Что такое 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. 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 - одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства. Аддитивные технологии производства позволяют изготавливать любое изделие послойно на основе компьютерной 3D-модели. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления.

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. Другое название - трехмерная печать. Аддитивные технологии - способ создания предметов, когда они постепенно строятся из отдельных слоев материала, добавляемых друг на друга.

В отличие от субтрактивных технологий, которые удаляют материал из исходной массы (заготовки), аддитивное производство обеспечивает возможность создавать объекты путем наращивания каждого нового слоя материала поочерёдно. 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.

Этапы 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.

Области применения 3D-сканеров:

• 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.

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.

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. 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 информация по каждому из классов.

Самыми распространенными на сегодняшний день являются экструзионная 3D-печать - FDM, синтез на подложке - SLM, стереолитография - SLA.

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. 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.

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. Селективное лазерное спекание полимерных порошков. С помощью этой технологии можно получать большие изделия с различными физическими свойствами.

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. Лазерная стереолитография, отверждение жидкого фотополимерного материала под действием лазера. Эта технология аддитивного цифрового производства ориентирована на изготовление высокоточных изделий с различными свойствами.

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.

Другие технологии

Помимо вышеперечисленных, существуют и другие технологии аддитивного производства:

• Класс «Струйное нанесение связующего»: позволяет создавать детали из различных материалов: песок/гипс, полимеры (PMMA) и металлы (технология MBJ).
• Многоструйное моделирование (MJM): с помощью фотополимерного или воскового материала 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.
• CJP (Color jet printing): послойное распределение клеящего вещества по порошковому гипсовому материалу. На сегодняшний день - это единственная промышленная технология полноцветной 3D-печати.

Материалы, используемые в аддитивном производстве

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.

Преимущества и ограничения аддитивных технологий

Преимущества аддитивных технологий:

• Быстрота изготовления: сложные детали, которые могли бы изготавливаться месяцы традиционными методами, могут быть сделаны за несколько часов с помощью 3D-печати.
• 3D-печать позволяет сохранять необходимую прочность деталей, делая их значительно более легкими, по сравнению с литьем например.
• 3D-печать предлагает создание необходимых деталей в количестве от одной штуки, при этом не увеличивая их стоимость во много раз.
• Возможность производства деталей из каталога по требованию заказчика, даже если они уже не производятся массово, также обеспечивается аддитивными технологиями.
• Применение цифрового производства значительно ускоряет процесс разработки и выпуска новой продукции.
• Применение технологии 3D-печати в аддитивном производстве подразумевает широчайшую вариативность выпускаемой продукции и повышение ее потребительских свойств и технических характеристик.

Ограничения аддитивных технологий:

• Ограничения материалов: не все материалы подходят для аддитивного производства. Например, некоторые металлы и композиты могут быть сложными для обработки.
• Работа с 3D моделями невозможна без высокоточного оборудования и качественных исходных материалов. Для готового изделия это означает преимущество, а вот для стоимости - недостаток.

Применение аддитивных технологий в различных отраслях

Аддитивные технологии открывают новые возможности для разнообразных отраслей, предоставляя инструменты для инноваций и развития. Аддитивное производство вообще, в том числе и деталей из пластика, и аддитивное производство металлов, а точнее - изделий из металлов и сплавов, особенно в последнее время, широко применяется практически во всех отраслях промышленности без исключения.

Примеры применения:

• 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.
• 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.
• Хороший пример использования 3D-технологий в металлургии - создание литейных форм.

3D печать в строительстве: как аддитивные технологии меняют строительную отрасль

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