Пример использования 3D-печати в производстве

В последние годы вокруг аддитивного производства (и 3D-печати) возникло огромное количество шумихи. Но действительно ли технология применима для всех производителей? Это зависит.

От частей тела до домов 3D-печать, также известная как добавка в производственном секторе, быстро превратилась из заслуживающей заголовков технологической причуды для потребителей в жизнеспособное и доступное средство создания вещей, таких как медицинские имплантаты, автомобильные и авиационные детали. и пластиковые прототипы для промышленных дизайнеров.

Что такое аддитивное производство? MIT Technology Review описывает это как промышленную версию 3D-печати, когда машина «строит объект, добавляя ультратонкие слои материала один за другим». Вместо традиционной механической обработки, которая вычитает или удаляет элементы из существующего материала (как при обычной металлообработке, фрезеровании и обработке с ЧПУ), аддитивное производство строится с нуля.

Каковы преимущества аддитивного производства? Он предлагает компаниям более широкие возможности для инноваций и индивидуальной адаптации производства к внутренним инструментам, деталям и материалам клиентов, а также для снижения затрат за счет «уменьшения количества материала, потерянного во время изготовления, повышения выхода продукта и/или сокращения трудозатрат». в Deloitte University Press в статье с подробным описанием 3D-приложений для инструментов.

3D-печать:распространение аддитивного производства растет

Согласно исследованию, проведенному PwC и The Manufacturing Institute, примерно две трети производителей уже внедрили эту технологию в той или иной форме, и более половины уже используют ее для создания прототипов — значительный скачок по сравнению с двумя годами ранее:35% производителей тестируют технологию.

И, как следует из исследования, производители предполагают, что быстрый рост, связанный с добавками, будет только набирать скорость. Более половины производителей ожидают, что аддитивное производство будет использоваться для крупносерийного производства в течение следующих пяти лет, по сравнению с 38% всего два года назад.

Рынок аддитивного производства металлов подтверждает эти выводы. Согласно исследованию SmarTech Publishing «Аддитивное производство с использованием металлических порошков, 2017 г.», рынок систем аддитивного производства и металлических порошковых материалов в 2016 году превысил 950 млн долларов США, а к 2026 году ожидается его рост до 6,6 млрд долларов США.

Проблемы 3D-печати и аддитивного производства:время и стоимость

Несмотря на огромную шумиху вокруг аддитивного производства, существуют некоторые ограничения, которые необходимо понимать. Во-первых, аддитивное производство может быть медленным в производстве. Производить такой объем, которого вы достигаете при обработке металлов на станках с ЧПУ, — это не сравнение яблок с яблоками.

«Для металлов это другая проблема», — говорит Гордон Стайлс, основатель и президент Star Rapid, в интервью Engineering.com. «Нет смысла в 3D-печати всего, что предназначено для обработки на станках с ЧПУ; естественно, печать будет намного медленнее, потому что время печати зависит от объема материала. Большинство металлических деталей, предназначенных для станков с ЧПУ, объемны и поэтому печатаются на 3D-принтере долго».

Несколько компаний работают над тем, чтобы ускорить этот процесс, отмечает Стайлз. Но эта улучшенная технология вызовет еще одну серьезную проблему для бизнеса:стоимость. Аддитивное производство может быть дорогостоящим, поэтому важно понимать все «рычаги затрат», — считает Джейсон Т. Рэй, консультант по промышленной стратегии передового производства.

«Из-за новизны аддитивного производства и высоких первоначальных капиталовложений, необходимых для покупки машин, варианты использования часто превращаются в поиск гвоздей молотком, а не в процесс, основанный на затратах и ​​выгодах», — отмечает Рэй в статье. « Расчет стоимости аддитивного производства» для журнала Disruptive. «Когда это происходит, акцент на модернизации снижается, и компании в конечном итоге производят компоненты, которые изначально были разработаны для традиционных методов производства, и, таким образом, получают лишь часть преимуществ конечного использования, связанных с AM».

Но, как говорится в отчете Ноттингемского университета, это может продолжаться не всегда. Их теория:по мере того, как технология машин становится более продвинутой, экономическое обоснование внедрения добавок в производство становится все более осуществимым. Однако пока машины остаются прежними, стоимость будет оставаться высокой.

«Хотя сегодня мы ограничены, через 10 лет мы увидим сотни доступных материалов», — сказал Стайлз Engineering.com. «Проблема на самом деле не в наличии материалов, а во времени и усилиях, необходимых для замены материалов. Сегодня требуется около 24 часов, чтобы обработать машину для нового материала».

Однако в некоторых случаях обработка с ЧПУ может быть дороже, чем аддитивное производство. Но есть только один верный способ узнать.

«Лучший способ — просто получить расценки на два процесса у вашего поставщика услуг быстрого прототипирования», — объясняет Стайлз. «Однако есть одно эмпирическое правило:если деталь можно обработать на станке с ЧПУ, то, вероятно, обработать ее на станке с ЧПУ будет дешевле — и в 90 % случаев это правда».

В довершение всего, Стайлс также подчеркивает тот факт, что некоторые аддитивные материалы могут потребовать дополнительной обработки после обработки на станке с ЧПУ, включая удаление опор. И более того, тепло представляет собой, вероятно, самую серьезную проблему из всех, угрожая в буквальном смысле разорвать продукты на части.

3D-печать на заводах:пластик, детали, инструменты, гибрид

Помимо проблем, при создании прототипов из пластика аддитивное производство может иметь некоторые важные преимущества. При обработке с ЧПУ для прототипирования пластика проблема заключается в его цилиндрических фрезах, которые затрудняют обработку внутренних квадратных углов, характерных для таких типов конструкций. Благодаря 3D-печати возможности настройки — а также проб и ошибок при создании прототипов — имеют смысл для разработчиков продуктов, деталей и инструментов.

Аддитивное производство «идеально подходит для небольших объемов, требующих быстрого выполнения работ, и выигрывает от экономии времени на установку, оснащение и аналогичную подготовку, хотя фактическое время на одну деталь может быть намного выше, чем при чисто субтрактивном процессе», — считает Боб Уорфилд, генеральный директор и основатель CNC Cookbook, в статье о гибридной обработке (где сосуществуют аддитивные и вычитательные процессы).

Пример аддитивного производства деталей и оснастки

Реальные варианты использования аддитивного производства заслуживают внимания. Несколько крупных промышленных производителей в полной мере используют потенциал добавок. Вот несколько примеров от крупных промышленных игроков.

GE рассчитывает сэкономить деньги на 25 000 топливных форсунок для реактивных двигателей LEAP, которые она ежегодно производит, несколькими способами. Во-первых, в аддитивных технологиях в процессе производства используется меньше материала. Обычные методы требовали тщательной сварки 20 деталей, и они производили тонны бракованного материала, отмечает MIT Technology Review.

«Решение о массовом производстве важной детали из металлического сплава для использования в тысячах реактивных двигателей является важной вехой для технологии», — пишет Мартин ЛаМоника из MIT Technology Review. «И хотя 3D-печать для потребителей и мелких предпринимателей получила широкую огласку, именно в производстве эта технология может оказать наибольшее коммерческое влияние».

В аддитивном процессе используются порошки гибридных металлов, которые напыляются лазером, что делает деталь легче, что приводит к экономии топлива для авиакомпаний. Этот процесс обходится производителю дешевле, а новая деталь снижает затраты клиента, что обеспечивает беспроигрышный вариант.

В инструментальной оснастке Deloitte приводит убедительные доводы в пользу использования добавок, подробно описывая реальные примеры, когда быстрое прототипирование с помощью аддитивных процессов значительно сократило время выполнения отливок и изготовления внутренней оснастки. Deloitte описывает, как Ford Motor Company широко использовала присадки для своих двигателей EcoBoost, опор роторов, кожухов трансмиссии и тормозных дисков для Ford Explorer.

«Компания использует аддитивное производство для быстрого создания песчаных форм и стержней, используемых для литья прототипов деталей», — отмечает Deloitte. «Это помогло Ford сократить время выполнения заказов на четыре месяца и сэкономить компании миллионы долларов».

Обоснование гибридной обработки:аддитивная и субтрактивная

Говоря о гибридах, производители инструментов для аддитивного производства начали разрабатывать гибридные машины как с аддитивными, так и с субтрактивными способностями — и это настоящее зрелище. Эти «гибридные» машины сочетают в себе геометрическую свободу 3D-печати с точностью обработки с ЧПУ.

«Представьте себе случай, когда вам нужно производить очень небольшие объемы чрезвычайно сложных деталей, например, запасные части для турбин на ремонтном предприятии», — пишет Уорфилд. «Подобная [гибридная] машина может быть просто идеальной».

Однако со многими из этих новых инструментов производители ограничены производством отдельных деталей и часто не могут производить их напрямую из цифровых файлов — чего они могли бы добиться с помощью исключительно аддитивных стратегий.

«3D-печать металлом следует рассматривать как освобождающую технологию. ", - подчеркивает Стайлз. «Теперь вы можете проектировать, казалось бы, невозможные детали и при этом изготавливать их, но ключ в том, чтобы свести объем материала к минимуму».

Для крупных производителей добавки оказывают влияние. Но даже как отмечает Deloitte, это влияние должно быть помещено в правильный контекст инноваций:

«В настоящее время аддитивное производство для изготовления инструментов не столько революционизирует цепочку поставок или дизайн продукта, сколько повышает эффективность и результативность цепочек поставок и продуктов. Однако по мере того, как технология AM продолжает совершенствоваться, а использование AM для инструментов продолжает расти, она может получить возможность более непосредственно влиять на цепочки поставок и продукты компаний, увеличивая способность компаний к инновациям».

Полностью ли ваш цех внедрил аддитивное производство? Каковы некоторые из ваших самых больших проблем с технологией? Дайте нам знать в комментариях ниже.