Объяснение аддитивного производства:процесс, применение и варианты материалов

Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, — это передовой производственный процесс, который произвел революцию в отраслях по всему миру. Он предполагает построение объектов аддитивно, слой за слоем, с использованием цифровых моделей, в отличие от традиционных субтрактивных методов, которые удаляют материал.

Аддитивное производство позволяет создавать изделия сложной геометрии, которые сложно или невозможно достичь с помощью традиционных методов. Кроме того, он предлагает широкий спектр совместимости материалов, включая пластики, металлы, керамику и композиты, обеспечивая гибкость в выборе материалов для различных применений. Аддитивное производство открывает возможности для разработки новых креативных продуктов, а также повышения эффективности использования материалов.

В этой статье мы обсудим, что такое аддитивное производство, его процесс, использование, материалы, преимущества и недостатки.

Что такое аддитивное производство?

Аддитивное производство (АП), также известное как 3D-печать, совершает революцию в производстве, создавая объекты слой за слоем, руководствуясь цифровыми компьютерными 3D-моделями. В отличие от субтрактивных методов, таких как механическая обработка, при которых материал вырезается из твердого блока, AM добавляет материал постепенно, чтобы сформировать желаемую форму. Этот инновационный подход предоставляет беспрецедентную свободу дизайна, позволяя создавать сложную геометрию и персонализировать дизайн.

AM включает в себя различные методы, каждый из которых предлагает уникальные преимущества. Нанесение нитей включает плавление и экструзию термопластических материалов через сопло, а при лазерном спекании используется лазер для плавления порошкообразных материалов слой за слоем. Кроме того, в стереолитографии используются ультрафиолетовые лазеры или ЖК-экраны для придания светоотверждаемой жидкой смоле точных форм.

Исторически AM находил применение в различных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, автомобильную, здравоохранение и производство потребительских товаров. Первоначально использовавшийся для быстрого прототипирования, в дальнейшем он стал включать в себя компоненты промышленного уровня. Однако послойное изготовление может привести к потенциальным слабостям в интерфейсах, что потребует тщательного проектирования.

Одна из самых сильных сторон AM заключается в ее возможностях индивидуальной настройки, позволяющих создавать индивидуальные решения для удовлетворения конкретных потребностей. От персонализированных медицинских имплантатов до сложных архитектурных моделей, AM дает дизайнерам и инженерам возможность воплощать свои идеи в жизнь с точностью и эффективностью.

Кто изобрел аддитивное производство?

Чака Халла часто называют пионером аддитивного производства благодаря его изобретению стереолитографии. Однако концепция послойного изготовления возникла еще до его работы. Корни аддитивного производства уходят корнями в 1970-е годы. За это время исследователи и инженеры начали изучать различные методы построения объектов слой за слоем. Одним из заметных предшественников современного аддитивного производства является работа японского исследователя Хидео Кодамы.

В статье Кодамы 1981 года подробно описывается УФ-отверждение фотополимеров для изготовления трехмерных объектов, что заложило основу, несмотря на ограниченное коммерческое развитие в то время. Карл Декард вместе с консультантом Джозефом Биманом стали пионерами селективного лазерного спекания (SLS) в Техасском университете в Остине в середине 1980-х годов, плавя порошковые материалы с помощью лазеров, продвигая аддитивное производство.

Когда началось аддитивное производство?

Коммерциализация аддитивного производства началась в середине 1980-х годов с изобретением Чаком Халлом стереолитографии. В 1986 году Халл получил патент на эту систему, что привело к созданию его компании 3D Systems Corporation. Впоследствии, в 1988 году, корпорация 3D Systems выпустила первый коммерческий 3D-принтер SLA-1.

Примерно в то же время в рамках проекта Skunkworks компании Exxon был разработан струйный 3D-принтер, хотя коммерциализация этой технологии произошла только в 1991 году. На этом раннем этапе коммерциализации появились такие компании, как 3D Systems Corporation, и были представлены на рынке такие процессы, как стереолитография и струйная печать.

Этот прорыв заложил основу для последующих методов и технологий аддитивного производства. За прошедшие годы аддитивное производство значительно изменилось благодаря усовершенствованию материалов, процессов и приложений.

Что такое процесс аддитивного производства?

Процесс аддитивного производства включает в себя несколько этапов:

1. Начните с создания цифровой 3D-модели с помощью программы САПР. Сохраните проект в формате файла STL, который содержит геометрию объекта. Импортируйте файл STL в программное обеспечение слайсера, чтобы нарезать модель и создать пути печати. Настройте параметры печати, такие как тип материала и скорость, для оптимизации. Преобразуйте нарезанную модель в G-код, язык, понятный 3D-принтерам. Наконец, отправьте G-код на принтер, поручив ему печатать объект слой за слоем.
2. Подготовьте 3D-принтер, откалибровав настройки температуры, скорости и высоты слоя, а также загрузив файл G-кода на принтер.
3. Загрузите выбранный материал в устройство аддитивной печати. Материалы, которые можно использовать для 3D-печати, включают композиты, пластики, металлы, керамику, бумагу и даже биологические материалы, такие как клетки или белки.
4. Начните печать. Принтер будет интерпретировать инструкции G-кода для каждого последующего слоя, нанося или закрепляя материал именно в том месте, где он необходим для этого слоя.
5. Обеспечьте правильное соединение между слоями. Это может просто произойти как часть процесса печати в некоторых методах, таких как моделирование наплавлением (FDM), но для других может потребоваться отдельный этап спекания или отверждения.
6. Позвольте печатному объекту продолжать работу без перерыва при создании каждого слоя.
7. Выполните необходимые задачи по окончательной обработке, включая удаление поддержек, что может потребоваться для проектов со свисающими элементами или сложной геометрией, где во время печати используются подставки для предотвращения провисания или деформации. Кроме того, для получения конечного продукта может потребоваться обработка поверхности, механическая обработка или дополнительное отверждение.
8. При необходимости примените последние штрихи или обработку, например покраску, покрытие или сборку с другими компонентами.

Каковы возможности применения аддитивного производства?

Сегодня аддитивное производство является неотъемлемой частью процесса изготовления продукции во многих отраслях промышленности. У него есть несколько возможных применений, в том числе:

1. Это облегчает быстрое и экономичное производство прототипов для проверки конструкции, функционального тестирования и проверки концепции.
2. Это позволяет создавать максимально персонализированные продукты, такие как медицинские имплантаты, зубные протезы и потребительские товары.
3. Аддитивное производство позволяет изготавливать детали сложной геометрии, которые сложно выполнить традиционными методами. В аэрокосмической отрасли лопатки турбин с внутренними каналами охлаждения повышают эффективность двигателя. В медицине персонализированные имплантаты соответствуют индивидуальной анатомии, способствуя более быстрому заживлению. Автомобильные компоненты выигрывают от легкой и сложной конструкции, повышающей производительность.
4. Это облегчает мелкосерийное или индивидуальное производство без дорогостоящих инструментов, обеспечивая гибкое производство и сокращая затраты на складские запасы.
5. Он используется в медицинском секторе для изготовления индивидуальных имплантатов, изготовленных по индивидуальному заказу пациентов, протезных устройств, анатомических копий для хирургической подготовки и обучения, а также хирургических шаблонов для помощи в процедурах.
6. Он используется для прототипирования, оснастки и производства легких компонентов с улучшенным соотношением прочности к весу и возможностями настройки.
7. 3D-печать можно использовать в образовательных учреждениях и исследовательских центрах для обучения, экспериментирования и изучения новых приложений в различных дисциплинах.
8. Открывает возможности для устойчивого производства за счет сокращения отходов, потребления энергии и выбросов углекислого газа.


9 ключевых ограничений 3D-печати в авиастроении 10 основных настроек слайсера для 3D-печати для надежной и высококачественной печати