что такое аддитивные технологии и области их применения
Аддитивное производство и 3D-печать: что нужно знать в первую очередь
Аддитивное производство – процесс соединения материалов для создания объектов на основе данных трехмерных моделей, как правило, послойно, в отличие от субтрактивного метода и метода формовки. В разное время использовались такие термины, как аддитивное изготовление, аддитивные процессы, аддитивные методы, аддитивное послойное производство, послойное производство, изготовление твердотельных изделий произвольной формы и изготовление изделий произвольной формы.
В этой динамически развивающейся отрасли быстро появляются новые термины. 3D-печать, согласно стандарту ISO/ASTM 52900, — это изготовление объектов путем нанесения материала печатной головкой, с помощью сопла или другой технологии печати. В прошлом этот термин ассоциировался с недорогими станками невысокой производительности. Однако сейчас это не так: термины «аддитивное производство» и «3D-печать» означают одно и то же.
«Аддитивное производство» (Additive Manufacturing) — официальный отраслевой термин, утвержденный организациями по стандартизации ASTM и ISO, однако словосочетание «3D-печать» более распространено и фактически стало стандартом. Особенно широко оно используется в СМИ, терминологии стартапов, инвесторов и других сообществ.
Процессы
Технологии 3D-печати
Основные технологии, применяемые при создании изделий на аддитивных установках:
Расходные материалы
Основные материалы, используемые в аддитивных процессах:
Сферы применения аддитивных технологий
Аддитивные технологии используются для создания физических моделей, прототипов, образцов, инструментальной оснастки и производства пластиковых, металлических, керамических, стеклянных, композитных компонентов и компонентов из биоматериалов. Принцип действия аддитивных установок основан на построении тонких горизонтальных слоев из 3D-моделей, созданных с помощью систем автоматизированного проектирования (САПР) и 3D-сканеров.
АП упрощает и ускоряет процесс разработки продукции. Компании прибегают к аддитивным технологиям, стремясь сократить время производства, повысить качество продукции и сократить затраты. В качестве средства визуализации 3D-печать помогает предприятиям определить вероятность создания дефектной или неудовлетворительной продукции. Кроме того, разрабатываются методы, процессы и системы для изготовления оснастки.
3D-печать активно используется для повышения качества оснастки для литья под давлением. В некоторых областях АП применяют для получения результатов, недостижимых при использовании обычных станков. В других производствах аддитивные технологии используются для создания таких инструментов для изготовления и сборки, как зажимные устройства, крепления, шаблоны и направляющие для сверления и резки.
3D-печать оказывает большое влияние на производство многих продуктов. Предприятия — крупные и малые — успешно применяют технологии для производства готовых изделий. По мнению экспертов, прямое производство станет крупнейшей областью применения аддитивных технологий. Эта технология может повлиять на производство больше, чем другие, традиционные, методы.
Отрасль продолжает развиваться, возникают новые методы, технологии, материалы, прикладные задачи и бизнес-модели. Расширяется география и сфера промышленного применения АП. Аддитивные технологии уже оказали огромное влияние на развитие проектирования и производства; в будущем их роль будет все больше возрастать.
Аддитивное производство в России
В России рынок 3D-технологий достаточно молод, но уже показывает динамичный рост (по данным Роснано, около 30% в год). Все больше компаний осознают потребность в применении аддитивных методов в производстве и научных исследованиях. Есть организации, которые активно занимаются сертификацией материалов и уже тестируют 3D-принтеры собственного производства. На предприятиях появляются лаборатории по разработке и внедрению 3D-решений на отдельных участках технологического цикла.
Сегодня речь о полном переходе на аддитивные технологии не идет – пока что они способны эффективно дополнять классические процессы или заменять их на каком-то определенном участке цикла. Тем не менее, эксперты отрасли утверждают, что в недалеком будущем аддитивное производство станет неотъемлемой частью технологических процессов на предприятии.
Хотите узнать больше о 3D-технологиях? Подписывайтесь на наш блог и получите консультацию у экспертов iQB Technologies : +7 (495) 269-62-22.
Возможности 3D-технологий
Аддитивные технологии (англ. Additive Manufacturing, AM, от add – добавлять) – обобщенный термин, описывающий процесс изготовления изделия на основе CAD-модели путем послойного добавления материала. Создание (или, иначе говоря, выращивание) детали происходит за счет последовательного формирования слоев материала, их фиксации или отверждения и соединения между собой.
Современные аддитивные технологии
3D-технологии ведут свою историю с 1986 года, когда была запатентовала первая коммерческая стереолитографическая машина (SLA), разработанная в компании 3D Systems. До середины 1990-х основной сферой их применения были НИОКР для оборонной промышленности. Когда началось производство лазерных 3D-принтеров, они стоили чрезвычайно дорого, к тому же существовало довольно мало модельных материалов. С развитием систем автоматизированного проектирования был достигнут невероятный прогресс и в технологиях 3D-печати, и сегодня практически нет такой сферы материального производства, где бы активно не использовались аддитивные машины.
К наиболее распространенным современным методам аддитивного производства относятся:
Примеры применения 3D-технологий в различных сферах
Такие детали, как колпачки-уплотнители для электрических разветвителей традиционно производятся на литьевых машинах с пресс-формами. При необходимой для формования температуре в 30°С во время производства пресс-формы нагреваются до 70°С, что требует дополнительных затрат времени для остывания пресс-формы, из-за чего производственный цикл составляет 20,8 с. Для сокращения этого периода были разработаны и изготовлены вставки в пресс-формы с внутренними каналами охлаждения. С этой целью использовалась технология селективного лазерного плавления.
Рисунок 1. Профили каналов охлаждения и финальная форма
Испытания показали, что при использовании таких пресс-форм производственный цикл сокращается более чем в два раза, и составляет 9,4 с.
Рисунок 2. График падения температуры с 69°С до 29°С по времени
Еще одним примером может служить литье по выплавляемым и выжигаемым мастер-моделям. Необходимо понимать, что, благодаря отсутствию газов сгорания, влияющих на усадку формы, литье по выплавляемым моделям является более высокоточным. Такое литье востребовано в медицине и в ювелирной отрасли. В то же время, выжигаемые беззольные фотополимеры намного дешевле, чем литейный воск, что делает их более доступными и привлекательными.
Применение 3D-технологий не ограничивается только лишь промышленностью. Одним из самых распространенных примеров может служить изготовление медицинских элайнеров. Элайнер – прозрачная каппа для исправления прикуса. Традиционно для выравнивания зубов применяют брекеты. Несмотря на постоянное совершенствование брекет-систем, при лечении пациенту приходится жертвовать комфортом и эстетической составляющей. Но, к счастью, до 80% случаев неправильного прикуса у человека могут быть исправлены съемными прозрачными каппами.
Рисунок 3. Элайнер, напечатанный на стереолитографической машине
До появления цифрового моделирования и изготовления прототипов по цифровым моделям создание элайнеров было довольно трудной задачей. Для их формования на вакуум-формере нужно было создать матрицу-челюсть, обеспечивающую перемещение зубов не более чем на 0,25 мм на каждом этапе лечения. Ранее эта задача решалась с помощью динамической модели, на которой раздвигать зубы приходилось с помощью винтов, что накладывало неизбежные риски, связанные с человеческим фактором и старением механизмов модели.
Сегодня мы можем отсканировать силиконовый оттиск или гипсовый слепок челюсти пациента, затем в цифровом виде смоделировать все этапы лечения, добавить томографию для учета движения корней в кости (современное медицинское ПО позволяет загружать файлы в формате DICOM), а потом на стереолитографической машине изготовить матрицу-челюсть, на которую при помощи вакуум-формера изготавливается сам элайнер.
3D-сканирование
Сегодня к 3D-технологиям относят не только послойное производство, но и перенос физической модели в цифровой вид, то есть 3D-сканирование. Сферы применения 3D-сканеров так же разнообразны, как печать. От быстрого и высокоточного (до 5 мегапикселей) сканирования малых объектов для медицины и ювелирной промышленности до получения сканов объектов размером до 140 м. Традиционными областями применения 3D-сканирования считаются реверс-инжиниринг и метрология.
В рамках реверс-инжиниринга применение сканеров необходимо для перевода физической модели в цифровой вид с целью создания управляющих программ для постобработки или восстановления сломанного изделия или детали, либо с целью восстановления конструкторской документации.
В метрологии полученную цифровую модель сравнивают с эталонной. Целью такого сравнения может быть контроль геометрии для отбраковки изделия при производстве или оценка изменений после нагрузок в процессе эксплуатации.
Представленные примеры показывают, как 3D-технологии активно интегрируются в современное производство, обладая рядом технических преимуществ, но можно еще рассмотреть применение в другой плоскости – экономической. Представьте конвейер по производству крупносерийной продукции. Зачастую простой такой конвейерной линии обходится в сумму от 5000 до 20000 долларов в час. Вероятность и время простоя линии напрямую зависит от количества сложных сборных деталей с множеством прокладок, резинок и прочих расходных элементов. Одним из возможных решений этой задачи могло бы быть применение 3D-принтеров, на которых можно либо оперативно изготовить необходимые детали по цифровым моделям из каталога самых часто заменяемых узлов, либо даже решить задачу замены сложных составных (менее надежных) деталей на цельносозданные (более надежные).
Топологическая оптимизация
Для максимально полного использования возможностей интенсивно развивающихся аддитивных технологий необходимо применять новые подходы к проектированию деталей, один из которых основан на принципах топологической оптимизации. Есть несколько определений термина, и сформулировать его можно так: топологическая оптимизация – процесс изменения конструктивных элементов с целью снижения массогабаритных характеристик и улучшения функциональных особенностей без снижения прочности и долговечности изделия.
Описываемый подход имеет особо важное значение для аэрокосмической отрасли. Во-первых, экономятся дорогостоящие материалы, во-вторых, снижение массы и увеличение прочности позволяют существенно увеличить грузоподъемность.
Подводя итог, можно сказать, что при современной скорости научно-технического прогресса, с одной стороны, будет появляться все больше и больше отраслей, где применение аддитивных технологий будет оптимальным, а с другой стороны, они сами станут менее затратными и более совершенными, и, таким образом, будет расширяться сфера их применения.
Команда компании iQB Technologies, включающая высококвалифицированных экспертов, инженеров и технологов, разработает и внедрит уникальные 3D-решения для вашего промышленного предприятия, исследовательского центра, а также проектов малого и среднего бизнеса.
Позвоните нам прямо сейчас: +7 (495) 26-96-222 или оставьте онлайн-заявку на консультацию.
Аддитивные технологии
Что такое аддитивные лазерные технологии (LAM)?
При этом методе построения объекта заготовка не деформируется. Изделие выстраивается из расходного материала в соответствии с заданными на компьютере или посредством встроенного в устройство ПО параметрами. К АМ относятся 3D-принтеры. Для моделирования применяется специальное программное обеспечение. В зависимости от выбранного метода, объект строится снизу вверху или сверху вниз. Ряд технологий подразумевает использование материала поддержки.
Применение аддитивных технологий
Аддитивные технологии 3d моделирования применяются при производстве бытовых изделий, медицинских инструментов, запчастей для автомобилей и другой продукции. АМ делает процесс разработки любой продукции проще и быстрее. Трехмерная визуализация проектов с помощью печати помогает быстро просчитать вероятность создания дефектных изделий. Области применения аддитивных лазерных высокоточных технологий:
В медицине 3D-печать используют для получения искусственной человеческой кожи, биосовместимой хрящевой ткани, стоматологических имплантов, изучения влияния лекарств на опухоли, печати органов, подверженных онкологии. Специализированные принтеры позволяют изготавливать ортопедические протезы, слуховые аппараты, капсулы для препаратов.
Аддитивные 3D технологии и материалы
Существует несколько методик, относящихся к AM. Они отличаются расходными материалами, скоростью получения изделий, качеством прототипа. Сырьем для трехмерной печати служат инженерные пластики, металлы, керамика, песок, порошки и разные полимеры. Виды аддитивных технологий:
Перечисленные методики чаще других используются для производства изделий. Но также аддитивные технологии 3d моделирования включают методики для быстрого моделирования. Их используют на производстве для создания пробных рабочих образцов техники или мастер-моделей. К этим технологиям относят:
Рынок АМ-установок состоит из 3 сегментов. К первому относятся недорогие 3D-принтеры, которые используются в офисной среде для создания концептуальных макетов. Оборудования второго сегмента позволяет создавать прототипы с разной степенью проработки и функциональности. В условиях промышленного производства используют премиум-установки, способные работать с металлами, керамикой, полимерами. Последние модели таких устройств даже способны изготавливать крупногабаритные детали.
Преимущества
Один из главных плюсов технологии аддитивного производства – снижение расхода материала. Для изготовления объектов применяются специальные полимеры в виде порошка или нитей. Они плавятся под действием лазера, а затем отвердевают. По завершении процесса получается готовое к эксплуатации изделие. Какие-либо отходы производства отсутствуют. Оператору не придётся дополнительно «подгонять» объект под заданные параметры. Другие достоинства технологий аддитивного производства:
Компания «ЛЛС» может помочь с решением задачи и подбором компонентов для аддитивного производства.
Суть и преимущества аддитивных технологий и производства
Что подразумевается под термином “аддитивные технологии”?
Под аддитивными технологиями понимается процесс изготовления изделий на основе компьютерных 3D-моделей. Построение проиходит послойно, постепенно, из-за чего часто такой процесс называют выращиванием. Это обстоятельство существенно отличает аддитивные технологии от традиционных, которые подразумевали процесс, напоминающий работу скульптора, когда от заготовки отсекали лишний материал или изменяли ее геометрические параматеры.
Использование аддитивных технологий радикально меняет сам процесс производства, так как будущее изделие “выращивается” из расходного материала. При этому процедура построения может быть любой: сверху вниз или снизу вверх. Использование же различных по своим свойствам и составу материалов и соответствующих технологий позволяет получать модели с разными физическими характеристиками и возможностями.
Если попытаться отобразить процесс аддитивного производства, то получится примерно следующая схема:
Полимерные материалы стали первым видом расходника, с которым могло работать первое поколение аддитивных систем. Но со временем новые технологии позволили применять в 3D-принтерах широкую гамму различных материалов: инженерных пластиков, композитных порошков, металлы и сплавы, керамику и песок. Появление новых технологий и материалов позволило расширить и сферы применения аддитивных технологий. Сегодня их применение можно увидеть в аэрокосмической и автомобильной промышленности, электронике и медицине, науке и образовании, а также многих других сферах.
Какими преимуществами обладают аддитивные технологии?
На схеме представлены основные различия между традиционным и аддитивным производством:
Технологии и материалы для аддитивного производства
Какие технологии аддитивного производство существуют сегодня?
Кроме вышеупомянутых можно также отдельно рассмотреть несколько методик, разработанных для быстрого прототипирования. В данном случае речь идет о технологиях 3D-печати, которые служат для создания различных мастер-моделей и образцов.
Развитие аддитивных технологий в России
В России также все активнее применяют в производстве и научных исследованиях аддитивные технологии. Многие уже на практике убедились, что такое оборудование при правильном его применении помогает добиться высоких результатом, снизить себестоимость продукции без потери качества и решать более сложные проблемы.
Видеообзор
Аддитивные технологии
Дата публикации: 23.08.2019
Название аддитивные технологии происходит от английского слова Additive — добавка. Чаще всего данный процесс называют 3D печать. Принципиальным отличием данной технологии от традиционных способов производства является то, что изделие получается методом добавления материала к основе, а не удаления материала из заготовки, как это происходит при механической обработке.
Добавление материала происходит на основании 3D модели, разработанной в системах автоматического проектирования.
Преимущества 3D печати
Однако данная технология обладает и рядом недостатков. Основным из них является нестабильность материала. Наплавленный слоями он не обладает изотропными свойствами (т.е. свойства различны в разных направлениях). Данный недостаток является основным ограничивающим применение технологии. Из этого следует и еще один недостаток: при остывании материала наружные слои остывают быстрее, что приводит к искажению формы и неравномерным усадкам.
Существуют различные виды аддитивных технологий, в которых так или иначе решены недостатки данного способа. Основные из них:
Применение аддитивных технологий в производстве
В современном мире аддитивные технологии получают все большее распространение. Если в начале своего появления они использовались чаще всего как развлечение, то сейчас сфера их применения неуклонно растет. Самые частые задачи, которые решают с помощью аддитивных технологий.