- Az additív gyártás több folyamatot foglal magában, amelyek lehetővé teszik az alkatrészek rétegről rétegre történő előállítását CAD tervek alapján, a polimerektől a fejlett fémekig terjedő anyagok felhasználásával.
- Az olyan technológiák, mint az FDM, SLA, SLS, DMLS/SLM, DED, EBM, DLP, kötőanyag-befecskendezés, MJP és fém FFF, a költségek, a pontosság és a mechanikai tulajdonságok eltérő kombinációit kínálják.
- Az additív gyártásra szakosodott egyetemi képzés és posztgraduális képzések kulcsfontosságúak ahhoz, hogy a szakemberek képesek legyenek megtervezni, kiválasztani a folyamatokat és irányítani az összetett ipari projekteket.
- A digitális gyárral való integráció, az automatizálás, az adatelemzés és a K+F-ből származó tudásátadás az additív gyártástechnológiát az ipari versenyképesség stratégiai elemévé teszi.
Az additív gyártástechnológia az ipar technológiai változásainak egyik fő mozgatórugójává vált . Ami néhány évvel ezelőtt még egyszerű prototípus-3D nyomtatóknak tűnt, az ma már olyan technológiák összessége, amelyek képesek funkcionális alkatrészek, összetett fémalkatrészek és egyedi megoldások gyártására olyan igényes ágazatokban, mint a repülőgépipar, az orvostudomány és az autóipar.
Ebben az összefüggésben elengedhetetlen megérteni, hogy milyen típusú additív gyártási eljárások léteznek, milyen előnyöket kínálnak, és mely esetekben előnyös mindegyiket alkalmazni . Magukon a technológiákon kívül egyetemi és posztgraduális képzési programok egész sora is növekszik, valamint olyan kutatási irányok is megjelennek, amelyek ezen megoldások digitális gyárba integrálására , a folyamatok automatizálására és az ipari üzemek általános termelékenységének javítására összpontosítanak.
Mi az additív gyártás, és miért fontos a mérnöki tudományokban?
Amikor additív gyártásról beszélünk, olyan technológiai folyamatokra utalunk , amelyek során az alkatrészeket rétegenként, CAD terv vagy 3D szkennelés alapján építik fel . A szubtraktív módszerekkel ellentétben (például a megmunkálással, amely egy blokkal kezdődik és anyagot távolít el), itt a térfogat csak ott keletkezik, ahol szükséges, ami megnyitja az utat a nagyon összetett geometriák és a sokkal hatékonyabb anyagfelhasználás előtt.
Minden 3D nyomtatási technológia közös célja, hogy háromdimenziós tárgyakat hozzon létre extrudálással, leválasztással vagy rétegről rétegre történő megszilárdítással , de ennek módja nagyon eltérő: az anyagok (műanyagok, gyanták, fémek, kerámiaporok), az energiaforrás (lézer, elektronsugár, vetített fény) és a végső teljesítmény (mechanikai ellenállás, pontosság, költség, sebesség stb.) is változik.
Ezért a mérnöki tudományokban nem csak általánosságban beszélünk a „3D nyomtatásról”, hanem specifikus additív gyártási eljárásokról (lásd technológiai folyamatok ), amelyeket az alkalmazás, a minőségi követelmények és a költségvetés szerint választanak ki. Egy olcsó vizuális prototípus nyomtatása nem ugyanaz, mint egy magas hőmérsékletnek kitett motoralkatrész vagy egy személyre szabott orvosi implantátum nyomtatása.
Azok a vállalatok, amelyek ebbe a technológiába fektetnek be, gyakran fejlett tervezéssel, hatékony gyártási módszerekkel és termelésirányítási rendszerekkel kombinálják azt , így a 3D nyomtató nem egy elszigetelt elem, hanem a hálózatba kapcsolt és digitális gyár egy másik darabja.
Az additív gyártás főbb típusai az iparban
Számos additív gyártási eljárás létezik az ipari szektorban, de néhányuk különösen kiemelkedővé vált technológiai érettségük, következetes eredményeik és anyagellátásuk miatt . Ezek közé tartozik az olvasztott leválasztási modellezés, a sztereolitográfia, a különféle lézeres szinterezési és olvasztási technikák, a fényalapú technológiák és a fejlettebb fémmegmunkálási módszerek; ezek közül a megoldások közül sok szerepel az iparágban releváns , feltörekvő technológiák listáján is .
A következőkben részletesen ismertetjük az additív gyártás legfontosabb típusait, azok előnyeit, korlátait és gyakori felhasználási eseteit , integrálva mind a polimerorientált folyamatokat, mind a fémekre specializálódott folyamatokat.
Olvasztott leválasztási modellezés (FDM / FFF)
Az olvasztott leválasztásos modellezés, más néven FDM vagy FFF, valószínűleg a legelterjedtebb 3D nyomtatási technológia . Ebben a folyamatban a nyomtató olvadt hőre lágyuló műanyag szálat rétegről rétegre helyez egy fűtött fúvókán keresztül egy építőplatformra. Az anyag gyorsan megszilárdul, és a nyomtatási fájlban meghatározott útvonalak mentén kialakítja a végső tárgyat.
Ez a technika lehetővé teszi tartós és viszonylag könnyű alkatrészek gyártását, jó méretstabilitással és hőtűréssel , különösen műszaki polimerek használata esetén. A berendezések és a fogyóeszközök költsége jellemzően alacsony, ami magyarázza széles körű elterjedését mind a kkv-k, mind a nagyvállalatok körében prototípusgyártáshoz, szerszámkészítéshez, sablonokhoz, tartókhoz és rövid gyártási sorozatokhoz.
Az FDM eljárással gyártott alkatrészek azonban anizotróp viselkedést mutathatnak : szilárdságuk nem minden irányban egyenletes, mivel a rétegek csatlakozási pontja jellemzően a leggyengébb pont. Ez gondos alkatrész-orientációt és nyomtatási paraméterek kiválasztását teszi szükségessé, ha nagy mechanikai teljesítményre van szükség.
Sztereolitográfia (SLA)
A sztereolitográfia az additív gyártás egyik úttörő eljárása, amely ultraibolya fénnyel kikeményített fényérzékeny folyékony gyanták használatán alapul . Egy UV-lézerrel vagy hasonló fényforrással felszerelt nyomtató rétegről rétegre szilárdítja meg a gyantát, követve a 3D-s modell metszeteit, így alulról felfelé építve fel az alkatrészt.
Fő erőssége a rendkívül magas pontosság és felületi minőség , amely ideálissá teszi rendkívül részletes prototípusok, termékmodellek, mesterformák vagy modellek gyártásához olyan ágazatokban, mint az ékszeripar, a fogászat vagy az ipari formatervezés.
Az ilyen típusú additív gyártás különösen értékes, ha gyorsan, néhány óra alatt , szűk tűréshatárokkal és nagyon finom kidolgozással kell nagy felbontású prototípusokat létrehozni . A felhasznált gyanták azonban gyakran korlátozottabb mechanikai és termikus tulajdonságokkal rendelkeznek, mint más műanyagok, és a nagy alkatrészek hajlamosak lehetnek deformációra vagy belső feszültségekre, ha a folyamatot nem gondosan szabályozzák.
Szelektív lézeres szinterezés (SLS)
A szelektív lézeres szinterezés egy porágyat (jellemzően polimereket, például PA12-t és más műszaki anyagokat) használ, amelyre a lézer szelektíven szintereli vagy olvasztja az anyagrészecskéket az egyes rétegek geometriájának megfelelően. Miután egy réteg elkészült, egy új porréteget visznek fel, és a folyamatot addig ismétlik, amíg az alkatrész el nem készül.
Ez a technológia kiemelkedik azzal a képességével, hogy robusztus, funkcionális alkatrészeket tud előállítani kiváló mechanikai szilárdsággal, és anélkül, hogy tartószerkezetekre lenne szükség , mivel maga a szinterezetlen por tartja az alkatrészt a gyártás során. Ez lehetővé teszi a rendkívül összetett geometriák létrehozását, belső üregekkel, integrált zsanérokkal és csuklós alkatrészekkel, mindezt egyetlen darabban.
Az SLS-sel előállított tipikus példák közé tartoznak a rugalmas zsanérok, mozgó alkatrészek, tömítések, merev házak és bepattintható alkatrészek , valamint olyan szerelvények, amelyek közvetlenül a nyomtatóágyról összeszerelhetők. A tulajdonságok általában meglehetősen izotrópok, ami azt jelenti, hogy különböző tengelyek mentén hasonlóak, ami javítja az általános mechanikai teljesítményt.
Másrészről az SLS gépek magas kezdeti beruházással, jelentős karbantartási költségekkel járnak, és a berendezések előkészítéséhez, üzemeltetéséhez és tisztításához speciális személyzetre van szükség . Továbbá a porkezelés, a biztonság és az utófeldolgozás megfelelő létesítményeket igényel.
Szelektív lézeres olvasztás (SLM) és direkt fémlézeres szinterezés (DMLS)
Fémekkel való munkavégzés során az egyik vezető technika a közvetlen lézeres szinterezés, más néven szelektív lézeres olvasztás. Mindkét kifejezést gyakran használják olyan eljárások leírására, amelyek során egy nagy teljesítményű lézer teljesen megolvaszt egy nagyon finom fémport (titán, alumínium, acélok, szuperötvözetek stb.) egy porágyban.
Rétegről rétegre a lézer végigpásztázza a terv által meghatározott pontokat, megolvasztja és megszilárdítja a fémet, hogy működőképes prototípusokat és végső alkatrészeket építsen, amelyek mechanikai tulajdonságai nagyon közel állnak a hagyományos módszerekkel gyártott alkatrészek tulajdonságaihoz. Az eredmény tömör, precíz és megismételhető alkatrészek, feltéve, hogy a folyamatot jól optimalizálják.
Ez a technológia ideális olyan geometriák előállítására, amelyek hagyományos eljárásokkal nem érhetők el , mint például komplex belső hűtőcsatornák, könnyű rácsszerkezetek vagy topológiailag optimalizált bionikus tervek. Különösen releváns funkcionális fémprototípusok, speciális mechanikai és termikus követelményekkel rendelkező alkatrészek, valamint a 3D-s tervek valós környezetben történő validálására szolgáló modellek létrehozásában is.
Az olyan iparágak, mint a repülőgépipar, az orvostudomány (mesterséges intelligenciával ellátott bionikus kezek) és az autóipar nagyra értékelik ezeket a képességeket, mivel a könnyedség, az erő és a tervezési szabadság kombinációja tökéletesen megfelel az igényeiknek. Cserébe a DMLS/SLM drága berendezéseket, tapasztalt kezelőket, szigorú porkezelést és gyakran támogató gépeket, például szikraforgácsoló (EDM) berendezéseket és hőkezelő rendszereket igényel.
Kötőanyag-szórás
A kötőanyag-szórás egy additív gyártási eljárás, amelynek során az alapanyagot finom por formájában mutatják be , amelyet rétegről rétegre terítenek a nyomtatóágyra . Minden egyes porréteg felvitele után egy vagy több nyomtatófej folyékony kötőanyagot fecskendez be azokba a területekbe, ahol a geometriát meg kell alakítani, így a részecskék összetapadnak és egy „zöld” alkatrészt hoznak létre.
Ez a technológia kiemelkedik nagy sebességével és jó méretpontosságával , mivel a nyomtatófejek egyszerre több pontra is képesek kötőanyagot felvinni, lehetővé téve több tucat vagy akár több száz alkatrész egyetlen tételben történő gyártását. A darabonkénti költség jellemzően versenyképes, így vonzó a sorozatgyártás számára.
A kötőanyag-fröccsöntéssel előállított alkatrészek azonban jellemzően alacsonyabb mechanikai szilárdságot mutatnak, mint a más fémmegmunkálási eljárásokkal, például a DMLS-sel vagy az EBM-mel elért alkatrészek, különösen akkor, ha nem végeznek utólagos szinterezési vagy infiltrációs fázisokat. Ezt a módszert gyakran alkalmazzák, amikor a termelési mennyiség és a költségek elsőbbséget élveznek a maximális mechanikai teljesítménnyel szemben.
Fémmel olvasztott szálgyártás (FFF fém)
Ebben a folyamatban a kiindulási anyag egy fémporból és polimer kötőanyagból álló filament . A nyomtató rétegről rétegre viszi fel a filamentet az FFF műanyag filament gyártásához hasonló elvet követve, így olyan alkatrészt kapunk, amely továbbra is jelentős mennyiségű kötőanyagot tartalmaz.
Ezt követően a darabot deagglomerációnak és szinterezésnek vetik alá egy kemencében , ahol a kötőanyagot eltávolítják, és a fémrészecskéket összeillesztik, így egy olyan fémkomponenst kapnak, amelynek belső szerkezete jellemzően töltött (pl. háromszög alakú) és kisebb sűrűsége van, mint egy teljesen tömör darabnak.
Előnyei közé tartozik az agglomerált por nagyobb biztonsága és könnyebb kezelése a laza porhoz képest , az anyagok széles körű elérhetősége, valamint az alacsonyabb kezdeti költség más fémtechnológiákhoz képest. Mellékhatásként az alkatrészek nem teljesen tömörek, ami könnyebb alkatrészeket eredményez, ami az alkalmazástól függően előnyt vagy korlátozást is jelenthet.
Digitális fényfeldolgozás (DLP)
A digitális fényfeldolgozás hasonló technológia a sztereolitográfiához, de egy lényeges különbséggel: a lézerrel történő szkennelés helyett az egyes rétegek teljes képét egyszerre vetíti ki a fotopolimer gyantára egy digitális projektor segítségével. Ez lehetővé teszi, hogy minden réteg egyszerre kötjön meg teljesen.
Ez a módszer nagy gyártási sebességet és a nagyon összetett geometriájú tervek reprodukálásának képességét kínálja , miközben megőrzi a nagy pontosságot. Gyakran megtalálható olyan alkalmazásokban, amelyek sok apró, rendkívül részletes alkatrész ismétlődő gyártását igénylik.
Hátrányként említhető, hogy a DLP eljárás nyomtatás közben gyakran erős szagokat bocsát ki , és nagy alkatrészek deformálódhatnak vagy belső feszültségek keletkezhetnek, ha a tájolás és az alátámasztások nincsenek megfelelően kezelve, hasonlóan ahhoz, ami egyes SLA gyantáknál történik.
Közvetlen energialerakódás (DED)
A közvetlen energialeválasztás egy fém additív gyártási eljárás, amelynek során egy többtengelyes robotkarra szerelt fúvókát lézerrel vagy elektronsugárral kombinálnak, amely az anyagot (fémhuzal vagy por formájában) közvetlenül a lerakódási ponton megolvasztja.
Ennek a konfigurációnak köszönhetően a rendszer gyakorlatilag bármilyen szögből képes anyagot felvinni, meglévő alkatrészekre építve vagy javítva azokat. Ezáltal a DED nagyon vonzó megoldássá válik nagy értékű alkatrészek kinyerésére, kritikus területek megerősítésére vagy olyan nagyméretű alkatrészek gyártására, amelyeket más módszerekkel nehéz előállítani.
Fő előnyei közé tartozik a nagy volumenű fém alkatrészek gyártásának képessége és a meglévő alkatrészekhez való anyagadagolás , ami különösen hasznos olyan ágazatokban, mint a repülőgépipar és az energetika. Másrészt ezek összetett és drága gépek, amelyek magasan képzett személyzetet, speciális porkezelő helyiségeket és jelentős utómegmunkálást igényelnek a pontosság és a felületkezelés finomítása érdekében.
Elektronsugaras fúzió (EBM)
Az elektronsugaras olvasztás nagy energiájú elektronsugarat használ, amelyet mágneses mező vezérel , hogy rétegről rétegre megolvasztsa a fémport. A teljes folyamat egy vákuumkamrában zajlik, ami az elektronsugár működésének szükséges feltétele.
Ez a technológia nagy gyártási sebességet, jó pontosságot és kiváló mechanikai tulajdonságokkal rendelkező alkatrészeket tesz lehetővé , így nagyra értékelik a nagy teljesítményű szuperötvözetek esetében a legmodernebb szektorokban. A vákuumkamra és az energiabeviteli módszer szintén befolyásolja az anyag végső mikroszerkezetét.
Az EBM használata kifinomult berendezéseket és tapasztalt személyzetet igényel a folyamatparaméterek, a karbantartás és a biztonság kezeléséhez. Ezért jellemzően fejlett ipari környezetekben és magas műszaki igényű projektekben található meg.
Többsugaras nyomtatás (MJP / Anyagsugaras nyomtatás)
A MultiJet nyomtatás, vagy anyagszórás, azon alapul, hogy egy fotoreaktív anyag mikrocseppjeit helyezik el az egyes rétegek kívánt pozícióiban. Minden egyes áthaladás után egy ultraibolya fényforrás kikeményíti az anyagot, megszilárdítja azt, és kialakítja a 3D modell által meghatározott geometriát.
Jelentős előnye, hogy lehetővé teszi különböző anyagok és színek kombinálását egyetlen alkatrészen belül , mivel a különböző nyomtatófejek szabályozott módon képesek adagolni a különböző anyagokat. Ez különösen érdekessé teszi a valósághű prototípusok, termékmakettek és olyan alkatrészek esetében, ahol a végső megjelenést szimulálni kell.
A kevésbé kedvező szempont, hogy az alkatrészek általában kevésbé ellenállóak és tartósak, mint azok, amelyeket más, inkább a funkcionális végfelhasználásra irányuló eljárásokkal gyártanak, ezért általában prototípusokra, makettekre és vizuális validációs modellekre tartják fenn.
Additív gyártás és speciális egyetemi képzés
Ezen technológiák gyors fejlődése egyre több egyetemi képzési programot indított kifejezetten az additív gyártásra összpontosítva , mind az alapképzésben, mind különösen a posztgraduális szinten, beleértve a szakmai specializációt is. A cél az, hogy a mérnököket szilárd készségekkel ruházza fel az additív gyártás tervezésében, a folyamatok kiválasztásában, az anyagértékelésben és az ipari projektmenedzsmentben.
Néhány intézmény moduláris képzési útvonalakat kínál , ahol a hallgatók különböző modulokat választhatnak, amelyek különböző szintű képesítésekhez vezetnek (továbbképzési mesterképzések, szakosodott oklevelek, szakértői címek, továbbképzési bizonyítványok stb.). Ez lehetővé teszi a hallgatók számára, hogy tanulási útjukat korábbi tapasztalataikhoz és szakmai céljaikhoz igazítsák.
A továbbképzési, szakirányú vagy szakértői mesterképzéshez vezető képzésekhez általában hivatalos egyetemi diploma (alapképzés, licenciátus, oklevél, mérnöki, műszaki mérnöki, építészeti vagy műszaki építészeti végzettség) szükséges (lásd a 15 mérnöki tudományágat ). Ezenkívül a kurzusvezető további előfeltételeket javasolhat bizonyos tudományterületeken (anyagtudomány, tervezés, gyártás stb.).
Kivételes esetekben egyes egyetemek mérlegelik a szükséges hivatalos képesítéssel nem rendelkező szakemberek felvételét, feltéve, hogy önéletrajzukkal elegendő tapasztalatot igazolnak, és megfelelnek a hatályos szabályozásban meghatározott egyetemi felvételi követelményeknek. Ilyen esetekben a rektor vagy az illetékes testület a programigazgató kedvező véleményének kézhezvétele után engedélyezheti a beiratkozást.
Ha egy hallgató anélkül iratkozik be egy posztgraduális képzésre, hogy teljesítené a megfelelő diploma felvételi követelményeit, akkor is elvégezheti és sikeresen teljesítheti a képzést, de magát a diplomát nem kapja meg , ehelyett egy elvégzési igazolást kap. Más típusú akkreditációk, például bizonyos szakmai oklevelek vagy nyílt tanulási és továbbképzési tanúsítványok esetében a kurzusvezető által meghatározottakon túli minimális felvételi követelmények nem mindig szükségesek.
Kutatás, transzfer és digitális gyár az additív gyártásban
Az additív gyártás nem korlátozódik a tantermekre vagy az egyetemi laboratóriumokra: nagy hangsúlyt fektetnek az iparral való együttműködésre és a tudástranszferre . A specializált kutatócsoportok versenyképes projekteken dolgoznak (például a nemzeti K+F tervek keretében), és együttműködnek a vállalatokkal az innovációk prototípustól az ipari termelésig történő eljuttatásában, előmozdítva az ágazatra alkalmazható technológiai innovációt .
Ez a kutatási tevékenység tudományos publikációkat eredményez nagy hatású folyóiratokban, szabadalmakat és technológiai fejlesztéseket , amelyek átkerülnek a termelési környezetbe. Ezek a kutatási irányok jellemzően az Ipar 4.0 és a digitális gyár több kulcsfontosságú területe köré szerveződnek.
Az egyik kulcsfontosságú terület a gyártási folyamatok elemzése, fejlesztése és automatizálása . Ez magában foglalja mind a hagyományos technológiákat (CNC-gyártás, mikromegmunkálás, műanyag fröccsöntés), mind az additív gyártást és a fejlett mechatronikai rendszereket, azzal a céllal, hogy javítsák a termelési folyamatok pontosságát, ismételhetőségét és rugalmasságát.
Egy másik lényeges terület a tervezésben és gyártásban alkalmazott tudásmérnökség , ahol a szerszámok automatizált fejlesztésén, a CAX eszközök (CAD/CAM/CAE) és a PLM rendszerek integrációján, valamint az adatáramlást a termék életciklusa során elősegítő információs modelleken dolgoznak. Az additív gyártásban ez az egyes folyamatokra jellemző tervek optimalizálását és a nyomtatási feladatok előkészítésének automatizálását jelenti.
Az ipari menedzsment és a hatékonyság szintén kulcsszerepet játszik. Az olyan módszereket, mint a lean gyártás, a szimulációs eszközök és a gyártásvégrehajtási rendszerek (MES), alkalmazzák a termelékenység növelésére, az állásidő csökkentésére és a folyamatirányítás javítására azokban a folyamatokban, ahol az additív gyártást más technológiákkal kombinálják ugyanazon a gyártósoron.
A digitális gyárak világában az olyan technológiák bevezetése, mint az együttműködő robotika, az információk vertikális integrációja, az ipari dolgok internete (IIoT) és a fejlett adatelemzés, lehetővé teszi intelligensebb termelési környezetek létrehozását. Ezekben a környezetekben a 3D nyomtatók és az utófeldolgozó cellák egy összekapcsolt ökoszisztéma részét képezik, amely valós időben figyeli a paramétereket, és dinamikusan módosítja a folyamatokat.
Végül ágazatspecifikus tanulmányokat végeznek a technológiák ipari bevezetéséről , az additív gyártás alkalmazásának mértékéről, a belépési korlátokról és a különböző ágazatokra gyakorolt hatásról. Ezek az elemzések segítenek a beruházások irányításában, az innovációs stratégiák kidolgozásában, valamint az elosztott gyártáson és a tömeges testreszabáson alapuló új alkalmazások vagy üzleti modellek lehetőségeinek azonosításában.
Ez a teljes oktatási, kutatási és ipari ökoszisztéma olyan forgatókönyvet teremt, amelyben az additív gyártástechnika a versenyképesség stratégiai pilléreként konszolidálja magát , a különféle folyamatokat (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, kötőanyag-befecskendezés, fém FFF) ötvözve a gyárban az információk tervezésének, gyártásának és kezelésének új módjaival. Az egyes technológiák sajátosságainak, előnyeinek, korlátainak és alkalmazási kontextusának alapos ismerete lehetővé teszi a megalapozottabb döntések meghozatalát arról, hogy melyik folyamatot alkalmazzuk, hogyan integráljuk a gyártósorba, és milyen készségeket kell fejleszteni az előnyeinek maximalizálása érdekében.
