Аддитивные технологии: определение, принципы и применение
Аддитивные технологии (АТ), или технологии послойного синтеза, представляют собой одно из наиболее динамично развивающихся направлений "цифрового" производства. Аддитивная технология позволяет с использованием 3D принтера создавать физические объекты трехмерного изображения на основе послойного формообразования твердого объекта.
Принцип заключается в создании продукта путем послойного добавления материала различными способами, например, путем наращивания или испарения металлического порошка, жидкого полимера или композитного материала. В отечественной технологической науке принципы аддитивизма начали развиваться в 80-х годах прошлого века.
Сфера применения аддитивных технологий постоянно расширяется и стремительно развивается, появляются огромные возможности для использования технологии в различных предметных областях и видах производств.
Благодаря широкому применению цифровых компьютерных программ в области проектирования, обеспечившими быстрый обмен данными между проектными и производственными подразделениями, удалось полностью реализовать сквозное безбумажное взаимодействие. По такому прямому принципу работают аддитивные технологии, которые базируются на создании отдельных слоев заданной в настройках установки толщины и их последовательного формирования друг с другом.
В настоящее время аддитивные технологии (АТ) являются одним из ключевых инструментов для совершенствования конструкций электрических машин. Благодаря АТ стало возможным изготовление деталей машин со сложной конфигурацией. Кроме того, сокращается трудоемкость производства за счет уменьшения количества технологических операций. В дополнение к этим преимуществам данная технология является практически безотходной.
Сейчас основным направлением в машиностроительных АТ является развитие одного из важнейших этапов производства - подготовки производства заготовок (производство литейной и штамповой оснастки, литейных моделей, инструментов).
Для мелкосерийного и экспериментального производства часто становится экономически выгоднее "напечатать" небольшую партию деталей на 3D-принтере, чем изготавливать литейную или штамповую оснастку. Кроме того, технологии 3D-печати позволяют значительно сократить технологическую цепочку, выявить все ошибки проекта на ранней стадии и получить полноценный прототип продукта для проведения испытаний и исследовательских работ.
В архитектуре с помощью 3D-принтеров получают макеты будущих объектов и сооружений, а также во многих других сферах жизнедеятельности человека.
Применение аддитивных технологий в медицине
Проведен анализ применения специального машинного оборудования и технических электронных средств, разнообразных многослойных материалов для использования в различных предметных областях, в том числе, в сфере медицинских технологий. Проведен обзор областей современной медицины, таких как ортопедия, нейрохирургия, челюстно-лицевая хирургия, кардиохирургия, фармакология, в которых с появлением аддитивных технологий и новых типов материалов появилась возможность печати внутренних органов, эндопротезов, костной и хрящевой ткани, индивидуальных слуховых аппаратов, стерильного инструментария, анатомических моделей, ортопедических протезов, печать таблеток.
Рассмотрены этапы современного ортодонтического лечения в стоматологии с использованием 3D печати.
Объектом исследования являются аддитивные технологии.
Аддитивные технологии в электротехнике
Целью данного исследования является обзор последних достижений в области применения аддитивных технологий в конструкциях различных типов электрических машин. В качестве материалов исследования были использованы научные статьи, опубликованные за последние три года.
В некоторых работах рассматриваются новые возможности проектирования и производства сосредоточенной обмотки вентильного реактивного электродвигателя с использованием технологии 3D-печати [1, 2]. Авторы разработали и изготовили катушку трапециевидной формы из порошка Fe-Si (рис. 1). Применение данной катушки позволит значительно повысить коэффициент заполнения паза, что, в свою очередь, приведет к созданию более энергоэффективной электрической машины.
3D-печать электрического двигателя
Статор конструкции состоит из секций, что обеспечивает возможность размещения катушек на зубцах. Для печати таких катушек возможно использование алюминия, что даст возможность снизить массу двигателя и его стоимость. Снижение веса катушки составило 32% по сравнению с обычной медной катушкой.
При проведении теплового анализа с одинаковой системой охлаждения было установлено, что алюминиевые катушки, напечатанные на 3D-принтере, имеют более низкую температуру по сравнению с традиционными медными катушками.
Найдена работа, посвященная исследованию создания магнитопровода статора синхронного электродвигателя с аксиальным потоком [3]. Для изготовления ярма и зубцов статора используется 3D-принтер с несколькими соплами, а в качестве материала применяется порошок Fe-Si (рис. 2).
3D-печать статора синхронного электродвигателя
Проведено сравнение магнитных свойств сердечников, изготовленных по данным методам, с сердечником из электротехнической стали марки M270-50A толщиной 0,5 мм. Испытания показали, что магнитопровод, изготовленный с помощью технологии LPBF, демонстрирует наибольшую площадь петли BH, в то время как у магнитопровода из стали M270-50A она оказывается наименьшей.
Авторами в одной из работ исследовался синхронный электродвигатель с аксиальным потоком, у которого магнитопровод статора изготовлен с использованием аддитивного производства (рис. 3).
Синхронный электродвигатель с аксиальным потоком
В результате исследования был разработан статор с использованием структуры Гильберта, который был изготовлен аддитивным методом с применением металлического порошка с содержанием кремния 6,5%.
В одном из анализируемых исследований имелась информация о разработке легкого ротора с системой воздушного охлаждения, выполненного с помощью аддитивных технологий совместно с валом (рис. 4).
Легкий ротор с системой воздушного охлаждения
В следующей статье представлены роторы с постоянными магнитами, изготовленные методом холодного напыления. Рассматриваются три типа магнитов: прямоугольной формы, скошенные и в форме лепестков (рис. 5).
Роторы с постоянными магнитами
Эксперименты показали, что электродвигатель с ПМ в форме лепестков демонстрирует меньшие пульсации момента по сравнению с другими образцами. Однако стоит отметить, что новая конструкция ротора с лепестковыми магнитами приводит к снижению крутящего момента более чем на 10%.
В одном из исследований авторами была представлена новая конструкция ротора без ребер с внутренним расположением постоянных магнитов, выполненная с использованием аддитивных технологий (рис. 6). Наличие полюсных ребер необходимо для механической прочности ротора, однако они являются причиной возникновения потоков рассеяния, что негативно сказывается на эффективности работы электродвигателя.