Additiv fremstillingsteknik: teknologier og anvendelser

Informatic Digital » Recursos » Additiv fremstillingsteknik: teknologier og anvendelser

La additiv fremstillingsteknik er blevet en af ​​de store drivkræfter for forandring i teknologi i industrienHvad der for få år siden blev betragtet som simple 3D-printere til prototyper, er i dag et sæt af teknologier, der er i stand til at fremstille funktionelle dele, komplekse metalkomponenter og skræddersyede løsninger i sektorer så krævende som luftfart, medicin eller bilindustrien.

I denne sammenhæng er det vigtigt at forstå Hvilke typer additive fremstillingsprocesser findes, hvilke fordele tilbyder de, og i hvilke tilfælde er det fordelagtigt at bruge hver enkelt?Ud over teknologierne vokser der også en hel række universitets- og postgraduate-uddannelsesprogrammer, såvel som forskningslinjer, der sigter mod at integrere disse løsninger i digital fabrik, automatisere processer og forbedre den samlede produktivitet i industrianlæg.

Hvad er additiv fremstilling, og hvorfor er det vigtigt inden for ingeniørvidenskab?

Når vi taler om additiv fremstilling, refererer vi til et sæt af teknologiske processer at De bygger dele ved at tilføje materiale lag for lag fra et CAD-design eller et 3D-scanningI modsætning til subtraktive metoder (såsom bearbejdning, der starter fra en blok og fjerner materiale), genereres volumenet her kun, hvor det er nødvendigt, hvilket åbner døren for meget komplekse geometrier og en langt mere effektiv materialeudnyttelse.

Alle 3D-printteknologier deler dette mål om skabe tredimensionelle objekter ved ekstrudering, aflejring eller størkning lag for lagMen måden, de opnår det på, er meget forskellig: de ændrer materialerne (plast, harpikser, metaller, keramiske pulvere), energikilden (laser, elektronstråle, projiceret lys) og den endelige ydeevne (mekanisk modstand, præcision, omkostninger, hastighed osv.).

Derfor taler vi inden for ingeniørvidenskab ikke bare om "3D-printning" på en generisk måde, men om specifikke additive fremstillingsprocesser (se teknologiske processerDisse muligheder vælges baseret på anvendelsen, kvalitetskrav og budget. At printe en billig visuel prototype er ikke det samme som at printe en motordel, der udsættes for høje temperaturer, eller et specialfremstillet medicinsk implantat.

Virksomheder, der investerer i denne teknologi, kombinerer den ofte med avanceret design, effektive produktionsmetoder og produktionsstyringssystemerså 3D-printeren ikke er et isoleret element, men endnu en del af den forbundne og digitale fabrik.

Hovedtyper af additiv fremstilling i industrien

I det industrielle miljø findes der adskillige additive fremstillingsprocesser, men nogle har fået særlig betydning på grund af deres teknologisk modenhed, resultaternes stabilitet og tilgængeligheden af ​​materialerDisse omfatter modellering af smeltet deponering, stereolitografi, lasersintring og smeltningsvarianter, projekteret lysteknologi og mere avancerede metalbearbejdningsmetoder; mange af disse løsninger optræder også på lister over Nye teknologier relevante for branchen.

De mest relevante typer af additiv fremstilling er beskrevet nedenfor. Dens fordele, begrænsninger og almindelige anvendelsesscenarierintegrering af både polymerorienterede og metalspecialiserede processer.

Modellering af smeltet deposition (FDM / FFF)

Smeltet depositionsmodellering, kendt som FDM eller FFF, er sandsynligvis den mest udbredte 3D-printteknologiI denne proces aflejrer en printer smeltet termoplastfilament gennem en opvarmet dyse, lag for lag, på en byggeplatform. Materialet størkner hurtigt og danner det endelige objekt langs de baner, der er defineret i printfilen.

Denne teknik muliggør fremstilling Holdbare og relativt lette dele med god dimensionsstabilitet og varmetoleranceisær når man bruger tekniske polymerer. Omkostningerne til udstyr og forbrugsvarer er normalt rimelige, hvilket forklarer den udbredte anvendelse i både SMV'er og store virksomheder til prototyping, værktøj, skabeloner, understøtninger og korte produktionsserier.

Dele fremstillet ved hjælp af FDM kan dog udvise anisotropisk adfærdStyrken er ikke ensartet i alle retninger, da lagforbindelsen normalt er det svageste punkt. Dette nødvendiggør omhyggelig orientering af delen og valg af trykparametre, når der ønskes høj mekanisk ydeevne.

Stereolitografi (SLA)

Stereolitografi er en af ​​de banebrydende processer inden for additiv fremstilling og er baseret på brugen af lysfølsomme flydende harpikser hærdet med ultraviolet lysEn printer udstyret med en UV-laser eller lignende lyskilde størkner harpiksen lag for lag, idet den følger sektionerne i 3D-modellen og dermed opbygger stykket nedefra og op.

Dens største styrke er ekstremt høj præcision og overfladekvalitet hvilket den leverer, hvilket gør den ideel til fremstilling af prototyper med en meget bemærkelsesværdig detaljeringsgrad, produktmock-ups, masterforme eller modeller til sektorer som smykker, tandpleje eller industrielt design.

Denne type additiv fremstilling er især værdifuld, når du har brug for at fremskynde oprettelsen af ​​HD-prototyper på bare et par timermed snævre tolerancer og meget fine overflader. De anvendte harpikser tilbyder dog ofte mere begrænsede mekaniske og termiske egenskaber end andre plasttyper, og store dele kan være tilbøjelige til deformation eller indre spændinger, hvis processen ikke er godt kontrolleret.

Selektiv lasersintring (SLS)

Selektiv lasersintring bruger et pulverlag (typisk polymerer såsom PA12 og andre tekniske materialer), hvorpå en laser sintrer eller smelter selektivt materialepartikler efter geometrien af ​​hvert lag. Når et lag er færdigt, påføres et nyt lag pulver, og processen gentages, indtil stykket er færdigt.

Denne teknologi skiller sig ud ved sin evne til at producere Robuste, funktionelle dele med fremragende mekanisk modstandsdygtighed og intet behov for støttestrukturerfordi det usintrede pulver selv understøtter delen under fremstillingen. Dette muliggør skabelse af meget komplekse geometrier med indvendige hulrum, integrerede hængsler og leddelte komponenter, alt sammen i ét stykke.

Typiske eksempler produceret med SLS inkluderer fleksible hængsler, bevægelige dele, pakninger, stive huse og snap-fit ​​komponentersåvel som samlinger, der kan samles direkte fra printpladen. Egenskaberne er normalt ret isotrope, hvilket betyder, at de er ens langs forskellige akser, hvilket forbedrer den samlede mekaniske opførsel.

Omvendt involverer SLS-maskiner høje initiale investeringer, betydelige vedligeholdelsesomkostninger og et behov for specialiseret personale at forberede, betjene og rengøre udstyret. Derudover kræver støvhåndtering, sikkerhed og efterbehandling passende faciliteter.

Selektiv lasersmeltning (SLM) og direkte metallasersintring (DMLS)

Når man arbejder med metaller, er en af ​​nøgleprocesserne direkte lasersintring, også kendt som selektiv lasersmeltning. Begge udtryk bruges ofte til at beskrive processer, hvor en En højtydende laser smelter et meget fint metallisk pulver fuldstændigt. (titanium, aluminium, stål, superlegeringer osv.) i et pulverleje.

Lag for lag scanner laseren de punkter, der er defineret af designet, smeltning og størkning af metallet at bygge funktionelle prototyper og færdige komponenter med mekaniske egenskaber, der ligger meget tæt på dem, som dele fremstillet ved konventionelle metoder har. Resultatet er tætte, præcise og repeterbare komponenter, forudsat at processen er veloptimeret.

Denne teknologi er ideel til produktion geometrier, der er umulige at opnå med traditionelle processersåsom komplekse interne kølekanaler, lette gitterstrukturer eller topologisk optimerede bioniske designs. Det er også særligt relevant til at skabe funktionelle metalprototyper, dele med specifikke mekaniske og termiske krav og modeller til validering af 3D-designs i virkelige miljøer.

Industrier som luftfart, medicinsk (bioniske hænder med kunstig intelligens) Bilindustrien værdsætter disse muligheder meget, da kombination af lethed, styrke og designfrihed Det passer rigtig godt til deres behov. Til gengæld kræver DMLS/SLM dyrt udstyr, erfarne operatører, streng støvhåndtering og ofte støttemaskiner såsom elektrisk udladningsbearbejdningsudstyr (EDM) og varmebehandlingssystemer.

Binder Jetting

Binder-sprøjtestøbning er en additiv fremstillingsproces, hvor basismaterialet præsenteres i form af fint pulver, der fordeles lag for lag over printlejetEfter hvert lag pulver er aflejret, sprøjter et eller flere printhoveder et flydende bindemiddel ind i de områder, hvor geometrien skal dannes, så partiklerne binder sig sammen og giver anledning til en "grøn" del.

Denne teknologi skiller sig ud ved sine høj hastighed og god dimensionsnøjagtighedDa printhovederne kan afsætte bindemiddel samtidigt på flere punkter, muliggør det produktion af snesevis eller endda hundredvis af stykker i en enkelt batch. Prisen pr. stykke er typisk konkurrencedygtig, hvilket gør det attraktivt for serieproduktion.

Dele fremstillet ved bindemiddelindsprøjtning viser dog ofte lavere mekaniske styrker end dem, der opnås med andre metallurgiske processer såsom DMLS eller EBM, især hvis der ikke udføres korrekte efterfølgende sintrings- eller infiltrationstrin. Det bruges ofte, når produktionsvolumen og omkostninger prioriteres over maksimal mekanisk ydeevne.

Fremstilling af smeltet metalfilament (FFF Metal)

I denne proces er udgangsmaterialet et filament bestående af metallisk pulver bundet af et polymert bindemiddelPrinteren afsætter filamentet lag for lag efter et princip, der ligner FFF-plastik, og opnår et stykke, der stadig indeholder en betydelig andel bindemiddel.

Efterfølgende gennemgår stykket en deagglomerering og sintringsbehandling i en ovnhvor bindemidlet fjernes, og metalpartiklerne samles, hvilket resulterer i en metallisk komponent med en indre struktur, der typisk er fyldt (f.eks. trekantet mønster) og lavere densitet end et fuldstændigt massivt stykke.

Blandt dens fordele er Større sikkerhed og nem håndtering af agglomereret pulver sammenlignet med løst pulverDen brede tilgængelighed af materialer og en lavere indkøringspris end andre metalteknologier er vigtige fordele. Som en sideeffekt er delene ikke fuldstændig tætte, hvilket resulterer i lettere komponenter, hvilket enten kan være en fordel eller en begrænsning afhængigt af anvendelsen.

Digital lysbehandling (DLP)

Digital lysbehandling er en teknologi, der ligner stereolitografi, men med én vigtig forskel: i stedet for at scanne hver sektion med en laser, Den projicerer hele billedet af hvert lag på én gang. Fotopolymerharpiksen påføres ved hjælp af en digital projektor. Dette gør det muligt for hvert lag at hærde fuldstændigt på én gang.

Denne arbejdsmetode giver en god konstruktionshastighed og evne til at reproducere designs med meget komplekse geometrieropretholder høj præcision. Det findes almindeligvis i applikationer, hvor mange små, meget detaljerede dele skal produceres gentagne gange.

Som ulempe genererer DLP-processen ofte stærke lugte under udskrivning Og store dele kan blive udsat for deformationer eller indre spændinger, hvis orienteringen og understøtningerne ikke håndteres korrekt, svarende til hvad der sker med nogle SLA-harpikser.

Direkte energiaflejring (DED)

Direkte energiaflejring er en metallisk additiv fremstillingsproces, hvor en dyse monteret på en multiakset robotarm med en laser eller en elektronstråle, der smelter materialet (i form af en metaltråd eller pulver) lige på aflejringsstedet.

Takket være denne konfiguration kan systemet påfør materiale fra stort set alle vinklerDED involverer opbygning eller reparation af dele på eksisterende komponenter. Dette gør DED til en meget attraktiv løsning til genvinding af dele af høj værdi, forstærkning af kritiske områder eller fremstilling af store komponenter, der er vanskelige at producere med andre metoder.

Blandt dens vigtigste fordele er evnen til at fremstille store metaldele og tilføjelse af materiale til allerede fremstillede komponenterDette er især nyttigt i sektorer som luftfart og energi. Disse er dog komplekse og dyre maskiner, der kræver højt kvalificeret personale, specielt tilpassede rum til støvhåndtering og betydelig efterbehandling for at forfine præcision og overfladefinish.

Elektronstrålefusion (EBM)

Elektronstrålefusion anvender en højenergisk elektronstråle, styret af et magnetfeltat smelte metalpulveret lag for lag. Hele processen finder sted inde i et vakuumkammer, en nødvendig betingelse for elektronstrålens funktion.

Denne teknologi giver os mulighed for at opnå høje produktionshastigheder, god præcision og dele med fremragende mekaniske egenskaberDette gør det højt værdsat til højtydende superlegeringer i banebrydende sektorer. Vakuumkammeret og metoden til energitilførsel påvirker også materialets endelige mikrostruktur.

Brugen af ​​EBM indebærer avanceret udstyr og erfarent personale til at styre procesparametre, vedligeholdelse og sikkerhed. Derfor findes den typisk i avancerede industrielle miljøer og projekter med høje tekniske krav.

MultiJet-udskrivning (MJP / Materiale Jetting)

MultiJet-trykning, eller materialejetting, er baseret på aflejring af mikrodråber af et fotoreaktivt materiale i de ønskede positioner for hvert lag. Efter hver passage hærder en ultraviolet lyskilde materialet, hvilket gør det fast og danner den geometri, der er defineret af 3D-modellen.

En væsentlig fordel er, at det tillader kombinere forskellige materialer og farver i samme stykkeDette skyldes, at de forskellige printhoveder kan dispensere forskellige materialer på en kontrolleret måde. Dette gør det særligt interessant til realistiske prototyper, produktmodeller og komponenter, hvor det endelige udseende skal simuleres.

Det mindre gunstige aspekt er, at stykkerne har tendens til at vise lavere styrke og holdbarhed end dem, der er fremstillet med andre processer, der er mere orienteret mod en funktionel endelig anvendelse, så det er normalt reserveret til prototyper, mock-ups og visuelle valideringsmodeller.

Additiv fremstilling og specialiseret universitetsuddannelse

Den hurtige udvikling af disse teknologier har ført til et voksende udbud af Specifikke universitetsuddannelsesprogrammer inden for additiv fremstillingDette program tilbydes både på bachelor- og især kandidatniveau samt inden for professionel specialisering. Målet er at udstyre ingeniører med solide færdigheder inden for additiv fremstillingsdesign, procesvalg, materialeevaluering og industriel projektledelse.

Nogle institutioner tilbyder modulære rejseplaner Disse programmer giver studerende mulighed for at tage forskellige moduler, der fører til kvalifikationer på forskellige niveauer (efteruddannelse, kandidatuddannelser, specialistdiplomer, eksperttitler, genopfriskningscertifikater osv.). På denne måde er det muligt at skræddersy uddannelsesforløbet til den enkeltes tidligere erfaring og professionelle mål.

I tilfælde af uddannelser, der fører til kandidatgrader i efteruddannelse, specialist- eller ekspertkvalifikationer, er det normalt et krav at have en Officiel universitetsgrad, bachelorgrad, licentiatgrad, diplomgrad, ingeniørvidenskab, teknisk ingeniørvidenskab, arkitektur eller teknisk arkitektur (se 15 typer ingeniørvidenskabDerudover kan ledelsen af ​​hvert kursus foreslå yderligere forudgående uddannelseskrav inden for specifikke discipliner (materialer, design, fremstilling osv.).

I særlige tilfælde overvejer nogle universiteter at optage fagfolk uden de nødvendige formelle kvalifikationer, forudsat at demonstrere tilstrækkelig erfaring gennem deres CV og opfylde universitetets adgangskrav fastsat i gældende regler. I sådanne tilfælde kan rektors kontor eller den kompetente myndighed godkende indskrivning efter at have modtaget en positiv rapport fra programlederen.

Hvis en studerende tilmelder sig et kandidatuddannelsesprogram uden at opfylde adgangskravene til den tilsvarende uddannelse, Du vil kunne gennemføre og bestå kurset, men du vil ikke modtage det officielle certifikat.men et færdiggørelsesbevis. For andre typer akkreditering, såsom visse professionelle eksamensbeviser eller åben læring og efteruddannelsesbeviser, kræves der ikke altid minimumsadgangskrav ud over dem, der er fastsat af kursuslederen.

Forskning, overførsel og digital fabrik inden for additiv fremstilling

Additiv fremstilling er ikke begrænset til klasseværelser eller universitetslaboratorier: der er en stærk orientering mod samarbejde med industrien og videnoverførselSpecialiserede forskningsgrupper arbejder på konkurrenceprægede projekter (f.eks. inden for rammerne af nationale FoU-planer) og samarbejder med virksomheder for at tage innovationer fra prototype til industriel udnyttelse, hvilket fremmer innovation inden for teknologi gældende for sektoren.

Resultaterne af denne forskningsaktivitet fremkommer videnskabelige publikationer i tidsskrifter med stor gennemslagskraft, patenter og teknologiske udviklinger som overføres til produktionsmiljøet. Disse forskningslinjer er normalt organiseret omkring flere nøgleakser for Industri 4.0 og den digitale fabrik.

En af de grundlæggende linjer fokuserer på analyse, udvikling og automatisering af produktionsprocesserDette omfatter både traditionelle teknologier (CNC-fremstilling, mikrofabrikation, plastindsprøjtning) og additiv fremstilling og avancerede mekatroniske systemer med det formål at forbedre nøjagtigheden, repeterbarheden og fleksibiliteten i produktionsprocesser.

Et andet essentielt område er vidensteknologi anvendt til design og fremstillingDette område fokuserer på automatiseret værktøjsudvikling, integration af CAX-værktøjer (CAD/CAM/CAE) og PLM-systemer samt informationsmodeller, der letter dataflow gennem hele produktets livscyklus. I additiv fremstilling betyder dette optimering af designs specifikke for hver proces og automatisering af forberedelsen af ​​printjob.

La industriel ledelse og effektivitet Det spiller også en ledende rolle. Metoder som Lean Manufacturing, simuleringsværktøjer og MES (Manufacturing Execution Systems) anvendes til at øge produktiviteten, reducere nedetid og forbedre processtyring, hvor additiv fremstilling kombineres med andre teknologier på samme produktionslinje.

Inden for den digitale fabrik, indførelsen af Muliggørende teknologier såsom kollaborativ robotteknologi, vertikal integration af information, Industrial Internet of Things (IIoT) og avanceret dataanalyse Det muliggør skabelsen af ​​smartere produktionsmiljøer. I disse miljøer er 3D-printere og efterbehandlingsceller en del af et forbundet økosystem, der overvåger parametre i realtid og dynamisk justerer processer.

Endelig udvikler de sig Sektorundersøgelser af implementering af teknologier i industrienGraden af ​​implementering af additiv fremstilling, adgangsbarrierer og indvirkningen på forskellige sektorer analyseres. Disse analyser hjælper med at vejlede investeringer, designe innovationsstrategier og identificere muligheder for nye applikationer eller forretningsmodeller baseret på distribueret fremstilling og massetilpasning.

Hele dette uddannelses-, forsknings- og industrielle økosystem danner et scenarie, hvor Additiv fremstillingsteknologi konsoliderer sig som en strategisk søjle for konkurrenceevneKombination af forskellige processer (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, bindemiddelinjektion, metal-FFF) med nye måder at designe, producere og håndtere information på fabrikken. En grundig forståelse af hver teknologis egenskaber, fordele, begrænsninger og den kontekst, de anvendes i, giver mulighed for mere informerede beslutninger om, hvilken proces der skal anvendes, hvordan den skal integreres i produktionslinjen, og hvilke færdigheder der skal udvikles for at maksimere dens fordele.