Что такое аддитивные технологии?

Аддитивные технологии или аддитивный технологический процесс – это процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной модели путем добавления материала, как правило слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки). Еще такой процесс называют «выращиванием».

Термин «аддитивные технологии» (additive manufacturing) распространился и стал широко использоваться в англоязычной литературе после закрепления в стандарте ASTM F2792 в 2009 году. В 2017-м понятия, касающиеся такого производства, зафиксировались и в российском ГОСТ.

История аддитивных технологий

История аддитивных технологий началась с изобретения первого 3D-принтера в 1983 году. Его сконструировал Чарльз Халл. Он придумал устройство, которое смогло напечатать небольшой пластиковый стаканчик новым способом — послойным наложением с помощью ультрафиолетового излучения. Халл назвал эту технологию стереолитографией.

С тех пор технологии значительно эволюционировали. Развитие аддитивных технологий связано с появлением новых материалов, улучшением программного обеспечения и совершенствованием оборудования.

1 3

За свое открытие Чарльз Халл получил Европейскую премию изобретателя (European Inventor Award). Ее вручает Европейская патентная организация (EPO). Президент EPO Бенуа Баттистелли (Benoît Battistelli) заявил, что изобретение Халла по значимости сравнимо лишь с конвейерной линией сборки автомобилей Генри Форда. По его мнению, 3D-печать открывает безграничные возможности для экономики.

Этапы развития аддитивных технологий

  • Начало 1980-х — Первые попытки создания 3D-печатных объектов. В это время инженеры и ученые начали исследовать возможности послойного создания объектов.
  • 1984 — Чарльз Халл разрабатывает метод стереолитографии (SLA), который позволяет создавать твердые объекты из жидких фотополимеров с использованием ультрафиолетового света.
  • 1986 — Чарльз Халл получает патент на технологию SLA и основывает компанию 3D Systems, которая вскоре выпускает первый в мире коммерческий 3D-принтер SLA-1.
  • 1990-е — Появление других методов аддитивного производства, таких как селективное лазерное спекание (SLS) и моделирование методом наплавления (FDM).
  • 2000-е — 3D-печать становится все более доступной. Появление открытых источников для разработки 3D-принтеров способствует росту интереса к этой технологии среди энтузиастов и малых предприятий.
  • 2009 — Истечение патента на технологию FDM приводит к появлению множества компаний, предлагающих доступные 3D-принтеры для домашнего использования.
  • 2010-е — 3D-печать используется в различных отраслях, таких как медицина, авиация, автомобилестроение и производство потребительских товаров. Разработка новых материалов и улучшение технологий печати расширяют возможности применения аддитивного производства.
  • 2020-е — Интеграция искусственного интеллекта и аддитивных технологий для создания более сложных и функциональных продуктов. Активное развитие биопечати и создание органических структур, пригодных для медицинских целей.

 

За три десятилетия технология перешла от изготовления бумажных и пластиковых прототипов к непосредственному получению готовых функциональных изделий. К настоящему времени технология позволяет получать металлические и неметаллические прототипы и функциональные изделия, которые не требуют механической пост-обработки. Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок благодаря быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и программного обеспечения. Величина современного рынка аддитивного производства — около 1,3 млрд долларов, включая производство специального оборудования и оказание услуг в соотношении ориентировочно 1/1. 

Принципы работы аддитивных технологий

Принципы аддитивных технологий заключаются в создании трёхмерных объектов, деталей или вещей путём послойного добавления материала: пластика, металла, бетона, при помощи специализированных станков с программным управлением — 3D-принтеров.  

Процесс аддитивного производства проходит через несколько общих этапов (они могут изменяться в зависимости от методов и материалов):

  1. 3D-моделирование или создание эскиза изделия (Computer Aided Design или CAD). Специалисты проводят анализ существующих деталей или конструкций, а также дорабатывают их так, чтобы они полностью соответствовали требованиям аддитивного производства: уменьшают вес, количество элементов в сборке и т. п.
  2. Создание уменьшенной копии изделия из более дешёвого материала, например, недорого пластика вместо металла.
  3. Печать самого изделия после того, как копия прошла проверку. Принтер, следуя эскизу, добавляет слои жидкости, порошка или листового материала и изготавливает деталь, иногда всего за несколько часов.

Во время печати принтер считывает 3D-печатный файл, содержащий данные трехмерной модели, и наносит последовательные слои используемого материала, выстраивая трехмерную модель из серии поперечных сечений. Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям в модели, соединяются или сплавляются вместе для создания объекта заданной формы. Основным преимуществом данного метода является возможность создания геометрических форм практически неограниченной сложности.

«Разрешение» принтера подразумевает толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах (устаревшим термином является «микрон»). Разрешение по осям X и Y схоже с показателями обычных двухмерных лазерных принтеров.

Виды аддитивных технологий

Их немало — различаются методы в зависимости от материала, конечного результата и рабочих технологий на аддитивной установке. Несколько популярных:

SLA — Laser Stereolithography, лазерная стереолитография. Используемый при производстве материал — жидкие фотополимеры. Они послойно затвердевают под действием лазера. Аналогичный метод, но более быстрый в работе — DLP, прямая обработка светом.

SLS — Selective Laser Sintering, селективное лазерное спекание. Технология предполагает, что порошок полимеров наносится на платформу для печати, сканируется лазером и частично запекается — только зоны, соответствующие модели. Затем наносится еще один слой, снова обрабатывается лазером — и так далее. Итоговый продукт окружен неспеченным порошком и требует очистки от последнего.

SLM — Selective Laser Melting, выборочное лазерное спекание. Процесс подобен SLS, но в качестве материала для производства используется металлический порошок.

FDM — Fused Deposition Modeling, посоленное наплавление. Применяются фотополимеры в виде прутов, нитей или гранул. Материал проходит через сопло машины, расплавляется, головка аппарата распределяет его согласно модели, после чего вещество затвердевает. Один из распространенных методов, по этой технологии работают домашние 3D-принтеры.

Применение аддитивных технологий

Машиностроение — самая широкая сфера, где задействовано аддитивное производство. Пальма первенства (или одна из таковых) здесь у BMW: немецкий производитель применял 3D-печать еще под занавес 80-х, а к 2018-му выпустил миллионную печатную деталь — ей стала направляющая окна для BMW i8 Roadster. А в 2018-м появился первый в мире напечатанный автомобиль LSEV — точнее, с помощью аддитивных технологий родились все его видимые части.

2

Используются технология будущего и в ракетостроении, авиационной и космической промышленности, для создания станков и электрооборудования, деталей и комплектующих. В энергетике 3D-печать нужна для изготовления запчастей лопастей турбин — это дешевле стандартного метода. А детали для авиационных двигателей — например, отечественных ПД-14 и ПД-8Ю — имеют меньшую массу, при этом остаются прочными. Используются 3D-детали на производствах Boeing, Ford, General Electric, Siemens — и это лишь малая часть компаний.

Аддитивные технологии имеют несколько секторов развития в здравоохранении: стоматология, хирургия, трансплантология, протезирование фармокологи.  3D-печать используется в изготовлении различных видов протезов, также осуществляется печать органов для имплантации.

Например, первый российский биопринтер был создан в 2014 году компанией 3D Bioprinting Solutions. В начале 2015 года компания создала и успешно пересадила органный конструкт щитовидной железы мыши. Сейчас компанию называют «пионерами российского биопринтинга», с ней сотрудничают ведущие российские организации и научные центры.

Пересадка искусственных органов в будущем сможет спасти множество жизней.

3D-печать необходима и в деятельности, связанной с лекарствами и лечением: например, создаются искусственные органы с онкологическими процессами — с их помощью изучают влияние препаратов на злокачественное образование. Таблетки тоже печатаются — здесь первооткрывателями стали США. Первый препарат, созданный с помощью аддитивных технологий, был одобрен в 2015 году, а поступил в продажу в 2016-м.

3

Благодаря высокой точности и скорости 3D-печать также получила широкое применение в ювелирном производстве.  Современная технология позволяет спроектировать и создать изделия сложнейших форм, в том числе очень мелкие.

В специализированной программе создается и прорабатывается 3D-модель, проверяется на наличие ошибок моделирования и передается специалисту на 3D-печать.

Важным этапом применения 3D-технологии в ювелирном производстве является отсутствие расходов, связанных с потерей драгоценных металлов.

Преимущества и недостатки аддитивных технологий

Аддитивные технологии имеют ряд неоспоримых преимуществ, среди которых выделены следующие:

  • Сокращение рабочего процесса и значительное уменьшение производственных отходов. Создание деталей обычным способом довольно трудоемкий процесс. Сначала делается заготовка, потом вытачивается на разных инструментах. Это долго и в итоге образуется много отходов. При изготовлении деталей литьем, необходимо в начале изготовить формы. Использование 3D-принтеров позволяет обходиться без предварительных заготовок, а материала требуется ровно столько, сколько уйдет на изделие без сопутствующих отходов.
  • Сокращение материалов на изготовление и себестоимости изделий. С внедрением аддитивных технологий значительно сокращается количество материалов для изготовления деталей, а значит, себестоимость готового продукта будет ниже. В некоторых отраслях при традиционных способах производства производственные отходы могут составлять до 80%.
  • Вариативность и индивидуализация изделий. Для изготовления разных вариантов изделия достаточно внести небольшие изменения в 3D-модель. Это очень удобно, когда в сжатые сроки нужно усовершенствовать изделие или представить несколько вариантов. Также это хорошо для изготовления единичных деталей. 3D-печать значительно облегчила работу конструкторов: больше не нужно ждать пока по схеме будут создавать изделие несколько дней, работа займет несколько часов.
  • Изготовление деталей высокой сложности. С помощью традиционных методов вроде литья не всегда можно изготовить детали со сложной геометрической формой. Но на 3D-принтерах можно вырастить практически любую модель, где каждый изгиб и угол будет в точности соответствовать компьютерному эскизу.
  • Улучшенные характеристики готового изделия. Послойное изготовление позволяет создать продукцию, которая по своим характеристикам превосходит изделия, созданные традиционным способом. Например, детали, созданные на металлическом принтере по своим качествам намного лучше изготовленных с помощью литья или штамповки.
  • Быстрота и легкость обучения персонала. Обучиться создавать трехмерные модели намного проще, чем обучение созданию таких изделий ручным способом. Тем более, что времени на это уйдет намного меньше.
  • Мобильность производства. Сотрудник, создающий модели в программе, может находиться в любой части света. Аддитивные технологии позволяют быстро вносить корректировки и быстро пересылать готовые файлы коллегам по электронной почте.
  • Точность размеров. У продукции, изготовленной с помощью аддитивных технологий, можно задать разметы с точностью до миллиметров.
  • Экологичность. Использование 3D-печати сокращает вредное влияние на окружающую среду. Выброс парниковых газов снижается за счет оптимизации процессов и использования меньшего количества материалов.
  • Снижение веса деталей. Использование аддитивных технологий в некоторых отраслях позволяет изготавливать более легкие, но не менее прочные изделия. Например, двигатели для самолетов.
  • Меньшие затраты на трудовые ресурсы. Так как большая часть процессов автоматизирована, зачастую к выполнению задач привлекается меньшее количество работников, что уменьшает расходы на оплату труда.
 

Несмотря на все видимые преимущества у аддитивных технологий есть и свои недостатки.

  • Высокая стоимость. Если необходимо изготовить первичные образцы изделий, то использование этой технологии обойдется дешевле традиционных методов. Но когда нужно запустить массовое производство, применение 3D-принтера обойдется намного дороже.
  • Качество поверхности. На поверхности изделий, выращенных на 3D-принтере, всегда есть шероховатости из-за используемой технологии процесса.
  • Ограниченный список материалов. Спектр материалов значительно увеличился за последние годы, но использовать некоторые материалы по-прежнему нельзя.
  • Трещины на изделии. При применении некоторых методов печати на изделии могут образоваться трещины.
  • Ограниченный размер изделий. Размер продукции всегда ограничен размерами поля печати 3D-принтера.
 

Таким образом, как и у любой новой современной технологии у 3D-печати есть ряд преимуществ и недостатков и возможность ее применения зависит от многих факторов.

Будущее аддитивных технологий

Подводя итоги можно сказать, что аддитивные технологии завоевывают мир науки и промышленности и этот процесс не обратим. Во многих сферах технологии показали свою эффективность и во многом облегчают жизнь общества. Аддитивные технологии могут стать «точками роста» инновационной экономики мира. Но для этого необходима максимальная консолидация усилий научно-исследовательских институтов, государственных научных центров, промышленных предприятий и бизнес структур. Особое внимание следует уделить системе нормативно-регулирующей документации, разработке стандартов, аттестации и сертификации аддитивных технологий. Учтя и постепенно усовершенствуя имеющиеся на сегодняшний пробелы в аддитивных технологиях, эта сфера имеет большие перспективы в будущем.

4

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.

Наши специалисты ответят на все Ваши вопросы
ТОЛЬКО
ДО 31 ОКТЯБРЯ
При покупке принтера поможем с оцифровкой моделей, подготовкой кодов печати и проведём дополнительное обучение на территории Заказчика!
Акция действует при покупки любого 3D принтера.
БЕСПЛАТНО