Аддитивные технологии: виды и применение

Аддитивные технологии, широко известные как 3D-печать, представляют собой прорыв в методах создания объектов, открывая новые горизонты для инженеров, дизайнеров и производителей. 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.

Аддитивное производство (Additive Manufacturing) - это создание изделий, основанное на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки. В самом термине «аддитивность» (от лат. additivus - прибавляемый) заложен основной принцип этого процесса. Такой способ изготовления также называют «выращиванием» из-за послойного создания изделия. Аддитивные технологии - одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства. Аддитивные технологии производства позволяют изготавливать любое изделие послойно на основе компьютерной 3D-модели.

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.

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.

Аддитивные технологии представляют метод создания трехмерных объектов, деталей и изделий путем пошагового наращивания различных материалов, таких как пластик, металл, бетон и, возможно, в будущем - человеческая ткань. Эти трехмерные конструкции, или 3D-объекты, формируются при помощи 3D-принтеров. Термин «аддитивные технологии» и «3D-печать» часто используются взаимозаменяемо.

Аддитивные технологии обеспечивают послойное изготовление компонентов методом наращивания. Лучшим примером реализации технологии являются 3D-принтеры. Они осуществляют послойное нанесение композита, формируя заданную деталь.

Интеграция аддитивного производства в машиностроение расширяет возможности дизайнеров. В промышленности используется множество аддитивных машин. Устройства работают с пластиком и металлом, подготавливают компоненты различной сложности и назначения.

Использование аддитивных технологий в промышленности расширяет возможности предприятия, позволяет выйти на качественно новый уровень. Посредством систем автоматического проектирования инженер подготавливает изометрическую модель. Модель конвертируется в формат, «понятный» оборудованию. Оборудование, формирующее заготовку, разделяет модель на слои. Изготовление компонента путем послойного нанесения материала. Действие выполняется в специальной камере. Наряду с машинами для аддитивного производства используется вспомогательная техника. Готовое изделие проходит контроль качества.

Аддитивные технологии (далее АТ) - это наглядная иллюстрация современных достижений прогресса, сейчас АТ являются одними из активно развивающихся. Как показывает практика, применение АТ приводит к серьезному снижению себестоимости производства различных товаров: уменьшается расход материалов (растет КИМ), становится доступным выпуск совершенно новых деталей (причем более сложных). Также ускоряется реализация новых товаров: в продажу быстрее попадают не только серийные, но и опытные экземпляры.

Из новых технологий, возникших только в начале текущего века, наиболее динамично развиваются аддитивные технологии. Их практическое применение позволяет снизить себестоимость деталей и, соответственно, приблизить коэффициент использования материала к единице. Применение аддитивных технологий предоставляет возможность изготавливать чрезвычайно сложные или абсолютно новые детали, получить которые обычной обработкой было невозможно.

Инновационные во всех отношениях аддитивные технологии охватывают практически все многочисленные направления, связанные с модернизацией производства. Применение на практике их методов оказывает влияние на все: от оптимизации базы исходных материалов до усовершенствования станочного парка. Такую массивную задачу не решить в одиночку.

Основная задача разработчиков - создавать проекты с применением разных порошковых материалов. 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. Развитие аддитивных технологий в металлургии позволяет увеличивать количество изготавливаемых деталей и их качество.

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.

Основные виды аддитивных технологий

Существует множество технологий 3D-печати, рассмотрим некоторые из них:

FDM (Fused Deposition Modeling)

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. FDM (Fused deposition modeling) - это послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити. 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. Технология Fused deposition modeling базируется на использовании полимерных нитей. Это простой и доступный способ изометрической печати.

SLS (Selective Laser Sintering)

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. Посредством Selective laser sintering происходит селективное спекание полимерных порошков. Основным материалом для аддитивной технологии является смесь полимеров.

SLA (Stereolithography)

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. Технология построена на принципах лазерной стереолитографии. В роли основного материала выступает жидкий фотополимерный композит. Заготовки, полученные посредством Stereolithography, отличаются высокой точностью.

DMLS (Direct Metal Laser Sintering)

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. Наиболее прогрессивная технология (которая ещё находится в стадии апробации и усовершенствования) - прямое лазерное спекание материалов (DMLS).

SLM (Selective Laser Melting)

SLM (Selective laser melting) - это 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. В рамках Selective laser melting используется металлический порошок для аддитивных технологий. Процедура предполагает лазерное сплавление состава. Металлические аддитивные технологии упрощают создание деталей с большим числом отверстий, внутренних полостей и сложных проемов.

Другие технологии

• 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. Получение заготовок из фотополимера.
• CJP (Color jet printing) - послойное распределение клеящего вещества по порошковому гипсовому материалу. На сегодняшний день - это единственная промышленная технология полноцветной 3D-печати. Специфика технологии CJP допускает добавление красителей.

Преимущества аддитивных технологий

Применение аддитивных технологий предоставляет ряд значительных преимуществ:

• Быстрота изготовления: сложные детали, которые могли бы изготавливаться месяцы традиционными методами, могут быть сделаны за несколько часов с помощью 3D-печати.
• Высокое качество деталей: компоненты на базе 3D-моделей формируются послойно, что минимизирует остаточные напряжения и расширяет область применения изделий.
• Снижение издержек: цифровые технологии аддитивного производства минимизируют количество отходов, так как они не сопровождаются появлением стружки, обрезков и т.д.
• Расширение номенклатуры: аддитивное производство является наиболее гибким, его возможности не ограничены функционалом станков или умениями мастера.
• Реализация индивидуальных проектов: специфика материалов аддитивного производства исключает организацию многоуровневых техпроцессов.
• Работа с деталями любой конфигурации: методы аддитивного производства имеют минимум ограничений, с их помощью создаются сложные компоненты с множеством нестандартных элементов.
• Мобильность: информация о заготовках передается в рамках изометрических моделей.

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.
• Автомобилестроение: 3D-печать позволяет быстро создавать прототипы деталей, что ускоряет процесс разработки и тестирования новых моделей, сокращая время выхода на рынок и снижая производственные затраты.

Аддитивные технологии предлагают решения для множества производственных проблем, таких как потребность в быстром прототипировании, снижение затрат и минимизация влияния на окружающую среду.

В отдельную категорию стоит вынести технологии быстрого прототипирования.

Аддитивные технологии не просто изменяют процессы производства; они переписывают правила игры, позволяя производителям мыслить и действовать без ограничений.

Ограничения аддитивных технологий

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.

Вспомогательные технологии

Наряду с аддитивными технологиями, важную роль играют и вспомогательные технологии:

• 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.
• 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.

Принцип работы аддитивных технологий

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. Переходите по ссылке для регистрации на обучение.