Что такое аддитивное производство? Основной принцип технологии аддитивного производства заключается в том, что она использует созданную САПР 3D-модель непосредственно для изготовления трехмерного объекта путем добавления материала слой за слоем и их сплавления.
Более чем достаточно статистических данных подтверждают утверждение о том, что внедрение 3D-печати произвело революцию в индустриальном мире так, как ни один другой продукт не достиг такого важного успеха за последние 35 лет.
Содержание статьи
Аддитивное производство, быстрое прототипирование и 3D-печать
Хотя изначально в контексте разработки продукта эти технологии назывались быстрым прототипированием, в последние годы эти технологии достигли гигантских успехов и перешли от прототипа к производству готовых деталей. Термин 3D-печать также широко используется для этих технологий, и Массачусетский технологический институт придумал его для струйной печати на основе AM, изобретенного ими в 90-х годах. Следовательно, эти термины не могут эффективно описать последние технологические достижения в этом секторе.
История аддитивного производства
Чак Халл, американский инженер корпорации 3D Systems, аккредитован как изобретатель 3D-печати в 1983 году, известного как процесс твердотельной визуализации, называемый стереолитографией (3D-печать), первой коммерческой технологии быстрого прототипирования и формата файла STL. Благодаря Халлу, его вклад в формат файлов STL, цифровые нарезки слоев и стратегии заполнения до сих пор используются во многих процессах аддитивного производства.
С тех пор многие компании изобрели и внедрили новые технологии. Поскольку технология является относительно новой, компании разрабатывают и внедряют различные методы в соответствии с новыми маркетинговыми условиями, даже если основная технология может быть той же.
Технический комитет ASTM International окончательно определил эти процессы как аддитивное производство (AM), поскольку технология создает трехмерные детали путем добавления материала по сравнению с субтрактивным производством.
Согласно стандартам ISO/ASTM, технологии аддитивного производства делятся на семь типов в зависимости от методов, используемых для создания этих слоев, источника энергии и плавкого материала.
7 типов аддитивных технологий производства
Существует семь основных технологий аддитивного производства, а именно: фотополимеризация в ванне, экструзия материала, распыление материала, распыление связующего, сплавление в порошковом слое, направленное энергетическое осаждение и ламинирование листа.
1. Ванная фотополимеризация
В этом процессе используется метод, называемый фотополимеризацией, при котором радиационно-отверждаемые смолы или фотополимеры используются для создания трехмерных объектов путем выборочного воздействия на них ультрафиолетового света. При воздействии эти материалы вступают в химическую реакцию и становятся твердыми. Этими технологиями можно печатать только пластмассы.
В этой категории есть три основных типа: стереолитография, цифровая обработка света и непрерывная цифровая обработка света.
2. Процесс распыления связующего
Как следует из названия, Binder Jetting выборочно наносит связующее вещество, связующую жидкость, чтобы соединить порошковый материал и сформировать трехмерную деталь. Этот процесс отличается от любой другой технологии AM, так как он не использует тепло во время процесса, как другие, для сплавления материала.
Печатающая головка и распределитель порошка наносят чередующиеся слои связующего вещества и строительного материала, чтобы сформировать трехмерный объект.
3. Направленное выделение энергии
Технология направленного осаждения энергии использует сфокусированную тепловую энергию, такую как лазер, электронный луч или плазменная дуга, для плавления и сплавления материала по мере его осаждения для создания трехмерного объекта. Они очень похожи на процесс сварки, но очень точно детализированы.
Геометрическая информация, включенная в твердотельную модель системы автоматизированного проектирования (CAD), используется 3D-принтерами LENS для автономного управления процессом DED по мере создания детали слой за слоем.
Двумя основными типами технологий направленного осаждения энергии являются LENS и EBAM. EBAM использует электронный луч, а LENS использует сфокусированный лазер для плавления материала.
4. Экструзия материала
Экструзия материалов — это метод аддитивного производства, в котором для создания трехмерных деталей используется непрерывная нить из термопласта или композитного материала. Экструзия материалов была первоначально разработана и запатентована С. Скоттом Крампом в рамках моделирования методом наплавления (FDM) в 1980-х годах.
В этом методе аддитивного производства непрерывная нить термопластика подается через нагретое сопло, а затем слой за слоем наносится на платформу для создания объекта.
5. Струйная обработка материала
При распылении материала капли строительного материала выборочно наносятся слой за слоем на платформу сборки для формирования трехмерной детали.
Этот метод аддитивного производства очень похож на стандартные струйные принтеры, где капли материала выборочно наносятся слой за слоем для создания трехмерного объекта. Когда слой готов, его отверждают ультрафиолетовым светом.
Струйное распыление порошковых материалов включает в себя следующие широко используемые технологии печати: распыление материалов с УФ-отверждением, распыление по запросу (DOD), распыление наночастиц (NPJ).
6. Слияние в порошковом слое
Плавка в порошковом слое — это технология аддитивного производства, в которой используется лазер или электронный луч для плавления и сплавления материала для формирования 3D-геометрической детали. Технология Powder Bed Fusion включает в себя следующие широко используемые технологии печати: Multi Jet Fusion (MJF), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), электронно-лучевое плавление (EBM), селективное термическое спекание (SHS), селективное лазерное плавление (SLM) и селективное лазерное спекание (SLS).
Процессы плавления в порошковом слое, особенно селективное лазерное спекание, являются ранними промышленными методами аддитивного производства. В этом методе используется лазерный или электронный луч для расплавления порошкообразного материала и его сплавления для создания твердого объекта.
7. Листовое ламинирование
Технологии ламинирования листов используют листы материала для создания 3D-объектов путем их укладки и ламинирования с помощью клея или ультразвуковой сварки. После того, как объект построен, ненужные области секций удаляются слой за слоем.
Технология ламинирования листов — это общий термин для ультразвукового аддитивного производства (UAM), ламинирования с селективным напылением (SDL) и производства ламинированных объектов (LOM).
Преимущества и недостатки аддитивного производства
Преимущества аддитивного производства
- AM может печатать сложные 3D-геометрии с внутренними элементами без каких-либо инструментов.
- Сокращение отходов по сравнению с механической обработкой.
- Деталь можно распечатать прямо из 3D-модели без чертежа.
- Прототипы могут быть сделаны быстрее, что позволяет разработчикам проверять различные итерации, что приводит к более быстрой фазе цикла проектирования.
- Нет или меньше инструментов для небольших партий по сравнению с традиционной обработкой.
- Производственная оснастка может быть напечатана.
- В процессе печати можно смешивать различные материалы для создания уникального сплава.
- Разные сечения детали могут быть разными вариантами одного и того же сплава.
Недостатки аддитивного производства
- Поскольку технология все еще находится в зачаточном состоянии, процесс сборки медленный и дорогостоящий.
- Высокие производственные затраты из-за стоимости оборудования.
- Требуется различная постобработка в зависимости от типа используемого аддитивного производства.
- Небольшой объем сборки по сравнению с другими размерами производственных деталей, такими как литье в песчаные формы.
- Плохие механические свойства, поэтому требуется последующая обработка.
- Плохая отделка поверхности и текстура по сравнению с производственными процессами, такими как ЧПУ и литье по выплавляемым моделям.
- Прочность деталей сравнительно слабее по сравнению с производственными процессами, такими как литье под давлением, литье по выплавляемым моделям и обработка с ЧПУ.
Как работает технология аддитивного производства?
Хотя процесс аддитивного производства различается между 7 различными технологиями аддитивного производства, используемыми для создания 3D-деталей, каждая из них в целом следует этим общим шагам для создания конечной детали.
Этап создания 3D-модели
Сначала дизайнер создает 3D-модель объекта для печати с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР) или сканера 3D-объектов. Поскольку деталь является точной копией 3D-модели, каждая деталь должна быть корректной и полностью определять ее внешнюю геометрию.
Хотя AM может печатать сложные детали и дает разработчику продукта большую гибкость при проектировании, чем обычные производственные процессы, все же существуют ограничения и правила, которых необходимо придерживаться при проектировании для достижения наилучших результатов.
Руководства по проектированию различаются в зависимости от типа технологии аддитивного производства и выбора материала. Производители оборудования и поставщики услуг в области аддитивных технологий имеют обширные руководства по проектированию деталей. Обратитесь к типам технологии AM и их производителям, чтобы узнать больше.
Этап создания файла STL
Как только дизайнер доволен дизайном, пользователь преобразует файл CAD в стандартный формат файла AM, называемый стандартным языком тесселяции (STL), который компания 3D Systems разработала в конце 80-х годов для использования в своих стереолитографических (SLA) машинах.
Большинство программ САПР, таких как SolidWorks, Inventor и Catia, могут сохранять любую модель в виде файла STL. Тем не менее, у всех производителей принтеров есть программное обеспечение для обработки любых форматов CAD и преобразования файлов в файл STL.
Как следует из названия, это создаст мозаику 3D-формы и разрежет деталь на цифровые слои. Толщина слоя определяет конечное качество и зависит от машины и процесса.
Шаг передачи файла STL
Затем файл STL передается на принтер, часто с использованием специального программного обеспечения, где модель будет манипулироваться для ориентации для печати. На этом этапе программное обеспечение машины может создать свой файл с дополнительной информацией, такой как структура поддержки и температура.
Настройка машины
Каждая технология аддитивного производства и ее варианты имеют свои шаги и требования для настройки нового задания на печать. Настройка включает в себя выбор материала, ориентацию, температуру принтера, опорную конструкцию и выравнивание платформы сборки. Это также включает в себя загрузку печатного материала, переплетов и других расходных материалов в машину.
Затем программное обеспечение машины преобразует информацию файла STL в G-код. Инструкции G-кода — это информация для исполнительных механизмов, таких как двигатели, сообщающая им, куда двигаться, как быстро двигаться и какой путь выбрать.
Можно настроить несколько частей, чтобы снизить стоимость печати, а количество отходов также можно свести к минимуму, выбрав правильную ориентацию.
Часть здания
Как только сборка начинается, она постепенно строит дизайн по одному слою за раз. Толщина типичного слоя составляет около 0,1 мм, но в зависимости от технологии и используемого материала она может уменьшаться до 20 микрон.
В зависимости от размера сборки, печатной машины, технологии AM, материала и разрешения печати этот процесс сборки может занять часы или даже дни.
Удаление детали
После сборки детали или нескольких деталей в некоторых случаях может потребоваться период охлаждения перед снятием деталей с машины. Опять же, в зависимости от машины и технологии, удаление может варьироваться от простого отделения платформы сборки в случае FDM до эрозии проволоки от платформы сборки в DMLS.
Этап постобработки
Почти все методы аддитивного производства потребуют той или иной формы постобработки. В зависимости от используемой технологии аддитивного производства и конечного использования детали она варьируется от простой очистки и полировки до механической обработки и термообработки детали.
Наконец, может потребоваться постобработка, такая как очистка, полировка и покраска.
Как уже говорилось, каждая из 7 технологий аддитивного производства различается в зависимости от базовой технологии, используемой для укладки материала на платформу сборки, типа материала, использования типа энергии и постобработки.
