Аддитивные технологии: определение, методы и применение
Аддитивные технологии - это метод создания физических объектов из цифровых моделей путем добавления или изменения материалов слой за слоем. Аддитивное производство - процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных трехмерных моделей, как правило, послойно, в отличие от субтрактивного метода и метода формовки.
В этой динамически развивающейся отрасли быстро появляются новые термины. 3D-печать, согласно стандарту ISO/ASTM 52900, - это изготовление объектов путем нанесения материала печатной головкой, с помощью сопла или другой технологии печати. «Аддитивное производство» (Additive Manufacturing) - официальный отраслевой термин, утвержденный организациями по стандартизации ASTM и ISO, однако словосочетание «3D-печать» более распространено и фактически стало стандартом.
История развития аддитивных технологий
В основу современного аддитивного производства легла стереолитография. В 1984 году американец Чарльз Халл представил аппарат для производства твердых объектов за счет последовательного наслоения фотополимерного материала. Через несколько лет ученый основал компанию 3D System и выпустил первый 3D SLA принтер. Промышленники быстро поняли выгоду, получаемую от «быстрого прототипирования».
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 создания объекта с использованием аддитивных технологий
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.
Материалы, используемые в аддитивном производстве
В аддитивном производстве используется широкая номенклатура материалов: полимеры, металлы, керамика.
Классификация аддитивных технологий
На данный момент существует более 40 различных технологий аддитивного производства, которые подразделяют по классу и физическому принципу работы, материалу и размерам формируемых деталей, точности и скорости 3D-печати, стоимости и области практического применения. Далее будет дана общая информацию по каждому из классов.
Экструзия материала (FFF/FGF)
Формирование изделия происходит путем выдавливания термопласта в виде нити/филамента (FFF) или гранул (FGF) через нагреваемый экструдер. Благодаря низкой стоимости 3D-печати и широкой линейке материалов, технология FFF/FGF активно используется во многих отраслях науки и техники: при разработке прототипов и мелкосерийных деталей, технологической оснастке для механообработки, литья, штамповки и производства композитов, на сборочной линии для создания специальных шаблонов и инструментов.
Фотополимеризация (SLA, DLP, CDLP)
В данном классе деталь создается благодаря химической реакции в жидком полимере (смоле) от воздействия лазера (SLA) или световой проекции (DLP, CDLP). Существует несколько типов смол: инженерные для прототипов и технологической оснастки, а также газифизируемые для литейного производства. Технология отличается высоким качеством поверхности конечных деталей.
Струйное нанесение связующего (Binder Jetting)
Класс и единственная технология в этом классе, «Струйное нанесение связующего» позволяет создавать детали из различных материалов: песок/гипс, полимеры (PMMA) и металлы (технология MBJ). Модель формируется путем послойного склеивания порошковых композиций. Песчаные композиции используются при выращивании форм для литья в холодно-твердеющие смеси (ХТС), полимерные порошки - для различных прототипов и газифицируемых моделей, металлические композиции - для деталей оснастки и малонагруженных деталей.
Струйное нанесение материала (Material Jetting)
Деталь формируется путем струйного нанесения различных материалов. Для данного процесса возможно использование большого количества полимеров как в чистом, так и смешанном виде, что позволяет создавать разноцветные или прозрачные полимерные детали. Данное преимущество активно используется в промышленном дизайне при разработке опытных образцов продукции и медицине для создания шаблонов проведения операций. Высокая точность и низкая шероховатость конечных деталей позволяют создавать технологическую оснастку для мелкосерийного литья полимеров. Также, возможно выращивание высокоточных выплавляемых моделей для литья по ЛВМ при использовании жидких полимеров на основе воска.
Порошковое спекание/сплавление (SLM, EBM, SLS, MJF)
В зависимости от типа процесса, деталь формируется выборочным сплавлением (SLM, EBM) или спеканием (SLS, MJF) порошка в заранее сформированном слое. SLM является самой распространенной из аддитивных технологий для производства высокоточных металлических деталей, активно используется в аэрокосмической, автомобильной, инструментальной промышленности и медицине. Типовые детали - опытные и серийные сложнопрофильные детали, технологическая оснастка, имплантаты. SLS также является одной из распространенных технологий аддитивного производства полимерных деталей. Конечные детали отличаются высокой прочностью и равномерными физическими свойствами.
Направленная подача энергии (Directed Energy Deposition)
Деталь создается путем подвода энергии и материала в зону формирования. В зависимости от типа технологии, металл сплавляется/соединяется лазерным или электронным лучом, электрической или плазменной дугой, кинетической энергией или трением. Сырьем выступает металлический порошок или проволока. Технология отличается высокой скоростью и низкой стоимостью 3D-печати. В основном, используется для производства заготовок, в дальнейшем, конечные детали получают методом механической обработки.
Листовое наслоение (Sheet Lamination)
В основе технологии - соединение листового материала, контур детали получается лазерной или механической резкой на каждом слое построения.
Применение аддитивных технологий
Аддитивные технологии используются для создания физических моделей, прототипов, образцов, инструментальной оснастки и производства пластиковых, металлических, керамических, стеклянных, композитных компонентов и компонентов из биоматериалов. Проектные и производственные предприятия используют АП для изготовления изделий потребительского, промышленного, медицинского и военного назначения, и это далеко не все. АП упрощает и ускоряет процесс разработки продукции.
Компании прибегают к аддитивным технологиям, стремясь сократить время производства, повысить качество продукции и сократить затраты. 3D-печать активно используется для повышения качества оснастки для литья под давлением. В некоторых областях АП применяют для получения результатов, недостижимых при использовании обычных станков. 3D-печать оказывает большое влияние на производство многих продуктов. Предприятия - крупные и малые - успешно применяют технологии для производства готовых изделий.
По мнению экспертов, прямое производство станет крупнейшей областью применения аддитивных технологий. Отрасль продолжает развиваться, возникают новые методы, технологии, материалы, прикладные задачи и бизнес-модели. Расширяется география и сфера промышленного применения АП.
Аддитивные технологии могут применяться в различных сферах: авиационная, автомобильная промышленность, производство часов и бижутерии, спорт, дизайн и мода. В промышленной сфере аддитивные технологии используются главным образом в целях прототипирования, но те сферы промышленности, для которых характерно мелкосерийное производство, начинают использовать аддитивные технологии для изготовления готовой продукции. При прототипировании аддитивные технологии обладают выигрышем по времени и деньгам, позволяя быстро опробовать базовую функциональность изделия в процессе его разработки перед тем, как выпустить большую партию изделия.
В некоторых областях АП применяют для получения результатов, недостижимых при использовании обычных станков. 3D-печать оказывает большое влияние на производство многих продуктов. Предприятия - крупные и малые - успешно применяют технологии для производства готовых изделий.
В таблице ниже представлены основные преимущества и недостатки аддитивных технологий:
| Преимущества | Недостатки |
|---|---|
| Сокращение времени производства | Ограничения по материалам |
| Повышение качества продукции | Высокая стоимость оборудования и материалов |
| Снижение затрат | Ограничения по объему производства |
| Возможность создания сложных геометрических форм | Необходимость в квалифицированном персонале |
Рынок аддитивных технологий в России
В России рынок 3D-технологий достаточно молод, но уже показывает динамичный рост (по данным Роснано, около 30% в год). Все больше компаний осознают потребность в применении аддитивных методов в производстве и научных исследованиях. Есть организации, которые активно занимаются сертификацией материалов и уже тестируют 3D-принтеры собственного производства.
Сегодня речь о полном переходе на аддитивные технологии не идет - пока что они способны эффективно дополнять классические процессы или заменять их на каком-то определенном участке цикла.
3D-сканирование как часть аддитивных технологий
Трехмерное сканирование условно можно обозначить одним их направлений аддитивных технологий. 3D-сканирование - это технология, позволяющая создать на основе геометрических характеристик объекта практически любой сложности цифровую модель. 3D - сканеры измеряют количество точек на поверхности изделия и создают «облако точек».
Область применения 3D-сканирования обширна: начиная от аэрокосмической отрасли, машиностроения и промышленного дизайна и заканчивая медициной, археологией и созданием компьютерных игр.