- Lisandite tootmine hõlmab mitut protsessi, mis võimaldavad luua CAD-projektide põhjal kiht-kihilt osi, kasutades materjale alates polümeeridest kuni täiustatud metallideni.
- Sellised tehnoloogiad nagu FDM, SLA, SLS, DMLS/SLM, DED, EBM, DLP, sideaine sissepritse, MJP ja metalli FFF pakuvad erinevaid kombinatsioone hinna, täpsuse ja mehaaniliste omaduste osas.
- Lisandite tootmisele spetsialiseerunud ülikooliharidus ja magistriõppe programmid on võtmetähtsusega, et luua profiile, mis suudavad kavandada, protsesse valida ja keerukaid tööstusprojekte juhtida.
- Integratsioon digitaalse tehasega, automatiseerimine, andmeanalüüs ja teadmiste edasiandmine teadus- ja arendustegevusest muudavad lisandite tootmise inseneriteaduse tööstusliku konkurentsivõime strateegiliseks elemendiks.
Lisandite tootmisest on saanud üks peamisi tehnoloogiliste muutuste edasiviivaid jõude tööstuses . See, mida veel mõned aastad tagasi peeti lihtsateks prototüüpide 3D-printeriteks, on tänapäeval tehnoloogiate kogum, mis on võimeline tootma funktsionaalseid osi, keerukaid metallkomponente ja kohandatud lahendusi nõudlikes sektorites, nagu lennundus, meditsiin ja autotööstus.
Selles kontekstis on oluline mõista, mis tüüpi lisandite tootmisprotsesse on olemas, milliseid eeliseid need pakuvad ja millistel juhtudel on iga protsessi kasutamine kasulik . Lisaks tehnoloogiatele endile kasvab ka terve hulk ülikoolide ja magistriõppe koolitusprogramme ning uurimissuunad, mis keskenduvad nende lahenduste integreerimisele digitaalsesse tehasesse , protsesside automatiseerimisele ja tööstusettevõtete üldise tootlikkuse parandamisele.
Mis on lisandtootmine ja miks see on inseneriteaduses oluline?
Lisandite tootmise all peame silmas tehnoloogiliste protsesside kogumit , mille käigus ehitatakse osi materjali kiht kihi haaval lisades, lähtudes CAD-disainist või 3D-skannimisest . Erinevalt subtraktiivsetest meetoditest (näiteks mehaaniline töötlemine, mis algab plokist ja eemaldab materjali) genereeritakse siin maht ainult seal, kus vaja, avades ukse väga keerukatele geomeetriatele ja palju tõhusamale materjali kasutamisele.
Kõigi 3D-printimise tehnoloogiate eesmärk on luua kolmemõõtmelisi objekte kiht-kihilt ekstrusiooni, sadestamise või tahkestamise teel , kuid selle saavutamise viis on väga erinev: materjalid (plastid, vaigud, metallid, keraamilised pulbrid) muutuvad, nagu ka energiaallikas (laser, elektronkiir, projitseeritud valgus) ja lõpptulemus (mehaaniline vastupidavus, täpsus, maksumus, kiirus jne).
Seetõttu ei räägi me inseneriteaduses ainult üldiselt "3D-printimisest", vaid ka spetsiifilistest lisandite tootmisprotsessidest (vt tehnoloogilised protsessid ), mis valitakse vastavalt rakendusele, kvaliteedinõuetele ja eelarvele. Odava visuaalse prototüübi printimine ei ole sama, mis kõrgetele temperatuuridele allutatud mootoriosa või personaalse meditsiinilise implantaadi printimine.
Ettevõtted, kes sellesse tehnoloogiasse investeerivad, ühendavad selle sageli täiustatud disaini, tõhusate tootmismeetodite ja tootmisjuhtimissüsteemidega , nii et 3D-printer ei ole isoleeritud element, vaid pigem ühendatud ja digitaalse tehase osa.
Lisandite tootmise peamised tüübid tööstuses
Tööstussektoris on arvukalt lisandite tootmisprotsesse, kuid mõned on saavutanud erilise tuntuse oma tehnoloogilise küpsuse, järjepidevate tulemuste ja materjalide kättesaadavuse tõttu. Nende hulka kuuluvad sulatatud sadestamise modelleerimine, stereolitograafia, mitmesugused laseriga paagutamise ja sulatamise tehnikad, valguspõhised tehnoloogiad ja täiustatud metallitöötlemismeetodid; paljud neist lahendustest esinevad ka tööstuses tekkivate asjakohaste tehnoloogiate loendites .
Järgnevalt kirjeldatakse kõige olulisemaid lisandite tootmise tüüpe, nende eeliseid, piiranguid ja levinumaid kasutusjuhte , integreerides nii polümeeridele orienteeritud protsesse kui ka metallidele spetsialiseerunud protsesse.
Sulatatud sadestamise modelleerimine (FDM / FFF)
Sulatatud sadestamise modelleerimine, tuntud ka kui FDM või FFF, on ilmselt kõige levinum 3D-printimise tehnoloogia . Selle protsessi käigus asetab printer sulatatud termoplastilise filamendi kuumutatud düüsi kaudu kiht kihi haaval printimisplatvormile. Materjal tahkestub kiiresti, moodustades lõppobjekti mööda prindifailis määratletud trajektoore.
See tehnika võimaldab toota vastupidavaid ja suhteliselt kergeid detaile, millel on hea mõõtmete stabiilsus ja kuumakindlus , eriti insenerpolümeeride kasutamisel. Seadmete ja kulumaterjalide hind on tavaliselt madal, mis seletab selle laialdast kasutuselevõttu nii VKEde kui ka suurettevõtete seas prototüüpide, tööriistade, mallide, tugede ja lühikeste tootmispartiide jaoks.
FDM-meetodil valmistatud detailidel võib aga esineda anisotroopne käitumine : nende tugevus ei ole igas suunas ühtlane, kuna kihtide ühenduskoht on tavaliselt kõige nõrgem koht. See nõuab detailide hoolikat orienteerimist ja trükiparameetrite valimist, kui soovitakse suurt mehaanilist jõudlust.
Stereolitograafia (SLA)
Stereolitograafia on üks teedrajavamaid protsesse lisandite tootmises ning see põhineb ultraviolettvalgusega kõvendatud valgustundlike vedelvaikude kasutamisel . UV-laseri või sarnase valgusallikaga varustatud printer tahkestab vaigu kiht kihi haaval, järgides 3D-mudeli lõike, ehitades detaili alt ülespoole.
Selle peamine tugevus on äärmiselt kõrge täpsus ja pinnakvaliteet , mis teeb sellest ideaalse valiku väga detailsete prototüüpide, tootemakettide, põhivormide või mudelite valmistamiseks sellistes sektorites nagu ehted, hambaravi või tööstusdisain.
Selline lisandite tootmine on eriti väärtuslik siis, kui on vaja kiiresti luua kõrglahutusega prototüüpe vaid mõne tunniga , täpsete tolerantside ja väga peene viimistlusega. Kasutatavatel vaikudel on aga sageli piiratumad mehaanilised ja termilised omadused kui teistel plastidel ning suured osad võivad deformeeruda või tekkida sisepinged, kui protsessi ei kontrollita hoolikalt.
Selektiivne laserpaagutamine (SLS)
Selektiivne lasersinterdamine kasutab pulberkihti (tavaliselt polümeere, näiteks PA12 ja muid insenerimaterjale), millele laser paagutab või sulatab valikuliselt materjaliosakesi vastavalt iga kihi geomeetriale. Kui kiht on valmis, kantakse peale uus pulbrikiht ja protsessi korratakse, kuni detail on valmis.
See tehnoloogia paistab silma oma võime poolest toota vastupidavaid ja funktsionaalseid osi suurepärase mehaanilise tugevusega ning ilma tugistruktuurideta , kuna paagutamata pulber ise toetab detaili tootmise ajal. See võimaldab luua väga keerukaid geomeetriaid, millel on sisemised õõnsused, integreeritud hinged ja liigendkomponendid – kõik ühes tükis.
Tüüpiliste SLS-i abil toodetud näidete hulka kuuluvad painduvad hinged, liikuvad osad, tihendid, jäigad korpused ja klõpskinnitusega komponendid , aga ka sõlmed, mida saab otse trükiplaadilt kokku panna. Omadused on tavaliselt üsna isotroopsed, mis tähendab, et need on erinevate telgede suunas sarnased, mis parandab üldist mehaanilist jõudlust.
Teisest küljest on SLS-masinatega seotud suured alginvesteeringud, märkimisväärsed hoolduskulud ning seadmete ettevalmistamiseks, käitamiseks ja puhastamiseks on vaja spetsiaalset personali. Lisaks vajavad tolmu ohjamine, ohutus ja järeltöötlus sobivaid rajatisi.
Selektiivne lasersulatus (SLM) ja otsene metalllaser-sinterdamine (DMLS)
Metallidega töötamisel on üks juhtivaid tehnikaid otsene laserpaagutamine, tuntud ka kui selektiivne lasersulatus. Mõlemat terminit kasutatakse sageli protsesside kirjeldamiseks, mille käigus suure võimsusega laser sulatab pulbervoodis täielikult väga peene metallipulbri (titaan, alumiinium, teras, supersulam jne).
Kiht kihi haaval skaneerib laser disainiga määratletud punkte, sulatades ja tahkestades metalli, et luua funktsionaalseid prototüüpe ja lõppkomponente, mille mehaanilised omadused on väga lähedased tavapäraste meetoditega toodetud osade omadustele. Tulemuseks on tihedad, täpsed ja korratavad komponendid, eeldusel, et protsess on hästi optimeeritud.
See tehnoloogia sobib ideaalselt selliste geomeetriate tootmiseks , mida traditsiooniliste protsessidega pole võimalik saavutada , näiteks keerukad sisemised jahutuskanalid, kerged võrestruktuurid või topoloogiliselt optimeeritud bioonilised disainid. See on eriti oluline ka funktsionaalsete metallprototüüpide, spetsiifiliste mehaaniliste ja termiliste nõuetega osade ning 3D-disainide valideerimise mudelite loomiseks reaalsetes keskkondades.
Sellised tööstusharud nagu lennundus, meditsiin (tehisintellektiga bioonilised käed) ja autotööstus hindavad neid võimalusi kõrgelt, kuna kerguse, tugevuse ja disainivabaduse kombinatsioon sobib ideaalselt nende vajadustega. Vastutasuks nõuab DMLS/SLM kallist varustust, kogenud operaatoreid, ranget tolmukontrolli ja sageli ka tugimasinaid, näiteks elektroerosioontöötlusseadmeid ja kuumtöötlussüsteeme.
Sideaine pritsimine
Sideaine pritsimine on lisandite tootmisprotsess, mille puhul alusmaterjal esitatakse peene pulbrina, mis kantakse kiht kihi haaval trükiplaadile . Pärast iga pulbrikihi pealekandmist pritsib üks või mitu trükipead vedelat sideainet piirkondadesse, kus geomeetria tuleb moodustada, nii et osakesed seonduvad omavahel ja loovad "rohelise" detaili.
See tehnoloogia paistab silma oma suure kiiruse ja hea mõõtmete täpsuse poolest , kuna trükipead saavad sideainet samaaegselt mitmesse punkti paigutada, võimaldades toota kümneid või isegi sadu detaile ühe partiina. Tüki hind on tavaliselt konkurentsivõimeline, mistõttu on see seeriatootmiseks atraktiivne.
Sideaine survevalu teel toodetud detailidel on aga tavaliselt madalam mehaaniline tugevus kui teiste metallitöötlusprotsessidega, näiteks DMLS-i või EBM-iga, saavutatud detailidel, eriti kui järgnevaid paagutamise või infiltreerimisetappe ei teostata. Seda meetodit kasutatakse sageli juhul, kui tootmismaht ja -kulud on maksimaalse mehaanilise jõudluse suhtes tähtsamad.
Metallist sulatatud hõõgniidi valmistamine (FFF Metal)
Selles protsessis on lähtematerjaliks metallipulbrist ja polümeersideainest koosnev hõõgniit . Printer kannab hõõgniidi kiht kihi haaval peale sarnase põhimõtte järgi nagu FFF-plastist hõõgniidi valmistamisel, mille tulemuseks on detail, mis sisaldab endiselt märkimisväärses koguses sideainet.
Seejärel läbib detail ahjus deagglomeratsiooni ja paagutamise , kus sideaine eemaldatakse ja metallosakesed ühendatakse, mille tulemuseks on metalliline komponent, millel on tavaliselt täidetud sisemine struktuur (nt kolmnurkne muster) ja madalam tihedus kui täiesti tahkel tükil.
Selle eeliste hulka kuuluvad aglomeeritud pulbri suurem ohutus ja käsitsemise lihtsus võrreldes lahtise pulbriga , materjalide lai kättesaadavus ja madalamad algkulud võrreldes teiste metallitehnoloogiatega. Kõrvalmõjuna ei ole osad täiesti tihedad, mille tulemuseks on kergemad komponendid, mis võib olenevalt rakendusest olla kas eeliseks või piiranguks.
Digitaalne valgustöötlus (DLP)
Digitaalne valgustöötlus on stereolitograafiaga sarnane tehnoloogia, millel on aga oluline erinevus: iga sektsiooni laseriga skaneerimise asemel projitseeritakse iga kihi kogu kujutis korraga fotopolümeervaigule digitaalse projektori abil. See võimaldab igal kihil samaaegselt täielikult kõveneda.
See meetod pakub suurt tootmiskiirust ja võimalust reprodutseerida väga keeruka geomeetriaga kujundusi, säilitades samal ajal suure täpsuse. Seda leidub tavaliselt rakendustes, mis nõuavad paljude väikeste ja väga detailsete osade korduvat tootmist.
Puudustena tekitab DLP-protsess printimise ajal sageli tugevaid lõhnu ning suured osad võivad deformeeruda või tekkida sisepingeid, kui orientatsiooni ja tuge ei hallata õigesti, sarnaselt mõnede SLA-vaikudega.
Otsene energia sadestamine (DED)
Otsene energia sadestamine on metalli lisandite tootmisprotsess, mille käigus mitmeteljelisele robotkäele kinnitatud otsik kombineeritakse laser- või elektronkiirega, mis sulatab materjali (metalltraadi või -pulbri kujul) otse sadestamispunktis.
Tänu sellele konfiguratsioonile saab süsteem materjali peale kanda praktiliselt iga nurga alt , ehitades või parandades osi olemasolevatele komponentidele. See teeb DED-ist väga atraktiivse lahenduse väärtuslike osade taastamiseks, kriitiliste alade tugevdamiseks või suurte komponentide tootmiseks, mida on muude meetoditega keeruline toota.
Selle peamiste eeliste hulka kuulub võime toota suuremahulisi metalldetaile ja lisada materjali olemasolevatele komponentidele , mis on eriti kasulik sellistes sektorites nagu lennundus ja energeetika. Teisest küljest on need keerulised ja kallid masinad, mis vajavad kõrgelt kvalifitseeritud personali, spetsiaalseid tolmu käitlemise ruume ja märkimisväärset järeltöötlust täpsuse ja pinnaviimistluse parandamiseks.
Elektronkiire fusioon (EBM)
Elektronkiirsulatus kasutab metallipulbri kiht kihi haaval sulatamiseks magnetvälja juhitavat suure energiaga elektronkiirt . Kogu protsess toimub vaakumkambris, mis on elektronkiire toimimiseks vajalik tingimus.
See tehnoloogia võimaldab suurt tootmiskiirust, head täpsust ja suurepäraste mehaaniliste omadustega osi , mistõttu on see kõrgelt hinnatud tipptasemel sektorite kõrgjõudlusega supersulamite puhul. Vaakumkamber ja energia sisestamise meetod mõjutavad ka materjali lõplikku mikrostruktuuri.
EBM-i kasutamine eeldab keerukaid seadmeid ja kogenud personali protsessiparameetrite, hoolduse ja ohutuse haldamiseks. Seetõttu leidub seda tavaliselt täiustatud tööstuskeskkondades ja projektides, millel on kõrged tehnilised nõudmised.
MultiJet printimine (MJP / materjali pritsimine)
MultiJet-printimine ehk materjali pritsimine põhineb fotoreaktiivse materjali mikropiiskade sadestamisel iga kihi soovitud asendisse. Pärast iga läbimist kõvendab ultraviolettvalgusallikas materjali, tahkestades selle ja moodustades 3D-mudeli poolt määratletud geomeetria.
Märkimisväärne eelis on see, et see võimaldab kombineerida ühe detaili sees erinevaid materjale ja värve , kuna erinevad prindipead saavad erinevaid materjale kontrollitud viisil väljastada. See muudab selle eriti huvitavaks realistlike prototüüpide, tootemakettide ja komponentide puhul, mille lõplikku välimust on vaja simuleerida.
Ebasoodsam aspekt on see, et osadel on tavaliselt väiksem vastupidavus ja vastupidavus kui neil, mis on valmistatud funktsionaalsele lõppkasutusele orienteeritud protsesside abil, seega on see tavaliselt reserveeritud prototüüpidele, makettidele ja visuaalsetele valideerimismudelitele.
Lisandite tootmine ja spetsialiseeritud ülikoolikoolitus
Nende tehnoloogiate kiire areng on ergutanud üha suuremat hulka ülikoolide koolitusprogramme, mis keskenduvad spetsiaalselt lisanditootmisele nii bakalaureuse- kui ka eriti magistriõppes, sealhulgas erialasel spetsialiseerumisel. Eesmärk on varustada insenere kindlate oskustega lisanditootmise projekteerimisel, protsesside valikul, materjalide hindamisel ja tööstusprojektide juhtimisel.
Mõned õppeasutused pakuvad moodulõpperadasid , kus tudengid saavad läbida erinevaid mooduleid, mis viivad eri tasemete kvalifikatsioonideni (täiendõppe magistrikraad, erialadiplom, eksperdi tiitel, täiendõppe tunnistus jne). See võimaldab tudengitel kohandada oma õpiteed vastavalt oma varasemale kogemusele ja professionaalsetele eesmärkidele.
Täiendõppe, spetsialisti või eksperdi magistrikraadi omandamise programmide puhul on tavaliselt nõutav ametlik ülikoolikraad (bakalaureuse-, litsentsiaat-, diplomi-, inseneri-, tehnikainseneri-, arhitektuuri- või tehnilise arhitektuuri kraad) (vt 15 insenerieriala liiki ). Lisaks võib kursuse juht pakkuda välja täiendavaid eeltingimusi konkreetsetes erialades (materjalid, disain, tootmine jne).
Erandjuhtudel kaaluvad mõned ülikoolid vastuvõtmist spetsialistidele, kellel puudub nõutav ametlik kvalifikatsioon, tingimusel et nad tõendavad oma CV-ga piisavat kogemust ja vastavad kehtivate eeskirjadega kehtestatud ülikooli vastuvõtunõuetele . Sellistel juhtudel võib rektor või pädev organ anda loa vastuvõtmiseks pärast programmijuhilt soodsa aruande saamist.
Kui tudeng registreerub magistriõppesse ilma vastava kraadi vastuvõtunõudeid täitmata, võib ta kursuse siiski läbida ja sooritada, kuid ei saa kraadi ennast , vaid saab selle asemel lõputunnistuse. Muude akrediteeringute puhul, näiteks teatud kutsetunnistuste või avatud õppe ja täiendõppe tunnistuste puhul, ei ole kursuse juhendaja kehtestatud miinimumnõuded alati vajalikud.
Lisandite tootmise uuringud, ülekanne ja digitaalne tehas
Lisandite tootmine ei piirdu ainult klassiruumide või ülikooli laboritega: tugev rõhk on koostööl tööstusega ja teadmiste edasiandmisel . Spetsialiseerunud uurimisrühmad töötavad konkurentsitihedate projektide kallal (näiteks riiklike teadus- ja arendustegevuse kavade raames) ning teevad ettevõtetega koostööd, et viia innovatsioonid prototüübist tööstusliku tootmiseni, edendades sektoris rakendatava tehnoloogia innovatsiooni .
See teadustegevus annab tulemuseks teaduspublikatsioone suure mõjuga ajakirjades, patente ja tehnoloogilisi arendusi , mis kantakse üle tootmiskeskkonda. Need uurimissuunad on tavaliselt korraldatud mitme Tööstus 4.0 ja digitaalse tehase võtmevaldkonna ümber.
Üks peamisi fookusvaldkondi on tootmisprotsesside analüüs, arendamine ja automatiseerimine . See hõlmab nii traditsioonilisi tehnoloogiaid (CNC-tootmine, mikrotootmine, plastmassi survevalu) kui ka lisandite tootmist ja täiustatud mehhatroonikasüsteeme, eesmärgiga parandada tootmisprotsesside täpsust, korduvust ja paindlikkust.
Teine oluline valdkond on teadmustehnika rakendamine disainis ja tootmises , kus tegeletakse tööriistade automatiseeritud arendamise, CAX-tööriistade (CAD/CAM/CAE) ja PLM-süsteemide integreerimise ning toote elutsükli vältel andmevoogu hõlbustavate infomudelite loomisega. Lisandite tootmises tähendab see iga protsessi jaoks spetsiifiliste disainide optimeerimist ja trükitööde ettevalmistamise automatiseerimist.
Tööstusjuhtimine ja efektiivsus mängivad samuti olulist rolli. Tootlikkuse suurendamiseks, seisakuaja vähendamiseks ja protsesside juhtimise parandamiseks protsessides, kus lisandtootmist kombineeritakse samal tootmisliinil teiste tehnoloogiatega, rakendatakse selliseid meetodeid nagu Lean Manufacturing, simulatsioonitööriistad ja tootmise juhtimissüsteemid (MES).
Digitaalse tehase valdkonnas võimaldab selliste tehnoloogiate nagu koostöörobotite, teabe vertikaalse integreerimise, tööstusliku asjade interneti (IIoT) ja täiustatud andmeanalüütika kasutuselevõtt luua nutikamaid tootmiskeskkondi. Nendes keskkondades on 3D-printerid ja järeltöötlusrakud osa ühendatud ökosüsteemist, mis jälgib parameetreid reaalajas ja kohandab protsesse dünaamiliselt.
Lõpuks viiakse läbi sektoripõhiseid uuringuid tehnoloogiate rakendamise kohta tööstuses , lisandite tootmise kasutuselevõtu ulatuse, turule sisenemise takistuste ja mõju kohta erinevatele sektoritele. Need analüüsid aitavad suunata investeeringuid, kujundada innovatsioonistrateegiaid ning tuvastada võimalusi uute rakenduste või ärimudelite jaoks, mis põhinevad hajutatud tootmisel ja masskohandamisel.
See haridus-, teadus- ja tööstusökosüsteem loob stsenaariumi, kus lisandite tootmise inseneriteadus on kindlustamas end konkurentsivõime strateegilise alustalana , ühendades mitmekesiseid protsesse (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, sideaine sissepritse, metalli FFF) uute tehases teabe kavandamise, tootmise ja haldamise viisidega. Iga tehnoloogia eripärade, eeliste, piirangute ja rakenduskonteksti põhjalik mõistmine võimaldab teha teadlikumaid otsuseid selle kohta, millist protsessi kasutada, kuidas seda tootmisliini integreerida ja milliseid oskusi arendada, et selle eeliseid maksimeerida.
