Изучите 7 ключевых технологий аддитивного производства

Аддитивное производство — это процесс создания детали путем постепенного ее наращивания за счет добавления материала. Этот материал может быть металлом, керамикой, пластиком, фотополимером или даже пищевым! ISO/ASTM разделил все типы технологий аддитивного производства на семь категорий.

В этой статье будет описано, как работает каждый из этих типов процессов аддитивного производства, а также их использование, преимущества и различия.

1. Струйная обработка связующего

Деталь из нержавеющей стали, изготовленная Xometry методом струйной обработки Binder.

Binder Jetting — это технология аддитивного производства на основе порошкового слоя, которая создает детали путем выборочного нанесения связующего вещества на тонкий слой порошкообразного материала. Процесс начинается с того, что принтер наносит на рабочую платформу равномерный слой порошка (обычно пластика, металла, песка или керамики). Лезвие для повторного покрытия используется для обеспечения точного распределения слоя порошка на рабочей платформе. Обычно это делается с помощью лезвия устройства для повторного нанесения покрытия, переносящего материал из бункера для хранения порошка рядом с областью печати. Материал в бункере для хранения поднимается, и лезвие устройства для повторного нанесения покрытия сметает порошок из бункера для хранения по рабочей платформе на необходимой высоте слоя. Далее струйная головка перемещается по порошку и распределяет связующее по порошку по форме поперечного сечения детали для текущего слоя. Для полноцветных пластиковых деталей связующее также содержит краситель для создания многоцветных деталей.

Платформа печати затем перемещается вниз на высоту одного слоя. Лезвие для повторного покрытия распределяет еще один слой порошка поверх предыдущего, и процесс продолжается. При струйной обработке металлов связующим после печати деталь необходимо спекать для устранения пористости и повышения механической прочности. Альтернативно, к основному материалу можно смешать металлический порошок с низкой температурой плавления, например бронзу. Когда напечатанная деталь нагревается, бронза плавится и заполняет пространство между частицами порошка первичного металлического сплава.

В таблице 1 ниже показаны типичные материалы, области применения и преимущества струйной печати связующим:

Таблица 1. Обзор струйной обработки связующего

Материалы Приложения Преимущества

Материалы

• Песок
• Пластики (ПММА, АБС, ПА, ПК)
• Керамика
• Металл (нержавеющая сталь, титановые сплавы)

Приложения

• Формы для литья в песок
• Многоцветные прототипы
• Дешевые металлические детали по сравнению с другими процессами печати металлом.

Преимущества

• Большие объемы сборки.
• Разноцветные детали
• Поддержка не требуется
• Неиспользованный порошок подлежит вторичной переработке.
• Доступно больше пластика.

2. Сварка в порошковом слое (PBF)

Сплавление в порошковом слое (PBF) относится к ряду технологий аддитивного производства, в которых порошки сплавляются с использованием мощного сфокусированного источника энергии. Источником энергии может быть лазер (SLM или DMLS) или электронный луч (EBM). С PBF можно использовать как металлические, так и пластиковые порошки. Этот процесс заключается в сначала нанесении тонкого слоя порошка (часто предварительно нагретого) на платформу для сборки. Это достигается с помощью ножа для повторного нанесения покрытия, обеспечивающего постоянство высоты слоя. Затем сфокусированный энергетический луч расплавляет частицы порошка, образуя текущий слой поперечного сечения детали. Затем платформа сборки опускается на один уровень вниз. Добавляется еще один слой порошка, и процесс повторяется.

Для металлов необходимы лучи более высокой энергии, а для печати DMLS и SLM необходима инертная атмосфера. Для EBM объем сборки должен храниться в вакууме. Машины PBF могут печатать быстро, особенно если используются многолучевые принтеры. EMB использует только один луч, но его можно очень быстро перенаправить, тем самым имитируя функциональность нескольких лучей.

В таблице 2 ниже показаны типичные материалы, области применения и преимущества сварки в порошковом слое:

Таблица 2. Сводная информация по сварке в порошковом слое

Материалы Приложения Преимущества

Материалы

• Металл (алюминий, титан, медь, кобальт-хром и т. д.)
• Нейлон
• Керамика

Приложения

Функциональные металлические детали, такие как лопатки турбин, камеры сгорания ракетных двигателей и теплообменники.

Преимущества

• Неиспользованный порошок можно сдать на переработку.
• Широкий выбор металлических вариантов.

3. Направленное выделение энергии

Направленное энерговыделение (DED) — это аддитивный процесс, используемый исключительно с металлами. Его часто используют для ремонта существующих металлических деталей. Такая возможность ремонта возможна, поскольку DED может печатать по пяти осям движения, в отличие от других процессов печати, которые ограничены тремя. Принтер DED может работать с существующими деталями сложной геометрии.

Этот тип аддитивного производства не ограничивается ремонтом, но также позволяет печатать совершенно новые детали. DED работает, направляя порошок или металлическую проволоку в сопло печати. Затем лазерный или электронный луч плавит материал и сплавляет его с основным материалом. Любой свариваемый металл можно изготовить или отремонтировать с помощью DED. Как и в случае сварочных процессов, для DED-печати требуется защитный газ (лазерный луч) или вакуум (электронный луч). Газ покроет только ту область, которая активно плавится лучом. Альтернативно, весь объем сборки может быть насыщен инертным газом, что требует герметичного закрытия объема сборки.

В таблице 3 ниже показаны типичные материалы, области применения и преимущества DED:

Таблица 3. Сводная информация по направленному энерговыделению

Материалы Приложения Преимущества

Материалы

Металлы (кобальт-хром, титан, инконель, тантал, ниобий, нержавеющие стали)

Приложения

• Детальный ремонт
• Передовые компоненты для аэрокосмической отрасли

Преимущества

• Может печатать большие детали (1000 мм3).
• Можно отремонтировать существующие детали.
• Можно печатать на самых разных металлах и сплавах.

4. Струйная обработка материала

Полноцветная деталь с полированной поверхностью и прозрачным покрытием, изготовленная с использованием сервиса Xometry PolyJet.

При струйной печати материала используется ряд струйных сопел, которые наносят материал на рабочую платформу и создают деталь. Этот процесс требует использования фотополимеров в качестве сырья. Он работает путем предварительного нанесения слоя фотополимера на платформу сборки. Затем источник ультрафиолетового света перемещается по фотополимеру, чтобы отвердить его. Затем платформа сборки опускается, и процесс повторяется.

Поскольку отверждение печатного материала УФ-светом является неотъемлемой частью процесса аддитивного производства, струйной печатью можно печатать только пластики, многие из которых являются фотополимерами. Для успешной печати деталей методом струйной печати необходимы опорные конструкции.

В таблице 4 ниже показаны типичные материалы, области применения и преимущества струйной обработки материалов:

Таблица 4. Сводная информация о струйной обработке материала

Материалы Приложения Преимущества

Материалы

• Фотополимерные смолы
• Цифровые материалы (композитные фотополимеры)
• Воск

Приложения

• Функциональные прототипы продуктов
• Полноцветные анатомические модели

Преимущества

• Очень низкий уровень отходов.
• Возможны детали из разных материалов и разных цветов.
• Высокоскоростной процесс.
• Высокое разрешение

5. Листовое ламинирование

Ламинирование листов — это многослойный процесс аддитивного производства, при котором детали изготавливаются путем укладки и склеивания листов материала, а не нанесения или плавления порошков или жидкостей. Его можно использовать с различными материалами, включая бумагу, полимерные листы, композиты и некоторые металлы. Хотя этот процесс обычно дает детали с низким разрешением, он обеспечивает высокую скорость производства и низкую стоимость, что делает его выгодным для определенных прототипов и промышленных приложений. 

Этот процесс заключается в последовательной укладке тонких листов, каждый из которых разрезается так, чтобы соответствовать поперечному сечению детали на этом слое. Затем эти листы приклеиваются к предыдущему слою с использованием различных методов в зависимости от материала. В некоторых системах лазер или нож вырезает геометрию детали из листа до или после склеивания. Лишний материал вокруг детали можно удалить во время или после сборки. 

Металлические листы обычно соединяются с помощью ультразвукового аддитивного производства (UAM), которое применяет ультразвуковые колебания под давлением для сплавления слоев металла без плавления. Пластиковые листы обычно соединяются с помощью тепла и давления, термически или с помощью клея. Композиты (например, арамидные волокна, стекловолокно или слои, армированные углеродным волокном) и бумага обычно ламинируются с использованием клеев и сжатия. Ламинирование листов также используется для создания деталей почти чистой формы, которые впоследствии могут быть подвергнуты механической или последующей обработке с использованием ЧПУ или других субтрактивных методов для достижения более жестких допусков и качества поверхности.

В таблице 5 ниже показаны типичные материалы, области применения и преимущества листового ламинирования:

Таблица 5. Сводная информация по ламинированию листов

Материалы Приложения Преимущества

Материалы

• Бумага
• Керамика
• Композиты из углеродного волокна.
• Металл (алюминий, медь, нержавеющая сталь, титан).

Приложения

• Полноцветные прототипы.
• Рядом с частями чистой формы

Преимущества

• Низкая стоимость.
• Высокая скорость
• Полноцветные детали

6. Экструзия материала

Крупный план детали, напечатанной методом FDM, изготовленной Xometry.

Экструзия материалов является одним из наиболее известных видов аддитивного производства, главным образом благодаря его распространению на потребительском рынке. Экструзию материала часто называют FDM (моделирование наплавленным осаждением) или FFF (изготовление наплавленных нитей). Этот процесс заключается в том, что пластиковая нить направляется из подающей катушки через нагретую камеру, а затем выходит из печатного сопла. Когда материал выходит из сопла, он осаждается в форме текущего поперечного сечения детали на платформе сборки. После нанесения слоя печатающие головки перемещаются вверх на одну толщину слоя. Процесс повторяется до тех пор, пока деталь не будет завершена.

Термопласты и наполненные термопласты являются наиболее типичным сырьем, используемым в этой технологии. Однако металлические порошкообразные/полимерные матричные материалы можно использовать для создания металлических деталей. Их необходимо подвергнуть последующей обработке в печи для достижения окончательных механических свойств.

В таблице 6 ниже показаны типичные материалы, области применения и преимущества экструзии материалов:

Таблица 6. Сводная информация по экструзии материалов

Материалы Приложения Преимущества

Материалы

• PLA
• АБС
• ПК
• ПЭТГ
• Нейлон
• УЛТЕМ

Приложения

• Сборочные приспособления
• Функциональные прототипы
• Компоненты малого объема производства.

Преимущества

• Низкая стоимость.
• Простота в использовании.
• Настоящие термопласты.

7. НДС фотополимеризация

Фотополимеризация НДС — это процесс аддитивного производства, в ходе которого создаются детали путем избирательного отверждения жидкой фотополимерной смолы с использованием источника света. Две основные технологии этой категории:

• SLA (стереолитография) — использует УФ-лазер для отслеживания и затвердевания поперечного сечения детали слой за слоем.
• DLP (цифровая обработка света) — использует цифровой проектор для одновременного просвечивания всего слоя, одновременно отверждая смолу по всему слою.

В обоих процессах используется чан с жидкой фотополимерной смолой. Платформа сборки начинается чуть ниже поверхности смолы. При SLA лазерный луч сканирует поверхность смолы, чтобы закрепить желаемую форму текущего слоя. В DLP световой проектор проецирует все изображение слоя за одну экспозицию. После отверждения слоя рабочая платформа перемещается вертикально (обычно вверх), позволяя неотвержденной смоле течь под деталь, а следующий слой отверждается поверх предыдущего. Этот процесс продолжается до тех пор, пока деталь не будет полностью сформирована. Поскольку деталь постепенно выходит из ванны, создается впечатление, будто рабочая платформа вытаскивает объект из жидкой смолы.

В таблице 7 ниже показаны типичные материалы, области применения и преимущества фотополимеризации НДС:

Таблица 7. Сводная информация по фотополимеризации НДС

Материалы Приложения Преимущества

Материалы

• PLA
• АБС
• ПК
• ПЭТГ
• ПА
• АБС-пластик, наполненный углеродным волокном.
• ПЭЭК

Приложения

• Визуальные прототипы/макет
• Модели украшений для изготовления форм

Преимущества

• Высокоскоростной
• Возможна очень мелкая детализация.

Что такое аддитивное производство?

Аддитивное производство представляет собой аддитивный процесс создания детали путем ее создания по одному слою за раз. В этом отличие от субтрактивного производства, которое начинается с цельного блока материала и удаляет все излишки для создания детали. Обработка на станках с ЧПУ — пример субтрактивного производства.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по аддитивному производству.

Аддитивное производство представляет собой поворотный момент в производстве с семью основными процессами:струйная обработка связующего, плавление порошкового слоя, направленное энерговыделение, струйная струя материала, ламинирование листов, экструзия материала и фотополимеризация в чане. Каждый процесс имеет свои сильные стороны, будь то точность, масштаб, скорость или универсальность материалов. Что выделяется, так это переход от расточительного удаления материала к контролируемому, поэтапному созданию, открывающему возможности, начиная от ремонта жизненно важных деталей аэрокосмической отрасли и заканчивая печатью детальных прототипов и функциональных компонентов. Технология представляет собой не простое решение, а набор инструментов, в котором правильный процесс можно подобрать для решения конкретной задачи, что делает производство более эффективным, адаптируемым и инновационным.

Часто задаваемые вопросы о видах аддитивного производства

Какой тип аддитивного производства наиболее часто используется?

Наиболее часто используемые типы аддитивного производства:экструзия материала (FDM/FFF), ламинирование листов, полимеризация в НДС и наплавка в порошковом слое (PBF). Стоит отметить, что степень внедрения каждой технологии аддитивного производства варьируется в зависимости от отрасли, в которой она используется. Например, в аэрокосмической промышленности широко используются DED и плавление в порошковом слое.

Какая организация классифицирует процессы аддитивного производства?

ASTM International и ISO несут совместную ответственность за категоризацию процессов аддитивного производства. ASTM и ISO создали семь категорий, описанных в этой статье.

Как классифицируются процессы аддитивного производства?

Процессы аддитивного производства классифицируются в соответствии с ISO/ASTM 52900, международным стандартом, который определяет ключевые термины и категории в AM. Он объединяет технологии в семь типов процессов в зависимости от того, как формируются слои и соединяются материалы. Эти категории включают, среди прочего, такие методы, как экструзия материала, фотополимеризация в чане и плавление в порошковом слое. Эта классификация помогает обеспечить согласованность между отраслями и приложениями.

Является ли 3D-печать примером аддитивного производства?

Да, 3D-печать — это разновидность аддитивного производства. Фактически, это наиболее широко известный и часто используемый пример. Термин «3D-печать» часто неофициально используется для обозначения всех процессов аддитивного производства, которые включают послойное создание объектов из цифровых моделей.

Чтобы узнать больше, прочтите наше полное руководство по 3D-печати и аддитивному производству.

Сводка

В этой статье были рассмотрены 7 различных типов процессов аддитивного производства и описано, как они работают, их преимущества и недостатки. Чтобы узнать больше о различных типах аддитивного производства и о том, как каждый из них лучше всего подходит для вашего конкретного применения, свяжитесь с экспертом Xometry сегодня.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса