Аддитивное производство и 3D-печать: ключевые идеи и применения

Существует много путаницы вокруг терминов аддитивное производство и 3D-печать.

И это неудивительно. Ведь оба термина относятся к очень похожим процессам.

И аддитивное производство, и 3D-печать описывают процесс создания объектов путем постепенного наложения тонких слоев материала.

В этой статье мы объясним, что такое аддитивное производство и 3D-печать, как они связаны и для чего используются.

Для чего используется аддитивное производство в 3D-печати?

В традиционном производстве детали часто обрабатываются из более крупных блоков материала. Материал вычитается из исходного блока для формирования детали. Естественно, это вызывает много отходов. Если вы видели видео, как становщик превращает твердый блок металла или дерево в готовую деталь, вы, вероятно, были поражены огромным количеством отходов.

В противовес, в аддитивном производстве детали изготавливаются путем наложения слоев материала для формирования готовой детали. Как это работает? Это зависит от типа аддитивного производства.

По Американскому обществу испытаний и материалов (ASTM), существует семь категорий аддитивного производства:

1. Ванная фотополимеризация (VAT Photopolymerization) — объекты строятся из слоев жидкой фотополимерной смолы, закаляемой ультрафиолетовым светом
2. Порошковое слоевое сплавление (Powder Bed Fusion) — объекты строятся из слоев порошкового материала, плавленного (или «сплавляемого») с помощью тепла или мощного лазера. Распространенные техники включают селективное лазерное синтерирование (SLS)
3. Материальный джеттинг (Material Jetting) — каждый слой объекта строится с помощью печатающей головы, наносящей капли жидкого материала на строительную поверхность, где они быстро затвердевают. После завершения каждый слой закаляется ультрафиолетовым светом
4. Слоистая ламинация (Sheet Lamination) — объекты строятся из листов или лент металла, связываемых ультразвуковой сваркой. Слоистая ламинация не полностью аддитивная, так как излишки материала обычно удаляются традиционными методами вроде ЧПУ-обработки
5. Материальная экструзия (Material Extrusion) — материал проходит через сопло, где нагревается и наносится слоями на строительную платформу. Дополнительный процесс закалки не нужен, так как каждый слой наносится в расплавленном состоянии
6. Направленное энергетическое наложение (Directed Energy Deposition) — DED охватывает ряд сложных техник аддитивного производства для ремонта или добавления материала к существующим компонентам. В большинстве реализаций расплавленный материал наносится через сопло на целевую поверхность, где затвердевает. Принцип похож на материальную экструзию, за исключением того, что сопло должно двигаться в множестве направлений для учета по-разному сформированных целевых поверхностей
7. Биндер-джеттинг (Binder Jetting) — также известное как 3D-печать

Поскольку эта статья фокусируется именно на 3D-печати для аддитивного производства, мы подробнее рассмотрим этот вариант.

Какой процесс аддитивного производства (3D-печати)?

3D-печать использует два материала:

1. Порошковый материал, обычно пластик, металл или керамика
2. Связующее вещество (биндер), действующее как клей между слоями порошка. Большинство биндеров в жидкой форме

Термин 3D-печать происходит от визуального сходства биндер-джеттинга с 2D-печатью. В стандартном струйном принтере печатающая голова движется горизонтально по осям X и Y, нанося капли чернил на бумагу.

Аналогично, для построения объекта с 3D-печатью печатающая голова движется горизонтально по осям X и Y станка и наносит чередующиеся слои строительного материала и связующего материала. После завершения каждого слоя строительная платформа, держащая объект, незначительно опускается для следующего слоя.

В зависимости от размера объекта, может потребоваться сотни, тысячи или даже десятки тысяч таких слоев. Для представления процесса посмотрите таймлапс-видео 3D-напечатанной модели Эйфелевой башни.

Важность ПО для аддитивного производства и 3D-печати

Все техники аддитивного производства, включая 3D-печать, зависят от цифровых техник проектирования вроде CAD. Фактически, вся цель 3D-печати — превращать цифровые дизайны в реальные объекты.

Раньше инженеры использовали CAD-ПО с жесткими техниками симуляционного моделирования для проектирования объектов, надежных и эффективных в реальном мире. Но была проблема. Традиционные производственные техники вроде ЧПУ-обработки и литья под давлением имеют определенные ограничения, делающие производство этих иначе «идеальных» объектов невозможным.

И здесь вступает гармоничные отношения между CAD и 3D-печатью. Одно из важнейших преимуществ 3D-печати — оно позволяет производить цифровые дизайны в реальном мире без ограничений традиционных производственных техник.

CAD и 3D-печать позволяют производству быть управляемым дизайном, тогда как исторически процесс проектирования должен был управляться тем, что возможно с конвенциональными производственными техниками. Это дает инженерам гораздо большую свободу дизайна и способствовало огромным прорывам во многих отраслях.

Хотя большинство коммерческих CAD-систем ввели модуль для аддитивного производства, создание собственного кастомного CAD-приложения для аддитивного производства довольно просто с 3D SDK от Spatial. Посмотрите www.spatial.com для подробностей.

Узнайте о разнице между аддитивным производством и 3D-печатью

1. 7 основных типов аддитивного производства
2. 6 прорывов 3D-печати в медицине
3. Как полностью использовать CAD в процессе аддитивного производства

Преимущества 3D-печати аддитивного производства над традиционными производственными техниками

Конечно, свобода дизайна — не единственное преимущество 3D-печати. Другие главные преимущества:

• Производство сложных но легких структур с материалами аддитивного производства и 3D-печати.

Мы уже отметили, что 3D-печать позволяет строить объекты, невозможные традиционными техниками. Стоит также отметить, что поскольку они строятся слой за слоем, высоко сложные детали могут быть построены в едином куске. Одновременно, благодаря спектру материалов, даже сложные 3D-напечатанные детали могут быть и низкими по весу, и высокими по растяжной прочности.

• Дешевле для единичных изготовлений.

Одно из больших преимуществ 3D-печати — не требует форм или специальных сборочных ригов. В результате малые партии единичных объектов могут производиться легко и при гораздо более низкой стоимости.

• Меньше отходов.

Как уже отмечено, 3D-печать — аддитивная производственная техника, тогда как многие традиционные подразумевают извлечение материала. Этот факт один означает, что 3D-печать приводит к гораздо меньшим отходам, чем другие распространенные производственные техники.

• Быстрый выход на рынок.

Просто: никакая другая техника не позволяет производителям проектировать и строить объекты так быстро, как 3D-печать. Это особенно ценно для построения и тестирования прототипов. Именно поэтому 3D-печать стала синонимом одного из своих самых частых применений: быстрого прототипирования.

3D-печать для аддитивного производства для быстрого прототипирования

Быстрое прототипирование — просто быстрое производство физического объекта, детали или модели.

Любая производственная техника может использоваться в быстром прототипировании, от традиционных (ЧПУ-обработка) до современных (3D-сварка). По понятным причинам аддитивные технологии вроде 3D-печати используются чаще всего.

Как подразумевает название, быстрое прототипирование в основном используется для построения серии прототипов, которые можно быстро тестировать и отбрасывать до нахождения лучшего дизайна. Этот итеративный подход к проектированию и производству всегда был популярен и стал только эффективнее с эволюцией аддитивных процессов.

Быстрое прототипирование имеет три четких преимущества для производителей в сочетании с 3D-печатью:

• Оно высоко стоимоэффективно. Большинство процесса автоматизировано, поэтому требуется мало персонала. Материалы и производственные процессы дешевле в настройке, чем альтернативные техники.

• Скорость. Быстрое прототипирование помогает производителям производить и отбрасывать дизайны быстрее, чем когда-либо, обучаясь на каждой итерации и приближаясь к конечному продукту. Это переводится в более быстрый time-to-market (TTM), что часто значительное конкурентное преимущество.

• Сниженный риск. Ошибки в производстве могут быть экстремально дорогими. Благодаря низкой стоимости и временным вложениям для производства дополнительных прототипов, быстрое прототипирование резко снижает риск дорогих ошибок на этапе массового производства.

Для чего используется 3D-печать?

На этом этапе, кроме производства, большая часть хайпа и медийного внимания к 3D-печати касалась потребительских применений. Неоспоримо «круто», что любой с ноутбуком и под тысячей долларов может проектировать и строить почти любой объект, который может вообразить.

Однако истинная ценность 3D-печати лежит в коммерческих применениях. Топ отраслей, использующих 3D-печать:

Авиация и авиакосмика — 3D-печать имеет очевидные преимущества для авиации. Наиболее заметно, она позволяет авиафирмам быстро и дешево строить прототипы, используя прочные, легкие материалы. Сейчас 3D-печать используется для производства всего: от внутренних элементов (столики за спинками сидений, подголовники) до компонентов двигателей и вооружения.

С развитием все больших 3D-принтеров можно ожидать еще больше компонентов, изготовленных 3D-печатью в ближайшем будущем — возможно, даже целый авиационный двигатель.

Здравоохранение — Раньше доступность имплантатов и протезов была существенным и дорогим препятствием для ухода за пациентами. Однако уже несколько лет 3D-печать используется в разработке широкого спектра хирургических направляющих, протезов и даже пациенто-специфических имплантатов.

По мере эволюции материалов отрасль смогла использовать 3D-печать для построения все более легких, прочных и безопасных продуктов, сокращая время и стоимость.

Автомобилестроение — Несколько десятилетий автомобильная отрасль использует 3D-печать и другие аддитивные техники для производства прототипов. Изначально это было единственным применимым использованием 3D-печати в авто, так как материалы не были достаточно надежными для реального использования.

Однако по мере эволюции материалов 3D-печать приняла большую роль. Техника теперь рутинно используется для производства множества форм, термоформирующих инструментов, захватов, приспособлений и оснасток, нужных при производстве. То есть 3D-печать используется для усиления других производственных техник.

Но не только. 3D-печать также неоценима для производства кастомных деталей вроде кузовных оболочек и внутренних компонентов для адаптации конкретных автомобилей.

Архитектура — Архитектурная отрасль полагается на масштабные модели для демонстрации клиентам и инвесторам внешнего вида проекта после стройки. Эти модели исторически строились вручную и часто требовали сотни человеко-часов. Естественно, 3D-печать всё изменила.

Поскольку архитектурные проекты уже проектируются с компьютерным ПО, они естественные кандидаты для 3D-печати. Теперь, когда CAD-файл завершен, его можно отправить прямо на печать, экономя огромное время и гарантируя точную реплику модели.

Что дальше для 3D-печати и аддитивного производства?

До сих пор широкое коммерческое принятие ограничивалось отраслями, уже известными тем, что находят на передовой технологий — производство, авиация, авто, здравоохранение.

Однако с постоянным улучшением оборудования и материалов нет сомнений, что 3D-печать продолжит расти в ближайшие годы.

От 3D-напечатанных домов до машин — не пройдет долго, пока почти все, что мы используем ежедневно, не сможет быть построено этой казалось бы космической техникой.