Аддитивные технологии что это такое


Аддитивные технологии – что это такое и где применяются?

Технологический процесс не стоит на месте, с каждым днем происходит усовершенствование цифровых технологий, что позволяет использовать новшества в различных сферах жизни человека. Аддитивные технологии - одни из самых передовых и востребованных во всем мире.

Аддитивные технологии – что это такое?

Аддитивные технологии (Additive Manufacturing – от слова аддитивность – прибавляемый) – это послойное наращивание и синтез объекта с помощью компьютерных 3d технологий. Изобретение принадлежит Чарльзу Халлу, в 1986 г. сконструировавшему первый стереолитографический трехмерный принтер. Что значит аддитивный процесс послойного создания модели и как он происходит? В современной промышленности это несколько разных процессов, в результате которых моделируется 3d объект:

  • UV-облучение;
  • экструзия;
  • струйное напыление;
  • сплавление;
  • ламинирование.

Материалы, используемые в аддитивных технологиях:

  • воск;
  • гипсовый порошок;
  • жидкие фотополимеры;
  • металлические порошки;
  • разного рода полиамиды;
  • полистирол.

Применение аддитивных технологий

Технологический прогресс способствует производству множества полезных вещей для быта, здоровья и безопасности человека, например аддитивные технологии в авиастроении помогают создавать более высокоэкономичный и легкий по весу авиатранспорт, при этом его аэродинамические свойства сохраняются в полном объеме. Это стало возможным в результате применения принципов строения костей птичьего крыла в проектировании крыльев самолета. Другие сферы применения аддитивных технологий:

  • строительство;
  • сельскохозяйственная промышленность;
  • машиностроение;
  • судостроение;
  • космонавтика;
  • медицина и фармакология.

Аддитивные 3d технологии

Динамически развивающиеся быстрыми темпами аддитивные технологии 3d печати используются в прогрессивных производствах. Существует несколько инновационных видов аддитивных технологий:

  1. FDM (Fused deposition modeling) – изделие формируется послойно из расплавленной пластиковой нити.
  2. CJP (ColorJet printing) – единственная в мире 3d полноцветная печать с принципом склеивания порошка, состоящего из гипса.
  3. SLS (Selective Laser Sintering) – технология лазерного запекания, при которой образуются особо прочные объекты любых размеров.
  4. MJM (MultiJet Modeling) многоструйное 3d моделирование с использованием фотополимеров и воска.
  5. SLA (Laser Stereolithography) – с помощью лазера происходит послойное отвердевание жидкого полимера.

Аддитивные технологии в машиностроении

Джим Корр, американский инженер использует аддитивное производство в машиностроении уже в течении 15 лет. Проект Urbee, компании Kor Ecologic – это создание первого прототипа 3d автомобиля со скоростью 112 км/ч, его кузов и некоторые детали напечатаны на 3d принтере. Другая компания Local Motors в ноябре 2015 г. представила «умный и безопасный» автомобиль LMSD Swim – 75% деталей которого, выполнены с помощью трехмерной печати используя АБС-пластик и углеволокно.

Аддитивные технологии в строительстве

Аддитивное производство зданий и различных сооружений существенно сокращает время застройки. Строительная 3D печать в тренде по всему миру. Эксперименты, производимые на лазерных 3d-принтерах для обывателей выглядят на грани фантастичных. Аддитивные 3D технологии – положительные аспекты в строительстве:

  • экономия времени и финансовых затрат (скорость возведения в считанные дни снижение затрат на логистику, расходные материалы, наем большого количества персонала);
  • воплощение в жизнь любых дизайнерских решений и сложных геометрических форм (средневековые замки, дома в форме астероидов и галактик);
  • возможность строить дома с учетом сейсмоустойчивости в зонах, склонным к землетрясениям и ураганам.

Самые известные 3d строения:

  1. Отель Lewis Grand на Филиппинах, выполненный разработчиком Андреем Руденко.
  2. Китайская вилла от компании Tengda, возведенная в течение 45 дней и транслируемая по телевидению.
  3. «Офис будущего» построенный в Дубае в 2016 г. Строительство заняло 17 дней и обошлось Правительству ОАЭ $140 000.

В 2016 г. для медицины стал прорывом благодаря аддитивным 3d технологиям. Качество медицинских услуг возросло в разы. Аддитивный процесс затронул несколько сфер здравоохранения и это снизило смертность среди пациентов, нуждающихся в качественных и срочных медицинских услугах. Преимущества использования аддитивной 3d печати в медицине:

  1. С помощью томографических снимков стала возможной в высокой точностью печать органа с патологией для изучения тонкостей и нюансов предстоящей операции.
  2. Трансплантология шагнула далеко вперед. Аддитивные технологии здесь решают сразу несколько задач – морально-этическую и сокращение времени ожидания, известный факт, что люди по нескольку лет ждут донорские органы, но иногда счет идет не на года, а на дни и даже часы. В скором времени пересадка искусственно выращенных человеческих органов станет реальностью.
  3. Печать стерильного инструментария. В эпоху тяжелых и неизлечимых вирусных инфекций, одноразовые стерильные инструменты сводят на нет заражение во время медицинских манипуляций.

На сегодняшний день, в медицине успешно применяются следующие продукты аддитивных технологий:

  • искусственно выращенная человеческая кожа (актуальна для пересадки людям с высокой площадью ожогов);
  • биосовместимая костная и хрящевая ткань;
  • печать органов с онкологическим процессом и изучения влияния лекарств на опухоли;
  • стоматологические импланты, протезы, коронки;
  • индивидуальные слуховые аппараты;
  • ортопедические протезы.

Аддитивные технологии в фармакологии

При обилии современных медикаментов, для врача важно знать, что такое аддитивный эффект в лекарствах, от этого зависит успех лечения. Совокупное действие принятых препаратов во время лечения должно быть синергичным (взаимодополняющим и усиливающим), но не всегда это так. Все зависит от индивидуальной непереносимости, состояния организма. Аддитивные технологии приходят на помощь и здесь. Уже тестируются напечатанные 3d таблетки Spritam от эпилепсии, в которых заложена информация о пациенте: пол, вес, возраст, состояние печени, индивидуальная дозировка.

Аддитивные технологии в образовании

Аддитивные технологии в школе уже активно внедряются, если еще недавно школьники изучали 3d моделирование в специализированных компьютерных программах, то сейчас уже стала возможной печать смоделированного изображения в объеме. Учащиеся наглядно видят свои изобретения, допущенные ошибки и как механизм работает. К 2018 году Министерство образования планирует обучить аддитивным технологиям в учебных заведениях 3000 педагогов.

Технологии, которые станут доступны школьникам и студентам в обозримом будущем:

  • 3D-моделирование, прототипирование, объемное рисование;
  • конструирование 3D оборудования;
  • 3D-сканирование;
  • 3D-печать.

Проблемы аддитивных технологий

Анализ новейших разработок показывает, что аддитивные технологии в будущем – это обычный рядовой процесс, но чтобы науке до этого дорасти предстоит преодолеть много проблем и принять соответствующие решения. Проблемы аддитивных технологий настоящего времени:

  • дороговизна полимерных материалов;
  • трудоемкость процесса на всех этапах (точное воспроизведение всех свойств, дающих четкую 3D печать, устранение погрешностей, сложный процесс отделения побочных продуктов после поликонденсации).
Топ-10 предсказаний Симпсонов, которые уже сбылись

Мультик о «Симпсонах» предсказал будущее человечества – его герои знают все о победе Трампа, смертоносных вирусах и грядущих терактах…

Когнитивные способности – что это такое, как их развить?

Когнитивные способности – познавательные процессы человека: память, мышление, внимание, воображение, восприятие, направленные на взаимодействие с окружающим миром, другими людьми, получение информации и трансформации ее в знания и опыт.

Что такое способности – какие бывают способности и способы их развития

Что такое способности и как они проявляются? Ребенок рождается с определенными задатками, развивая которые он становится успешно реализованным в социуме. Это могут быть таланты и одаренность в сферах: математики, лингвистики, музыки, спорта.

Виды способностей – какие бывают, их классификация и уровни

Виды способностей человека – тема, которая уже много лет изучается учеными, и они постоянно делают новые открытия. С их помощью люди могут понимать окружающий мир и развиваться, достигая определенных результатов.

kak-bog.ru

Олимпиада "Я-профессионал"

Аддитивные технологии (технологии послойного синтеза) — это передовое направление цифрового производства, печать предметов на 3D-принтере. Принтер считывает файл с компьютерной моделью будущего изделия и создает ее, последовательно нанося слои жидкого, порошкообразного, бумажного или иного материала.

Существует несколько видов аддитивных технологий, каждый из которых используется для решения разных производственных задач. Методы печати тонкими слоями, которые в несколько раз меньше человеческого волоса, применяются для прототипов ювелирных украшений и стоматологических протезов. Изготовление металлических деталей ракетных двигателей и самолетов происходит с помощью технологий для создания особо прочных объектов. Постепенно 3D-печать внедряется в строительство. Преимущества технологий послойного синтеза — оперативность, экономия сырья на производстве, малое количество отходов.

Специалист по 3D-печати должен обладать фундаментальными знаниями в профильных областях, разбираться в отличиях и преимуществах используемых материалов, уметь создавать цифровые чертежи для принтеров, владеть системами автоматизированного проектирования.

Благодаря аддитивным технологиям производственные процессы упрощаются, становятся дешевле и быстрее. Этот рынок развивается опережающими темпами с ежегодным приростом примерно в 25%. Активное развитие направления способствует увеличению спроса на квалифицированных специалистов, заинтересованных в аддитивных технологиях.

yandex.ru

Аддитивные технологии. Виды, особенности, харатктеристики аддитивных технологий

Аддитивные технологии (от английского Additive Fabrication) – обобщенное название технологий, предполагающих изготовление изделия по данным цифровой модели (или CAD-модели) методом послойного добавления (add, англ. – добавлять, отсюда и название) материала. Изобретатель аддитивных технологий – Чарльз Халл, сконструировал первый стереолитографический трехмерный принтер в 1986 г..

Аддитивное производство (АП) включает в себя ряд этапов:

  • проектирование в среде САПР;
  • преобразование в STL-файлы;
  • перенос STL-файла в машину аддитивного производства и манипулирование этими файлами;
  • настройка машины;
  • изготовление;
  • извлечение изделия;
  • последующая обработка (постобработка);
  • применение.

Проектирование в среде САПР. Изготовление любых деталей с использованием АП начинается с создания виртуальной модели с помощью специального программного обеспечения для твердотельного моделирования, которое полностью описывает геометрическую форму и размеры внешней поверхности изделия. На выходе получают трехмерное представление твердого тела или его поверхности.

Преобразование в STL-файлы. Программное обеспечение САПР для твердотельного моделирования выводит файлы в формате STL (Stereo Lithography). В файлах описаны внешние замкнутые поверхности изначальной САПР-модели, формирующие основу для расчета слоев.

Перенос STL-файла в машину аддитивного производства и манипулирование этими файлами. STL-файл с описанием изделия передается в машину АП, где производится исправление размеров, позиционирование и ориентация для изготовления изделия.

Настройка машины. Перед началом изготовления машину АП необходимо настроить. Устанавливают параметры изготовления, например пределы использования материала, источник энергии, толщину слоя и т.д.

Изготовление. Изготовление изделия представляет собой большей частью автоматизированный процесс, выполняемый практически без контроля оператора.

Извлечение изделия. Для извлечения изделие требуется провести некоторые манипуляции с машиной, в которую встроены блокировки безопасности, что обеспечить, например, снижение температуры или отсутствие активно движущихся частей.

Последующая обработка. После извлечения изделия из машины может потребоваться его дополнительная очистка перед использованием. На этом этапе изделия могут не иметь нужную прочность или в них остаются вспомогательные поверхности, которые необходимо удалить.

Применение. В некоторых случаях детали не требуют дополнительной обработки и после изготовления и постобработки готовы к использованию. В других случаях может потребоваться грунтовка и покраска для создания нужной текстуры поверхности и финишной обработки.

Факторы, благоприятствующие аддитивному и традиционному производствам, приведены в табл. 1.

Таблица 1.  Факторы, благоприятствующие аддитивному и традиционному производствам

Благоприятствуют АП Благоприятствуют традиционному производству
Малые объемы производства Большие объемы производства
Высокая стоимость материалов Низкая стоимость материалов
Высокая стоимость станочной обработки Легкость обработки деталей

Наиболее востребованными технологиями в настоящее время являются : селективное лазерное плавление (Selective laser melting, SLM); селективное электронно-лучевое плавление (Selective electron beam melting, EBM) и прямое лазерное нанесение металла (Direct laser metal deposition, DLMD).

Технологии селективного лазерного и электронно-лучевого плавления основаны на избирательном плавлении порошка, расстеленного в слой на платформе (подложке) в зоне воздействия лазерного или электронного луча. Существует более 130 технологических параметров, влияющих на процессы селективного лазерного и электронно-лучевого плавления .

Selective Laser Melting (SLM)

В современном мире технологический процесс селективного лазерного плавления является одним из перспективных методов аддитивного производства, повышение эффективности которого возможно за счёт оптимального выбора стратегии обработки лазерным лучом . Метод селективного лазерного плавления (плавки) представляет собой процесс послойного сплавления деталей из металлического, керамического или полимерного порошкового материала. Чаще всего используют металлические порошки с размером зерен в диапазоне 10-40 мкм . Гранулы порошкового материала связываются между собой путём их проплавления при помощи, движущегося в каждом слое по определённой траектории в соответствии с выбранной стратегией обработки и согласно трёхмерной модели изделия в компьютерной среде, которая была предварительно определённым образом подготовлена.

Технология SLM включает в себя:

  • подготовку трёхмерной модели изделия в компьютерной среде;
  • нанесение порошка на рабочую платформу распределителем порошка, формирующим слой толщиной 20-40 мкм;
  • очерчивание контура и выборочное расплавление порошка лучом лазера высокой мощности, движущимся в каждом слое по определённой траектории в соответствии с выбранной стратегией обработки и согласно трёхмерной модели изделия в компьютерной среде. Процесс повторяется для каждого слоя, до полного формирования изделия.

В процессе SLM происходит полное расплавление порошка, что существенно улучшает микроструктуру и характеристики изделия по сравнению с DMLS. Плотность 99,99 % для металлических изделий достижима без последующей термической обработки . Итоговые характеристики материала сопоставимы с характеристиками деталей, полученных механообработкой, так показатели удельной и усталостной прочности не уступают аналогичным показателям деталей, изготовленных из материалов методами традиционной обработки из кованных или литых заготовок . Преимуществом SLM является также возможность работать с цветными металлами (титан, алюминий и медь), кобальтохромовыми и титановыми сплавами, инструментальными сталями .

Однако процесс селективного лазерного плавления требует высокой мощности лазера (0,05-1 кВт), хорошего качества лазерного пучка и малой толщины порошкового слоя (что означает замедление изготовления). Более того, при затвердевании, детали склонны давать сильную усадку, вызывая значительные остаточные напряжения в изготовленных изделиях; эти остаточные напряжения могут приводить к деформациям и даже расслоениям в конечном продукте. Для нависающих элементов изделия нужны поддерживающие структуры, а термические напряжения, порождаемые процессом, требуют наличия фиксаторов.

Прочность образцов изделий, изготовленных при помощи метода селективного лазерного плавления, зависит не только от грануломорфометрических свойств и геометрических размеров частиц порошкового материала, но и от внутренней микроструктуры и наличия дефектов .

Образцы изделий, изготовленные при помощи метода селективного лазерного плавления, могут иметь выраженную столбчатую микроструктуру, поры и раковины (рис. 1), появление которых в изделиях в основном зависят от технологических параметров процесса селективного лазерного плавления .

Рис. 1. Дефекты – поры в срезе образца изделия, полученного при помощи метода селективного лазерного плавления

На конечное качество микроструктуры изделий наибольшее влияние оказывают мощность лазерного источника, скорость сканирования лазерного луча, стратегия обработки лазерным лучом сплавляемого слоя изделия. От выбранной стратегии обработки лазерным лучом при селективном лазерном плавлении зависят механические свойства и пористость образцов, а также время изготовления каждого слоя изделия и всего изделия в целом.

Выбор оптимальной стратегии обработки лазерного луча в каждом сплавляемом слое изделия, в том числе, по отдельным ортогональным направлениям, позволяет повысить эффективность и сократить сроки изготовления изделий, управлять анизотропией свойств изделия (в полном соответствии с его функциональным назначением), снизить пористость образцов, а следовательно и повысить их качество . Уменьшение пористости возможно за счёт подбора оптимальных технологических параметров, таких как мощность и скорость сканирования лазерного луча, толщина сплавляемого слоя порошкового материала, а также подбора оптимального шага сканирования между двумя соседними сплавляемыми единичными треками.

Electron Beam Melting (EBM). Основой процесса электронно-лучевой плавки (ЕВМ) является термоэлектронный излучатель, использующий вольфрамовую нить для создания пучка электронов . Сканирующий пучок выборочно плавит металлический порошок (с толщиной слоя 70-250 мкм), вызывая его спекание. Порошок, спекшийся вокруг изделия, обеспечивает опору для поверхностей, направленных книзу, а в процессе постобработки счищается, тем самым сохраняя большую часть не подвергшегося спеканию порошка для повторного использования.

Фактически, EBM основана на том же принципе, что и технология лазерной плавки, за исключением использования электронных пучков высокой мощности вместо лазерных лучей. Процесс ЕВМ выгодно отличается от лазерных процессов более высокой скоростью сканирования, что сокращает время изготовления изделия, и меньшими термическими напряжениями. Однако круг используемых материалов ограничен проводящими электрический ток металлическими порошками, а качество поверхности изделия уступает результату лазерных процессов.

Процесс ЕВМ выполняется в камере с глубоким вакуумом, что делает его довольно затратным, но облегчает работу с материалами, чувствительными к окислению, что важно, например, для изготовления медицинских имплантатов и в некоторых авиационно-космических приложениях.

Технология прямого лазерного нанесения металла основана на применении лазерного излучения и соосной с ним (или боковой) подаче порошка на подложку, при этом поток порошка и лазерное излучение сфокусированы в одну точку.

Three-Dimensional Printing (3DP). Струйная трехмерная печать – один из старейших методов аддитивного производства. Технология, разработанная в Массачусетском технологическом институте в 1993 г., получила коммерческое распространение в 1995 г. с помощью компании Z-Corporation, приобретенной корпорацией 3D Systems в 2012 г.

Данная технология является одной из разновидностей систем аддитивного построения изделия по его CAD-модели и отличается от многочисленных схожих схем тем, что процесс осуществляется по принципу обычного принтера – через сопла печатающих головок.

Direct additive laser construction (CLAD)

Прямое лазерное аддитивное построение – технология, применяемая исключительно на промышленном уровне ввиду сложности и относительно узкой специализации.

В основе CLAD лежит напыление металлического порошка на поврежденные детали с немедленной наплавкой с помощью лазера. Металлический порошок определенной фракции через специальную головку подается непосредственно в место построения. Далее порошок под воздействием энергии лазерного излучения расплавляется и кристаллизуется. Процесс построения изображен на рис. 2. Суммарное количество степеней свободы при изготовлении или ремонте детали равняется пяти .

Рис. 2. Процесс построения детали по технологии CLAD

Позиционирование «печатной головки» осуществляется по пяти осям: вдобавок к перемещению в трех плоскостях, головка обладает способностью изменять угол наклона и поворачиваться вокруг вертикальной оси, что позволяет работать под любым углом. Подобные устройства зачастую используются для ремонта крупногабаритных изделий, включая производственный брак. Например, установки французской компании BeAM используются для ремонта авиационных двигателей и других сложных механизмов.

Полноценные установки CLAD предусматривают использование герметичной рабочей камеры с инертной атмосферой для работы с титаном и другими металлами и сплавами, поддающимися оксидации. Технология CLAD (рис. 3) позволяет изготавливать трехмерные металлические изделия (рис. 4), а также производить ремонт изношенных частей деталей (рис. 5), в том числе механически обработанных. При этом изготавливаемые части имеют низкий уровень пористости (менее 0,01 %) и высокие механические свойства, близкие к свойствам материала, получаемого путем обработки давлением.

Рис. 3. Схема работы установок, использующих технологию CLAD

Рис. 4. Изделия, изготовленные по технологии CLAD

Рис. 5. Лабиринтное уплотнение, отремонтированное с помощью технологии CLAD

Нанесение порошка и наплавка производятся на любые поверхности. Таким образом, возможно изменение формы готовых изделий и исправление ошибок, возникших, например, в ходе механической обработки.

В установках Mobile CLAD, CLAD Unit, MAGIC работающих по CLAD, аналогичной технологии DMD , в качестве строительного материала применяются обычные (для аддитивных технологий) металлопорошковые композиции дисперсностью в пределах 45-75 мкм и 50-150 мкм. Система подачи материала – коаксиальная. Скорость построения детали варьируется от типа машины и может достигать 280 см3/ч. Последняя модель – MAGIC LF6000, с рабочей зоной построения 1500x800x800 мм оснащена двумя соплами для подачи строительного материала.

Технология CLAD позволяет использовать разнообразные порошковые материалы, в том числе порошки титановых, никелевых сплавов, различных сталей и др. При этом возможно использование сразу нескольких композиций. Для предотвращения окисления материала построение происходит в атмосфере защитного газа.

Directed light fabrication (DLF). DLF – технология изготовление направленным светом.

Direct Light Processing (DLP). Принтеры, основанные на технологии DLP, работают по принципу селективного отвердевания жидкого фотополимера в баке. В таких принтерах вместо лазера используется проектор, засвечивающий статическое изображение выращиваемого слоя посредством ультрафиолетового излучения. Жидкий фотополимер равномерно отвердевает в необходимой области слоя, благодаря чему достигается высокая скорость печати. При построении объект не опускается в полимер, а, наоборот, прилипнув основанием к платформе, поднимается над баком с полимером, оставаясь погруженным в него лишь на небольшую глубину .

Direct Manufacturing (DM)

Название аддитивной технологии DED по классификации ASTM, используемое компанией Sciaky Inc. (США).

Direct Metal Deposition (DMD). Процесс прямого нанесения металлов является разновидностью технологии лазерного нанесения металлов (LMD, Laser Metal Deposition).

Direct Metal Laser Sintering (DMLS). Процесс прямого лазерного спекания металлов требует использования связующих веществ с температурой плавления ниже, чем у основного металлического компонента. В качестве таких связующих материалов могут использоваться полимерные порошки, которые выжигаются из изделия при последующей обработке, либо металлические порошки с более низкой точкой плавления. В отличие от чистых металлов, плавление которых происходит одновременно по всему объему, у легированных металлических порошков есть диапазон температур, в котором в процессе плавления/затвердевания жидкая и твердая фаза сосуществуют.

Выбор лазера оказывает существенное влияние на процесс спекания частиц порошка, поскольку степень поглощения лазерного излучения материалом зависит от длины волны излучения, а металлургический механизм спекания определяется плотностью энергии лазера. Среди применяемых лазеров – лазеры на диоксиде углерода, Nd:YAG-лазер, волоконные лазеры, дисковые лазеры и т.п. .

Процесс прямого лазерного спекания легированных порошков, представляющий особый интерес для технологий АП, требует точного контроля параметров лазерной обработки для обеспечения неконгруэнтного плавления порошка в двухфазной области. Однако характерные для DMLS локализованные быстрые тепловые циклы осложняют точное управление температурой спекания. Эти трудности приводят к недостаточному уплотнению порошка, возникновению гетерогенной микроструктуры и ухудшают свойства изделий из легированных порошков.

Поэтому, для получения приемлемых механических свойств, обычно требуется провести последующую обработку, такую как нагрев для повторного спекания, горячее изостатическое прессование или вторичное насыщение материалом с более низкой температурой плавления .

DMP – название аддитивной технологии PBF по классификации ASTM, используемое компанией 3D Systems Corp. (бывшая Phenix Systems) (США).

Electron Beam Direct Manufacturing (EBDM)

EBDM – название аддитивной технологии DED по классификации ASTM, используемое компанией Sciaky Inc. (США).

Electron beam freeform fabrication (EBF3). Произвольная электронно-лучевая плавка (EBF3) (рис. 6) – технология, разрабатываемая специалистами НАСА для применения в условиях невесомости (рис. ). Отсутствие гравитации делает работу с металлическими 7порошками практически невозможной, поэтому технология EBF3 подразумевает использование металлических нитей.

Рис. 6. Схема работы EBF3 принтеров

Рис. 7. Специалисты НАСА проводят испытания прототипа EBFȝ в условиях искусственной невесомости

Процесс построения схож с 3D-печатью методом послойного наплавления (FDM), но с использованием электронно-лучевой пушки для плавки расходного материала. Данная технология позволяет создавать металлические запасные части на орбите, что существенно сокращает затраты на доставку частей и обеспечивает возможность быстрого реагирования на внештатные ситуации.

Extrusion Free Formation (EFF)

В процессе произвольного экструзионного формования (EFF) исходным сырьем является проволока, источником энергии может быть электронный луч, луч лазера или плазменной дуги. Данный процесс идет с высокой скоростью и позволяет получать объемные изделия, но требует более интенсивной механической обработки, чем изделия из порошка .

Fused Deposition Modeling (FDM). Сущность изготовления объектов путем послойной наплавки заключается в том, что материал расплавляется в разогретом сопле-дозаторе, движениями которого непосредственно управляет программное обеспечение системы автоматизации производства. После экструзии из сопла, материал остывает и затвердевает. Изделие формируется последовательным нанесением слоев материала. Поскольку материал нагревается до температуры лишь на 1°С превышающей температуру плавления, он становится твердым практически сразу после экструзии, соединяясь с предыдущими слоями.

Для изготовления изделий сложной формы с нависающими частями с помощью отдельных сопел создаются поддерживающие структуры (опоры). В качестве материала при изготовлении объектов путем послойной наплавки (FDM) чаще всего используются полилактид (PLA) и акрилонитрилбутадиенстирол (АБС-пластик), который облегчает и ускоряет печать благодаря созданию растворимых опор и покрытия, улучшающего качество поверхности.

Разрешение и точность модели в процессе послойной наплавки ограничены диаметром сопла, а скорость изготовления – необходимостью выполнять физические перемещения сопла через рабочую область. Точность изготовления может достигать ±0,05 мм.

Основными преимуществами FDM является большой выбор материалов и хорошие физико-механические свойства конечных изделий, изготовленных с использованием этой технологии. Изготовленные изделия являются одними из самых прочных полимерных изделий, которые изготавливаются в АП. Применимость этого процесса ограничивается более низкими механическими свойствами и худшим качеством поверхности конечного продукта по сравнению с деталями, изготовленными способами традиционного литья.

Fused Filament Fabrication (FFF). Оригинальный термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Многие производители 3D-принтеров используют другие названия FDM-технологии: Thermoplastic Extrusion, Plastic Jet Printing (PJP), Fused Filament Method (FFM), Fused Filament Fabrication (FFF). Термины FDM и FFF эквивалентны по смыслу и назначению .

Inkjet Printing (IJP). Струйная печать представляет собой нанесение и отверждение светоотверждаемых полимерных слоев с помощью печатающих головок, содержащих множество сопел, что позволяет достигать высокой скорости печати, сокращая количество проходов. Каждый слой фотополимера отверждается ультрафиолетовым излучением непосредственно в ходе печати, никакого дополнительного отверждения по завершении процесса не требуется. В процессе струйной печати происходит нанесение и отверждение светоотверждаемых полимеров, как правило на основе акрила . Несмотря на относительно высокую точность и хорошее разрешение процесса струйной печати, полученные изделия, из-за свойств материала, по своим характеристикам проигрывают изделиям, полученным традиционными методами. Сфера применения струйной печати ограничена прототипированием и точным литьем из-за недостаточно высокой скорости изготовления деталей, ограниченного выбора материалов и хрупкости конечных изделий.

Laser Cusing Laser consolidation (LC). Название аддитивной технологии PBF по классификации ASTM, используемое компанией Concept Laser GmbH (Германия).

Laser Engineered Net Shaping (LENS). Процесс точного лазерного формования является разновидностью технологии лазерного нанесения металлов (LMD). Метод LMD отличается от DMLS и SLM способом подачи порошка.

Laser Metal Deposition (LMD). Технология лазерного нанесения металлов отличается от DMLS и SLM способом подачи порошка. Система LMD состоит из порошкового питателя, который вводит порошок через сопла в систему подачи газа. Мощный лазерный пучок светит сквозь центр набора сопел и фокусируется вблизи подложки – основы, на которой будет изготовлена деталь. Подложка сканируется в поперечных направлениях, чтобы сформировать требуемую геометрию, а затем происходит послойное нанесение порошка до формирования трехмерного изделия.

LMD-система, объединяющая в себе многоосную систему позиционирования, возможность подачи нескольких материалов и (в ряде случаев) патентованную систему управления с обратной связью, может использоваться для изготовления новых деталей, восстановления и ремонта поврежденных или изношенных изделий, а также для нанесения износостойких и антикоррозионных покрытий . Способность подавать нужный материал в нужное место дает LMD-процессу ряд уникальных преимуществ, недоступных процессам SLS/SLM, которые используют емкость с порошком.

Laminated Object Modeling (LOM)

Первоначально LOM был разработан для бумаги, с одной стороны покрытой клеем, похожий на толстый пергамент. Толщина бумаги находилась в диапазоне 0,07 до 0,02 мм.

В настоящее время принципы ламинирования листовых материалов путем «соединение – раскрой» успешно применяются для изготовления деталей из металла, керамики и композитных материалов. В этом случае вместо бумажных и полимерных листов в качестве строительного материала для формирования полуфабрикатов применяются керамонаполненные или металлонаполненные ленты, затем полуфабрикаты подвергаются постобработке в печи при высокой температуре для склеивания и спекания материала изделия. Эти ленты затем используются для построения изделий путем стандартного процесса ламинирования листовых материалов.

Метод ламинирования подразумевает последовательное нанесение тонких листов материала с формированием за счет механической или лазерной резки и склеиванием для получения трехмерной модели. В качестве расходного материала может использоваться и металлическая фольга. Получаемые модели не являются полностью металлическими, т.к. их целостность основана на применении клея, связующего листы расходного материала.

Плюсом данной технологии является относительная дешевизна производства и высокое визуальное сходство получаемых моделей с цельнометаллическими изделиями. Как правило, этот метод используется для макетирования. При использовании данной технологии происходит склеивание тонких слоев материала построения посредством нагрева и сдавливания (рис. 8). Затем область слоя, не образующая тело выращиваемого объекта, мелко режется лазером, платформа с плоскостью построения опускается и наносится следующий слой. Операция повторяется до полного построения объекта. Таким образом, материал построения выполняет функции поддержки, которая затем удаляется механическим путем. В некоторых случаях при удалении поддержки могут возникнуть трудности.

Рис. 8. Схема работы 3D-принтеров, использующих технологию LOM

В качестве материала построения используется бумага, пластики и листы металла . Система LOM составляет изделие/деталь из листов материала, вырезанных лазером, и скрепляет слои вместе . Для удаления нежелательных остатков материала обычно нужна постобработка, выполняемая ручным инструментом (так называемая «доводка»).

В процессах ламинирования листовых материалов керамические изделия чаще всего изготавливаются с использованием процессов «соединение – раскрой» из керамико-наполненных лент. Путем отливки формируют ленты из порошковой керамики, состоящей из таких соединений, как композит SiC и TiC-Ni, или алюминия с добавлением полимерного связующего. Ленты также могут быть использованы для изготовления металлических деталей. Из этих лент потом строят изделия с использованием стандартного процесса ламинирования листовых материалов.

Процесс LOM применяется также для быстрого изготовления инструментальной оснастки. Несмотря на определенный прогресс, достигнутый в разработке новых полимерных и металлических материалов, этот процесс редко применяется для изготовления конечной продукции. Среди причин такого положения вещей – трудность «доводки», ограниченная точность формирования изделий, неоднородность свойств материала и сложности с копированием и долговечностью мелких особенностей и деталей изделия.

Laser Engineered Net Shaping (LENS)

На сегодняшний день технология LENS (рис. 9) является наиболее совершенной (по достижимому уровню прочностных характеристик создаваемых объектов) реализацией метода послойного воспроизведения. Данный метод позволяет применять в качестве модельных материалов практически любые металлы и сплавы, которые могут быть расплавлены лазерным лучом без испарения. Создаваемые детали имеют ультрамелкозернистую структуру и в ряде случаев по своим механическим свойствам значительно превосходят изделия, получаемые из аналогичных сплавов традиционными методами.

Рис. 9. Технология LENS

Stereolithography (SL). Сущность процесса стереолитографии заключается в:

  • моделировании детали и преобразовании в файл формата STL для создания объемной полигональной сетки и поддерживающей структуры;
  • нарезке трехмерной модели в STL-формате для создания набора сечений;
  • передаче рассеченной модели в стереолитографический аппарат (SLA);
  • послойном формировании детали и поддерживающей структуры в ванне со специальным полимером с помощью аргонового лазера, который очерчивает двумерные сечения и приводит к отвердеванию полимера;
  • удалении поддерживающей структуры и, при необходимости, последующим отвердевании детали для окончательной полимеризации посредством управляемого обогрева или в УФ-печи.

Стереолитография часто используется для быстрого прототипирования и быстрого изготовления инструментальной оснастки с целью создания пресс-форм и форм для литья. Основным ограничением процесса стереолитографии является потребность в поддерживающей структуре, что увеличивает расходы материала и удлиняет производственный цикл .

StereoLithography Apparatus (SLA)

Стереолитография (лазерная стереолитография, SLA) – первая технология аддитивного производства, запатентованная в 1986 г. Ч. Халлом. Созданный под эту технологию формат .STL до сих пор используется в сфере трехмерной печати. В файле 3D-модель представлена последовательностью треугольников – фасет, каждый из которых описывается четырьмя наборами данных: координатами XYZ для каждой из вершин и нормальным вектором, указывающим ориентацию фасета.

Среди преимуществ данной технологии: неограниченные возможности геометрии объектов; точность и высокое качество поверхности (минимальная толщина слоя SLA принтеров доходит до 0,025-0,05 мм); высокая скорость работы 3D-принтеров и экологичность (отсутствие отходов). К недостаткам относят высокую стоимость принтеров (бюджетные принтеры, работающие по технологии SLA, такие как FORM 1 или Pegasus Touch, были выпущены совсем недавно). Целесообразность применения этой технологии обусловлена сложностью модели, необходимыми техническими свойствами объекта, объемом производства и т.п.

Selective Laser Sintering (SLS). Процесс селективного лазерного спекания SLS начинается с подготовки компьютерной модели изделия в CAD (системе автоматизированного проектирования). Затем для получения информации о контуре каждого слоя модель рассекается на тонкие слои. В процессе изготовления изделия применяется тонкий порошок (толщина слоя, как правило, не превышает 100 мкм), равномерно распределяемый валиком по подставке устройства и выборочно сканируемый по контуру лазером с мощностью 25-100 Вт (рис. 10).

Время засветки каждой частицы лазерным пучком находится в пределах от 0,5 до 25 мс. При столь коротких тепловых циклах спекание порошка в твердом состоянии не происходит, и для достаточно быстрого спекания необходимо частичное или полное расплавление частиц.

Процесс не требует построения поддерживающих структур, поскольку нерасплавленный порошок сам служит опорой для модели, а термические напряжения снижаются путем нагрева емкости с порошком.

Рис. 10. Технология SLS

Высококристалличные полимеры (прежде всего нейлоны), спекаемые через полное расплавление частиц, обеспечивают механические свойства, достаточные для конечных изделий. Напротив, аморфные материалы, спекание которых обычно происходит при температуре стеклования, демонстрируют недостаточные прочностные характеристики и поэтому находят применение лишь в быстром прототипировании, в частности при подготовки форм для литья.

Solid Ground Curing (SGC). Технология SGC – версия SLA-технологии, в которой материал засвечивается не лазером, а ультрафиолетовой лампой. На плоскость построения наносится слой жидкого фотополимера, который затем отверждается с помощью УФИ-лампы, через специальную маску, которая формирует форму слоя модели. Незасвеченные участки с жидким полимером очищаются, и образовавшиеся пустоты заполняются жидким воском, который затвердевает благодаря прислоненной холодной пластине. Затем слой фрезеруется до необходимой толщины и аналогично начинает формироваться следующий (рис. 11). Технология обладает достаточно высокой точностью в Z-направлении, но большое количество отходов при фрезеровании слоев и высокие эксплуатационные затраты на сложную конструкцию принтера повышают стоимость печати.

Важнейшее преимущество технологии SGC – возможность остановить процесс печати в любой момент и потом возобновить его без каких-либо потерь. Технология позволяет обходиться без подпорок и не требует дальнейшей обработки модели. Метод позволяет создавать модели с движущимися элементами. К недостаткам технологии относится необходимость в специфических дорогостоящих полимерах .

Рис. 11. Технология SGC

Технологии аддитивного производства, использующие в качестве исходного материала проволоку, в зависимости от источника энергии, используемого для нанесения металла, подразделяют на процессы WLAM (лазер) и WAAM (дуга). Диаметр проволоки, применяемой в АП, обычно находится в диапазоне 0,2 до 1,2 мм.

Система WLAM обычно состоит из лазера, автоматической системы подачи проволоки, станка с ЧПУ или роботизированной системы и некоторых других дополнительных устройств (например, системы подачи защитного газа, система нагрева или охлаждения). Лазер образует ванну расплава на нижележащем слое (substrate), в область расплава подается проволока, которая расплавляется. После ухода лазерного луча начинается процесс затвердевания и формируется узкий шов (рис. 12).

WLAM – универсальный процесс, позволяющий изготавливать крупные заготовки из разнообразных металлов и сплавов, при необходимости для получения требуемого качества поверхности используют постобработку. это процесс АП для изготовления металлических деталей с высокой плотностью.

Для процесса WLAM скорость подачи проволоки ограничена мощностью лазера. При высокой скорости подачи проволоки, она может полностью не расплавиться.

В работе приводятся данные скорости подачи проволоки и мощности лазера, для титановых сплавов скорость подачи проволоки должна равняться 2 и 1 м/мин при мощности лазера 2,06 и 1,2 кВт.

Рис. 12. Процесс подачи проволоки: слева – схема процесса; справа – изображение реального процесса (вид сбоку и сверху)

Производительность WLAM варьируется с 1,5 до 48,0 г/мин. Скорость формирования шва обычно находится в диапазоне с 0,05 до 2,4 м/мин. Размер шва зависит, главным образом, от мощности лазера, скорости подачи провода и скорости формирования шва . Как показано на рис. 13, наплавленный материал не имеет трещин и пор.

Рис. 13. Поперечное сечение отдельных слоев осажденного материала с различной мощностью лазера, скоростью подачи проволоки и скоростью формирования шва

Возможность получения изделий с использованием технологий дуговой сварки (GMAW, GTAW и PAW) анализировалась в различных работах (табл. 2).

Таблица 2. Различные формулировки процесса WAAM от разных исследовательских групп

Синонимы Институты/университеты Энергетический ресурс
3D welding University of Nottingham GMAW
Welding-based deposition Southern Methodist University GMAW, GTAW
3D welding Korea Institute of Science and Technology GMAW
Welding-based rapid prototyping University of Kentucky GMAW
Near-net shape manufacturing Tufts University GMAW, PAW
Shape deposition manufacturing Carnegie Mellon and Stanford University GMAW, GTAW
GMAW-based rapid prototyping Harbin Institute of Technology GMAW
MPAW-based rapid prototyping Xi’an Jiaotong University Micro-PAW
Hybrid-layered manufacturing Indian Institute of Technology GMAW
WAAM Cranfield University GMAW, GTAW, PAW
WAAM University of Wollongong GMAW, GTAW

Схемы процессов GMAW, GTAW и PAW показаны на рис. 14.

GMAW – это процесс, в котором электрическая дуга формируется между плавящимся проволочным электродом и обрабатываемым металлом.

Процессы GTAW и PAW используют для сварки неплавящийся вольфрамовый электрод.

Технологии АП, использующие в качестве исходного материала проволоку, широко применяются в различных областях, включая аэрокосмическую и автомобильную индустрию, и для изготовления инструментальной оснастки.

Детали для аэрокосмической промышленности часто имеют сложную геометрию и выполняются из дорогостоящих материалов, при использовании традиционных технологий, коэффициент использования материала – невысокий, использование АТ позволяет получать заготовки, близкие по форме к конечным деталям, тем самым значительно повышая КИМ.

Рис. 14. Схематическая диаграмма процессов а) ГМДС, б) ГДС, в) ПДС.

ГДС, вызывая меньшее искажение сварочных швов, и меньшие по размеру швы с более высокой скоростью сварки . Также было введено АП, основанное на микро-ПДС, и результаты влияния параметров процесса на механические свойства деталей также были изучены

Металлические заготовки, изготовленные в процессе аддитивного производства при использовании в качестве исходного материала – проволоки, имеют относительно простую геометрию (рис. 15-16).

Рис. 15. Различные металлические заготовки из Университета Cranfield, изготовленные по технологии АП путем процесса ГМДС

Рис. 16. Силовые панели, изготовленные в процессе WAAM: a, b – углеродистая сталь, c, d – алюминий, e – титан, f – толстостенные ребра жесткости, g –титановая крестовина, h – Ti заготовка после механической обработки

В настоящее время получают развитие следующие технологии аддитивного изготовления объектов :

Two Photon Polymerization (2PP). Сущность технологии заключается в том, что сверхкороткие лазерные импульсы фокусируются в объем полимера толщиной в несколько сотен микрометров, который в составе имеет инициатор. Инициатор активируется и запускает реакцию полимеризации лишь при поглощении двух фотонов одновременно. Данная технология позволяет создавать объекты размером до 100 мкм.

Ballistic Particle Manufacturing (BPM). Выращивание объекта посредством нанесения микрокапель (струйного нанесения) расплавленного материала на поверхность построения из сопел движущейся печатной головки. Материал построения поступает к печатной головке уже в расплавленном состоянии. После окончания печати одного слоя платформа опускается и печатается следующий слой. В качестве материала построения могут использоваться, например, термопластик и воск.

Технология биопечати. В настоящее время технология биопечати носит экспериментальный характер и используется в области построения трехмерных объектов. Биопринтеры имеют различные конфигурации, но их принцип работы заключается в послойном нанесении на поверхность построения слоев живых клеток из печатной головки и использовании в качестве поддержки специального растворимого геля. В перспективе технология биопечати позволит обеспечить пациентов, нуждающихся в восстановлении или полной замене какого-либо органа .

Достоинства и недостатки аддитивных технологий

Основные преимущества замены традиционных технологий на аддитивное производство заключаются в следующем :

  • сокращение производственных издержек: себестоимости при малых партиях, затрат на электроэнергию, уменьшение размеров производственных площадей за счет исключения ряда технологических операций;
  • высокая точность размеров изготавливаемых изделий;
  • переход от массового производства к массовой кастомизации (возможность удовлетворения как можно большего числа индивидуальных заказчиков), увеличение номенклатуры изделий;
  • возможность создания изделий со сложной формой или даже невозможной в обычном производстве конфигурацией. Аддитивные технологии позволяют свободно менять форму изготавливаемых деталей, что дает возможность не только быстро получать опытные образцы, но и вносить изменения в базовую конструкцию в соответствии с пожеланиями конкретного заказчика. Например, в медицине можно изготавливать искусственные коленные и тазобедренные суставы под конкретного пациента;
  • снижение на порядок времени производственного цикла мелкосерийного производства. Существенное сокращение длительности производственного цикла, сроков и стоимости запуска изделия в производство благодаря отсутствию необходимости в специализированной инструментальной оснастке. Время с момента проектирования изделия до получения готовой детали может быть сокращено от нескольких недель до нескольких дней;
  • повышение коэффициента использования материалов. Одна из особенностей технологий АП – близость получаемой формы изделия к заданной, что существенно сокращает расходы материала и отходы производства. АТ используют практически то количество материала, которое нужно для производства изделия. Тогда как при традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 80-85 %. Исследование European Aeronautic Defense and Space Company (Бристоль, Великобритания) и EOS Innovation Center (Уорвик, Великобритания) показало, что экономия сырья при АП может достигать 75%;
  • влияние на окружающую среду АП. Технологии АП имеют значительный потенциал в вопросе снижения выброса парниковых газов посредством оптимизации дизайна изделий и сокращения потерь материала.

Выполненный в рамках проекта ATIKINS анализ показывает, что снижение веса магистрального самолета на 100 кг на протяжении всего жизненного цикла влечет за собой экономию $ 2,5 млн на топливных расходах и сокращает выбросы углекислого газа на 1,3 млн т. .

Широкому распространению АП препятствуют следующие технические и экономические барьеры (табл. 3) :

  • свойства материала (детали часто имеют анизотропные свойства, что обусловлено послойной природой АП-процессов;
  • выбор материалов для АП весьма ограничен;
  • точность изготовления и качество поверхности деталей;
  • скорость изготовления (ограничена мелкосерийным производством);
  • высокие капитальные вложения;
  • высокая стоимость материалов и обслуживания;
  • отличия в геометрии и свойствах между «идентичными» деталями, изготовленными на разных установках;
  • закрытая архитектура большинства АП-установок, что не позволяет исследователям и технологам варьировать условия обработки.

Таблица 3. Преимущества и недостатки различных методов аддитивного производства

Методы Качество

деталей

Многофункциональность

метода и оборудования

Преимущества Недостатки
СЛП Очень хорошее, значительной механической обработки не требуется Применение широкой номенклатуры материалов, использование для гравировки Высокая точность изделий, получение тонких стенок (до 50 мкм) Низкая производительность, высокая вероятность образования трещин
СЭЛП Использование для сварки Более высокая производительность, уменьшение трещинообразования за счет снижения градиента температур, возможность предварительного подогрева электронным лучом Необходимость вакуума, точность ниже, чем при СЛП (больший диаметр сфокусированного пятна)
ПЛНМ Очень хорошее, требуется механическая обработка в большинстве случаев Применение широкой гаммы материалов, использование для резки, сварки, гравировки, ремонта Более высокая производительность, чем при СЛП/ СЭЛП, более контролируемый процесс Относительно СЛП/СЭЛП – низкая точность (больший диаметр сфокусированного пятна), невозможность использовать мелкие фракции порошков, высокая вероятность образования трещин
ХГН Применение широкой гаммы материалов, ограниченное их твердостью, использование для ремонта Не происходит изменения фазового состава, термические напряжения отсутствуют, высокая производительность Относительно СЛП/ СЭЛП/ПЛНМ – низкая точность (большой диаметр потока рабочего газа)

extxe.com

Аддитивные технологии в действии

Сегодня аддитивные технологии активно применяются на различных производствах по всему миру. Одним из главных российских драйверов внедрения промышленной 3D-печати является Ростех и входящая в его состав Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК).

О преимуществах аддитивного производства, инновационных методах промышленной 3D-печати и о том как «вырастить» двигатель при помощи лазера – в нашем материале.

Аддитивные технологии: основа промышленной революции

Аддитивное производство (Additive Manufacturing) – это создание изделий, основанное на поэтапном добавлении материала на основу в виде плоской платформы или осевой заготовки. В самом термине «аддитивность» (от лат. additivus – прибавляемый) заложен основной принцип этого процесса. Такой способ изготовления также называют «выращиванием» из-за послойного создания изделия.

Таким образом, суть аддитивного производства – в сложении, а не вычитании. Если при традиционном производстве вначале имеется заготовка, от которой потом отсекается все лишнее, то в случае с аддитивными технологиями новое изделие создается из ничего, а точнее, из расходного материала. Например, в домашних 3D-принтерах – это специальная пластмассовая проволока. Но, как известно, из пластика можно печатать только не слишком прочные детали и предметы. Относительно недавно в 3D-сфере началась новая эра – печать из металлических материалов. Именно данная технология аддитивного производства является основой происходящей сейчас промышленной революции.

В чем же преимущество и революционность этой новой идеи? Наиболее, пожалуй, важное достоинство аддитивных технологий заключается в том, что компьютерные модели деталей можно мгновенно передавать по сети на производственную площадку в любую точку мира. Таким образом, меняется сам привычный уклад производства – 3D-принтер не только добавляет производству мобильности, но и может заменить огромное количество оборудования на обычном заводе.

Среди других ключевых преимуществ – это снижение числа комплектующих частей создаваемых деталей. Например, изготовление обычным методом топливной форсунки для реактивного двигателя требует около 20 разных запчастей, которых нужно соединить с помощью сварки. Применение же 3D-печати позволяет создавать форсунку намного быстрее из специального материала.

Отсюда следует еще один важный момент – экономия исходного сырья и минимизация отходов. Аддитивные технологии позволяют в производстве использовать ровно столько материала, сколько требуется для конкретной детали. При традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 85%.

Благодаря этому снижается и вес готовой детали, что особенно актуально для авиационной промышленности. Производители авиадвигателей уже научились создавать аддитивным способом различные кронштейны и втулки, которые при сохранении всех прочностных характеристик на 40-50% легче своих «традиционных» аналогов.

Еще одна сильная сторона аддитивного производства – штучное изготовление изделия любой формы. Этим объясняется особый интерес к аддитивным технологиям медицины и авиационно-космической промышленности – отраслей, которые довольно часто требуют мелкосерийного производства. Например, Boeing уже произвел методом аддитивных технологий более 20 тыс. деталей для военных и гражданских самолетов компании. 

ОДК: драйвер внедрения аддитивных технологий

В России один из главных драйверов внедрения аддитивных технологий – Ростех и входящая в его состав Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК). Ростех начал внедрение аддитивных технологий при производстве перспективных российских газотурбинных двигателей, которые будут сертифицированы в 2025 – 2030 годах. Детали, изготовленные этим методом, будут составлять до 20% общей массы двигателя. Внедрение 3D-печати позволит в три раза снизить время и в два раза сократить стоимость изготовления серийных деталей. 

Для этого Госкорпорация создала единый Центр аддитивных технологий на базе рыбинского «ОДК-Сатурн». Здесь разработан и апробирован процесс изготовления деталей селективным сплавлением, начиная от разработки 3D-модели, заканчивая функциональной деталью. Сотни различных опытных деталей, изготовленных селективным плавлением из кобальтового, титанового сплавов, нержавеющей стали, уже успешно прошли стендовые испытания в составе двигателей.

Создание высокотехнологичного Центра аддитивных технологий (ЦАТ) ведется и на другом предприятии ОДК – Московском машиностроительном предприятии имени В.В. Чернышева. Организаторами ЦАТ являются холдинги авиационного кластера Ростеха: помимо ОДК, это «Вертолеты России», КРЭТ и «Технодинамика». Причем клиентами Центра могут стать не только предприятия Госкорпорации, но и другие промышленные организации. Заказчики смогут получить полный спектр услуг: от разработки конструкции до серийного производства и сертификации продукции. Здесь создается целый конструкторско-технологический комплекс, который включит в себя лабораторию металлургических исследований и конструкторское бюро.

В первую очередь в ЦАТ осваиваются две базовых технологии: селективное послойное сплавление лазером металлического порошка и прямое лазерное выращивание.

Лазерное выращивание

Лазерные технологии для печати металлом на сегодняшний день являются наиболее быстро развивающимся методом аддитивного производства. Как упоминалось выше, их можно разделить на две группы: селективное лазерное плавление и прямое лазерное выращивание.

Селективное лазерное плавление (SLS) – технология изготовления сложных по форме и структуре изделий из металлических порошков. Сначала формируется равномерный слой порошка на подложке, а затем происходит плавление порошка при помощи мощного лазерного излучения.

Данная технология 3D-печати металлом способна с успехом заменить классические производственные процессы. К примеру, на пермском моторном заводе «Авиадвигатель» (входит в ОДК) технологию селективного лазерного спекания впервые применили еще в 2010 году для изготовления литых деталей из титановых, никелевых, кобальт-хромовых порошков.

«Сейчас конструкторы разрабатывают детали, геометрию которых традиционными методами – точением или литьем – выполнить крайне сложно или вообще технически невозможно,– а на «выращивание» одной детали, к примеру, завихрителя, кронштейна, гребенки, уходит от 6 до 40 часов», – комментирует начальник отдела разработки перспективных технологий ремонта завода «Авиадвигатель» Александр Ермолаев.

Второй вид лазерной технологии аддитивного производства настолько новый, что пока не имеет устоявшегося названия: «прямое лазерное выращивание» (DMLS) или «гетерофазная лазерная порошковая металлургия». Суть его заключается в том, что металлический порошок подается через специальное сопло непосредственно в ту же область, куда подводится лазерный луч, образуя локальную ванну жидкого расплава. Этот процесс можно образно сравнить с работой струйного принтера для бумаги.

Технология дает возможность подачи нескольких видов металлических порошков в зону выращивания. Таким образом можно создавать изделия с градиентными свойствами, например, одна часть детали может быть коррозионностойкой, а другая – жаростойкой.

Прямое лазерное выращивание позволяет значительно увеличить производительность производства. Например, корпус камеры сгорания для небольшого газотурбинного двигателя можно вырастить с нуля за три часа. Для сравнения – при использовании традиционных технологий на это уходит около двух недель. При этом результаты конструирования видны моментально, и вносить в них изменения можно сразу же. Благодаря этому в десятки раз ускоряется процесс проектирования и создания новой техники.

Данная технология уже нашла свое применение в различных наукоемких отраслях промышленности, в числе которых и двигателестроение. Номенклатура деталей, которые изготавливаются с помощью установки прямого лазерного выращивания, широкая – от гребных винтов до небольших фрагментов современных и перспективных двигателей.

Недавно ОДК ввела в эксплуатацию самую большую в России установку прямого лазерного выращивания из порошковых металлических материалов. Этот 3D-принтер крупногабаритных деталей для промышленных газотурбинных двигателей позволяет производить изделия размером до 2,5 метров в диаметре. К 2021 году на базе ПАО «Кузнецов» данным методом планируется изготавливать более 50 элементов для современных газотурбинных двигателей.

Электронно-лучевая плавка

Электронно-лучевая плавка (EBM) является еще одной технологией аддитивного производства. Этот метод, по сути, практически не отличается от SLS/DMLS печати металлом. Единственное отличие заключается в том, что вместо лазерного луча плавление осуществляется при помощи электроимпульсов.

Технология печати методом электронно-лучевой плавки металлических порошков позволяет изготавливать детали практически любой сложности, даже совсем миниатюрные изделия размером 0,2-0,4 мм. Такой 3D-принтер сможет «напечатать» практически все: от лопаток турбин авиадвигателей до ювелирных изделий.

В мировой практике промышленные электронно-лучевые 3D-принтеры часто используют для производства остеоимплантов – искусственных имплантов костей. Для их построения используют сплавы титана и нержавеющей стали. В отличие от лазерных 3D-принтеров, электронно-лучевые принтеры могут использовать металлические порошки более крупной фракции, например 75-120 мкм. Шероховатая поверхность вовсе не страшна остеоимпланту и даже может обеспечить лучшую сращиваемость в организме. При этом более крупные фракции металлических порошков дешевле по стоимости, и, как следствие, удешевляется процесс производства.

Еще одно преимущество электронно-лучевой плавки – это возможность получать готовые изделия без необходимости дополнительной термообработки в вакуумных печах, как при печати по технологии SLM. Сама печать происходит при высокой температуре в камере. В результате полного локального расплавления порошка детали обладают очень высокой плотностью, сравнимой с технологией литья.

Первый российский электронно-лучевой 3D-принтер для печати металлическими порошками сейчас разрабатывает холдинг «Росэлектроника» Госкорпорации Ростех. Первый полнофункциональный образец будет произведен в конце 2020 года.

rostec.ru

Аддитивные технологии и аддитивное производство

Что такое аддитивные технологии? | Преимущества | Технологии и материалы | Аддитивные технологии в России

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, использую самые совершенные методы и материалы. Использование аддитивных технологий — один из ярчайших примеров того, как новые разработки и оборудование могут существенно улучшать традиционное производство.

Что такое аддитивные технологии?

Аддитивные технологии производства позволяют изготавливать любое изделие послойно на основе компьютерной 3D-модели. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления. Если при традиционном производстве в начале мы имеем заготовку, от которой оптом отсекаем все лишнее, либо деформируем ее, то в случае с аддитивными технологиями из ничего (а точнее, из аморфного расходного материала) выстраивается новое изделие. В зависимости от технологии, объект может строиться снизу-вверх или наоборот, получать различные свойства.

Общую схему аддитивного производства можно изобразить в виде следующей последовательности:

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.

Наглядные примеры того, как аддитивные технологии применяются в промышленности — опыт BMW и General Electric:

Преимущества аддитивных технологий

  • Улучшенные свойства готовой продукции. Благодаря послойному построению, изделия обладают уникальным набором свойств. Например, детали, созданные на металлическом 3D-принтере по своему механическому поведению, плотности, остаточному напряжении и другим свойствам превосходят аналоги, полученные с помощью литья или механической обработки.
  • Большая экономия сырья. Аддитивные технологии используют практически то количество материала, которое нужно для производства вашего изделия. Тогда как при традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 80-85%.
  • Возможность изготовления изделий со сложной геометрией. Оборудование для аддитивных технологий позволяет производить предметы, которые невозможно получить другим способом. Например, деталь внутри детали. Или очень сложные системы охлаждения на основе сетчатых конструкций (этого не получить ни литьем, ни штамповкой).
  • Мобильность производства и ускорение обмена данными. Больше никаких чертежей, замеров и громоздких образцов. В основе аддитивных технологий лежит компьютерная модель будущего изделия, которую можно передать в считанные минуты на другой конец мира — и сразу начать производство.

Схематично различия в традиционном и аддитивном производстве можно изобразить следующей схемой:

Аддитивное производство: технологии и материалы

Под аддитивным производством понимают процесс выращивания изделий на 3D-принтере по CAD-модели. Этот процесс считается инновационным и противопоставляется традиционным способам промышленного производства.

Сегодня 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.Посмотреть все FDM-принтеры.

  • 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 SLM Solutions и Realizer. Посмотреть все системы SLM-печати.

  • 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. Посмотреть все системы SLS-печати.

  • 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. Посмотреть все SLA-принтеры.

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.

Аддитивные технологии в России

Отечественные предприятия с каждым годом все более активно используют системы 3D-печати в производственных и научных целях. Оборудование для аддитивного производства, грамотно встроенное в производственную цепочку, позволяет не только сократить издержки и сэкономить время, но и начать выполнять более сложные задачи.

Компания Globatek.3D с 2010 года занимается поставкой в Россию новейших систем 3D-печати и 3D-сканирования. Оборудование, установленное нашими специалистами, работает в крупнейших университетах (МГТУ им. Баумана, МИФИ, МИСИС, Приволжском, СГАУ и других) и промышленных предприятиях, учреждениях ВПК и аэрокосмической отрасли.

Репортаж телеканала «Россия» об использовании SLM 280HL, установленном специалистами Globatek.3D в Самарском государственном аэрокосмическом университете:

Специалисты GLobatek.3D помогают профессионалам из различных областей подобрать 3D-оборудование, которое будет максимально эффективно решать задачи, стоящие перед предприятием. Если ваша компания планирует приобрести оборудование для аддитивного производства, позвоните по телефону +7 495 646-15-33, и консультанты компании Globatek.3D помогут вам с выбором.

Globatek.3D — 3D-оборудование для профессионалов.

Page 2

Как работают 3D-принтеры, материалы и технологии, производители 3D-принтеров, на что обратить внимание при выборе.

Виды и особенности АТ, типы материалов и оборудования, аддитивное производство в России.

Все о бионическом (генеративном, топологическом) проектировании: что это, зачем используют, примеры, фото, видео.

Инструкция по выбору профессионального 3D‑принтера для производства, бизнеса, образовательных или научных целей.

Хотите начать бизнес в сфере 3D-услуг? В этом материале мы попытались объяснить, что для этого нужно.

Чтобы понять различия между технологиями 3D‑печати эта модель создана с помощью разных технологий прототипирования.

Где и как используют профессиональные 3D‑принтеры? Реальные примеры, фото и видео применения 3D-печати.

Поддержка (или вспомогательный материал) используется в 3D-печати для построения изделий со сложной геометрией.

Как сделать поверхность пластиковых прототипов гладкими и глянцевыми? Читайте в нашем обзоре методов пост-обработки.

Сравнительная таблица 3D-принтеров Objet поможет выбрать оптимальную систему трехмерной печати из фотополимеров.

Сводная таблица характеристик всех 3D‑принтеров серии ProJet x60 (ZPrinter): точность, производительность, камера.

Благодаря особенностям 3D-сканеров Artec, трехмерная модель может быть получена всего за 3 шага: съемка, обработка, экспорт.

Ключевые преимущества систем трехмерного сканирования компании Artec 3D: высокая скорость, простота использования, мобильность.

Сравните характеристики различных моделей и выберите 3D-сканер, который наилучшим образом соответствует вашим задачам.

Сводная таблица 3D-сканеров Creaform позволит сравнить характеристики разных моделей и сделать оптимальный выбор.

Чем различаются модели 3D-сканеров компании Solutionix Rexcan 4, Rexcan CS+, Rexcan DS3? Вся информация на одной странице.

Page 3

Компания Globatek.3D предоставляет обязательную гарантию на все установленные 3D-принтеры, 3D-сканеры и промышленное оборудование. А также на дополнительные комплектующие и проведенные ремонтные работы. В течение гарантийного срока вы получаете право на бесплатный ремонт и необходимые запасные части.

Стандартный гарантийный срок на все 3D-оборудование компании Globatek.3D — 1 год.

Гарантийный срок на комплектующие для 3D-принтеров и 3D-сканеров — 6 месяцев. На отдельные типы деталей гарантия распространяется на срок до 5 лет.

Приобретая 3D-оборудование в компании Globatek.3D, вы получаете набор сервисных услуг, которые помогут сделать установку и использование вашего 3D-принтера или 3D-сканера максимально простым и эффективным.

Быстрая доставка по России

Мы сотрудничаем с крупнейшими транспортными компаниями и доставляем оборудование в самые короткие сроки во все регионы России. Собственный склад в Москве позволяет нам отгружать оборудование и доставлять его в другие города в течение 2-3 недель. Подробнее о доставке читайте здесь.

Установка и настройка

Мы доставим, установим и подготовим вашу 3D-технику к работе. После доставки оборудования наш сертифицированный сервисный инженер правильно установит ее, настроит, проведет пробный запуск. Это гарантирует вам стабильную, надежную и эффективную работу устройства в течение длительного времени.

Обучение работе с оборудованием

Специалист компании Globatek.3D также обучит вас и ваших сотрудников работе с приобретенным 3D-оборудованием. Он поможет вам разобраться в нюансах использования трехмерной техники. Не покидая своего офиса, вы сможете научиться максимально эффективно использовать самые современные 3D-принтеры.

Техподдержка

После установки, запуска и обучения мы всегда будем на связи. На любые вопросы по поводу работы вашего 3D-оборудования ответят специалисты сервисного центра компании Globatek.3D по телефону +7 (495) 646-15-33 (доб. 211) или по электронной почте: [email protected]

Пост-гарантийное обслуживание и ремонт 3D-принтеров

Сервисный центр компании Globatek.3D также предлагает услуги по пост-гарантийному обслуживанию и ремонту профессиональных 3D-принтеров и 3D-сканеров. Наши технические специалисты готовы выехать в любой город России для исправления неисправностей, диагностики, контроля установки оборудования и проведения монтажных работ. С полным списком ремонтируемого оборудования вы можете ознакомиться на этой странице.

Хотите узнать больше о сервисных услугах компании Globatek.3D? Просто позвоните по телефону +7 495 646-15-33, и наши менеджеры ответят на все ваши вопросы.

Page 4

Globatek.3D — официальный дилер в России лучших производителей 3D-оборудования. 3D Systems, SLM Solutions, Realizer, Artec, Creaform, Solutionix — эти компании известны во всем мире как лидеры в области трехмерных технологий. Их оборудование надежно служит в самых разных сферах: от медицинских лабораторий Австралии до высокотехнологичных студий Голливуда.

Участвуем в госзаказах

Globatek.3D – постоянный участник аукционов государственных закупок и партнер бюджетных учреждений по всей стране. Компания аттестована на большинстве специализированных площадок, проводящих закупки и тендеры. Всю организационную работу для участия в государственных аукционах мы берем на себя.

Доставка по всей России и СНГ

Мы готовы установить лучшую 3D-технику в любом городе. Наши специалисты успешно внедрили современные 3D-решения на предприятиях Москвы и Подмосковья, Мурманска, Екатеринбурга, Владивостока, Южно-Сахалинска, Тамбова, Новосибирска и многих других городов. А также — в Казахстане, Белоруссии и других странах СНГ. Расстояния — не проблема для новых технологий.

Официальная гарантия на всю 3D-технику

Мы работаем только с крупнейшими производителями 3D-техники, продукция которых прекрасно зарекомендовала себя по всему миру. Все оборудование, поставляемое Globatek.3D, имеет официальную гарантию производителей. Поэтому в течение гарантийного срока вы можете бесплатно отремонтировать вашу 3D-технику, поменять запасные части.

Запуск, настройка, обучение работе с оборудованием

Приобретая оборудование в компании Globatek.3D, вы получаете не только надежное современное устройство, но и всесторонний сервис. Мы доставим ваш заказ, установим в удобном вам месте и обучим эффективной работе. После — обеспечим необходимой информационной поддержкой и расходными материалами. Мы всегда на связи.

Сертифицированные сервисные инженеры

Установку, ремонт и сервисное обслуживание 3D-техники от компании Globatek.3D осуществляют квалифицированные технические специалисты. Они прошли соответствующее обучение и имеют сертификаты для работы с 3D-техникой ведущих производителей.

Покупка в лизинг

Купить в лизинг 3D-оборудование достаточно сложно. Банки редко выделяют деньги на подобные цели. Нашей компании удалось заключить эксклюзивное соглашение с банком ВТБ24 о программе лизинга для наших клиентов. Теперь вы можете приобрести новейшее 3D-оборудование на уникальных по своему удобству условиях.

Page 5

Лучшие профессиональные 3D-принтеры для бизнеса, производства, науки, исследований, обучения, проектирования. Ведущие производители и самые популярные модели.

117Все модели 3D-принтеров
Page 6

ЗАО «Группа компаний «Глобатэк» Центральный офис: 115230, Москва, Варшавское шоссе, 42 Время работы: с 9:00 до 19:00 с понедельника по пятницу Телефон: 8 (495) 646-15-33 Бесплатный звонок по России: 8 800 333-12-82 Электронная почта: [email protected]

Телефон: 8 (495) 212-09-55

Закрытое акционерное общество «Группа компаний «Глобатэк» ОГРН: 1107746187999 ИНН: 7724739790 / КПП: 772601001 Юридический адрес: 115230, г. Москва, Варшавское шоссе, д. 42 Почтовый адрес: 115230, г. Москва, Варшавское шоссе, д. 42 ПАО Сбербанк г. Москва Номер расчетного счета 40702810038000010645 Корреспондентский счет 30101810400000000225 БИК 044525225

3d.globatek.ru

Технологии аддитивного производства — qbed

Какие существуют 3D принтеры и как они печатают?

В этой статье речь пойдет о существующих методах аддитивного производства и их сути. Информационный гуру в сфере аддитивного производства 3D Hubs — онлайн сообщество лабораторий 3D печати — выделил 15 способов аддитивной печати, которые отличаются друг от друга разрешением создаваемых распечатков, требованиям к их постобработке, используемыми материалами, стоимостью печати и прочими тонкостями. Об этих 15 методах и пойдет речь.

Способы 3D печати со схожими технологиями сгруппированы, распределены в 7 категорий и представлены на инфографике снизу.

Пристегните ремни — поехали!

  • SLA: Stereolithography, или Стереолитография

  • DLP: Direct Light Processing, или Цифровая светодиодная проекция

  • CDLP: Continuous DLP, или Непрерывная цифровая светодиодная проекция

  • FDM: Fused Deposition Modeling, или Моделирование послойным наплавлением

  • MJ: Material jetting, или Струйная 3D печать

  • NPJ: Nano particle jetting, или Струйная 3D печать наночастицами

  • DOD: Drop-On-Demand, или Наплавление с выравниванием слоя летучим резцом

  • BJ: Binder Jetting, или Струйная печать связующим веществом

  • MJF: Multi Jet Fusion, или Мультиструйная плавка

  • SLS: Selective Laser Sintering, или Выборочное лазерное спекание

  • DMLS/SLM: Direct Metal Laser Sintering, или Прямое лазерное спекание металлов и Selective Laser Melting, или Выборочная лазерная плавка

  • EBM: Electron Beam Melting, или Электронно-лучевая плавка

  • LENS: Laser Engineered Net Shape, или Плавка путём создания формы лазером

  • EBAM: Electron Beam Additive Manufacture, или Электронно-лучевое аддитивное производство

  • LOM: Laminated Object Manufacturing, или Печать объектов методом ламинирования

Суть процесса: жидкая фотополимерная смола затвердевает под воздействием света с определенной длиной волны — эта химическая реакция носит название фотополимеризации. Получается твёрдый 3D распечаток.

SLA принтер FORMLABS FORM 2 за работой. Лазер засвечивает смолу до затвердения. Гифка из этого видео

SLA: Stereolithography, или Стереолитография

В стереолитографической печати платформа, на которой будет держаться модель, погружается в резервуар с жидкой фотополимерной смолой. Количество смолы в ванночке с прозрачным дном равно толщине одного слоя модели. Когда платформа оказалась в смоле, один или несколько точечных лазеров, расположенных внутри принтера, начинают светить снизу на те участки смолы, которые, согласно вашему трехмерному цифровому дизайну, должны затвердеть для создания распечатка. Так создается первый слой объекта. После того как слой затвердел, платформа поднимается на расстояние, равное толщине слоя, и новая смола затекает под затвердевший слой. Сей процесс повторяется, пока все слои, образующие вашу модель, не будут облучены и не затвердеют. Затем распечаток промывается и, как правило, подвергается дополнительному УФ облучению вне принтера для завершения процесса фотополимеризации и увеличения прочности объекта.

SLA распечатки зачастую предполагают наличие опор для навесных элементов модели, которые добавляются к цифровому дизайну перед печатью, а затем вручную удаляются после постобработки изделия УФ светом.

Плюсы: высокая точность печати (печать очень тонких слоёв), гладкая поверхность распечатков, наличие настольных и промышленных моделей.

Минусы: хрупкость распечатков, высокая стоимость принтеров и материалов для печати.

Применение: стоматология, медицина, ювелирное дело, литьевое формование, домашняя печать.

Используемые материалы: стандартные, прочные, гибкие, прозрачные и литейные смолы.

DLP: Direct Light Processing, или Цифровая светодиодная проекция

Технология печати цифровой светодиодной проекцией очень похожа на Стереолитографию. Разница в том, что вместо дорогих точечных лазеров, DLP принтеры используют цифровую светодиодную проекцию для облучения всего слоя сразу: принтер проецирует изображение целого слоя на жидкую фотополимерную смолу до её полного затвердевания, после чего облучается следующий слой.

Рассмотрим процесс более детально. В ванночке с прозрачным дном находится жидкий фотополимер и движущаяся рабочая поверхность, на которой распечаток будет держаться. Проектор DLP принтера, расположенный под этой ванночкой, проецирует на фотополимер изображение одного слоя модели до полного затвердевания фотополимера под УФ лучами. Далее, рабочая поверхность поднимается вверх на толщину одного слоя, и облучается следующий слой. Так, слой за слоем, создаётся распечаток.

Поскольку для печати используются цифровые проекторы, чьи экраны проецируют пиксельные изображения, каждый слой распечатка состоит из небольших квадратов, называемых вокселями.

Плюсы: высокая точность печати (печать очень тонких слоёв), высокая скорость печати (быстрее SLA принтеров за счёт облучения всего слоя сразу), наличие настольных и промышленных моделей.

Минусы: хрупкость распечатков, высокая стоимость материалов для печати.

Применение: стоматология, медицина, ювелирное дело, литьевое формование, производство сувениров, домашняя печать.

Используемые материалы: стандартные и литейные смолы.

CDLP: Continuous DLP, или Непрерывная цифровая светодиодная проекция

Технология Непрерывной цифровой светодиодной печати такая же, как у DLP печати, единственное отличие — CDLP печать предполагает постоянное движение платформы вверх по оси Z, что увеличивает скорость производства модели.

Плюсы: высокая точность печати (печать очень тонких слоёв), высокая скорость печати (за счет постоянного движения платформы), наличие настольных и промышленных моделей.

Минусы: хрупкость распечатков, высокая стоимость материалов для печати.

Применение: стоматология, медицина, ювелирное дело, литьевое формование, производство сувениров, домашняя печать.

Используемые материалы: стандартные, прочные, гибкие, прозрачные и литейные смолы.

В этой технологии 3D печати, принтер экструдирует, или же выдавливает, материал из своего сопла на платформу печати. Сопло следует заданной цифровой моделью траектории и печатает слой за слоем.

FDM принтер ULTIMAKER 2 экструдирует материал из сопла. Гифка из этого видео

FDM: Fused Deposition Modeling, или Моделирование послойным наплавлением

FDM печать, так же известная как FFF (Fused Filament Fabrication), или Производство методом наплавления нитей, является самым широко распространённым видом 3D печати. Метод печати такой. Катушка с нитями термопластика загружается в принтер. Нити, проходя через нагретое сопло принтера, расплавляются. Принтер непрерывно перемещает сопло в согласии с траекторией, заданной системой автоматизированного проектирования CAD, укладывая расплавленный материал в необходимых местах. Когда материал остывает, он затвердевает, и образовывается готовый слой распечатка. Процесс продолжается, пока не будут распечатаны все слои. Есть принтеры, которые позволяют печатать сразу несколькими материалами, например, машины от компании Prusa Printers. Это позволяет создавать цветные распечатки, или же печатать поддержки модели из растворимого материала для их более легко удаления после печати.

Плюсы: низкая стоимость принтеров и материалов для печати, открытый исходный код, возможность купить такой принтер в разобранном состоянии по низкой цене и собрать самостоятельно, печать несколькими материалами одновременно, быстрота печати.

Минусы: ограниченная точность печати (минимальный размер толщины слоя гораздо выше, чем у SLA принтера), шероховатая поверхность распечатков (хотя при печати определёнными материалами ее можно сгладить постобработкой), анизотропия.

Применение: прототипирование, промышленное производство, быстрое производство, домашняя печать.

Используемые материалы: термопластики и композиты, поставляемые в виде катушек — ABS, PLA, нейлон, PC, армированный волокнами нейлон, ULTEM, экзотические материалы (наполнение металлом, деревом и так далее).

Струйное моделирование похоже на 2D печать. В этой технологии используются фотополимеры, металлы или воск, которые затвердевают под воздействием УФ света или под нагревом. Струйное моделирование, как и FDM, позволяет печатать несколькими материалами одновременно, что часто используется для печати поддержек модели из растворимых материалов для их более легкого удаления после печати.

NPJ принтер XJET печатает наночастицами металла. Гифка из этого видео

MJ: Material jetting, или Струйная 3D печать

MJ принтер печатает модель слой за слоем, подавая фотополимеры из сотен крошечных сопел в печатающей головке (количество сопел варьируется от 96 до 448). MJ печать отличается от FDM и SLA более высокой скоростью: в то время как FDM и SLA принтеры строят объекты точечно, следуя определённой траектории (FDM принтеры экструдируют материал точка за точкой, а SLA точечно запекает смолу), MJ принтеры накладываю на платформу весь слой сразу. Когда капли материала оказываются на платформе, они обрабатываются УФ светом, и слой затвердевает. Все опоры модели можно печатать одновременно с самой моделью, используя при этом растворимый материал. Когда изделие готово, поддержки можно легко удалить с помощью воды под давлением или искупав изделие в ультразвуковой ванне.

Плюсы: высокая точность печати (печать очень тонких слоёв), печать несколькими материалами одновременно, гладкая поверхность распечатков, высокая детализация, цветная печать.

Минусы: высокая цена принтеров и материалов для печати, фотополимерные распечатки могут быть довольно хрупкими.

Применение: высокоточное прототипирование, реалистичное прототипирование, разработка электронных компонентов, стоматология, ювелирное производство, промышленный и архитектурный дизайн.

Используемые материалы: жёсткие, прозрачные, многоцветные фотополимеры, термопластики.

NPJ: Nano particle jetting, или Струйная 3D печать наночастицами

В Струйной печати наночастицами используется жидкость, содержащая наночастицы металлов, которую оператор загружает в принтер в качестве картриджа. Сопла принтера распределяют жидкость по платформе струей или небольшими каплями, в то время как высокая температура внутри корпуса приводит к испарению жидкости, после чего на платформе остаётся лишь слой из металла.

Плюсы: высокая точность печати (печать очень тонких слоёв), гладкая поверхность распечатков, высокая детализация.

Минусы: высокая цена принтеров и материалов для печати.

Применение: высокоточное прототипирование, реалистичное прототипирование, ювелирное производство, промышленный и архитектурный дизайн.

Используемые материалы: нержавеющая сталь, керамика.

DOD: Drop-On-Demand, или Наплавление с выравниванием слоя летучим резцом

У DOD принтеров есть две печатающие головки: одна распределяет воскоподобный материал на платформе, а другая создаёт поддержки из растворимого материала. Подобно FDM и SLA принтерам, принтеры DOD следуют заранее заданной траектории и распределяют материал точечно. В принтерах DOD также используется летучий резец для выравнивания каждого слоя, так как для улучшения качества распечатка необходимо создать ровную поверхность перед печатью следующего слоя.

Плюсы: высокая точность печати (печать очень тонких слоёв), гладкая поверхность распечатков, высокая детализация.

Минусы: ограниченный выбор материалов для печати.

Применение: высокоточное прототипирование, создание форм для последующего отливки.

Используемые материалы: воск.

Данный вид печати подразумевает построение модели слой за слоем путём нанесения связующего вещества на порошокообразный материал.

BJ принтер VOXELJET VX4000 создает песочные формы для литья. Гифка из этого видео

BJ: Binder Jetting, или Струйная печать связующим веществом

При BJ печати, клейкое связующее вещество наносится на тонкие слои порошкообразного материала. Материалы бывают керамической основы (например, стекло или гипс) или металлической (например, нержавеющая сталь). Печатающая головка перемещается над платформой, распределяя капли связующего вещества по слою материала. Когда первый слой готов, платформа опускается вниз на размер одного слоя, и сверху насыпается новый слой порошка. Процесс повторяется до завершения всех слоёв. После печати деталям необходима постобработка. Зачастую для улучшения механических свойств деталей, в связующее вещество добавляют уплотнители, такие как цианоакрилатный клей (в случае керамики) или бронза (в случае металлов). Для придания распечаткам цвета, в связующее вещество могут добавить краситель.

Плюсы: цветная печать, долговечные распечатки, отсутствие поддержек, возможность использовать оставшийся после печати материал для новой распечатки.

Минусы: невысокая прочность распечатков.

Применение: печать на керамической основе идеально подходит для создания архитектурных моделей, форм для литья в песчаную форму, сувениров, украшений. Металлические детали могут быть использованы в качестве функциональных компонентов — они более дешёвые, чем металлические детали SLM или DMLS, но и их механические свойства хуже.

Используемые материалы: кремнистый песок, гипс, металлы, пластики, песчаные смеси, керамика, кобальт-хром, карбид вольфрама.

Печать методом Плавки порошков, или Powder Bed Fusion, происходит за счёт термической обработки порошкообразного материала. Под тепловым воздействием порошки металла/пластика спекаются либо плавятся слой за слоем, образуя распечаток. Методы PBF отличаются друг от друга используемым источником энергии и видом применяемых порошков.

Большинство PBF принтеров оснащены механизмом для разглаживания тонких слоев порошка в процессе печати. После завершения печати лишний незапекшийся песок удаляют, и остается твердый распечаток.

DMLS/SLM принтер EOS M400-4 спекает металлический порошок. Гифка из этого видео

MJF: Multi Jet Fusion, или Мультиструйная плавка

Мультиструйная плавка — это, по сути, комбинация технологии SLS, описанной ниже, и Струйной 3D печати. Печатающая головка принтера с соплами, аналогичными соплам 2D принтера, распространяет плавящее вещество на тонкий слой порошкового пластика, засыпанного в специальную емкость. По краям слоя модели сопла печатают веществом, препятствующим процессу спекания (так создается контур слоя). Затем, мощный источник ИК излучения проходит над емкостью с порошком и спекает области, покрытые плавящим веществом, оставляя остальную часть порошка нетронутой. Процесс повторяется до тех пор, пока все слои не будут завершены.

Плюсы: печать объектов со сложной геометрией; отсутствие поддержек; очень высокая прочность распечатков и механические свойства, сопоставимые с самим материалом (а иногда и лучше); разнообразные методы постобработки, позволяющие создавать предметы с гладкой поверхностью.

Минусы: шероховатая поверхность и пористость деталей без постобработки, усадка или деформация деталей во время обработки.

Применение: функциональные прототипы, печать готовых деталей.

Используемые материалы: нейлон.

SLS: Selective Laser Sintering, или Выборочное лазерное спекание

Технология Выборочного, или же селективного, лазерного спекания позволяет создавать крепкие пластиковые детали при помощи спекания тонких слоёв порошка лазером (чаще всего, углекислотным) слой за слоем. На платформу насыпается первый слой порошка, и запекается лазером согласно дизайну (лазер вычерчивает поперечное сечение модели по порошку). Затем платформа опускается на толщину одного слоя, сверху засыпается новый слой порошка, и снова обрабатывается лазером. Процесс продолжается до завершения печати всех слоев модели. Потом готовую деталь достают из порошка, прочищают, и, при необходимости, подвергают постобработке.

Плюсы: печать объектов со сложной геометрией; отсутствие поддержек; очень высокая прочность распечатков и механические свойства, сопоставимые с самим материалом (а иногда и лучше); разнообразные методы постобработки, позволяющие создавать предметы с гладкой поверхностью; многообразие доступных материалов для печати.

Минусы: высокая стоимость принтеров.

Применение: функциональные прототипы, печать готовых деталей.

Используемые материалы: нейлон, нейлон с углеродным волокном, PEEK, TPU, алюмид (материал, состоящий из нейлона, наполненного алюминиевой пылью).

DMLS/SLM: Direct Metal Laser Sintering, или Прямое лазерное спекание металлов и Selective Laser Melting, или Выборочная лазерная плавка

SLM и DMLS принтеры печатают модели по такому же принципу, что и SLS принтеры, только из металлического порошка. SLM предполагает полную плавку порошка, в то время как DMLS принтеры нагревают порошок почти до температуры плавления, и частицы порошка сплавляются через химическую реакцию. При DMLS печати используются сплавы (никелевые сплавы, Ti64 и другие), SLM принтеры могут работать и с чистыми металлами (например, алюминием). SLM и DMLS модели печатаются с опорами, чтобы исключить деформацию распечатка от остаточного механического напряжения.

Плюсы: печать объектов со сложной геометрией; печать полых объектов; очень высокая прочность распечатков и механические свойства, сопоставимые с самим материалом (а иногда и лучше); разнообразные методы постобработки, позволяющие создавать предметы с гладкой поверхностью; многообразие доступных материалов для печати; высокое разрешение распечатков; безотходное производство (неиспользованный порошок в камере можно использовать для печати других моделей); быстрее, чем литейный процесс; отсутствие сварочных швов.

Минусы: высокая стоимость принтеров, наличие поддержек, детали менее прочные, чем отлитые аналоги.

Применение: функциональные прототипы, печать готовых деталей, печать имплантов, аэрокосмическая промышленность, стоматология, медицина.

Используемые материалы: алюминий, титан, нержавеющая сталь, никелевые сплавы, кобальт-хромовые сплавы, золото.

EBM: Electron Beam Melting, или Электронно-лучевая плавка

Принтеры EBM используются для печати металлических объектов. Печать происходит следующим образом. В рабочую камеру засыпается металлический порошок, принтер плавит этот порошок мощными электронными излучателями слой за слоем согласно поперечным сечениям цифровой модели. Весь процесс происходит в вакуумной среде. Электронно-лучевая печать не требует создания опорных конструкциях для модели ввиду отсутствия остаточного механического напряжения, вызываемого градиентом температур между охлажденными и  горячими слоями. Кроме того, EBM использует меньше энергии и может производить слои быстрее, чем SLM и DMLS, но качество данных моделей будет хуже: EBM принтеры печатают более крупные детали с более высокой толщиной слоя и менее гладкой поверхностью, чем SLM и DMLS принтеры.

Плюсы: высокая плотность и механическая прочность объектов; печать объектов со сложной геометрией; печать полых объектов; отсутствие поддержек; безотходное производство (неиспользованный порошок в камере можно использовать для печати других моделей); быстрее, чем литейный процесс; отсутствие сварочных швов; печать в вакуумной камере позволяет работать с материалами, чувствительными к оксидации; высокая скорость печати.

Минусы: высокая стоимость принтеров, более низкое разрешение, чем у SLM и DMLS принтеров.

Применение: производство монолитный изделий, функциональные прототипы, печать готовых деталей, печать имплантов, аэрокосмическая промышленность, медицина.

Используемые материалы: титан, кобальт-хромовые сплавы.

Технологии LENS и EBAM, объединенные в эту группу, создают модели путём плавки материала во время его распределения в слой. Эти методы чаще всего используются для плавки металлического порошка или проволоки.

LENS принтер OPTOMEC плавит лазером металлический порошок. Гифка из этого видео

LENS: Laser Engineered Net Shape, или Плавка путём создания формы лазером

Принтеры LENS оснащены лазерной головки, соплом, дозирующим порошковый материал, и трубкой инертного газа (эти три элемента составляют печатающую головку) для послойной печати моделей. Лазерный луч фокусируется на небольшую точку одной или несколькими линзами и создает плавильную ванну на платформе. Сопло выбрасывает металлический порошок в эту плавильную ванну, где он запекается. Платформа двигается по осям X и Z, чтобы создать поперечное сечение модели. Когда слой готов, печатающая головка поднимается вверх на уровень одного слоя и продолжает печать. Инертный газ используется для защиты плавильной ванны от кислорода, что дает больший контроль над свойствами распечатка и позволяет повысить прочность межслоевого скрепления.

Основой для печати служит либо тонкая металлическая пластина, либо готовая деталь, в которую требуется добавить элемент или отремонтировать.

Плюсы: высокая плотность и механическая прочность распечатков, возможность печатать прямо на готовом объекте.

Минусы: высокая стоимость принтеров, необходимость прочной поддержки.

Применение: печать металлом, ремонт объектов, добавление элементов к существующим объектам.

Используемые материалы: титан, нержавеющая сталь, алюминий, медь, инструментальная сталь.

EBAM: Electron Beam Additive Manufacture, или Электронно-лучевое аддитивное производство

Принтеры EBAM используют для плавки материала электронный пучок. Данная технология похожа на LENS: металлический порошок или проволока поставляются на платформу соплом, плавятся мощным электронным пучком и затвердевают. Принтеры печатаю модель слой за слоем до полного завершения детали.

По сравнению с LENS, использование электронных лучей считается более эффективным; печать происходит в вакууме.

Плюсы: высокая плотность и механическая прочность объектов, возможность печатать прямо на готовом объекте.

Минусы: высокая стоимость принтеров, необходимость прочной поддержки.

Применение: печать металлом, ремонт объектов, добавление элементов к существующим объектам.

Используемые материалы: титан, нержавеющая сталь, алюминий, медный никель, сталь 4340.

Печать путем ламинирования заключается в послойном склеивании материала и использованием лазера или лезвия для создания контура объекта.

LOM принтер MCOR IRIS печатает 3D модель из бумаги. Гифка из этого видео

LOM: Laminated Object Manufacturing, или Печать объектов методом ламинирования

При печать LOM на платформу или готовый объект разогретым роллером наклеивается лист выбранного материала. Затем лазер вырезает объект по контуру согласно вашему дизайну, а излишки материала удаляются. Платформа опускается, и свежий лист клейкого материала подается в рабочую камеру. Платформа поднимается вверх, и новый слой прилипает к предыдущему. Процесс повторяется до завершения печати всего объекта.

Плюсы: дешёвые материалы для печати, различные варианты постобработки (шлифовка, сверление, покраска), производство крупных моделей.

Минусы: невысокая прочность моделей, ограниченность применения, низкое разрешение печати (толщина слоя равна толщине материала, в то время как другие методы печати обеспечивают толщину слоя в несколько микрон).

Применение: быстрое прототипирование, создание макетов.

Используемые материалы: бумага, металлическая фольга, пластик.

Галерея

2D услада + коллекция 3D и аддитивного арта в разработке

Словарь

Термины 3D моделирования и аддитивного производства

www.qbed.space


Смотрите также