Аддитивные Технологии: Применение и Перспективы
Аддитивные технологии, часто называемые 3D-печатью, представляют собой инновационный метод создания трехмерных объектов путем пошагового наращивания материалов. Эти материалы могут быть различными: пластик, металл, бетон и даже, в перспективе, человеческая ткань. 3D-объекты формируются с помощью 3D-принтеров, и термины «аддитивные технологии» и «3D-печать» часто используются как взаимозаменяемые.
История аддитивного производства началась с изобретения первого 3D-принтера Чарльзом Халлом в 1983 году. Его устройство могло печатать небольшие пластиковые стаканы, последовательно добавляя слои материала с использованием ультрафиолетового излучения.
Преимущества Аддитивных Технологий
В последние годы многие отрасли промышленности оценили преимущества аддитивных технологий и активно внедряют их в производственные процессы. Все больше предприятий в аэрокосмической, автомобильной, машиностроительной, нефтегазовой, медицинской и ювелирной отраслях извлекают выгоду из возможностей, которые открывают эти перспективные методы.
Быстрота изготовления: Сложные детали, на изготовление которых традиционными методами могли уйти месяцы, с помощью 3D-печати можно создать за несколько часов.
Аддитивные технологии позволяют снизить себестоимость продукта, уменьшить расходы, сэкономить время производства и, в конечном итоге, увеличить доходы предприятия. Владельцы бизнеса, технологи, конструкторы, инженеры-судостроители осознают, что многие традиционные методы устарели и препятствуют воплощению передовых проектов.
На сегодняшний день речь не идет о полном переходе на аддитивные технологии, пока они способны эффективно дополнять классические процессы или заменять их на каком-то определенном участке цикла.
Применение Аддитивных Технологий в Различных Отраслях
Авиационная и Аэрокосмическая Промышленность
3D-технологии становятся все более актуальными и активно применяются в авиационной промышленности в тех случаях, когда традиционные методы оказываются менее быстрыми и эффективными либо вообще не применимы. 3D-печать металлическими порошками активно используется в аэрокосмической отрасли для изготовления прототипов, деталей двигателей, оснастки, производстве спутников. Её применение позволяет производителю удешевить продукцию, повысить ее эксплуатационные характеристики, а также значительно сократить время изготовления отдельных изделий.
Например, аддитивные технологии в авиастроении помогают создавать более высокоэкономичный и легкий по весу авиатранспорт, при этом его аэродинамические свойства сохраняются в полном объеме. Это стало возможным в результате применения принципов строения костей птичьего крыла в проектировании крыльев самолета.
Аддитивные технологии позволяют уменьшить компонентов, сохранив их прочность.
Автомобильная Промышленность
3D-печать ускоряет разработку прототипов и снижает затраты на тестирование.
Часто на практике возникает необходимость оптимизации конструкции. Например, в гоночных болидах снижение массы поворотного кулака снижает общую массу конструкции болида, величину сил инерции подвески, и, как следствие, повышает управляемость. Использование топологической оптимизации может привести к существенной модернизации конструкции, например, уменьшить массу конструкции, при этом сохранив прочность и жесткость.
Рассмотрим задачу моделирования процесса 3D-печати поворотного кулака автомобиля. Поворотные кулаки изготавливаются из алюминия, титана стали и всевозможных сплавов. После проведения расчёта напряжённо-деформированного состояния производится топологическая оптимизация исходной модели поворотного кулака, а затем производится поверочный статический расчет с исходными нагрузками и граничными условиями. Далее производится моделирование процесса 3D-печати.
Таким образом, была проведена симуляция этапов аддитивного производства на примере геометрии поворотного кулака, смоделирован процесс послойной печати для детали. В процессе печати коробления материала (т.е. изменения формы и размеров детали под влиянием внутренних напряжений) не возникает.
Медицина и Стоматология
В 2016 г. для медицины стал прорывом благодаря аддитивным 3d технологиям. Качество медицинских услуг возросло в разы.
В медицине аддитивные технологии применяются для создания протезов, сердечных клапанов, искусственных органов и других медицинских изделий. Аддитивные технологии в настоящее время все шире используются в медицине для создания протезов и ортезов, макетов органов и тканей, а также в фармации для производства персонифицированных лекарственных средств.
3D-печать помогает создавать индивидуальные импланты и протезы, повышая качество медицинского обслуживания. Всё чаще прибегают к 3D-печати в целях планирования хирургического вмешательства благодаря возможности печати любого участка организма с высокой точностью. 3D-модель создаётся на основании данных, полученных с помощью магнитной резонансной томографии (МРТ), компьютерной томографии высокого разрешения (КТВР) и др.
Ортопедические устройства: С появлением аддитивного производства позвоночник, коленные и бедренные суставы, на которые оказывается наибольшая нагрузка и которые чаще всего требуют интенсивной терапии и даже замены, стали предметом для активных исследований.
Протезы: Протезы конечностей уже завоевали определенную популярность, однако на их изготовление уходит много времени, потому что все их детали нужно изготавливать по отдельности. Теперь с помощью 3D-печати можно одним махом изготовить целый протез, причем подогнать его под индивидуальные параметры пациента.
Биопечать: Это будущее трансплантологии. Искусственное создание живых тканей и органов на основе живых клеток с использованием 3D-клеток в качестве основы для 3D-печати. Исследования показали, что 3D-печать искусственных органов может происходить в их собственных стволовых клетках in vitro, вызывая дифференцировку живых клеток в качестве сырья, прямую печать живых органов или тканей in vitro или in vivo. Эта замена, в некоторой степени, решает проблему дефицита донора трансплантата.
Моделирование коронок и мостовидных протезов: Традиционные методы с использованием литья, воска и длительных доработок уходят в прошлое. Применимая для этих задач аддитивная технология проста, точна, удобна в использовании, позволяет значительно сократить время подготовки и изготовления, и, кроме того значительно удобней для хранения и работы с данными, обеспечивая стопроцентную повторяемость изготовления стоматологических изделий (что важно в случае их поломки или утери). Полученные модели максимально соответствуют форме и положению в полости рта. А быстрое цифровое производство позволит оперативно подобрать необходимые параметры и геометрию будущих протезов, а самое главное, в точности с представлением хирурга и ожиданиями пациента.
Литьевые модели частичных съемных пластинчатых протезов: Этот процесс, один из самых технически сложных в зубном протезировании, становится с использованием 3D-печати более легким, предсказуемым и в какой-то мере даже обыденным.
Строительство
В строительстве технология строительной 3D-печати уже используется для возведения зданий и сооружений в США, Саудовской Аравии, Мексике, Франции, России, ОАЭ. Аддитивные технологии, позволяющие синтезировать различные по сложности объемные объекты, становятся все более востребованными в самых разных отраслях, в том числе в строительстве.
Стремительное развитие в области 3D-печати бетоном началось в 2014 году, когда шанхайская компания WinSun построила таким образом десять малоэтажных домов всего за 24 часа, а затем напечатала и пятиэтажное здание. Аддитивное производство зданий и различных сооружений существенно сокращает время застройки.
Энергетика
Аддитивные технологии позволяют изготавливать лопатки турбин с оптимизированной геометрией, которую сложно и дорого получить с помощью традиционных методов литья или механической обработки.
Методы Аддитивного Производства
В статье дана краткая характеристика методов аддитивного производства: экструзионного, стереолитогра-фического, порошкового, ламинирования и струйного. Изложены принципы SD-печати изделий данными методами.
Выделены наиболее важные в практическом отношении методы SD-печати, такие как экструзионный (FDM), стереолитографический (SLA, DLP), порошковый (EBM, SLM, SLS, DMLS), а также струйный (SDP).
3D-печать, или «аддитивное производство» (от англ. additive - добавка), - процесс послойного создания объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели.
Основные методы аддитивного производства:
- Технология послойного наплавления (FDM)
- Лазерная стереолитография (SLA)
- Цифровая светодиодная проекция (DLP)
- Электронно-лучевая плавка (EBM)
- Выборочная лазерная плавка (SLM)
- Выборочное лазерное спекание (SLS)
- Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
- Выборочное тепловое спекание (SHS)
- Изготовление объектов методом ламинирования (LOM)
- Струйная трехмерная печать (3DP)
I. Метод послойного наплавления (FDM) - технология аддитивного производства моделей, протоптипов и готовых изделий из различных полимеров. Печать происходит за счёт экструзии быстрозат-вердевающего материала в виде тонких струй либо в виде микрокапель. Выдавливанием жидкой массы через печатающее сопло, экструдер движется по траектории, соответствующей контурам изделия, что формирует единичный слой.
Из преимуществ данной технологии можно отметить использование в качестве расходных материалов относительно недорогих термопластиков и композитов. Разнообразие материалов для печати предоставляет широкий выбор между определенными прочностными и температурными характеристиками создаваемого объекта. Недостатком метода является ограничение по сложности геометрических форм изготовляемых объектов, ввиду чего для их печати необходимо обязательное применение специальных структур-опор.
В настоящее время FDM-технология нашла широкое применение в стоматологии. FDM-технология нашла применение в 3Б-печати таблеток и капсул с целью получения персонализированных лекарственных средств с контролируемым высвобождением действующих веществ.
II. Фотополимеризация протекает под воздействием облучения УФ-лазером или иным источником излучения, в точках соприкосновения луча лазера и полимера происходит его полимеризация и формирование твёрдых физических объектов. После фотополимеризации предыдущего слоя рабочая платформа погружается в ёмкость с жидкой смолой на расстояние, соответствующее толщине следующего печатного слоя. Далее поверхность нанесённого жидкого фотополимера выравнивается и процесс печати повторяется.
Из преимуществ технологии можно отметить высокую точность и скорость печати, возможность создания объектов большой геометрической сложности и размеров, простоту в обработке изготовленных изделий, а также низкий уровень шума в процессе печати. Цифровая светодиодная проекция (DLP) - метод аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий, альтернативный стереолитографии. SLA, как и DLP-технологии, нашли своё применение в челюстно-лицевой хирургии и ортодонтии. 3D-модели костей, коронок, зубных имплантатов и пр.
III. EBM-печать происходит в вакуумной камере, в которую подаётся необходимое для печати одного слоя изделия количество материала. Расходным материалом, используемым в EBM-печати, является металлический порошок (например, титан или его сплавы). После разравнивания слоя специальным валиком и удаления излишков порошка происходит сплавление отдельных участков материала с помощью пучка электронов по контуру, тем самым формирется один из слоёв модели. Далее слой опускается вниз на высоту, равную высоте следующего слоя, цикл повторяется необходимое для окончания печати модели количество раз.
Из преимуществ данной технологии можно отметить относительно высокую точность печати, обусловленную применением «магнитных зеркал», корректирующих траекторию пучка электронов, а также высокую производительность и возможность изготовления сразу нескольких моделей за один цикл печати, отсутствие необходимости в постобработке готовых изделий. Благодаря применению вакуума в процессе печати возможна работа с легкоокисляющи-мися металлами.
Выборочное (SLS) и прямое (DMLS) лазерное спекание металлов - методы аддитивного производства, используемые для создания моделей, прототипов и готовых изделий из порошкообразного материала, спекаемого с помощью одного или нескольких лазеров (например, углекис-лотных). Особенностью технологии является то, что при спекании происходит только частичное расплавление металла, необходимое для закрепления формы, но порошок не плавится полностью, как в SLS-технологии.
Технология выборочного теплового спекания близка к выборочному лазерному спеканию (SLS). Отличие заключается в использовании тепловой печатающей головки (источником излучения является галогеновая или специальная ИК-лампа) вместо лазерной.
IV. Изготовление объектов методом ламинирования (LOM): Лист расходного материала с клеевым слоем наносится на рабочую поверхность, далее лазер вырезает контур печатаемого слоя объекта. Лишний материал режется на секции для простоты удаления. Платформа с заготовкой опускается вниз; цикл повторяется необходимое количество раз. Технология LOM нашла применение для создания прототипов костей, органов, протезов и пр., модели которых получены в результате исследований организма методами МРТ, КТВР и др.
V. Струйная трехмерная печать (3DP) -метод аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий, в котором на порошок, наносимый последовательно тонким слоем на рабочую поверхность с помощью печатающей головки, наносится связующий материал, благодаря чему частицы склеиваются между собой и образуют слой будущей 3D-модели. Преимуществами технологии являются высокая скорость печати, возможность получения изделий сложной геометрической формы при отсутствии необходимости в построении опорных структур, относительно невысокая стоимость расходных материалов, возможность добавления в процессе печати красителей, уплотнителей и пр.
Численное Моделирование в Аддитивных Технологиях
В процессе 3D-печати, особенно при использовании технологии лазерного спекания порошковых металлов, возникают сильные температурные градиенты, что вызывает внутренние остаточные напряжения. Для того чтобы получить качественное готовое изделие, необходимо правильно настроить параметры печати. Численное моделирование позволяет учесть параметры печатной машины, термомеханические свойства материала, выбрать оптимальную ориентацию изделия на печатной платформе, оценить величину деформаций и остаточных напряжений после печати, а затем интерпретировать полученные результаты для оценки качества печати.
Численное моделирование процесса 3D-печати позволяет предсказать поведение материала при различных условиях и параметрах печати. Это важно для контроля напряжений и деформаций, которые могут привести к дефектам или искажениям конечного изделия. В качестве инструмента моделирования процесса 3D-печати используется специализированное программное обеспечение Ansys Additive Manufacturing. С использованием данного программного комплекса возможно моделирование поведения различных материалов в процессе 3D-печати.
Перспективы и Развитие Аддитивных Технологий
Аддитивные технологии продолжают развиваться, и их роль в промышленности становится все более значимой. Они не только ускоряют и удешевляют производственные процессы, но и открывают новые возможности для проектирования, кастомизации и экологически чистого производства.
Аддитивные технологии - способ создания предметов, когда они постепенно строятся из отдельных слоев материала, добавляемых друг на друга. Другое название - трехмерная печать.
Аддитивные технологии позволяют создавать сложные геометрические формы и интегрированные функциональные элементы, которые невозможны или крайне трудны для реализации с помощью традиционных методов. Это открывает новые горизонты, позволяет разрабатывать продукцию с улучшенными характеристиками и функциональностью.
Эксперты видят в 3D-технологиях серьезный потенциал для российского рынка. На многих отечественных предприятиях действуют подразделения быстрого прототипирования, создаются центры технологических компетенций и исследовательские лаборатории, разрабатываются программы обучения конструкторов и технологов.
| Преимущество | Описание |
|---|---|
| Быстрота изготовления | Изготовление сложных деталей за несколько часов |
| Экономия ресурсов | Снижение себестоимости и уменьшение расходов |
| Индивидуализация | Создание индивидуальных протезов и имплантов |
| Оптимизация конструкций | Возможность создания сложных геометрических форм |