Применение новых технологий – главный тренд последних лет в любой сфере промышленного производства. Каждое предприятие в России и мире стремиться создавать более дешевую, надежную и качественную продукцию, используя самые совершенные методы и материалы. Использование аддитивных технологий – один из ярчайших примеров того, как новые разработки и оборудование могут существенно улучшать традиционное производство.
Аддитивные технологии производства позволяют изготавливать любое изделие послойно на основе компьютерной 3D-модели. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности его изготовления. Если при традиционном производстве в начале имеется заготовка, от которой потом отсекается все лишнее, либо которая деформируется, то в случае с аддитивными технологиями из ничего (а точнее, из аморфного расходного материала) объект создаётся путём добавления материала слой за слоем. В зависимости от технологии, объект может строиться снизу-вверх или наоборот, получать различные свойства.
Общую схему аддитивного производства можно изобразить в виде следующей последовательности:
Рис. 1.1.1 – Общая схема аддитивного производства.
Первые аддитивные системы производства работали главным образом с полимерными материалами. Сегодня 3D-принтеры, олицетворяющие аддитивное производство, способны работать не только с ними, но и с инженерными пластиками, композитными порошками, различными типами металлов, керамикой, песком. Аддитивные технологии активно используются в машиностроении, промышленности, науке, образовании, проектировании, медицине, литейном производстве и многих других сферах.
Схематично различия в традиционном и аддитивном производстве приведены на рис. 1.1.2:
Рис. 1.1.2 – Различия в традиционном и аддитивном производстве.
Вопрос терминологии рассматривался в рамках деятельности организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), занимающейся разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг. В стандарте ASTM F2792.1549323-1 аддитивные технологии определены как «process of joining materials to make objects from 3D model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing technologies» («процесс объединения материалов с целью создания объекта из данных 3D-модели, как правило, слой за слоем, в отличие от «вычитающих» производственных технологий»).
Под «вычитающими» технологиями подразумевается механообработка – удаление («вычитание») материала из массива заготовки. Таким образом, сообщество американских инженеров прибегло к понятию (subtractive) «вычитание», чтобы определить новое понятие (additive) «добавление», т.е. в самом определении «аддитивные технологии» трактуются как противоположность технологиям механообработки. Но не всякие технологии соединения материала, а только те, которые создают объект по данным 3D-модели или из CAD-данных, т.е. на основе трехмерной компьютерной модели. Это второе ключевое слово – CAD. Третье ключевое слово здесь – «послойно». Можно отметить, что американцы используют в определении «usually» (обычно), по-видимому, допуская, по меньшей мере, теоретическую возможность и непослойного построения
Рекомендованы два основных термина – Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), а также их синонимы - additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication. Все они могут быть переведены как «аддитивные технологии», их также можно называть технологиями послойного синтеза.
В интернет-сообществе, популярной научно-технической литературе и разговорной речи профессионалов встречаются сочетания слов «3D-печать», «3D-принтер» или «3D-принтинг», которые также можно принять в качестве синонимов.
1.2 Классификация
Аддитивные технологии условно классифицируют по исходным материалам (металлические, неметаллические), по виду исходного материала (жидкие, сыпучие, листовые, волокнистые), способу формирования слоя и методам отверждения или фиксации слоя [180,606,783] . В стандарте ASTM F2792-12a аддитивные технологии подразделяли на две основные категории: процессы, в которых изготовление изделий производится в толще порошка (Powder Bed Fusion); процессы, предполагающие подачу строительного материала (порошок, проволока) непосредственно в зону расплавления (Directed Energy Deposition). К первой категории относятся такие процессы, как селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting – SLM), селективное электронно-лучевое плавление (Electron Beam Melting – EBM). Для установок данной категории распространено название Powder Bed Deposition (PBD). Ко второй категории относится непосредственная подача металлического порошка в зону расплава, создаваемую с использование лазерного луча, либо с помощью электронного луча (Direct Metal Deposition – DMD, Laser Engineered Net Shaping – LENS) и др.
Российские стандарты, регламентирующие определения и классификацию AT (подобно ASTM F2792 – 12a) – это ГОСТ Р 57558 – 2017/ISO/ASTM 52900:2015 “Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть1. Термины и определения” и ГОСТ Р 5789 – 2017 “Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть2. Материалы для аддитивных технологических процессов. Общие требования” [675]. В соответствии с это ГОСТ Р 57558 – 2017/ISO/ASTM 52900:2015 основные аддитивные технологии, использующие порошковый материал, разделяют на два класса:
- прямой подвод энергии и материала (Directed Energy Deposition – DED) – процесс, в котором энергия от внешнего источника (в данном случае от лазерного излучения) используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения;
- синтез на подложке (Powder Bed Fusion – PBF) – процесс, в котором энергия от внешнего источника (в данном случае от лазерного излучения) используется для избирательного спекания/cплавления предварительно нанесенного слоя порошкового металла.
Для создания структурного градиента более подходит метод DED в связи с более гибкой возможностью менять микрованну расплава, а следовательно, и скорость кристаллизации.
Применение аддитивных технологи многогранно, актуально и в первую очередь зависит от производственных задач. Каждая технология имеет свои особенности, преимущества и недостатки.
На сегодняшний день можно выделить следующие технологии аддитивного производства:
FDM (Fused deposition modeling) – послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити. Это самый распространенный способ 3D-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3D-принтеров – от самых дешевых до промышленных систем трехмерной печати. FDM-принтеры работают с различными типами пластиков, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, гибкостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов. Крупнейшим в мире производителем пластиковых 3D-принтеров является американская компания Stratasys.
SLM (Selective laser melting) – селективное лазерное сплавление металлических порошков. Самый распространенный метод 3D-печати металлом. С помощью этой технологии можно быстро изготавливать сложные по геометрии металлические изделия, которые по своим качествам превосходят литейное и прокатное производство. Основные производители систем SLM-печати – немецкие компании.
SLS (Selective laser sintering) – селективное лазерное спекание полимерных порошков. С помощью этой технологии можно получать большие изделия с различными физическими свойствами (повышенная прочность, гибкость, термостойкость и др.). Крупнейшим производителем SLS-принтеров является американский концерн 3D Systems.
SLA (сокращенно от Stereolithography) – лазерная стереолитография, отверждение жидкого фотополимерного материала под действием лазера. Эта технология аддитивного цифрового производства ориентирована на изготовление высокоточных изделий с различными свойствами. Крупнейшим производителем SLA-принтеров является американский концерн 3D Systems. В отдельную категорию стоит вынести технологии быстрого прототипирования. Это способы 3D-печати, предназначенные для получения образцов для визуальной оценки, тестирования или мастер- моделей для создания литейных форм.
MJM (Multi-jet Modeling) – многоструйное моделирование с помощью фотополимерного или воскового материала. Эта технология позволяет изготавливать выжигаемые или выплавляемые мастер-модели для литья, а также – прототипы различной продукции. Используется в 3D-принтерах серии ProJet компании 3D Systems.
PolyJet – отверждение жидкого фотополимера под воздействием ультрафиолетового излучения. Используется в линейке 3D-принтеров Objet американской компании Stratasys. Технология используется для получения прототипов и мастер-моделей с гладкими поверхностями.
CJP (Color jet printing) – послойное распределение клеящего вещества по порошковому гипсовому материалу. Технология 3D-печати гипсом используется в 3D-принтерах серии ProJet x60 (ранее называлась ZPrinter). На сегодняшний день – это единственная промышленная технология полноцветной 3D-печати. С ее помощью изготавливают яркие красочные прототипы продукции для тестирования и презентаций, а также различные сувениры, архитектурные макеты.
Весь текст будет доступен после покупки
