Аддитивные технологии: Что это такое и как они меняют мир производства
Аддитивные технологии, широко известные как 3D-печать, представляют собой прорыв в методах создания объектов, открывая новые горизонты для инженеров, дизайнеров и производителей. Аддитивные технологии - это метод создания физических объектов из цифровых моделей путем добавления или изменения материалов слой за слоем. Эти технологии позволяют создавать сложные и уникальные изделия, которые ранее были недостижимы традиционными методами производства.
В самом термине «аддитивность» (от лат. additivus - прибавляемый) заложен основной принцип этого процесса. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления. Аддитивные технологии - одно из наиболее динамично развивающихся направлений цифрового производства.Аддитивные технологии не просто изменяют процессы производства; они переписывают правила игры, позволяя производителям мыслить и действовать без ограничений.
История развития аддитивных технологий
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.
Принцип работы аддитивных технологий
Аддитивные технологии - это процесс создания объектов с помощью послойного нанесения материала с использованием 3D-модели в качестве основы. 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. Тем самым снижается время, затраченное на изготовление детали, и её стоимость - в сравнении с традиционными технологиями производства посредством механической обработки или литья.
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
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. 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.
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.
2. SLS (Selective Laser Sintering) работает, как волшебник, управляющий лазерным лучом, который точно спекает порошкообразные материалы, такие как нейлон, в твердые объекты. С помощью этой технологии можно получать большие изделия с различными физическими свойствами. 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.
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.
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.
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.
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.
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.
5. Струйное нанесение. 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.
6. Струйное нанесение связующего. 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.
7. Соединение листового материала. В основе технологии - соединение листового материала, контур детали получается лазерной или механической резкой на каждом слое построения.
В отдельную категорию стоит вынести технологии быстрого прототипирования.
Существует множество технологий 3D-печати, мы упомянули лишь некоторые из них.
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 недостатки аддитивных технологий
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.
Преимущества:
- Быстрота изготовления: сложные детали, которые могли бы изготавливаться месяцы традиционными методами, могут быть сделаны за несколько часов с помощью 3D-печати.
Недостатки:
- 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.
- 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.
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.
Применение 3D-сканирования:
- Контроль качества. Проведение бесконтактного контроля изделий. Технология обеспечивает измерение и последующее сравнение с чертежом линейных и угловых геометрических параметров изделия с точностью до микрон.
- Реверс-инжиниринг. При отсутствии конструкторской документации наиболее эффективным решением проблемы стало применение 3D-сканеров.
- Проектирование. Для создания или модернизации какого-либо объекта достаточно отсканировать предмет и сконвертировать в удобный для обработки формат.