Разработка стандартов для 3D-печати:где мы сегодня? (Обновление 2020)

Путь к стандартизации для новых отраслей и технологий может быть долгим и трудным. Но для развития отрасли на сильном рынке потребность в стандартизованных процессах становится все более важной.

3D-печать достигла этого переломного момента:46% компаний, опрошенных EY, планируют применять эту технологию для производства готовых деталей к 2022 году. Очевидно, что по мере того, как технология продолжает переходить в сторону производства, потребность в стандартизация стоит как никогда остро.

Преимущества стандартизации для 3D-печати

Стандартизация - это передовой опыт, нормативные акты и критерии, которыми руководствуются отрасли и организации. Для развивающейся прорывной технологии, такой как 3D-печать, стандарты могут обеспечить столь необходимую основу для более широкого внедрения технологии, особенно по мере того, как рынок продолжает расти. Преимущества для лучшего обеспечения качества и согласованности процесса очевидны.

Однако путь к большей стандартизации аддитивного производства непрост. Цифровое происхождение аддитивного производства означает, что есть дополнительные факторы, которые следует учитывать по сравнению с традиционным производством, от использования форматов данных до руководящих принципов для процессов проектирования и производства.

Мы видим два основных преимущества стандартизации для 3D печать:

1. Обеспечение согласованности

Постоянное производство деталей высокого качества и обеспечение повторяемости процесса каждый раз остается одной из текущих задач аддитивного производства.

Аддитивное производство состоит из сложной сети переменных, от сырья до оптимизации проектирования и производственных процессов, которые, в свою очередь, требуют взаимодействия между инфраструктурой программного обеспечения и оборудования. Каждый из этих этапов необходимо отслеживать, оценивать и контролировать, чтобы обеспечить повторяемость и надежность 3D-печатных деталей, избегая при этом дорогостоящих методов проб и ошибок.

Стандартизация может помочь определить параметры для каждого этапа производства AM, помогая создать согласованный процесс на каждом этапе. Таким образом, компания может сравнить качество своих процессов AM с набором предварительных критериев. Это гарантирует достижение желаемого качественного результата.

2. Соответствие нормативным стандартам

В отраслях с жестким регулированием, таких как медицина, автомобилестроение, авиакосмическая промышленность и оборона, проблемы с сертификацией продукции также могут задерживать более широкое внедрение AM. Детали, произведенные с использованием аддитивных технологий, обладают свойствами, которые могут сильно отличаться от тех, которые получены при субтрактивном производстве, что усложняет обеспечение качества и сертификацию.

Стандарты квалификации и сертификации открывают реальный путь к сертификации продукции, предоставляя руководящие принципы, в соответствии с которыми части оцениваются и квалифицируются.

Проблемы стандартизации

Хотя некоторые стандарты для 3D-печати в настоящее время существуют, многие из важнейших стандартов все еще находятся в стадии разработки. Мы обозначили несколько областей, в которых необходима стандартизация для 3D-печати.

1. Материалы

Одна из текущих проблем связана с материалами, специфичными для AM, для многих из которых не существует стандартов. В частности, материалы для аддитивного производства металлов являются ключевой областью внимания, особенно потому, что они используются в таких сложных отраслях, как аэрокосмическая и медицинская.

Отсутствие стандартизации для материалов, специфичных для AM, означает, например, что производители не могут измерять значения напряжений. Данные о дизайне и управлении процессом также очень ограничены из-за отсутствия спецификаций материалов для 3D-печати, что может повлиять на способ создания детали.

Один из способов частично решить эту проблему - принять существующие стандарты, разработанные для обычных материалов, непосредственно для материалов AM. Однако степень, в которой могут применяться эти стандарты, еще предстоит определить, поскольку механическое поведение деталей AM может значительно отличаться от их аналогов, изготовленных традиционным способом.

2. Контроль процесса

Запатентованная природа переменных процесса AM создает еще одну проблему для стандартизации. Многие производители 3D-принтеров могут не захотеть делиться данными об оптимизации переменных процесса, которые влияют на свойства печатной детали, такие как термическая история, микроструктура и образование дефектов. Здесь стратегии сотрудничества и открытых платформ будут ключом к решению этой проблемы.

3. Сертификация

Наконец, разработка надежных подходов к сертификации является одним из основных направлений стандартизации 3D-печати. Текущий метод обеспечения качества и проверки - это тестирование финальных частей, что требует дополнительных времени и ресурсов. Чтобы решить эту проблему, отрасли необходимо разработать комплексные процессы сертификации деталей, которые позволят улучшить контроль качества в режиме реального времени.

Проблема усложняется тем, что процессы сертификации различаются в зависимости от отрасли и области применения. Как и когда проводится тестирование для сертификации - это область, которая должна быть определена любым процессом стандартизации.

Разработка стандартизированной основы для 3D-печати

Пока не удалось достичь глобального консенсуса в отношении стандартов для процессов и продуктов аддитивного производства. Однако прогресс намечается, и организации по разработке стандартов (SDO) и другие организации предпринимают совместные усилия по созданию всеобъемлющего набора стандартов для аддитивного производства.

Организации по разработке стандартов

ISO и ASTM International являются двумя ключевыми SDO, которые сформировали специальные комитеты для поддержки внедрения аддитивного производства в различных отраслях. Основываясь в значительной степени на добровольных усилиях, как ISO, так и ASTM International работают над охватом всех аспектов аддитивного производства.

В 2016 году они создали совместные рабочие группы для обновления и утверждения общей организационной структуры для стандартов AM, с целью гармонизации их развития в индустрии AM.

В рамках этого сотрудничества оба SDO объявили о структуре стандартов 3D-печати - Структура стандартов аддитивного производства . . В структуре выделены различные категории, требующие стандартизации, которые в целом охватывают:

• Материалы
• Процессы и оборудование
• Обработка готовых деталей
  

С тех пор сотрудничество было плодотворным. По состоянию на май 2020 г .:

• Комитет F42 ASTM по технологиям аддитивного производства утвердил 22 стандарта.
• Технический комитет 261 ISO по аддитивному производству (ISO / TC 261) опубликовал 15 стандартов, а еще 30 стандартов находятся на разных стадиях разработки.

ASTM также запустила несколько раундов финансирования, чтобы помочь в разработке стандартов для индустрии AM. В 2019 году был запущен новый раунд финансирования, в котором участвовали те же учреждения и их исследования, с добавлением Сингапурского национального инновационного кластера аддитивного производства (NAMIC).

Стандарты 3D-печати для металлического порошка кровать fusion

В 2018 году комитет ASTM F42 выпустил стандарт, увеличивающий использование процессов плавления в металлическом порошковом слое (PBF).

Стандарт, известный как F3303, ориентирован на металл аддитивное производство для медицины, авиакосмической и других отраслей. В нем описываются этапы аттестации машин и процессов на основе технологий SLM, EBM и DMLS. Обеспечение того, чтобы шаги AM были фиксированными и повторяемыми, может помочь преодолеть многие проблемы, связанные с применением и утверждением металлических деталей, напечатанных на 3D-принтере.

В настоящее время основное внимание ASTM уделяется разработке стандарта для SLM. технология, в настоящее время самый популярный метод 3D-печати металлом.

В дополнение к ASTM Федерация производителей металлических порошков (MPIF) недавно выпустила девять стандартных методов испытаний MPIF для определения характеристик металлических порошков AM.

Предназначены для дизайнеров, производителей и пользователей. Эта коллекция металлических деталей AM, эта коллекция является еще одним признаком того, что отрасли осознают растущую роль 3D-печати металлом в производственном мире.

Стандартизация 3D-печати для авиакосмической промышленности

Для решения проблемы стандартизации металлических AM в аэрокосмической отрасли глобальная ассоциация инженерных стандартов SAE International недавно выпустила четыре новых стандарта PBF.

Новый набор стандартов для спецификаций материалов для аэрокосмической промышленности (AMS) поддерживает сертификацию критически важных деталей самолетов и космических аппаратов, а также охватывает спецификации материалов для никелевых сплавов и технологические требования для 3D-печати с использованием металлических порошков.

Однако SAE не остановилась на этом. Совсем недавно организация также выпустила первые спецификации полимеров AM для аэрокосмической промышленности в прошлом году. Например, спецификация AMS7100 устанавливает важнейшие элементы управления и требования для производства надежных, воспроизводимых, воспроизводимых деталей для аэрокосмической отрасли с помощью моделирования методом наплавления (FDM®) или производства других материалов методом экструзии.

Комитет ASTM International F42 также занимается разработкой 4 дополнительных стандарта, которые помогут производителям авиационных запчастей соответствовать требованиям безопасности и производительности. Стандарты охватывают исходные материалы, свойства готовых деталей, производительность и надежность системы, а также принципы квалификации.

Совместная работа по стандартизации аддитивного производства (AMSC)

Разработка соответствующих стандартов является ключевым фактором массового внедрения аддитивного производства. Однако для ускорения роста отрасли необходим последовательный подход к этой разработке.

В свете этой потребности America Makes, Институт инноваций в аддитивном производстве США и Американский национальный институт стандартов (ANSI) предложили объединили усилия для создания Совместной программы стандартизации аддитивного производства (AMSC).

С 2016 года AMSC опубликовала две версии своей дорожной карты стандартизации для аддитивного производства. Дорожная карта предназначена для определения стандартов (утвержденных и разрабатываемых), оценки пробелов и определения приоритетных областей для дополнительных НИОКР и стандартизации. Более 300 человек из 175 различных организаций государственного и частного сектора поддержали разработку второй версии Дорожной карты, опубликованной в июле 2018 года.

Дорожная карта AMSC представляет собой снимок текущего ландшафта стандартов для промышленных добавок изготовление. Интересно, что в нем выявлено 93 пробела, 18 из которых считаются высокоприоритетными для разработки большего количества стандартов. Пробелы включают необходимость разработки руководящих принципов, подчеркивающих компромиссы между аддитивными и вычитающими технологиями, а также руководящих принципов проектирования для конкретных процессов.

В конце 2019 года America Makes и ANSI также запустили онлайн-портал для отслеживания деятельности по стандартизации в AM.

Хотя сложность, отслеживание и, наконец, устранение пробелов в стандартизации является обязательным для AM заинтересованные стороны, стремящиеся раскрыть потенциал аддитивных технологий в производстве.

Важность сотрудничества

Промышленное сотрудничество и партнерство были мощными механизмами в аддитивном производстве, и разработка стандартов не исключение. Развитие сотрудничества дает прекрасную возможность использовать промышленный опыт AM, который может помочь расширить сферу применения промышленных стандартов 3D-печати.

• Например, SLM Solutions Group вступила в партнерские отношения с Немецким институтом стандартизации (DIN) для поддержки недавно созданного Руководящего комитета аддитивного производства. Благодаря своему технологическому опыту SLM Solutions стремится повысить коммерческую жизнеспособность 3D-печати металлом.

• Сотрудничество между Oerlikon и Boeing также направлено на разработку стандартов для 3D-печати из металла. Партнерство, ориентированное на использование AM в аэрокосмической и оборонной промышленности, направлено на стандартизацию материалов и процессов для 3D-печати конструкционных титановых компонентов металлическими порошками.

• В прошлом месяце ASTM International инвестировала 300 000 долларов в исследовательские проекты в рамках Центра передового опыта аддитивного производства, которые нацелены на четыре основные области, включая сырье, аттестацию процесса, постобработку и тестирование.

• Открытие этим летом Центра передового опыта аддитивного производства также является еще одной важной вехой для отрасли. Новое предприятие, основанное ASTM International в сотрудничестве с Обернским университетом, НАСА, EWI и базирующимся в Великобритании центром производственных технологий (MTC), ориентировано на преодоление научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и стандартизации, чтобы заполнить ключевые пробелы в отрасли.

В то время как MTC будет разрабатывать стандарты для оценки качества и пригодности металлических порошков для вторичной переработки, исследователи NASA сосредоточатся на спецификациях для лазерных машин и процессов. EWI будет изучать постобработку, чтобы помочь стандартизировать показатели качества поверхности и измерений. Наконец, Обернский университет будет отвечать за исследование проблем механических испытаний металлических AM, чтобы помочь разработать рекомендации по разработке образцов для тестирования деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Благодаря тому, что под одной крышей собраны многие ключевые заинтересованные стороны отрасли, это сотрудничество может изменить правила игры в отрасли.

Стандартизация:формируя будущее 3D-печати

<цитата>

«Было бы невероятно выгодно для всех заинтересованных сторон и трехсторонних участников, если бы в отрасли были в целом более высокие стандарты, стандарты, которые будут понятны и приняты повсеместно. Благодаря стандартам компании могут сравнивать яблоки с яблоками и принимать разумные решения, которые могут быть реализованы в рамках всеобъемлющей экосистемы поставщиков, производителей и пользователей ».

Ави Рейхенталь, основатель XponentialWorks

В то время как 3D-печать продолжает набирать обороты в промышленном производстве, массовому внедрению этой технологии препятствуют проблемы, связанные с качеством деталей, согласованностью и сертификацией. Стандартизация может помочь решить некоторые из наиболее насущных из этих проблем.

Чтобы аддитивное производство продолжало двигаться к массовому внедрению, необходимо будет разработать стандарты и руководящие принципы. В то же время, однако, для такого развития потребуется время, а возможно, и несколько лет.

Но преимущества очевидны:четкие стандарты будут стимулировать использование 3D-печати в производстве за счет использования общей терминологии, эффективного тестирования и единообразия материалов и процессов.