Промышленное производство
Промышленный Интернет вещей | Промышленные материалы | Техническое обслуживание и ремонт оборудования | Промышленное программирование |
home  MfgRobots >> Промышленное производство >  >> Manufacturing Technology >> Промышленные технологии

Аддитивное производство: типы, процессы и применения

Что такое аддитивное производство?

Аддитивное производство (АП), также известное как 3D-печать, — это трансформационный подход к промышленному производству, позволяющий создавать более легкие, прочные детали и системы. Как следует из названия, аддитивное производство добавляет материал для создания объекта.

Аддитивное производство (АП) или аддитивное слойное производство (ALM) — это промышленное название для 3D-печати, компьютерно-контролируемого процесса, который создает трехмерные объекты путем нанесения материалов, обычно слоями.

По словам GE Additive, это еще один технологический прорыв, ставший возможным благодаря переходу от аналоговых к цифровым процессам. В последние десятилетия коммуникации, визуализация, архитектура и инженерия прошли свои собственные цифровые революции. Теперь АП может принести цифровую гибкость и эффективность в производство.

Аддитивное производство использует CAD (Computer-Aided Design) — ПО для компьютерного конструирования — или 3D-сканеры объектов для управления оборудованием так, чтобы материал наносился слой за слоем в точных геометрических формах. Как следует из названия, аддитивное производство добавляет материал для создания объекта. В отличие от этого, при создании объекта традиционными методами часто необходимо удалять материал путем обработки, вырезания, фрезерования, формовки или иным образом.

Хотя термины «3D-печать» и «быстрое прототипирование» неформально используются для обсуждения аддитивного производства, каждый процесс на самом деле является подмножеством аддитивного производства.

Хотя аддитивное производство может показаться новым для многих, оно существует уже несколько десятилетий. В правильных приложениях аддитивное производство обеспечивает идеальную триаду: улучшенную производительность, сложные геометрии и упрощенное производство. В результате есть много возможностей для тех, кто активно предан аддитивному производству.

Кто изобрел АП?

Самое раннее производственное оборудование для 3D-печати было разработано Хидео Кодамой из Нагоинского муниципального института промышленных исследований, когда он изобрел два аддитивных метода создания 3D-моделей.

Как работает аддитивное производство?

С помощью CAD (компьютерного конструирования) или 3D-сканеров объектов аддитивное производство позволяет создавать объекты с точными геометрическими формами. Они строятся слой за слоем, в отличие от традиционного производства, которое часто требует обработки или других техник для удаления лишнего материала.

3D-печать, быстрое прототипирование и аддитивное производство — термины, используемые для описания одних и тех же процессов в общем. Сложные структуры и компоненты создаются путем слоения материалов, которые настраиваются шаг за шагом.

Эта технология, существующая более трех десятилетий, лишь недавно набрала популярность и больше не является просто средством изготовления 3D-печатного прототипа, а предлагает полностью функциональные компоненты. Возможности почти безграничны, поскольку индустрия 3D-печати обслуживает секторы от тяжелой промышленности до медицины, желающие воспользоваться предлагаемыми технологиями точности.

Хотя аддитивное производство предлагает потенциал для новых возможностей в науке, концепция и то, как она работает, удивительно проста.

Технологии аддитивного производства

1. Спекание (Sintering)

Во время спекания тепло используется для создания твердой массы без плавления. Спекание похоже на традиционную 2D-ксерокопию, где тонер селективно плавится для создания изображения на бумаге.

2. Прямое лазерное спекание металла (DMLS)

В рамках DMLS лазер спекет каждый слой металлического порошка так, чтобы металлические частицы прикреплялись друг к другу. Станки DMLS производят высокодетализированные объекты с желаемыми поверхностными характеристиками и требуемыми механическими свойствами. При SLS лазер спекет термопластичные порошки, заставляя частицы прикрепляться друг к другу.

3. Прямое лазерное плавление металла (DMLM) и электронно-лучевое плавление (EBM)

В отличие от этого, материалы в процессах DMLM и EBM полностью расплавляются. При DMLM лазер полностью расплавляет каждый слой металлического порошка, в то время как EBM использует высокомощные электронные пучки для плавления металлического порошка. Обе технологии идеальны для создания плотных, непористых объектов.

4. Стереолитография (SLA)

Стереолитография (SLA) использует фотополимеризацию для печати керамических объектов. Процесс использует UV-лазер, который селективно выжигает в емкость из фотополимерной смолы. UV-отвердевающие смолы производят детали, устойчивые к крутящему моменту, которые могут выдерживать экстремальные температуры.

Сколько времени занимает процесс?

Время печати зависит от нескольких факторов, включая размер детали и используемые настройки печати. Качество готовой детали также важно при определении времени печати, поскольку детали более высокого качества требуют больше времени для производства.

АП может длиться от нескольких минут до нескольких часов или дней — скорость, разрешение и объем материала являются важными факторами здесь.

Материалы для аддитивного производства

Можно использовать множество различных материалов для создания 3D-печатных объектов. Технология АП делает детали реактивных двигателей из продвинутых металлических сплавов, а также шоколадные угощения и другие продукты питания.

Типы процессов аддитивного производства

Существует ряд отдельных процессов АП со своими стандартами, которые включают:

1. Порошковое струйное нанесение (Binder Jetting)

Процесс порошкового струйного нанесения использует два материала: порошковый материал и связующее вещество. Связующее вещество действует как клей между слоями порошка. Связующее вещество обычно в жидкой форме, а строительный материал — в порошковой форме.

Печатающая головка движется горизонтально вдоль осей x и y станка и поочередно наносит слои строительного материала и связующего материала. После каждого уровня объект для печати опускается на свою строительную платформу.

Из-за метода связывания свойства материала не всегда подходят для компонентов, и несмотря на относительную скорость печати, дополнительная постобработка может значительно увеличить общий процесс.

Как и в других порошковых производственных процессах, объект для печати самоподдерживается в порошковом гнезде и удаляется из несвязанного порошка после завершения.

Источник изображения: https://www.additively.com/en/learn-about/binder-jetting

Порошковое струйное нанесение — пошагово

2. Направленное энергетическое напыление (Directed Energy Deposition) / Электронно-лучевое плавление (EBM)

Направленное энергетическое напыление (DED) охватывает ряд терминов: «Лазерная инженерия чистой формы, направленное световое фабрикование, прямое металлическое осаждение, 3D-лазерное напыление». Это более сложный процесс печати, обычно используемый для ремонта или добавления дополнительного материала к существующим компонентам.

Типичный станок DED состоит из сопла, установленного на многоосевом манипуляторе, который осаждает расплавленный материал на указанной поверхности, где он затвердевает. Процесс похож по принципу на экструзию материала, но сопло может двигаться в нескольких направлениях и не прикреплено к конкретной оси.

Материал, который может осаждаться под любым углом благодаря 4- и 5-осевым станкам, расплавляется при осаждении с помощью лазера или электронного пучка. Метод можно использовать с полимерами и керамикой, но обычно используется с металлами в виде порошка или проволоки. Типичные применения включают ремонт и обслуживание конструктивных деталей.

Направленное энергетическое напыление — пошагово

3. Экструзия материала (Material Extrusion)

Моделирование методом наплавления (FDM) — это распространенный процесс экструзии материала и товарный знак Stratasys. Материал втягивается через сопло, где он нагревается, а затем наносится слой за слоем. Сопло может двигаться горизонтально, а платформа движется вертикально вверх и вниз после нанесения каждого нового слоя. Это распространенная техника, встречающаяся во многих дешевых домашних и хоббийных 3D-принтерах.

Процесс имеет много факторов, влияющих на качество конечной модели, но он имеет большой потенциал и реализуемость, когда эти факторы успешно контролируются. Хотя FDM похож на все остальные процессы 3D-печати в том, что он строится слой за слоем, он отличается тем, что материал добавляется через сопло под постоянным давлением и в непрерывном потоке.

Это давление должно поддерживаться постоянным и на постоянной скорости для обеспечения точных результатов. Слои материала могут быть связаны контролем температуры или химическими средствами. Материал часто добавляется в машину в виде катушки, как показано на диаграмме.

Источник изображения: https://www.additively.com/en/learn-about/fused-deposition-modeling

Экструзия материала — пошагово

4. Плавление в порошковом гнезде (Powder Bed Fusion)

Процесс плавления в порошковом гнезде включает следующие распространенные техники печати: Прямое лазерное спекание металла (DMLS), Электронно-лучевое плавление (EBM), Селективное тепловое спекание (SHS), Селективное лазерное плавление (SLM) и Селективное лазерное спекание (SLS).

Процессы плавления в порошковом гнезде (PBF) используют либо лазер, либо электронный пучок для плавления порошковых материалов и их спекания вместе. Процессы электронно-лучевого плавления (EBM) требуют вакуума, но могут использоваться с металлами и сплавами для изготовления функциональных деталей. Во всех процессах PBF порошковый материал распределяется над предыдущими слоями.

Существует несколько механизмов для этого, включая ролик или лезвие. Воронка или резервуар под кроватью обеспечивает поставку свежего материала. Прямое лазерное спекание металла (DMLS) то же самое, что SLS, но использует металлы, а не пластики.

Процесс спекет порошок слой за слоем. Селективное тепловое спекание отличается от других методов тем, что использует нагретую термическую печатающую головку для плавления порошкового материала вместе. Как и раньше, слои добавляются с роликом между спеканием слоев. Платформа опускает модель соответствующим образом.

Плавление в порошковом гнезде — пошагово

5. Ламинирование листов (Sheet Lamination)

Процессы ламинирования листов включают производство ультразвуковых добавок (UAM) и производство ламинированных объектов (LOM). В производстве ультразвуковых добавок используются металлические листы или полосы, которые соединяются друг с другом ультразвуковой сваркой.

Процесс требует дополнительной обработки на станках с ЧПУ и удаления несвязанного металла, часто в процессе сварки. Ламинированное объектное моделирование (LOM) использует похожий подход слой за слоем, но использует бумагу как материал и клей вместо сварки. Процесс LOM использует метод штриховки при печати для легкого удаления после создания.

Ламинированные объекты часто используются для эстетических и визуальных моделей и не подходят для структурных целей. UAM использует металлы и включает алюминий, медь, нержавеющую сталь и титан. Процесс имеет низкую температуру и позволяет создавать внутренние геометрии. Процесс может комбинировать разные материалы и требует относительно мало энергии, так как металл не плавится.

Ламинирование листов — пошагово

6. Фотополимеризация в ванне (Vat Polymerisation)

В фотополимеризации в ванне используется ванна из жидкой фотополимерной смолы, из которой модель строится слой за слоем. Ультрафиолетовый (UV) свет используется для отвердевания или затвердевания смолы по мере необходимости, в то время как платформа перемещает изготовленный объект вниз при отвердевании каждого нового слоя.

Поскольку процесс использует жидкость для формирования объектов, нет структурной поддержки от материала во время фазы строительства. В отличие от порошковых процессов, где поддержка обеспечивается несвязанным материалом. В этом случае часто необходимо добавлять поддерживающие структуры.

Смолы отвердевают с помощью процесса фотополимеризации или UV-света, при котором свет направляется через поверхность смолы с помощью моторизированных зеркал. Когда смола вступает в контакт со светом, она затвердевает или затвердевает.

Фотополимеризация — пошагово

7. Струйное нанесение материала (Material Jetting)

Струйное нанесение материала создает объекты похожим образом на двумерный струйный принтер. Материал впрыскивается на строительную платформу с использованием либо непрерывного, либо каплевого по требованию (DOD) подхода.

Материал распыляется на поверхность или платформу, где он затвердевает и модель строится слой за слоем. Материал наносится из сопла, которое движется горизонтально через строительную платформу. Машины отличаются своей сложностью и методами контроля осаждения материала. Слои материала затем отвердевают или затвердевают с использованием ультрафиолетового (UV) света.

Поскольку материал должен осаждаться каплями, количество материалов, доступных для использования, ограничено. Полимеры и воски подходят и широко используются как материалы из-за их вязкой природы и способности формировать капли.

Струйное нанесение материала — пошагово

Преимущества аддитивного производства

Применение аддитивного производства

Авиакосмическая промышленность

АП превосходно подходит для производства деталей с экономией веса, сложными геометрическими дизайнами. Поэтому это часто идеальное решение для изготовления легких, прочных аэрокосмических деталей.

В августе 2013 года NASA успешно протестировала SLM-напечатанный ракетный инжектор во время горячего огневого теста, который генерировал 20 000 фунтов тяги. В 2015 году FAA одобрил первую 3D-печатную деталь для использования в коммерческом двигателе. Двигатель LEAP компании CFM имеет 19 3D-печатных топливных форсунок. По данным Aviation Week, FAA-сертифицированные структурные детали Boeing 787 из титановой проволоки были представлены на Парижском авиасалоне 2017 года.

Автомобильная промышленность

CNN сообщила, что гоночная команда McLaren использует 3D-печатные детали в своих болидах Формулы-1. Замена заднего крыла заняла около 10 дней вместо пяти недель. Команда уже произвела более 50 различных деталей с использованием аддитивного производства.

В автопромышленности потенциал АП для быстрого прототипирования вызывает серьезный интерес, так как появляются производственные детали. Например, алюминиевые сплавы используются для производства выпускных труб и деталей насосов, а полимеры — для производства бамперов.

Здравоохранение

В Медицинской школе Нью-Йоркского университета клиническое исследование с 300 пациентами оценивает эффективность индивидуальных, многоцветных моделей рака почки, созданных с помощью аддитивного производства. Исследование исследует, эффективно ли такие модели поддерживают хирургов с предоперационными оценками и руководством во время операции.

Глобальный производитель медицинских устройств Stryker финансирует исследовательский проект в Австралии для использования технологии аддитивного производства для создания индивидуальных, по запросу, 3D-печатных хирургических имплантов для пациентов с раком костей.

В целом, применения в здравоохранении для аддитивного производства растут, особенно когда демонстрируются безопасность и эффективность медицинских устройств, построенных АП. Производство уникальных синтетических органов также многообещающе.

Разработка продуктов

По мере того как потенциал гибкости дизайна АП реализуется, когда-то невозможные концепции дизайна теперь успешно переосмысляются. Аддитивное производство раскрывает творческий потенциал дизайнеров, которые теперь могут работать свободно от ограничений, под которыми они когда-то трудились.

Часто задаваемые вопросы

Что такое аддитивное производство?

Аддитивное производство (АП), также известное как 3D-печать, — это трансформационный подход к промышленному производству, позволяющий создавать более легкие, прочные детали и системы. Как следует из названия, аддитивное производство добавляет материал для создания объекта.

Что такое процесс аддитивного производства?

Аддитивное производство — это конкретный процесс 3D-печати. Этот процесс строит детали слой за слоем путем осаждения материала в соответствии с цифровыми 3D-данными дизайна. Например, вместо фрезерования заготовки из твердого блока, аддитивное производство строит деталь слой за слоем из материала, поставляемого в виде тонкого порошка.

Каковы типы аддитивного производства?

Типы аддитивного производства:

  1. Порошковое струйное нанесение.
  2. Направленное энергетическое напыление.
  3. Плавление в порошковом гнезде.
  4. Ламинирование листов.
  5. Экструзия материала.
  6. Струйное нанесение материала.
  7. Ванно-фото полимеризация.

Что означает аддитивное производство?

Аддитивное производство — это процесс создания объекта путем его построения один слой за раз. Это противоположность вычитательному производству, в котором объект создается путем отрезания материала от твердого блока до завершения конечного продукта.

Какие продукты изготавливаются из аддитивного производства?

Распространенные применения включают воздуховоды систем экологического контроля (ECS), индивидуальные косметические внутренние компоненты самолетов, компоненты ракетных двигателей, облицовки камер сгорания, оснастку для композитов, масляные и топливные баки и компоненты БПЛА. 3D-печать доставляет сложные, консолидированные детали с высокой прочностью.

Почему это называется аддитивным производством?

Это в отличие от других традиционных форм создания или ковки продуктов, где материал вырезается или удаляется из более крупного объекта для достижения конечного продукта. Чтобы просто ответить на вопрос «Почему это называется аддитивным производством?», потому что процесс сборки добавляет вместо вычитания сырого материала.

Является ли аддитивное производство тем же, что и 3D-печать?

Между терминами 3D-печать и аддитивное производство нет разницы. 3D-печать и аддитивное производство — синонимы для одного и того же процесса. Оба термина относятся к процессу построения деталей путем соединения материала слой за слоем из CAD-файла.

Что означает стереолитография?

Стереолитография (SLA) — это процесс аддитивного производства, который строит твердые прототипы, выкройки и продукты из CAD-чертежей. SLA позволяет строить твердые пластиковые прототипы, сплетенные из CAD-управляемого лазерного луча.

Каковы преимущества аддитивного производства?

Преимущества аддитивного производства:

Является ли сварка аддитивным производством?

Применение сварки в аддитивном производстве (АП) для фабрикации металлических компонентов — одна из самых быстрорастущих исследовательских и разработческих сфер. Источники энергии, такие как лазер, электронный пучок и дуговая сварка, используются для плавления и осаждения сырого материала в порошковой или проволочной форме.

Что такое недостаток аддитивного производства?

Недостатки — производственная стоимость высока — с использованием техник, отличных от аддитивного производства, детали можно сделать быстрее, и поэтому лишнее время может привести к более высоким затратам. Кроме того, высококачественные машины для аддитивного производства могут стоить дорого.

Кто изобрел аддитивное производство?

Чак Халл — сооснователь, исполнительный вице-президент и главный технический директор 3D Systems. Он один из изобретателей SLA 3D-принтера, первой коммерческой технологии быстрого прототипирования, и широко используемого формата файла STL.

Для каких задач используются аддитивные технологии?

В чем разница между аддитивным производством и быстрым прототипированием?

Быстрое прототипирование означает быстрое производство прототипа. Аддитивное производство относится к любому производственному процессу, который делает продукты путем постепенного добавления материалов.

В чем разница между генеративным производством и аддитивным производством?

Хотя генеративный дизайн достаточно сложен для работы с традиционными методами, аддитивное производство предоставляет технологии максимальную свободу. Не трудно понять почему. Пример детали, созданной через генеративный дизайн. Система оптимизировала два дизайна слева для 3-осевого фрезерования и литья алюминия.

Какова история аддитивного производства?

Аддитивное производство впервые появилось в 1987 году со стереолитографией (SL) от 3D Systems, процессом, который затвердевает тонкие слои ультрафиолетово-чувствительного жидкого полимера с помощью лазера. SLA-1, первая коммерчески доступная система АП в мире, стала предтечей когда-то популярной машины SLA 250.

Зачем изобрели 3D-печать?

Идея пришла к Крампу в 1988 году, пока он пытался сделать игрушечную лягушку для своей дочери, выдавливая воск свечи через клейковый пистолет. В 1989 году Крамп запатентовал технологию и вместе с женой соосновал Stratasys Ltd. для производства и продажи 3D-печатных машин для быстрого прототипирования или коммерческого производства.

Какая жидкость используется в стереолитографии?

Стереолитография (или SLA) — одна из старейших техник 3D-печати когда-либо разработанных. Этот процесс аддитивного производства используется для 3D-печати материала смолы, используя фотокинетический процесс. Этот процесс SLA 3D-печати использует ванну жидких фотополимерных смол, которые могут быть отвердеваемы.

Кто изобрел 3D-принтер?

Чарльз Халл — изобретатель стереолитографии, первой коммерческой технологии быстрого прототипирования, обычно известной как 3D-печать. Самые ранние применения были в исследовательских и разработческих лабораториях и инструментальных комнатах, но сегодня применения 3D-печати, казалось бы, бесконечны.

Является ли аддитивное производство будущим?

В 2021 году прогресс продолжится, с программными компаниями большими и малыми, фокусирующимися на программных решениях для удовлетворения требований аддитивных технологий. Эта эволюция будет топливом для следующего поколения программных инструментов, которые будут движить АП вперед в индустриализацию.

Является ли аддитивное производство дорогим?

В зависимости от процесса и дизайна компонента, переменные затраты на аддитивное производство могут быть в пять-пятьдесят раз выше, чем для традиционного производства, например при обработке полимеров и металлов.

Что такое аддитивное производство GE?

GE Additive теперь предоставляет машины, материалы и экспертизу в инженерном дизайне, партнерствуя с клиентами, чтобы помочь им внедрять аддитивные технологии в свой бизнес. Машины Concept Laser и Arcam уже поддерживают клиентов в авиакосмической, медицинской, стоматологической и ювелирной отраслях.

Что такое аддитивная сварка?

Проволочно-дуговая аддитивная технология — это процесс, объединяющий автоматизированную сварку в защитном газе (MIG) или лазерную сварку с горячей проволокой с прямым осаждением 3D-печати.

В чем разница между аддитивным и вычитательным производством?

Процессы аддитивного производства строят объекты путем добавления материала слой за слоем, в то время как вычитательное производство удаляет материал для создания деталей.

Растет ли аддитивное производство?

Прогнозируемый глобальный рост рынка аддитивного производства 2020-2026. Между 2020 и 2023 годами глобальный рынок аддитивного производства ожидает рост примерно на 17% ежегодно. Хотя рынок материалов для 3D-печати сейчас доминирует пластиками, металлические материалы прогнозируются как стимул роста рынка.

Насколько устойчиво аддитивное производство?

Как процесс сам по себе, аддитивное производство уже представляет более устойчивое средство производства. Это особенно очевидно в том, что 3D-печать устраняет использование лишнего материала и, таким образом, ненужных отходов практически с самого начала.

Какова главная проблема для аддитивного производства?

Проблема состоит в идентификации деталей и конструкций сборок, определенных текущей производственной технологией, и рассмотрении того, может ли АП улучшить производительность. Поскольку АП позволяет создавать геометрии, которые неосуществимы с традиционными производственными методами, свобода проектирования увеличивается.

Что такое аддитивное производство простыми словами?

Аддитивное производство (АП) или аддитивное слойное производство (ALM) — это промышленное название для 3D-печати, компьютерно-контролируемый процесс, создающий трехмерные объекты путем осаждения материалов, обычно слоями.

Почему было введено аддитивное производство?

Металлическое аддитивное производство, или 3D-печать, предлагает возможность производить сложные детали без ограничений дизайна традиционных производственных путей.

Промышленные технологии

  1. Лазерная лучевая обработка: типы, процесс и применение
  2. Быстрое прототипирование: типы, процессы и преимущества
  3. Пайка: виды, техники и пошаговое руководство
  4. Строгание: процесс, принцип работы и основные виды
  5. Химическая обработка металлов: Точное удаление материала без напряжений
  6. Ультразвуковая обработка: Принцип работы, виды и применение
  7. Понимание прокатных станов: виды, процессы и применение
  8. Лазерная сварка: техники, виды и промышленное применение
  9. Сварка сопротивлением: виды, процессы и преимущества
  10. Координатно-растачивальные станки: типы, функции и преимущества