Additiv fremstillingsteknik: teknologier og anvendelser

Informatic Digital » Recursos » Additiv fremstillingsteknik: teknologier og anvendelser

Additiv fremstillingsteknologi er blevet en af ​​de vigtigste drivkræfter for teknologiske forandringer i industrien . Hvad der for få år siden blev betragtet som simple 3D-printere til prototyper, er i dag et sæt teknologier, der er i stand til at fremstille funktionelle dele, komplekse metalkomponenter og skræddersyede løsninger i krævende sektorer som luftfart, medicin og bilindustrien.

I denne sammenhæng er det vigtigt at forstå, hvilke typer additive fremstillingsprocesser der findes, hvilke fordele de tilbyder, og i hvilke tilfælde det er fordelagtigt at bruge hver enkelt . Ud over selve teknologierne vokser der også en hel række universitets- og postgraduate-uddannelsesprogrammer, samt forskningslinjer, der fokuserer på at integrere disse løsninger i den digitale 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 teknologiske processer , der bygger dele ved at tilføje materiale lag for lag, baseret på et CAD-design eller en 3D-scanning . I modsætning til subtraktive metoder (såsom bearbejdning, der starter med en blok og fjerner materiale), genereres volumen her kun, hvor det er nødvendigt, hvilket åbner døren for meget komplekse geometrier og en langt mere effektiv materialeudnyttelse.

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

Derfor taler vi inden for ingeniørvidenskab ikke kun om "3D-printning" generelt, men om specifikke additive fremstillingsprocesser (se teknologiske processer ), der vælges i henhold til applikationen, kvalitetskravene og budgettet. At printe en billig visuel prototype er ikke det samme som at printe en motordel, der udsættes for høje temperaturer, eller et personligt medicinsk implantat.

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

Hovedtyper af additiv fremstilling i industrien

Der findes adskillige additive fremstillingsprocesser i industrisektoren, men nogle har opnået særlig fremtrædende plads på grund af deres teknologiske modenhed, ensartede resultater og materialetilgængelighed . Disse omfatter smeltet deponeringsmodellering, stereolitografi, forskellige lasersintrings- og smelteteknikker, lysbaserede teknologier og mere avancerede metalbearbejdningsmetoder; mange af disse løsninger optræder også på lister over relevante nye teknologier i branchen.

Følgende beskriver de mest relevante typer additiv fremstilling, deres fordele, begrænsninger og almindelige anvendelsesscenarier , der integrerer både polymerorienterede processer og dem, der er specialiseret i metal.

Modellering af smeltet deposition (FDM / FFF)

Fused deposition modeling, kendt som FDM eller FFF, er sandsynligvis den mest udbredte 3D-printteknologi . I 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 af holdbare og relativt lette dele med god dimensionsstabilitet og varmetolerance , især når der anvendes tekniske polymerer. Omkostningerne til udstyr og forbrugsvarer er typisk lave, hvilket forklarer dens udbredte anvendelse blandt både SMV'er og store virksomheder til prototyping, værktøj, skabeloner, understøtninger og korte produktionsserier.

Dele fremstillet ved hjælp af FDM kan dog udvise anisotropisk adfærd : deres styrke er ikke ensartet i alle retninger, da lagforbindelsen typisk er det svageste punkt. Dette kræver omhyggelig delorientering 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 lys . En printer udstyret med en UV-laser eller lignende lyskilde størkner harpiksen lag for lag, idet den følger sektionerne i 3D-modellen og dermed opbygger delen nedefra og op.

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

Denne type additiv fremstilling er især værdifuld, når der er behov for hurtigt at skabe HD-prototyper på blot et par timer med snævre tolerancer og meget fine finish. 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 kontrolleres omhyggeligt.

Selektiv lasersintring (SLS)

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

Denne teknologi skiller sig ud ved sin evne til at producere robuste, funktionelle dele med fremragende mekanisk styrke og uden behov for støttestrukturer , da 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 omfatter fleksible hængsler, bevægelige dele, pakninger, stive huse og snap-fit-komponenter , samt samlinger, der kan samles direkte fra printlejen. Egenskaberne er normalt ret isotrope, hvilket betyder, at de er ens langs forskellige akser, hvilket forbedrer den samlede mekaniske ydeevne.

På den anden side indebærer SLS-maskiner høje initialinvesteringer, betydelige vedligeholdelsesomkostninger og behovet for specialiseret personale til 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 ​​de førende teknikker direkte lasersintring, også kendt som selektiv lasersmeltning. Begge udtryk bruges ofte til at beskrive processer, hvor en højtydende laser fuldstændigt smelter et meget fint metalpulver (titanium, aluminium, stål, superlegeringer osv.) i et pulverleje.

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

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

Industrier som luftfart, medicin (bioniske hænder med kunstig intelligens) og bilindustrien værdsætter disse muligheder i høj grad, da kombinationen af ​​lethed, styrke og designfrihed passer perfekt til deres behov. Til gengæld kræver DMLS/SLM dyrt udstyr, erfarne operatører, streng støvhåndtering og ofte understøttende maskiner såsom elektrisk udladningsbearbejdningsudstyr (EDM) og varmebehandlingssystemer.

Binder Jetting

Binder-jetting er en additiv fremstillingsproces, hvor basismaterialet præsenteres som et fint pulver, der spredes lag for lag på printlejet . Efter 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 skaber en "grøn" del.

Denne teknologi skiller sig ud ved sin høje hastighed og gode dimensionsnøjagtighed , da printhovederne kan afsætte bindemiddel samtidigt på flere punkter, hvilket muliggør produktion af snesevis eller endda hundredvis af dele i en enkelt batch. Prisen pr. styk er typisk konkurrencedygtig, hvilket gør den attraktiv til serieproduktion.

Dele produceret ved bindemiddelinjektionsstøbning udviser dog typisk lavere mekanisk styrke end dem, der opnås med andre metalbearbejdningsprocesser såsom DMLS eller EBM, især hvis efterfølgende sintrings- eller infiltrationstrin ikke udføres. Denne metode anvendes ofte, når produktionsvolumen og omkostninger har forrang frem for maksimal mekanisk ydeevne.

Fremstilling af smeltet metalfilament (FFF Metal)

I denne proces er udgangsmaterialet et filament bestående af metalpulver bundet med et polymerbindemiddel . Printeren aflejrer filamentet lag for lag efter et princip, der ligner fremstilling af FFF-plastfilamenter, hvilket resulterer i en del, der stadig indeholder en betydelig mængde bindemiddel.

Derefter gennemgår emnet en deagglomerations- og sintringsbehandling i en ovn , hvor bindemidlet fjernes, og metalpartiklerne sammenføjes, hvilket resulterer i en metallisk komponent med en indre struktur, der typisk er fyldt (f.eks. trekantet mønster) og lavere densitet end et fuldstændig massivt emne.

Blandt fordelene er den større sikkerhed og nemme håndtering af agglomereret pulver sammenlignet med løst pulver , den brede tilgængelighed af materialer og en lavere startpris end andre metalteknologier. 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 en vigtig forskel: i stedet for at scanne hver sektion med en laser, projicerer den hele billedet af hvert lag på fotopolymerharpiksen på én gang ved hjælp af en digital projektor. Dette gør det muligt for hvert lag at hærde fuldstændigt samtidigt.

Denne metode tilbyder høj fremstillingshastighed og muligheden for at reproducere designs med meget komplekse geometrier, samtidig med at høj præcision opretholdes. Den findes almindeligvis i applikationer, der kræver gentagen produktion af mange små, meget detaljerede dele.

Som ulemper genererer DLP-processen ofte stærke lugte under trykning , og store dele kan lide af deformationer eller indre belastninger, hvis orienteringen og understøtningerne ikke håndteres korrekt, svarende til hvad der sker med nogle SLA-harpikser.

Direkte energiaflejring (DED)

Direkte energiaflejring er en additiv fremstillingsproces for metal, hvor en dyse monteret på en multiakset robotarm kombineres med en laser- eller elektronstråle, der smelter materialet (i form af metaltråd eller pulver) lige ved aflejringspunktet.

Takket være denne konfiguration kan systemet påføre materiale fra stort set alle vinkler , bygge eller reparere dele på eksisterende komponenter. Dette gør DED til en meget attraktiv løsning til genbrug af dele af høj værdi, forstærkning af kritiske områder eller fremstilling af store komponenter, der er vanskelige at producere med andre metoder.

Blandt de vigtigste fordele er muligheden for at fremstille metaldele i store mængder og tilføje materiale til eksisterende komponenter , hvilket er særligt nyttigt i sektorer som luftfart og energi. På den anden side er disse komplekse og dyre maskiner, der kræver højtuddannet personale, specialiserede støvhåndteringsrum og betydelig efterbehandling for at forfine præcision og overfladefinish.

Elektronstrålefusion (EBM)

Elektronstrålesmeltning bruger en højenergisk elektronstråle, styret af et magnetfelt , til at smelte metalpulver lag for lag. Hele processen finder sted inde i et vakuumkammer, en nødvendig betingelse for at elektronstrålen kan fungere.

Denne teknologi muliggør høje fremstillingshastigheder, god præcision og dele med fremragende mekaniske egenskaber , hvilket gør den højt værdsat til højtydende superlegeringer i banebrydende sektorer. Vakuumkammeret og energitilførselsmetoden påvirker også materialets endelige mikrostruktur.

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

MultiJet-udskrivning (MJP / Materiale Jetting)

MultiJet-printning, eller materialejetting, er baseret på aflejring af mikrodråber af et fotoreaktivt materiale på de ønskede positioner i 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 betydelig fordel er, at det giver mulighed for at kombinere forskellige materialer og farver i en enkelt del , da 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 delene har tendens til at have mindre modstandsdygtighed og holdbarhed end dem, der er fremstillet med andre processer, der er mere orienteret mod funktionel slutanvendelse, så det er normalt forbeholdt prototyper, mock-ups og visuelle valideringsmodeller.

Additiv fremstilling og specialiseret universitetsuddannelse

Den hurtige udvikling af disse teknologier har ansporet et stigende antal universitetsuddannelser, der specifikt fokuserer på additiv fremstilling , både på bachelor- og især kandidatniveau, inklusive faglig specialisering. Målet er at udstyre ingeniører med solide færdigheder inden for design til additiv fremstilling, procesvalg, materialeevaluering og industriel projektledelse.

Nogle institutioner tilbyder modulære uddannelsesforløb , hvor studerende kan tage forskellige moduler, der fører til kvalifikationer på forskellige niveauer (kandidatuddannelser inden for videreuddannelse, specialistdiplomer, eksperttitler, genopfriskningscertifikater osv.). Dette giver de studerende mulighed for at skræddersy deres læringsforløb til deres tidligere erfaring og professionelle mål.

For uddannelser, der fører til kandidatgrader i efteruddannelse, specialist- eller ekspertkvalifikationer, kræves der normalt en officiel universitetsgrad (bachelor, licentiat, diplom, ingeniørvidenskab, teknisk ingeniørvidenskab, arkitektur eller teknisk arkitektur) (se 15 typer ingeniørvidenskab ). Derudover kan kursuslederen foreslå yderligere forudsætninger inden for specifikke discipliner (materialer, design, fremstilling osv.).

I særlige tilfælde overvejer nogle universiteter at optage professionelle uden de nødvendige formelle kvalifikationer, forudsat at de kan dokumentere tilstrækkelig erfaring gennem deres curriculum vitae og opfylder universitetets adgangskrav fastsat i gældende regler. I sådanne tilfælde kan rektor eller den kompetente instans godkende optagelse efter at have modtaget en positiv rapport fra programlederen.

Hvis en studerende tilmelder sig et kandidatuddannelseskursus uden at opfylde adgangskravene til den tilsvarende grad, kan de stadig gennemføre og bestå kurset, men vil ikke modtage selve graden , men i stedet modtage et eksamensbevis. For andre typer akkreditering, såsom visse professionelle eksamensbeviser eller åben læring og efteruddannelsesbeviser, er minimumsadgangskrav ud over dem, der er fastsat af kursuslederen, ikke altid nødvendige.

Forskning, overførsel og digital fabrik inden for additiv fremstilling

Additiv fremstilling er ikke begrænset til klasseværelser eller universitetslaboratorier: der er et stærkt fokus på samarbejde med industrien og videnoverførsel . Specialiserede forskningsgrupper arbejder på konkurrencedygtige projekter (f.eks. inden for rammerne af nationale forsknings- og udviklingsplaner) og samarbejder med virksomheder for at tage innovationer fra prototype til industriel produktion og dermed fremme innovation inden for teknologi, der kan anvendes i sektoren.

Denne forskningsaktivitet resulterer i videnskabelige publikationer i tidsskrifter med stor gennemslagskraft, patenter og teknologiske udviklinger , der overføres til produktionsmiljøet. Disse forskningslinjer er typisk organiseret omkring flere nøgleområder for Industri 4.0 og den digitale fabrik.

Et af de centrale fokusområder er analyse, udvikling og automatisering af fremstillingsprocesser . Dette omfatter både traditionelle teknologier (CNC-fremstilling, mikrofabrikation, plastsprøjtestøbning) og additiv fremstilling og avancerede mekatroniske systemer med det formål at forbedre nøjagtigheden, repeterbarheden og fleksibiliteten i produktionsprocesser.

Et andet væsentligt område er vidensteknologi anvendt i design og fremstilling , hvor der arbejdes med automatiseret udvikling af værktøjer, 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.

Industriel ledelse og effektivitet spiller også en central rolle. Metoder som Lean Manufacturing, simuleringsværktøjer og Manufacturing Execution Systems (MES) anvendes til at øge produktiviteten, reducere nedetid og forbedre processtyringen i processer, hvor additiv fremstilling kombineres med andre teknologier på samme produktionslinje.

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

Endelig udføres sektorspecifikke undersøgelser af implementeringen af ​​teknologier i industrien , graden af ​​​​adoption af additiv fremstilling, adgangsbarrierer og virkningen på forskellige sektorer. 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 skaber et scenarie, hvor additiv fremstillingsteknik konsoliderer sig selv som en strategisk søjle for konkurrenceevne , der kombinerer forskellige processer (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, bindemiddelindsprøjtning, metal-FFF) med nye måder at designe, producere og håndtere information på fabrikken. En grundig forståelse af hver teknologis specifikke kendetegn, dens fordele, dens begrænsninger og den kontekst, den anvendes i, giver mulighed for at træffe 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.