7 ключевых технологий аддитивного производства: обзор и сравнение

Аддитивное производство — процесс создания детали путем последовательного наращивания материала. Материалом могут быть металл, керамика, пластик, фотополимер или даже пища! ISO/ASTM классифицировали все виды технологий аддитивного производства на семь категорий.

В этой статье описан принцип работы каждого из семи типов процессов аддитивного производства, а также их применение, преимущества и различия.

1. Струйное связывание (Binder Jetting)

Деталь из нержавеющей стали, изготовленная Xometry методом струйного связывания.

Струйное связывание — порошковое аддитивное производство, создающее детали путем селективного нанесения связующего агента на тонкий слой порошкового материала. Процесс начинается с нанесения принтером равномерного слоя порошка (обычно пластик, металл, песок или керамика) на строительную платформу. Ракель обеспечивает точное распределение порошка. Обычно это делается переносом материала из бункера хранения рядом с зоной печати. Материал в бункере поднимается, а ракель метет порошок через платформу на заданной высоте слоя. Затем струйная головка проходит над порошком и наносит связующий агент в форме сечения детали для текущего слоя. Для полноцветных пластиковых деталей связующий агент также содержит краситель для создания многоцветных изделий.

Строительная платформа опускается на высоту одного слоя. Ракель распределяет новый слой порошка поверх предыдущего, и процесс продолжается. При струйном связывании металлов деталь после печати должна быть спекана для устранения пористости и улучшения механической прочности. Альтернативно, можно смешать порошок металла с низкой температурой плавления (например, бронзу) с основным материалом. При нагреве напечатанной детали бронза расплавляется и заполняет пространства между частицами основного металлического порошка.

Таблица 1 ниже показывает типичные материалы, применение и преимущества струйного связывания:

Таблица 1. Сводка по струйному связыванию

Материалы	Применение	Преимущества
Песок Пластики (PMMA, ABS, PA, PC) Керамика Металл (нержавеющая сталь, титановые сплавы)	Формы для пескостойливания Многоцветные прототипы Дешевые металлические детали по сравнению с другими процессами металлопечати	Большие объемы печати Многоцветные детали Поддержки не требуются Неиспользованный порошок перерабатывается Больше доступных пластиков

2. Порошковое плавление в слое (Powder Bed Fusion, PBF)

Порошковое плавление в слое (PBF) — группа аддитивных технологий, сплавляющих порошки с помощью высокомощного сфокусированного источника энергии. Источником может быть лазер (SLM или DMLS) или электронный пучок (EBM). И металлические, и пластиковые порошки применимы с PBF. Процесс: тонкий слой порошка (часто предварительно нагретого) наносится на платформу. Ракель обеспечивает постоянную высоту слоя. Сфокусированный энергетический пучок плавляет частицы порошка, формируя текущее сечение детали. Платформа опускается на один слой, наносится новый слой порошка, процесс повторяется.

Для металлов требуются более мощные пучки, а для DMLS и SLM необходима инертная атмосфера. Для EBM строительный объем должен поддерживаться в вакууме. PBF-станки могут печатать быстро, особенно при использовании многоучных принтеров. EBM использует только один пучок, но он может перенаправляться крайне быстро, имитируя многоучную функциональность.

Таблица 2 ниже показывает типичные материалы, применение и преимущества порошкового плавления в слое:

Таблица 2. Сводка по порошковому плавлению в слое

Материалы	Применение	Преимущества
Металл (алюминий, титан, медь, кобальт-хром и др.) Нейлон Керамика	Функциональные металлические детали: лопатки турбин, камеры сгорания ракетных двигателей, теплообменники	Неиспользованный порошок перерабатывается Широкий выбор металлов

3. Направленное энергетическое напыление (Directed Energy Deposition, DED)

Направленное энергетическое напыление (DED) — аддитивный процесс, используемый исключительно с металлами. Часто применяется для ремонта существующих металлических деталей. Эта способность к ремонту возможна, так как DED может печатать в пяти осях движения, в отличие от других процессов, ограниченных тремя. DED-принтер может маневрировать вокруг существующих деталей со сложной геометрией.

Этот тип аддитивного производства не ограничивается ремонтом, но также может печатать новые детали. DED работает путем подачи порошка или металлической проволоки в печатную головку. Лазер или электронный пучок затем плавляет материал и сплавляет его с базовым материалом. Любой свариваемый металл может быть изготовлен или отремонтирован с DED. Как и в сварочных процессах, для DED-печати требуется защитный газ (лазерный пучок) или вакуум (электронный пучок). Газ покрывает только область, активно плавимую пучком. Альтернативно, весь строительный объем может быть насыщен инертным газом, что требует герметичного объема.

Таблица 3 ниже показывает типичные материалы, применение и преимущества DED:

Таблица 3. Сводка по направленному энергетическому напылению

Материалы	Применение	Преимущества
Металлы (кобальт-хром, титан, Инконел, тантал, ниобий, нержавеющие стали)	Ремонт деталей Передовой авиакосмические компоненты	Может печатать крупные детали (1000 мм³) Может ремонтировать существующие детали Может печатать широкий спектр металлов и сплавов

4. Струйное напыление материала (Material Jetting)

Полноцветная деталь с полированным и прозрачным покрытием, изготовленная с помощью сервиса PolyJet от Xometry.

Струйное напыление материала использует серию струйных сопел для нанесения материала на строительную платформу, создавая деталь. Процесс требует фотополимеров как сырья. Работает так: наносится слой фотополимера на платформу. Затем источник УФ-света проходит над фотополимером, затвердевая его. Платформа опускается, и процесс повторяется.

Поскольку УФ-затвердевание напечатанного материала является неотъемлемой частью этого процесса, только пластики, многие из которых являются фотополимерами, могут печататься струйным напылением. Опорные структуры необходимы для успешной печати деталей этим методом.

Таблица 4 ниже показывает типичные материалы, применение и преимущества струйного напыления:

Таблица 4. Сводка по струйному напылению материала

Материалы	Применение	Преимущества
Фотополимерные смолы Цифровые материалы (композитные фотополимеры) Воск	Функциональные прототипы продуктов Полноцветные анатомические модели	Очень низкие отходы Мультиматериальные и многоцветные детали возможны Высокоскоростной процесс Высокое разрешение

5. Слоистая ламинация (Sheet Lamination)

Слоистая ламинация — слоистый аддитивный процесс, создающий детали путем стыковки и склеивания листов материала — вместо напыления или сплавления порошков или жидкостей. Может использоваться с разными материалами: бумага, полимерные листы, композиты и некоторые металлы. Хотя процесс обычно дает детали с низким разрешением, он предлагает высокую скорость производства и низкую стоимость, что выгодно для определенного прототипирования и промышленных применений.

Процесс работает последовательным укладанием тонких листов, каждый из которых вырезается под сечение детали на данном слое. Эти листы затем склеиваются с предыдущим слоем различными техниками в зависимости от материала. В некоторых системах лазер или нож вырезают геометрию детали из листа до или после склеивания. Излишки материала вокруг детали могут удаляться во время или после сборки.

Металлические листы обычно склеиваются ультразвуковой аддитивной фабрикацией (UAM), применяющей ультразвуковые вибрации под давлением для сплавления металлических слоев без плавления. Пластиковые листы обычно склеиваются теплом и давлением, термически или клеем. Композиты (арамидные волокна, стекловолокно, углеродное волокно) и бумага обычно ламинируются клеем и компрессией. Слоистая ламинация также используется для создания деталей, близких к чистовому размеру, которые могут быть последующе обработаны станками с ЧПУ или другими вычитательными методами для достижения более точных допусков и чистоты поверхности.

Таблица 5 ниже показывает типичные материалы, применение и преимущества слоистой ламинации:

Таблица 5. Сводка по слоистой ламинации

Материалы	Применение	Преимущества
Бумага Керамика Углеродно-волокнистые композиты Металл (алюминий, медь, нержавеющая сталь, титан)	Полноцветные прототипы Детали, близкие к чистовому размеру	Низкая стоимость Высокая скорость Полноцветные детали

6. Икструзия материала (Material Extrusion)

Крупный план детали, напечатанной методом FDM сервисом Xometry.

Икструзия материала — один из самых известных типов аддитивного производства, главным образом благодаря принятию потребительским рынком. Часто называется FDM (Fused Deposition Modeling) или FFF (Fused Filament Fabrication). Процесс: пластиковая нить из катушки поставки проходит через нагретую камеру и выходит через печатающее сопло. Материал, выходя из сопла, наносится в форме текущего сечения детали на строительную платформу. Когда слой завершен, печатающие головки поднимаются на толщину одного слоя. Процесс повторяется до завершения детали.

Термопластики и наполненные термопластики — наиболее типичные сырьевые материалы для этой технологии. Однако можно использовать металлический порошок/полимерную матрицу для создания металлических деталей. Они должны быть пост-обработаны в печи для развития конечных механических свойств.

Таблица 6 ниже показывает типичные материалы, применение и преимущества икструзии материала:

Таблица 6. Сводка по икструзии материала

Материалы	Применение	Преимущества
PLA ABS PC PETG Нейлон ULTEM	Сборочные приспособления Функциональные прототипы Компоненты малого серийного производства	Низкая стоимость Простота использования Настоящие термопластики

7. Ванная фотополимеризация (VAT Photopolymerization)

Ванная фотополимеризация — аддитивный процесс, создающий детали путем селективного затвердевания жидкой фотополимерной смолы с помощью источника света. Две основные технологии в этой категории:

• SLA (Стереолитография) — использует УФ-лазер для трассировки и затвердевания сечения детали слой за слоем.
• DLP (Digital Light Processing) — использует цифровой проектор для вспышки целого слоя сразу, затвердевая смолу одновременно по всему слою.

Оба процесса включают ванну с жидкой фотополимерной смолой. Строительная платформа начинается чуть ниже поверхности смолы. В SLA лазерный луч сканирует поверхность смолы, затвердевая желаемую форму текущего слоя. В DLP световой проектор вспыхивает изображением всего слоя за одну экспозицию. После затвердевания слоя платформа движется вертикально (обычно вверх), позволяя незатвердевшей смоле течь под деталью, и следующий слой затвердевает поверх предыдущего. Процесс продолжается до полного формирования детали. Поскольку деталь постепенно выходит из ванны, создается впечатление, что платформа вытягивает объект из жидкой смолы.

Таблица 7 ниже показывает типичные материалы, применение и преимущества ванной фотополимеризации:

Таблица 7. Сводка по ванной фотополимеризации

Материалы	Применение	Преимущества
PLA ABS PC PETG PA Углеродное волокно наполненный ABS PEEK	Визуальные прототипы/макеты Ювелирные модели для создания форм	Высокая скорость Возможна очень тонкая детализация

Что такое аддитивное производство?

Аддитивное производство — аддитивный процесс создания детали путем ее построения слой за слоем. Это в контрасте с вычитательным производством, которое начинается с твердого блока материала и удаляет лишнее для создания детали. ЧПУ-обработка — пример вычитательного производства.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по аддитивному производству.

Аддитивное производство представляет переломный момент в производстве, с семью основными процессами: струйное связывание, порошковое плавление в слое, направленное энергетическое напыление, струйное напыление материала, слоистая ламинация, икструзия материала и ванная фотополимеризация. Каждый процесс предлагает свои сильные стороны — в точности, масштабе, скорости или материальной универсальности. Выделяется переход от отходообразующего удаления материала к контролируемому слой-за-слоем созданию, открывающему возможности: от ремонта жизненно важных авиадеталей до печати детализированных прототипов и функциональных компонентов. Технология предстает не как единое решение, а как набор инструментов, где подходящий процесс можно подобрать под конкретную задачу, делая производство более эффективным, адаптивным и инновационным.

Часто задаваемые вопросы о типах аддитивного производства

Какой тип аддитивного производства используется чаще всего?

Наиболее часто используемые типы: икструзия материала (FDM/FFF), слоистая ламинация, ванная фотополимеризация и порошковое плавление в слое (PBF). Стоит отметить, что степень принятия каждой технологии варьируется в зависимости от отрасли. Например, авиакосмическая отрасль интенсивно использует DED и порошковое плавление в слое.

Какая организация классифицирует процессы аддитивного производства?

ASTM International и ISO совместно отвечают за классификацию процессов аддитивного производства. ASTM и ISO создали семь категорий, описанных в этой статье.

Как классифицируются процессы аддитивного производства?

Процессы классифицируются по ISO/ASTM 52900 — международному стандарту, определяющему ключевые термины и категории в AM. Он организует технологии в семь типов процессов, основанных на том, как формируются слои и как связываются материалы. Категории включают методы вроде икструзии материала, ванной фотополимеризации и порошкового плавления в слое, среди других. Эта классификация помогает обеспечить согласованность между отраслями и применениями.

Является ли 3D-печать примером аддитивного производства?

Да, 3D-печать — форма аддитивного производства. Фактически, это наиболее широко известный и используемый пример. Термин «3D-печать» часто неформально используется для обозначения всех аддитивных процессов, включающих построение объектов слой за слоем из цифровых моделей.

Подробнее см. в нашем полном руководстве по 3D-печати против аддитивного производства.

Резюме

В статье рассмотрены 7 различных типов процессов аддитивного производства, описан их принцип работы, преимущества и недостатки. Чтобы узнать больше о разных типах аддитивного производства и как каждый может лучше подойти для вашего конкретного применения, свяжитесь с экспертом Xometry сегодня.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и ценные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатную котировку без обязательств.

Отказ от ответственности

Контент на этой странице предназначен только для информационных целей. Xometry не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, касательно точности, полноты или достоверности информации. Никакие параметры производительности, геометрические допуски, специфические конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны трактоваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, запрашивающие котировки для деталей, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Обратитесь к нашим условиям для получения дополнительной информации.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — бакалор с отличием по машиностроению с более чем двумя десятилетиями опыта в производственной отрасли. Его профессиональный путь включает значимые роли в ведущих компаниях: Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Читайте больше статей Дина МакКлементса