Аддитивные технологии: определение, процессы и применение

Аддитивное производство - это 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.

Что такое аддитивные технологии

3D-печать, согласно стандарту ISO/ASTM 52900, - это изготовление объектов путем нанесения материала печатной головкой, с помощью сопла или другой технологии печати. В прошлом этот термин ассоциировался с недорогими станками невысокой производительности.

«Аддитивное производство» (Additive Manufacturing) - официальный отраслевой термин, утвержденный организациями по стандартизации ASTM и ISO, однако словосочетание «3D-печать» более распространено и фактически стало стандартом.

Компании прибегают к аддитивным технологиям, стремясь сократить время производства, повысить качество продукции и сократить затраты. АП упрощает и ускоряет процесс разработки продукции.

История развития аддитивных технологий

Аддитивные технологии - это метод создания физических объектов из цифровых моделей путем добавления или изменения материалов слой за слоем. 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.

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».

Процесс 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.

Материалы для аддитивного производства

В аддитивном производстве используется широкая номенклатура материалов: полимеры, металлы, керамика.

Классификация технологий 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. Далее будет дана общая информацию по каждому из классов.

Основные классы аддитивных технологий:

• FDM (Fused Deposition Modeling) / FGF (Fused Granulate Fabrication)

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.

• SLA (Stereolithography) / DLP (Digital Light Processing) / CDLP (Continuous Digital Light Processing)

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.

• BJ (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.

• MJ (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.

• PBF (Powder Bed Fusion)

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.

• DED (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.

• LS (Laminated Sheet Fabrication)

В основе технологии - соединение листового материала, контур детали получается лазерной или механической резкой на каждом слое построения.

Применение аддитивных технологий

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.

Предприятия - крупные и малые - успешно применяют технологии для производства готовых изделий. По мнению экспертов, прямое производство станет крупнейшей областью применения аддитивных технологий.

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. 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.

Российский рынок 3D-технологий

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.