Национальные инициативы

В России действует целая система стандартов для аддитивного производства. В 2020 году ГОСТ Р 58450-2020 ввел первые национальные стандарты для аддитивного производства в машиностроении. В 2021 году Росстандарт утвердил ГОСТ Р 58451-2021 «Аддитивные технологии. Требования к производству деталей методом селективного лазерного плавления металлических порошков». В 2022 году был принят ГОСТ Р 58452-2022 «Аддитивные технологии. Требования к производству деталей методом стереолитографии». 

В 2023 году Минпромторг утвердил стандарт на 3D-печать медицинских имплантатов.

В 2024 году Росстандарт утвердил стандарт на аддитивное производство в оборонной промышленности, который регулирует требования к прочности, надежности и безопасности изделий для оборонной отрасли.

Росстандарт и Минпромторг активно сотрудничают с ведущими российскими компаниями, такими как Ростех, ОАК и РЖД, для разработки отраслевых стандартов. Например, в 2024 году был запущен проект по созданию национальной системы сертификации для аддитивного производства, которая будет включать требования к оборудованию, материалам, процессам и контролю качества.

Важным шагом стало и создание комитета по стандартизации «Аддитивные технологии» при Росстандарте, который координирует работу по разработке стандартов в этой области. В 2024 году Росстандарт и Минцифры запустили совместный проект по созданию единой цифровой платформы для стандартизации и сертификации аддитивного производства, которая позволит автоматизировать процесс проверки соответствия изделий стандартам.

В 2024 году Россия активно участвовала в международной инициативе по стандартизации аддитивного производства под эгидой G20, что поспособствовало синхронизации национальных стандартов с международными.

Кроме того, в 2024 году Росстандарт и Минздрав совместно разработали стандарты на 3D-печать медицинских устройств для стоматологии и ортопедии, что открывает новые возможности для медицинской отрасли.

Проблемы стандартизации

«Главная проблема в том, что российская система стандартизации аддитивных технологий развивается быстрыми темпами, но при этом остается фрагментарной. За последние два года действительно принят целый блок ГОСТов: регламентированы методы контроля влажности порошков, гранулометрии, остаточных напряжений, форматы цифровых данных для подготовки производства. Часть стандартов гармонизирована с ISO/ASTM, что позволяет интегрироваться в мировую практику. Однако, когда речь идет не об общих аддитивных процессах, а именно о микроэлектронике, пробелы становятся очевидными», – считает Ольга Квашенкина.

В качестве примера эксперт приводит направление микроэлектроники, в котором предъявляются совершенно иные требования к результату: «В микроэлектронике критично не только то, насколько точно соблюдена геометрия, но и какова удельная проводимость дорожек, их стабильность при нагреве, насколько надежны межслойные соединения. Для этого нужны эталонные тест-структуры и четкие методики верификации электрических характеристик, которых в национальных стандартах пока просто нет. В итоге каждая лаборатория или завод разрабатывает свои внутренние протоколы. Это замедляет масштабирование, делает результаты несопоставимыми и препятствует серийному выпуску изделий с гарантированными характеристиками. 

Сюда добавляется отсутствие сертифицированных эталонных материалов, будь то порошки для металлической печати или пасты для печатной электроники».

Сегодня компании зачастую вынуждены работать «на доверии» к поставщику, без единых требований к паспорту качества. И это противоречит самой логике импортозамещения: если нельзя воспроизвести процесс на разных установках и с разными партиями материала, то и технологическая независимость остается под вопросом.

Несмотря на большую международную работу, в стандартизации аддитивных технологий остаются нерешенными такие проблемы, как:

• отсутствие стандартизации для сложных материалов (гибридные материалы и композиты с наночастицами) и методик для их испытаний;

• проблемы с использованием цифровых двойников: нет единого формата для обмена данными между CAD-системами и 3D-принтерами;

• экологические проблемы: в данный момент в мире отсутствуют стандарты по переработке отходов аддитивного производства;

• различия в международных стандартах затрудняют развитие и торговлю продукцией, произведенной аддитивными технологиями.

Метрологическое обеспечение аддитивного производства

Для промышленного внедрения аддитивного производства в регулируемых отраслях критически важно метрологическое обеспечение. Это система мероприятий, обеспечивающих точность измерений, единство методик и соответствие продукции установленным требованиям.

Основу метрологического обеспечения в России формирует Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ), регулируемая Федеральным законом № 102-ФЗ. Росстандарт активно разрабатывает и утверждает специализированные стандарты для аддитивного производства. В 2020-2024 годах приняты ключевые ГОСТы:

• ГОСТ Р 58450-2020 – общие требования к аддитивным технологиям;

• ГОСТ Р 58451-2021 – требования к производству деталей методом селективного лазерного плавления (SLM);

• ГОСТ Р 58452-2022 – требования для стереолитографии (SLA).

Эти стандарты включают разделы по метрологии: допуски геометрических параметров, методы измерения физико-механических свойств, требования к калибровке оборудования.

В метрологии для аддитивной микроэлектроники сегодня сложилась многослойная система, которая объединяет классические подходы и новые методы.

Как объясняет Ольга Квашенкина, контроль геометрии ведется на двух уровнях. На макроуровне применяют оптическое 3D-сканирование и бело-световую интерферометрию, что позволяет верифицировать корпусные элементы или геометрию подложек. На микроуровне используют оптические микроскопы высокого разрешения, электронную микроскопию, иногда атомно-силовую. Для дорожек шириной 50-100 микрометров это обязательная практика.

Дефекты выявляются через рентгеновскую микротомографию, которая хорошо показывает внутренние пустоты и непровары. В дополнение используют акустическую микроскопию для обнаружения межслойных отслоений. Для контроля исходных порошков и паст регламентированы методы определения влажности и гранулометрии, поскольку даже отклонение в один-два процента по содержанию влаги способно радикально повлиять на адгезию и стабильность процесса.

По словам Михаила Ипатова, на результат использования аддитивных технологий в производстве часто влияет целый комплекс взаимосвязанных параметров: мощность источника энергии, скорость сканирования, температурный режим камеры, стратегия построения поддерживающих структур:

«В нашем случае мы нашли следующее решение: сместили фокус с простого воспроизведения геометрии на гарантированное достижение заданного функционала. Для этого создали замкнутый метрологический цикл, который включает в себя тщательный входной контроль сырья и регулярную аттестацию оборудования. В процесс контроля ввели специальные образцы-свидетели – это миниатюрные решетчатые структуры, которые печатаются вместе с каждой партией подошв и проходят полный цикл механических испытаний на сжатие и износ. Это помогло нам выявить и жестко регламентировать все критические технологические параметры – температуру платформы и толщину слоя, которые напрямую влияли на эластичность подошв. 

В конечном итоге мы начали получать предсказуемый и повторяющийся результат, который отвечал требованиям сертификации по ГОСТ для средств индивидуальной защиты».

Неразрушающие методы становятся стандартом: micro-CT, термография, лазерная сканирующая интерферометрия позволяют фиксировать дефекты без разрезов образцов. 

Но здесь возникает другая проблема – пока нет обязательной унификации методик, поэтому результаты разных лабораторий трудно сравнивать.

«Вопрос воспроизводимости и надежности процессов решается внедрением in-situ мониторинга. Это контроль зоны плавления, термополя и параметров процесса в реальном времени. В сочетании с цифровым следом – полным набором данных от CAD-файла до итогового отчета по партии – такая система должна обеспечивать прослеживаемость. Но для микроэлектроники пока нет жестких требований к составу и формату этих данных, что тормозит сертификацию изделий», – объясняет Ольга Квашенкина.

В итоге можно сказать: технический инструментарий для метрологического обеспечения уже есть – от SEM и AFM до цифровых двойников процесса. Но пока не появятся унифицированные методики измерения электрических характеристик, эталонные образцы и требования к цифровому следу, аддитивное производство в микроэлектронике останется в зоне опытных партий, а не массового серийного выпуска.

Перспективы развития стандартизации аддитивных технологий

По мнению Ольги Квашенкиной, стандартизация в пока еще новом для промышленности направлении будет развиваться по нескольким векторам:

1. Единые стандарты для цепочки поставок. Ведущие компании и организации работают над созданием единого формата данных для всей цепочки: от дизайна до производства. Например, проект Digital Thread от ISO/ASTM направлен на стандартизацию передачи данных между этапами производства, что упростит сертификацию изделий.

2. Международное сотрудничество. В 2024 году в рамках G20 был запущен проект по созданию международной платформы для координации стандартов аддитивной печати. Ее участники – Россия, США, ЕС, Китай, Япония – договорились о синхронизации национальных стандартов, что упростит экспорт аддитивных изделий.

3. Стандартизация для массового производства. В ближайшие пять лет в мире ожидается разработка стандартов для массового производства деталей для автомобилестроения, аэрокосмической отрасли, медицины, что открывает путь к коммерческому использованию 3D-печати в промышленности.

4. Стандартизация использования ИИ и цифровых двойников в аддитивных технологиях. Закономерным здесь видится и внедрение стандартов для применения искусственного интеллекта как способа контролировать качество продукции, выпущенной аддитивными методами.

«Перспективы я вижу в переходе от документированных стандартов к созданию сквозных цифровых протоколов. В такой системе за каждой единицей продукции будет закреплен цифровой паспорт. Он будет содержать полную историю создания – характеристики исходного материала, лог-файлы с параметрами печати, данные встроенного мониторинга, протоколы финального контроля. Такой подход поможет аддитивным технологиям стать частью цифровых производственных цепочек даже в самых сложных отраслях, потому что обеспечивает контроль, отслеживаемость и дает возможность увеличивать объемы», – считает Михаил Ипатов.

Стандартизация аддитивного производства – это не бюрократическая формальность, а ключевой фактор, позволяющий технологиям выйти за рамки экспериментов и стать основой промышленного производства. Как отмечают эксперты, стандарты для аддитивного производства – это не стоп-лист, а дорожная карта для промышленной революции.