Аддитивные технологии: Революция в производстве
Аддитивные технологии, широко известные как 3D-печать, представляют собой прорыв в методах создания объектов, открывая новые горизонты для инженеров, дизайнеров и производителей. Аддитивные технологии - одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства. Эти технологии позволяют создавать сложные и уникальные изделия, которые ранее были недостижимы традиционными методами производства. Аддитивные технологии не просто изменяют процессы производства; они переписывают правила игры, позволяя производителям мыслить и действовать без ограничений.
Аддитивные технологии - это метод создания физических объектов из цифровых моделей путем добавления или изменения материалов слой за слоем. Аддитивные технологии - способ создания предметов, когда они постепенно строятся из отдельных слоев материала, добавляемых друг на друга. Другое название - трехмерная печать. Аддитивные технологии означают создание предметов добавлением друг на друга отдельных слоёв специально подобранного материала.
В самом термине «аддитивность» (от лат. additivus - прибавляемый) заложен основной принцип этого процесса. Аддитивное производство (Additive Manufacturing) - это создание изделий, основанное на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления.
Если при традиционном производстве в начале мы имеем заготовку, от которой потом отсекаем все лишнее либо деформируем ее, то в случае с аддитивными технологиями из ничего (а точнее, из аморфного расходного материала) выстраивается новое изделие.
Впервые трёхмерная печать была апробирована в 1986 году. История аддитивного производства началась с появления первого 3D-принтера, сконструированного Чарльзом Халлом в 1983 году. Устройство было способно напечатать небольшой пластиковый стакан путем последовательного добавления слоев материала с помощью ультрафиолетового излучения.
Аддитивное производство впервые было использовано для разработки прототипов в 1980-х годах - эти объекты обычно не были функциональными. Этот процесс был известен как быстрое прототипирование, потому что он позволял людям быстро создавать масштабную модель конечного объекта без типичного процесса настройки и затрат, связанных с созданием прототипа. По мере совершенствования аддитивного производства его применение расширилось до быстрого изготовления оснастки, которая использовалась для создания пресс-форм для конечных продуктов. К началу 2000-х годов аддитивное производство стало использоваться для создания функциональных изделий. Совсем недавно такие компании, как Boeing и General Electric, начали использовать аддитивное производство в качестве неотъемлемой части своих бизнес-процессов.
Процесс аддитивного производства
Для создания объекта с использованием аддитивного производства, сначала необходимо создать модель с помощью программного обеспечения автоматизированного проектирования (САПР) или путем сканирования объекта, который планируется воспроизвести с помощью 3D-принтера. Затем программное обеспечение для подготовки к печати преобразует проект в послойную структуру, которой будет следовать машина для аддитивного производства. Послойный проект отправляется на 3D-принтер, который создает деталь или заготовку.
В нашем случае, процесс печати осуществляется посредством сканирования, при котором лазерное излучение сканатором направляется на слой порошкового материала и плавит его в границах модели.
Основные технологии аддитивного производства
Существует множество технологий 3D-печати, рассмотрим некоторые из них:
1. FDM (Fused Deposition Modeling) - это как рисование трехмерным карандашом, где материал нагревается до текучего состояния и точно экструдируется через сопло. Слои точно наносятся один за другим, создавая сложные структуры, которые ранее были недоступны традиционным методам. Это самый распространенный способ 3D-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3D-принтеров. FDM-принтеры работают с различными типами пластиков, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, гибкостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов.
2. SLS (Selective Laser Sintering) работает, как волшебник, управляющий лазерным лучом, который точно спекает порошкообразные материалы, такие как нейлон, в твердые объекты. Этот метод позволяет создавать изделия с высокой прочностью и долговечностью, идеально подходящие для мелкосерийного производства и сложных механических компонентов. Без необходимости использования опорных конструкций, SLS открывает новые возможности для дизайнеров и инженеров.
3. SLA (Stereolithography) использует ультрафиолетовый лазер, который заставляет жидкий фотополимер застывать при контакте. Эта техника позволяет достигать невероятной точности и детализации, что позволяет использовать технологию в ювелирном деле, искусстве и, что самое важное, медицине. Каждый слой тщательно полимеризуется, создавая твердые, гладкие и очень детализированные изделия.
4. DMLS (Direct Metal Laser Sintering) преобразует металлический порошок в прочные металлические части, используя мощные лазеры для местного спекания материала. Этот процесс широко применяется в аэрокосмической и автомобильной промышленности для создания легких, прочных деталей, которые могут выдерживать экстремальные условия. DMLS открывает возможности для производства сложных геометрий, которые невозможно создать ни одним другим способом.
Рассмотрим другие технологии аддитивного производства:
- SLM (Selective laser melting). Селективное лазерное сплавление металлических порошков. Самый распространенный метод 3D-печати металлом. С помощью этой технологии можно быстро изготавливать сложные по геометрии металлические изделия, которые по своим качествам превосходят литейное и прокатное производство.
- CJP (Color jet printing). Послойное распределение клеящего вещества по порошковому гипсовому материалу. На сегодняшний день - это единственная промышленная технология полноцветной 3D-печати.
- MJM (Multi-jet Modeling). Многоструйное моделирование с помощью фотополимерного или воскового материала. Эта технология позволяет изготавливать выжигаемые или выплавляемые мастер-модели для литья, а также прототипы различной продукции.
- PolyJet. Отверждение жидкого фотополимера под воздействием ультрафиолетового излучения. Технология используется для получения прототипов и мастер-моделей с гладкими поверхностями.
В отдельную категорию стоит вынести технологии быстрого прототипирования.
Материалы для аддитивного производства
В аддитивном производстве используется широкая номенклатура материалов: полимеры, металлы, керамика. Также аддитивные технологии отличаются по используемым материалам.
Уже сегодня 3D-принтеры могут печатать:
- Пластиками - самые известные филаменты: ABS и PLA, их свойства хорошо изучены.
- Инженерными, промышленными пластиками - PC (чистый поликарбонат), NYLON (нейлон), PP (полипропилен), FLEX (промышленный эластомер), HIPS растворимый материал, использующийся для печати поддержек и другие.
- Металлическими сплавами - самые популярные среди сплавов подходящих для 3D-печати: нержавеющая сталь (316L, 12Х18Н10Т), алюминий (АСП40), титан (ВТ6) и кобальт-хром (КХ28).
Также устройства для 3D-печати могут работать с воском, гипсом, керамикой, бетоном и бумагой.
Помимо этого, существует множество новых технологий, которые в данное время находятся в процессе разработки, например, 3Д-печать биоматериалами.
Применение аддитивных технологий
Аддитивные технологии открывают новые возможности для разнообразных отраслей, предоставляя инструменты для инноваций и развития.
- В медицине: аддитивные технологии применяются для создания протезов, сердечных клапанов, искусственных органов и других медицинских изделий.
- В строительстве: технология строительной 3D-печати уже используется для возведения зданий и сооружений в США, Саудовской Аравии, Мексике, Франции, России, ОАЭ.
- Космическая промышленность: Производство компонентов для космических аппаратов, которые должны быть легкими и прочными.
- Хороший пример использования 3D-технологий в металлургии - создание литейных форм. Классический метод производства требует модели из дерева или пластика, а затем изготовления формы из металла. Это требует много времени, физических сил, материалов и финансов.
Аддитивные технологии предлагают решения для множества производственных проблем, таких как потребность в быстром прототипировании, снижение затрат и минимизация влияния на окружающую среду. Например, в автомобилестроении 3D-печать позволяет быстро создавать прототипы деталей, что ускоряет процесс разработки и тестирования новых моделей, сокращая время выхода на рынок и снижая производственные затраты.
Развитие аддитивных технологий в металлургии позволяет увеличивать количество изготавливаемых деталей и их качество. Искусственный интеллект может быть использован для создания инструментов для обработки металла: шаблоны для сварки, пресс-формы для штамповки и т. д.
Преимущества аддитивных технологий
Аддитивные технологии, главным образом, отличаются по способу формирования объекта. Тем самым снижается время, затраченное на изготовление детали, и её стоимость - в сравнении с традиционными технологиями производства посредством механической обработки или литья.
Хотя оборудование для аддитивных технологий дорогое, его использование приводит к экономии времени и материалов. Работа с 3D моделями невозможна без высокоточного оборудования и качественных исходных материалов. Для готового изделия это означает преимущество, а вот для стоимости - недостаток.
Быстрота изготовления: сложные детали, которые могли бы изготавливаться месяцы традиционными методами, могут быть сделаны за несколько часов с помощью 3D-печати.
3D-сканирование
3D-сканер - это устройство, которое исследует физический предмет путем лазерного или оптического сканирования и воссоздает его точную цифровую модель. Современные 3D-сканеры могут выглядеть как ручной прибор небольшого размера либо быть стационарным устройством, использующим в качестве подсветки лазер или специальную лампу.
Области применения 3D-сканирования:
- Контроля качества. Проведение бесконтактного контроля изделий. Технология обеспечивает измерение и последующее сравнение с чертежом линейных и угловых геометрических параметров изделия с точностью до микрон.
- Реверс-инжиниринга. При отсутствии конструкторской документации наиболее эффективным решением проблемы стало применение 3D-сканеров.
- Проектирования. Для создания или модернизации какого-либо объекта достаточно отсканировать предмет и сконвертировать в удобный для обработки формат.
Ограничения аддитивного производства
Несмотря на все преимущества, аддитивные технологии имеют и некоторые ограничения:
- Ограничения материалов: не все материалы подходят для аддитивного производства. Например, некоторые металлы и композиты могут быть сложными для обработки.
Заключение
Аддитивные технологии продолжают развиваться и совершенствоваться, открывая новые перспективы для промышленности и науки. Они позволяют создавать уникальные изделия, оптимизировать производственные процессы и находить инновационные решения для различных задач.
Для того, чтобы начать погружение в аддитивные технологии, необходимо получить и обработать много информации, которую вы можете структурировано изучить на нашем онлайн-курсе «Аддитивные технологии - инструмент для импортозамещения». В процессе курса вы получите знания о 3D-печати металлами, пластиками, порошками и полимерами от ведущих экспертов из сферы АТ. Пройдёте полный этап от 3D-моделирования до конечной печати. Познакомитесь с технологией 3D-сканирования, программным обеспечением, и сформируете осознанное представление о возможностях АТ на вашем производстве.