Инновационные применения аддитивного производства: трансформация высокотехнологичных отраслей

Использование программных компонентов аддитивного производства растет в высокотехнологичных отраслях. По исследовательской фирме MarketsandMarkets (M&M), производство 3D-принтеров и выходы аддитивного производства выросли в стоимости до $3,5 млрд в 2017 году. Лидирующие пользователи аддитивного производства — медицинские устройства, авиакосмика и автомобилестроение.

Это неудивительно. В аддитивном производстве стоимость печати сложной формы такая же, как простого дизайна, особенно в малых количествах.

Медицинские устройства и хирургия

Преимущества аддитивного производства — дар для медицинской отрасли. Используя аддитивное производство, медицина создает высоко кастомизированные имплантаты для стоматологических и ортопедических применений. Поскольку аддитивное производство убирает стоимость оснастки и настройки (необходимых в субтрактивном производстве), врачи не должны беспокоиться об эффекте масштаба при предложении кастомных имплантатов и протезов пациентам.

Кроме того, аддитивное производство также позволило производителям создавать очень сложные и тонкие дизайны, такие как суставы, предназначенные для соединения с человеческими костями. Для производства таких решений 3D-принтеры должны изготавливать микроскопические фрактальные решетчатые структуры, в которые костная ткань может расти, обеспечивая прочную связь между имплантатом и костью. Нет другого способа произвести такие формы.

Точно так же стоматологические имплантаты и вставки предполагают невероятную кастомизацию и очень сложный дизайн для точного соответствия. В стоматологическом имплантировании значительная точность. Сначала — рентген рта для изучения костей. Второе — хирург должен просверлить отверстие для имплантата. Но хирург должен гарантировать, что имплантат (например, винт) идеально выровнен с расположением зубов. Благодаря 3D-печати стоматологи теперь могут закрепить кастомные имплантаты. Эти имплантаты и связанные направляющие для сверления кастомно проектируются в специализированном CAD-ПО для 3D-печати, затем изготавливаются с высокой степенью автоматизации.

Для нейрохирургии врачи создают кастомную приспособку после КТ пациента. Как в стоматологии и ортопедии, это подразумевает производство имплантата, точно соответствующего черепу пациента и направляющего инструменты хирурга во время операции. Специализированное 3D-ПО автоматизирует дизайн этих хирургических приспособлений.

Авиакосмика и инфраструктура

Авиакосмика была пионером в принятии аддитивного производства. Недавно ее усилия привели к 3D-напечатанной детали для использования в коммерческих турбовентиляторных двигателях.

LEAP турбовентиляторный двигатель — совместное предприятие General Electric (GE) и Safran Aircraft Engines — оснащен 3D-напечатанными топливными форсунками. ФАА США одобрил форсунку для использования на коммерческих самолетах в 2015 году. Не только эта деталь весит на 25% меньше предшественника на двигателях старшего поколения, но, по GE, она в пять раз более долговечна.

Помимо существенных выгод в топливной экономии и снижении углеродных выбросов на самолетах с двигателями LEAP, 3D-напечатанная деталь также оптимизирует производственную цепочку поставок. 3D-печать позволила GE заменить 20 разных деталей всего одной единицей. Не только это упрощает производственный процесс, но и снижает затраты на обслуживание за жизненный цикл.

Использование 3D CAD и CAE (компьютерного инженерного анализа) ПО — ключевой элемент дизайна и разработки авиакосмической отрасли. GE использовала CAD/CAE для необходимых дизайн-изучений, симуляций и анализов для разработки новой форсунки и оценки ее жизнеспособности перед переходом к стадии прототипирования.

Представьте экономию затрат для авиакомпаний, эксплуатирующих дюжины таких самолетов, особенно за 20+ лет. Это прямые выгоды аддитивного производства, поэтому видно, как его рост в обработке других подсборок и компонентов расширит выгоды для производителей, поставщиков и потребителей во множестве других областей.

Помимо оптимизации для снижения затрат, 3D-печать также позволила отраслям браться за очень сложное производство. Рассмотрите теплообменники. Эти устройства имеют множество трубок, ребер и других входов для пропускания горячей жидкости с одной стороны и холодной — с другой. Но их процесс сборки требует сварки охлаждающих ребер и их вставки в герметичный коробок. Это трудоемкий и затратный по времени процесс с значительным запасом для неудач.

Но с 3D-печатью теплообменник может быть изготовлен в одном консолидированном проходе. Это может занять относительно долгое время для изготовления одной единицы, но конечный результат намного надежнее. Как LEAP, цель — консолидация числа деталей, необходимых для сборки, помимо значительных улучшений производительности.

Будущее аддитивного производства

Технологии аддитивного производства растут в возможностях и падают в цене. Более того, новые применения аддитивного производства постоянно находятся. Однако все еще есть серьезные барьеры в контроле процесса и предсказуемости процесса.

В плане контроля процесса, аддитивное производство лишено отраслевых стандартов для управления процессом превращения сырья в готовые детали. Традиционное производство — включая субтрактивное — выигрывает от этих стандартов (металлургическое поведение при обработке, штамповке, ковке). Есть отраслевые справочники для инженеров.

Однако отрасль еще не построила эти стандарты для аддитивного производства. Например, отдельные авиакосмические компании (GE) строят проприетарные режимы контроля для своих аддитивных усилий, в то время как отдельные поставщики 3D-печати полностью лишены режимов контроля и отраслевых стандартов. Это лучше всего решается разработкой стандартизационными органами общих сертификатов соответствия для всех, особенно мелких производителей.

Наконец, предсказуемость процесса — все еще серьезный вызов для пользователей 3D-принтеров. Оптимизация ориентации детали, поддерживающего материала и параметров процесса требует значительного проб и ошибок. Но это также представляет огромную возможность для разработчиков программных инструментов, используемых в 3D-печати. Физика-базированная симуляция — крупный шаг вперед. Комбинирование этого элемента симуляции с машино-специфичной процессной информацией от производителей 3D-принтеров поможет производителям снизить свои коэффициенты ошибок и брака.

Хотите возглавить рынок 3D-принтеров с быстрым time-to-market, увеличенными маржами и дифференциацией? Тогда исследуйте SDK Spatial.