Аддитивное производство: технологии, процессы и применение

Что такое аддитивное производство?

Аддитивное производство (Additive Manufacturing, AM), или 3D-печать — это трансформирующий подход к промышленному производству, позволяющий создавать более легкие, прочные детали и системы. Как следует из названия, аддитивное производство создает объект путем наращивания материала.

Это промышленное название для 3D-печати — компьютерно-контролируемого процесса создания трехмерных объектов посредством слоевого наложения материалов. Согласно GE Additive, это очередной технологический прорыв, ставший возможным благодаря переходу от аналоговых к цифровым процессам. За последние десятилетия коммуникации, визуализация, архитектура и инженерия прошли свои цифровые революции. Теперь AM приносит цифровую гибкость и эффективность в производство.

Аддитивное производство использует CAD-софт или 3D-сканеры для управления оборудованием, наносящим материал слой за слоем в точных геометрических формах. В отличие от традиционного производства, где часто приходится удалять материал (обработка резанием, фрезерование, литье), аддитивное производство только добавляет его.

Хотя термины «3D-печать» и «быстрое прототипирование» часто используются как синонимы аддитивного производства, каждый из них на самом деле является его подмножеством. Технология существует уже несколько десятилетий, но лишь недавно набрала популярность, выйдя за рамки прототипирования к созданию полностью функциональных компонентов. Возможности практически безграничны: от тяжелой промышленности до медицины.

Как работает аддитивное производство?

С помощью CAD или 3D-сканеров создаются объекты с точной геометрией, нарастающие слой за слоем, в отличие от традиционных методов, требующих удаления лишнего материала. Сложные структуры и компоненты формируются поэтапным наслаиванием. Технология более трех десятилетий, но недавно стала мейнстримом, предлагая не просто прототипы, а готовые функциональные детали. Концепция удивительно проста: цифровая модель срезается на слои, которые последовательно материализуются физически.

Технологии аддитивного производства

1. спекание (Sintering)

Тепло используется для создания твердой массы без плавления. Аналогично 2D-ксерокопии, где тонер селективно расплавляется для создания изображения на бумаге.

2. Прямое лазерное спекание металла (DMLS)

Лазер спектит каждый слой металлического порошка, заставляя частицы сцепляться. Оборудование DMLS производит высокоточные объекты с желаемыми поверхностными свойствами и механическими характеристиками. При SLS лазер спектит термопластические порошки.

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

Материалы полностью плавятся. DMLM использует лазер для полного плавления каждого слоя металлического порошка, EBM — мощные электронные пучки. Обе технологии идеальны для создания плотных, непористых объектов.

4. Стереолитография (SLA)

Использует фото полимеризацию для печати керамических объектов. УФ-лазер селективно облучает ванну с фото полимерной смолой. УФ-отверждаемые смолы дают крутистостойкие детали, выдерживающие экстремальные температуры.

Сколько времени занимает процесс?

Время печати зависит от размера детали, настроек печати и требуемого качества (высокое качество = больше времени). AM может занимать от нескольких минут до нескольких часов или дней — ключевые факторы: скорость, разрешение, объем материала.

Материалы для аддитивного производства

• Термопласты: самый популярный класс. ABS, PLA, поликарбонат (PC) — у каждого свои преимущества. ПВА (поливиниловый спирт) используется для временных поддерживающих структур, растворяемых водой.
• Металлы: множество металлов и сплавов — от драгоценных (золото, серебро) до стратегических (нержавейка, титан).
• Керамика: оксид циркония, оксид алюминия, трифосфат кальция. Стеклянный порошок и клей чередуются и обжигаются, создавая новые классы стеклопродуктов.
• Биохимикаты: закаленные материалы из кремния, фосфата кальция, цинка для поддержки костных структур. Исследуются биочернила из стволовых клеток для создания сосудов, пузырей и т.д.

Типы процессов аддитивного производства (по стандартам ASTM/ISO)

• Струйная печать связующего (Binder Jetting)
• Направленное энергетическое напыление (Directed Energy Deposition)
• Материальная экструзия (Material Extrusion)
• Порошковое плавление в слое (Powder Bed Fusion)
• Слоистая ламинация (Sheet Lamination)
• Ванная полимеризация (Vat Polymerisation)
• Материальное иструирование (Material Jetting)

1. Струйная печать связующего (Binder Jetting)

Использует порошковый материал и жидкий связующий (клей). Печатающая головка поочередно наносит слои порошка и связующего. После каждого слоя платформа опускается. Несвязанный порошок поддерживает деталь в процессе. После печати деталь извлекается из порошковой кровати. Метод быстр, но свойства материала могут не подходить для ответственных узлов, а постобработка увеличивает общее время.

Пошаговый процесс:

• Порошок распределяется по платформе роликом.
• Головка наносит связующее там, где нужно.
• Платформа опускается на толщину слоя.
• Новый слой порошка наносится поверх предыдущего.
• Процесс повторяется до завершения. Несвязанный порошок остается вокруг детали.

2. Направленное энергетическое напыление (DED) / Электронно-лучевое плавление (EBM)

Сложный процесс для ремонта или напыления материала на существующие компоненты. Дура с наплавленным материалом на мног осевом манипуляторе наносит его на поверхность, где он затвердевает. Материал (проволока или порошок) плавится лазером, электронным пучком или плазменной дугой. Обычно используется для металлов. Применение: ремонт и обслуживание структурных деталей.

Пошаговый процесс:

• 4- или 5-осевой манипулятор с дурой движется вокруг фиксированного объекта.
• Материал наносится из дуры на существующие поверхности.
• Материал подается в виде проволоки или порошка.
• Материал плавится при напылении лазером/электронным пучком/плазменной дугой.
• Слой за слоем нарастает новый материал, создавая или восстанавливая элементы.

3. Материальная экструзия (FDM/FFF)

Наиболее распространенный процесс (FDM — товарный знак Stratasys). Материал (нить) тащится через нагретую дуру и наносится слоями. Дура движется горизонтально, платформа — вертикально. Широко используется в дешевых домашних 3D-принтерах. Качество зависит от множества факторов, но при их контроле процесс перспективен. Особенность: материал подается под постоянным давлением непрерывным потоком.

Пошаговый процесс:

• Первый слой наносится на площадь поперечного сечения.
• Последующие слои добавляются поверх предыдущих.
• Слои спаиваются при наложении за счет расплавленного состояния материала.

4. Порошковое плавление в слое (Powder Bed Fusion — PBF)

Включает DMLS, EBM, SHS, SLM, SLS. Лазер или электронный пучок плавят и спектит порошковые материалы. EBM требует вакуума, но работает с металлами для функциональных деталей. Порошок распределяется роликом или лезвием. DMLS — то же что SLS, но для металлов.

Пошаговый процесс:

• Слой порошка (~0.1 мм) распределяется на платформе.
• Лазер спектит/плавляет первый слой (поперечное сечение модели).
• Ролик наносит новый слой порошка.
• Последующие слои спектит/плавятся и добавляются.
• Повтор до завершения. Несплавленный порошок удаляется в постобработке.

5. Слоистая ламинация (Sheet Lamination)

Включает ультразвуковую аддитивную ламинацию (UAM) и ламинацию слоистых объектов (LOM). UAM: металлические листы/ленты соединяются ультразвуковой сваркой, требует доп. CNC-обработки. LOM: бумага + клей, высечение лазером/ножом. LOM — для визуальных моделей, не для структурных. UAM использует алюминий, медь, нержавейку, титан; низкая температура, позволяет внутренние геометрии, комбинирование материалов, низкое энергопотребление.

Пошаговый процесс:

• Материал позиционируется на режущем столе.
• Материал склеивается поверх предыдущего слоя.
• Необходимая форма вырезается из слоя лазером или ножом.
• Добавляется следующий слой.
• Шаги 2-3 могут чередоваться: сначала резка, потом позиционирование и склеивание.

6. Ванная полимеризация (Vat Polymerisation)

Ванна с жидкой фото полимерной смолой, модель нарастает слой за слоем. УФ-свет застывает смолу там, где нужно, платформа опускается вниз. В отличие от порошковых процессов, где несвязанный порошок служит опорой, здесь часто нужны поддерживающие структуры. Смолы отверждаются фото полимеризацией/УФ-светом (моторизированные зеркала направляют луч).

Пошаговый процесс:

• Платформа опускается от верха ванны вниз на толщину слоя.
• УФ-свет отверждает смолу слой за слоем. Платформа продолжает двигаться вниз.
• Некоторые машины используют лезвие между слоями для выравнивания поверхности смолы.
• После завершения смола сливается, деталь извлекается.

7. Материальное иструирование (Material Jetting)

Аналогично 2D струйному принтеру. Материал (полимеры, воски — за счет вязкости и способности формировать капли) наносится каплями на платформу (непрерывно или по требованию DOD), затвердевает, модель растет слой за слоем. Слои отверждаются УФ-светом. Ограниченный выбор материалов из-за капельного наношения.

Пошаговый процесс:

• Печатающая головка позиционируется над платформой.
• Капли материала наносятся туда, где нужно (термоэлектрическим или пьезоэлектрическим методом).
• Капли затвердевают, образуя первый слой.
• Последующие слои нарастают сверху.
• Слои остывают/застывают или отверждаются УФ. Постобработка: удаление поддерживающих структур.

Преимущества аддитивного производства

• Стоимость входа продолжает падать
• Экономия материала и энергии (нет отходов вычитающего производства)
• Дешевле прототипирование
• Малые серии быстрее и дешевле
• Меньше потребность в складских запасах
• Легче воссоздавать и оптимизировать устаревшие детали (legacy parts)
• Повышение надежности деталей
• Консолидация сборок в единые детали
• Уникальная поддержка ИИ-ориентированных методов проектирования (generative design)
• Уникальная поддержка решетчатых структур (lattice structures)

Применение аддитивного производства

Авиакосмическая промышленность

Идеально для легких деталей со сложной геометрией. NASA тестировала SLM-напечатанный ракетный форсунку (20 000 lbs тяги). FAA сертифицировала первую 3D-деталь для коммерческого двигателя (19 форсунок LEAP). Boeing 787: титановые детали на проволоке на Paris Air Show 2017.

Автопромышленность

McLaren F1: замена заднего крыла за 10 дней вместо 5 недель, 50+ деталей из AM. Алюминиевые сплавы — выпускные трубы, насосные детали; полимеры — бамперы. Быстрое прототипирование и серийные детали.

Здравоохранение

NYU: исследование 300 пациентов с многоцветными моделями почечных опухолей для предоперационной планировки. Stryker финансирует الأستراليйский проект индивидуальных 3D-имплантов для пациентов с раком костей. Растут приложения: уникальные синтетические органы, хирургические инструменты, импланты.

Разработка продуктов

AM раскрывает творческий потенциал дизайнеров, устраняя ограничения традиционного производства. Невозможные концепции становятся реальностью.

Часто задаваемые вопросы

Что такое аддитивное производство?

Трансформирующий подход к промышленному производству, создающий легкие, прочные детали путем слогоного наращивания материала (3D-печать).

Каков процесс аддитивного производства?

Построение детали слой за слоем путем наложения материала согласно цифровым 3D-данным. Вместо фрезерования из бруска — наращивание из порошка/нити/смолы.

Основные типы аддитивного производства?

Binder Jetting, Directed Energy Deposition, Powder Bed Fusion, Sheet Lamination, Material Extrusion, Material Jetting, Vat Photopolymerization.

Что означает аддитивное производство?

Создание объекта путем по слоевого наращивания. Противоположность вычитающему производству (удаление материала из бруска).

Какие продукты изготавливаются аддитивным производством?

Воздушные каналы систем экологического контроля (ECS), кастомные интерьеры самолетов, компоненты ракетных двигателей, горелочные вставки, оснастка для композитов, топливные баки, детали БПЛА. Сложные консолидированные детали с высокой прочностью.

Почему это называется аддитивным производством?

Потому что процесс добавляет сырье, а не вычитает его, как в традиционных методах.

Аддитивное производство то же самое, что 3D-печать?

Да, синонимы. Оба термина описывают процесс построения деталей слой за слоем из CAD-файла.

Что такое стереолитография?

Аддитивный процесс построения твердых прототипов, моделей и изделий из CAD-чертежей. УФ-лазер «плетет» твердые пластиковые прототипы.

Преимущества аддитивного производства?

Падение стоимости входа, экономия материала/энергии, дешевое прототипирование, быстрые малые серии, меньше запасов, легкая реинженерия legacy-деталей.

Является ли сварка аддитивным производством?

Применение сварки в AM (лазер, электронный пучок, дуговая сварка) для металлических компонентов — одно из самых быстрорастущих направлений R&D.

Недостатки аддитивного производства?

Высокая стоимость производства: детали могут изготавливаться быстрее другими методами, качественные AM-станки дороги.

Кто изобрел аддитивное производство?

Чак Халл — сооснователь 3D Systems, изобретатель SLA-принтера (первая коммерческая технология быстрого прототипирования) и формата STL.

Для каких задач используются аддитивные технологии?

Авиакосмическая, оборона, медицина, промышленное производство, автопром, космос.

Разница между аддитивным производством и быстрым прототипированием?

Быстрое прототипирование — быстрая изготовка прототипа. Аддитивное производство — любой процесс создания продуктов постепенным добавлением материалов.

История аддитивного производства?

1987: стереолитография (SL) от 3D Systems — лазер затвердевает тонкие слои УФ-чувствительного полимера. SLA-1 — первая коммерческая AM-система.

Почему изобрели 3D-печать?

Скотт Крамп (1988) пытался сделать лягушку для дочери, выдавливая воск из клеевого пистолета. 1989 — патент, основание Stratasys.

Какая жидкость используется в стереолитографии?

Ванна с жидкой фото полимерной смолой, отверждаемой фотохимическим процессом.

Кто изобрел 3D-принтер?

Чарлз Халл — изобретатель стереолитографии, первой коммерческой технологии быстрого прототипирования (3D-печати).

Является ли аддитивное производство будущим?

2021+: софт для аддитивных технологий будет двигать индустриализацию AM вперед.

Дорого ли аддитивное производство?

Переменные затраты могут быть в 5–50 раз выше конвенционального производства (полимеры, металлы).

Что такое аддитивное производство GE?

GE Additive поставляет станки, материалы, экспертизу дизайна, партнерится с клиентами (авиакосмическая, медицина, стоматология, ювелирка).

Что такое аддитивная сварка?

Wire Arc AM — комбинация автоматизированной MIG-сварки или лазерно-проволочной сварки с прямой депоницией 3D-печати.

Разница между аддитивным и вычитающим производством?

Аддитивное: наращивание материала слой за слоем. Вычитающее: удаление материала для создания детали.

Растет ли аддитивное производство?

Прогноз: 17% ежегодный рост мировой рынка 2020–2023. Пластики доминируют, но металлы будут стимулировать рост.

Насколько устойчиво аддитивное производство?

Уже представляет более устойчивое производство: 3D-печать практически исключает излишки материала и ненужные отходы с самого начала.

Главный вызов для аддитивного производства?

Идентифицировать детали, ограниченные текущими технологиями, и оценить, может ли AM улучшить характеристики. Свобода дизайна растет за счет нереализуемых конвенционально геометрий.

Аддитивное производство простыми словами?

Промышленное название 3D-печати: компьютерно-контролируемый процесс создания 3D-объектов путем наложения материалов, обычно слоями.

Зачем ввели аддитивное производство?

Металлическое AM/3D-печать позволяет производить сложные детали без ограничений дизайна традиционного производства.