- Adityvioji gamyba apima kelis procesus, leidžiančius kurti detales sluoksnis po sluoksnio pagal CAD projektus, naudojant įvairias medžiagas – nuo polimerų iki pažangių metalų.
- Tokios technologijos kaip FDM, SLA, SLS, DMLS/SLM, DED, EBM, DLP, rišiklio įpurškimas, MJP ir metalo FFF siūlo skirtingus kainos, tikslumo ir mechaninių savybių derinius.
- Universitetinis išsilavinimas ir magistrantūros programos, kurios specializuojasi pridėtinės gamybos srityje, yra labai svarbios norint turėti profilius, gebančius projektuoti, parinkti procesus ir valdyti sudėtingus pramoninius projektus.
- Integracija su skaitmenine gamykla, automatizavimas, duomenų analizė ir žinių perdavimas iš mokslinių tyrimų ir plėtros daro adityviosios gamybos inžineriją strateginiu pramonės konkurencingumo elementu.
Adityviosios gamybos inžinerija tapo vienu iš pagrindinių technologinių pokyčių pramonėje variklių . Tai, kas prieš kelerius metus buvo laikoma paprastais prototipų 3D spausdintuvais, šiandien yra technologijų rinkinys, galintis gaminti funkcines dalis, sudėtingus metalinius komponentus ir individualius sprendimus tokiuose reikliose srityse kaip aviacijos ir kosmoso, medicinos ir automobilių pramonė.
Šiame kontekste labai svarbu suprasti, kokie egzistuoja pridėtinės gamybos procesai, kokius privalumus jie teikia ir kokiais atvejais naudinga naudoti kiekvieną iš jų . Be pačių technologijų, auga ir daugybė universitetinių bei magistrantūros mokymo programų, taip pat tyrimų krypčių, skirtų šių sprendimų integravimui į skaitmeninę gamyklą , procesų automatizavimui ir bendro pramonės įmonių našumo gerinimui.
Kas yra adityvinė gamyba ir kodėl ji svarbi inžinerijoje?
Kalbėdami apie adityvinę gamybą, turime omenyje technologinių procesų rinkinį , kurio metu dalys gaminamos sluoksnis po sluoksnio pridedant medžiagą, remiantis CAD projektu arba 3D skenavimu . Skirtingai nuo subtraktyviųjų metodų (pvz., apdirbimo, kai pradedama nuo bloko ir pašalinama medžiaga), čia tūris generuojamas tik ten, kur reikia, atveriant duris labai sudėtingoms geometrijoms ir daug efektyvesniam medžiagų naudojimui.
Visų 3D spausdinimo technologijų tikslas – sukurti trimačius objektus sluoksnis po sluoksnio ekstruzijos, nusodinimo arba kietinimo būdu , tačiau šio tikslo įgyvendinimo būdas labai skiriasi: keičiasi medžiagos (plastikas, dervos, metalai, keraminiai milteliai), energijos šaltinis (lazeris, elektronų pluoštas, projektuojama šviesa) ir galutinis našumas (mechaninis atsparumas, tikslumas, kaina, greitis ir kt.).
Todėl inžinerijoje kalbame ne tik apie „3D spausdinimą“, bet ir apie konkrečius pridėtinės gamybos procesus (žr. technologiniai procesai ), kurie parenkami atsižvelgiant į pritaikymą, kokybės reikalavimus ir biudžetą. Nebrangaus vizualinio prototipo spausdinimas nėra tas pats, kas variklio detalės, veikiamos aukšta temperatūra, ar asmeninio medicininio implanto spausdinimas.
Įmonės, investuojančios į šią technologiją, dažnai ją derina su pažangiu dizainu, efektyviomis gamybos metodikomis ir gamybos valdymo sistemomis , kad 3D spausdintuvas nebūtų izoliuotas elementas, o dar viena prijungtos ir skaitmeninės gamyklos dalis.
Pagrindiniai priedinės gamybos tipai pramonėje
Pramonės sektoriuje egzistuoja daugybė adityvinės gamybos procesų, tačiau kai kurie iš jų įgijo ypatingą reikšmę dėl savo technologinio brandumo, nuoseklių rezultatų ir medžiagų prieinamumo . Tai apima lydyto nusodinimo modeliavimą, stereolitografiją, įvairius lazerinio sukepinimo ir lydymo metodus, šviesa pagrįstas technologijas ir pažangesnius metalo apdirbimo metodus; daugelis šių sprendimų taip pat yra įtraukti į atitinkamų besiformuojančių technologijų sąrašus pramonėje.
Toliau išsamiai aprašomi aktualiausi priedinės gamybos tipai, jų privalumai, apribojimai ir dažniausiai naudojami atvejai , integruojant tiek polimerų pagrindu sukurtus procesus, tiek specializuotus metalų gamyboje.
Lydyto nusodinimo modeliavimas (FDM / FFF)
Lydyto nusodinimo modeliavimas, žinomas kaip FDM arba FFF, yra bene labiausiai paplitusi 3D spausdinimo technologija . Šio proceso metu spausdintuvas sluoksnis po sluoksnio per įkaitintą antgalį uždeda išlydytą termoplastinę giją ant spausdinimo platformos. Medžiaga greitai sukietėja ir sudaro galutinį objektą pagal spausdinimo faile apibrėžtus kelius.
Ši technika leidžia gaminti patvarias ir santykinai lengvas detales, pasižyminčias geru matmenų stabilumu ir atsparumu karščiui , ypač naudojant inžinerinius polimerus. Įrangos ir eksploatacinių medžiagų kaina paprastai yra maža, todėl ją plačiai naudoja tiek MVĮ, tiek didelės įmonės prototipų kūrimui, įrankių, šablonų, atramų ir trumpų gamybos partijų kūrimui.
Tačiau naudojant FDM technologiją pagamintos detalės gali pasižymėti anizotropinėmis savybėmis : jų stiprumas nėra vienodas visomis kryptimis, nes sluoksnių jungtis paprastai yra silpniausia vieta. Todėl, kai pageidaujamas didelis mechaninis našumas, reikia atidžiai orientuoti detales ir pasirinkti spausdinimo parametrus.
Esterolitografija (SLA)
Stereolitografija yra vienas iš novatoriškiausių adityvinės gamybos procesų, pagrįstas šviesai jautrių skystų dervų, kietinamų ultravioletiniais spinduliais, naudojimu . Spausdintuvas, turintis UV lazerį arba panašų šviesos šaltinį, kietina dervą sluoksnis po sluoksnio, sekdamas 3D modelio pjūvius, taip konstruodamas detalę nuo apačios į viršų.
Pagrindinis jo privalumas yra itin didelis tikslumas ir paviršiaus kokybė , todėl jis idealiai tinka gaminti labai detalius prototipus, gaminių maketus, pagrindines formas ar modelius tokiems sektoriams kaip juvelyrika, odontologija ar pramoninis dizainas.
Šis adityvinės gamybos tipas yra ypač vertingas, kai reikia greitai sukurti didelės raiškos prototipus vos per kelias valandas , su griežtais tolerancijos nuokrypiais ir labai puikia apdaila. Tačiau naudojamos dervos dažnai pasižymi ribotesnėmis mechaninėmis ir šiluminėmis savybėmis nei kiti plastikai, o didelės dalys gali būti linkusios deformuotis arba patirti vidinius įtempius, jei procesas nėra kruopščiai kontroliuojamas.
Selektyvus lazerinis sukepinimas (SLS)
Selektyvus lazerinis sukepinimas naudoja miltelių sluoksnį (paprastai polimerus, tokius kaip PA12 ir kitas inžinerines medžiagas), ant kurio lazeriu selektyviai sukepina arba lydo medžiagos daleles pagal kiekvieno sluoksnio geometriją. Užbaigus sluoksnį, užtepamas naujas miltelių sluoksnis ir procesas kartojamas, kol detalė baigiama.
Ši technologija išsiskiria tuo, kad leidžia gaminti tvirtas, funkcionalias detales, pasižyminčias puikiu mechaniniu stiprumu ir nereikalaujant atraminių konstrukcijų , nes nesukepinti milteliai patys laiko detalę gamybos metu. Tai leidžia sukurti labai sudėtingas geometrines figūras su vidinėmis ertmėmis, integruotais vyriais ir šarnyriniais komponentais – visa tai viename gabale.
Tipiniai SLS gamybos pavyzdžiai yra lankstūs vyriai, judančios dalys, tarpinės, standūs korpusai ir užspaudžiami komponentai , taip pat mazgai, kuriuos galima surinkti tiesiai iš spausdinimo pagrindo. Savybės paprastai yra gana izotropinės, tai reiškia, kad jos yra panašios išilgai skirtingų ašių, o tai pagerina bendras mechanines savybes.
Kita vertus, SLS mašinoms reikalingos didelės pradinės investicijos, nemažos priežiūros išlaidos ir specializuoto personalo poreikis įrangai paruošti, valdyti ir valyti. Be to, dulkių valdymui, saugai ir tolesniam apdorojimui reikalingos tinkamos patalpos.
Selektyvus lazerinis lydymas (SLM) ir tiesioginis metalo lazerinis sukepinimas (DMLS)
Dirbant su metalais, viena iš pirmaujančių technologijų yra tiesioginis lazerinis sukepinimas, dar vadinamas selektyviu lazeriniu lydymu. Abu terminai dažnai vartojami apibūdinti procesus, kurių metu didelės galios lazeris visiškai išlydo labai smulkius metalo miltelius (titaną, aliuminį, plieną, superlydinius ir kt.) miltelių sluoksnyje.
Sluoksnis po sluoksnio lazeris nuskaito projekte apibrėžtus taškus, lydydamas ir sukietindamas metalą, kad sukurtų funkcinius prototipus ir galutinius komponentus, kurių mechaninės savybės labai artimos įprastu būdu pagamintų dalių savybėms. Rezultatas – tankūs, tikslūs ir pakartojami komponentai, jei procesas gerai optimizuotas.
Ši technologija idealiai tinka kurti geometrijas, kurių neįmanoma pasiekti tradiciniais procesais , pavyzdžiui, sudėtingus vidinius aušinimo kanalus, lengvas grotelių struktūras arba topologiškai optimizuotus bioninius dizainus. Ji taip pat ypač aktuali kuriant funkcinius metalo prototipus, detales su specifiniais mechaniniais ir terminiais reikalavimais bei modelius, skirtus 3D projektams patvirtinti realioje aplinkoje.
Tokios pramonės šakos kaip aviacijos ir kosmoso, medicinos (bioninės rankos su dirbtiniu intelektu) ir automobilių pramonė labai vertina šias galimybes, nes lengvumo, tvirtumo ir dizaino laisvės derinys puikiai atitinka jų poreikius. Savo ruožtu DMLS/SLM reikalauja brangios įrangos, patyrusių operatorių, griežto dulkių valdymo ir dažnai pagalbinių mechanizmų, tokių kaip elektroerozinio apdirbimo (EDM) įranga ir terminio apdorojimo sistemos.
Rišiklio purškimas
Rišiklio purškimas yra pridėtinės gamybos procesas, kurio metu pagrindinė medžiaga pateikiama kaip smulkūs milteliai, kurie sluoksnis po sluoksnio paskleidžiami ant spausdinimo pagrindo . Po kiekvieno miltelių sluoksnio užtepimo viena ar kelios spausdinimo galvutės įpurškia skystą rišiklį į vietas, kuriose turi būti suformuota geometrija, kad dalelės susijungtų ir sukurtų „žalią“ detalę.
Ši technologija išsiskiria dideliu greičiu ir geru matmenų tikslumu , nes spausdinimo galvutės gali vienu metu uždėti rišiklį keliuose taškuose, todėl galima pagaminti dešimtis ar net šimtus detalių vienoje partijoje. Vieneto kaina paprastai yra konkurencinga, todėl ji patraukli serijinei gamybai.
Tačiau rišiklio liejimo būdu pagamintos detalės paprastai pasižymi mažesniu mechaniniu stiprumu nei detalės, gaunamos naudojant kitus metalo apdirbimo procesus, tokius kaip DMLS arba EBM, ypač jei neatliekami vėlesni sukepinimo arba infiltracijos etapai. Šis metodas dažnai naudojamas, kai gamybos apimtis ir kaina yra svarbesnės už maksimalų mechaninį našumą.
Metalo lydytų gijų gamyba (FFF metalas)
Šiame procese pradinė medžiaga yra metalo miltelių ir polimerinio rišiklio sujungta gija . Spausdintuvas sluoksnis po sluoksnio uždeda giją pagal principą, panašų į FFF plastikinių gijų gamybą, todėl detalėje vis dar yra didelis kiekis rišiklio.
Vėliau detalė deaglomeruojama ir sukepinama krosnyje , kur pašalinamas rišiklis, o metalo dalelės sujungiamos, taip gaunant metalinį komponentą su vidine struktūra, paprastai užpildyta (pvz., trikampio formos), ir mažesniu tankiu nei visiškai vientisa detalė.
Tarp privalumų yra didesnis aglomeruotų miltelių saugumas ir lengvesnis tvarkymas, palyginti su biriais milteliais , platus medžiagų prieinamumas ir mažesnė pradinė kaina, palyginti su kitomis metalo technologijomis. Kaip šalutinis poveikis, dalys nėra visiškai tankios, todėl komponentai yra lengvesni, o tai gali būti ir privalumas, ir apribojimas, priklausomai nuo taikymo.
Skaitmeninis šviesos apdorojimas (DLP)
Skaitmeninis šviesos apdorojimas yra technologija, panaši į stereolitografiją, tačiau turi esminį skirtumą: užuot nuskaitęs kiekvieną sekciją lazeriu, jis vienu metu projektuoja visą kiekvieno sluoksnio vaizdą ant fotopolimero dervos, naudodamas skaitmeninį projektorių. Tai leidžia kiekvienam sluoksniui visiškai sukietėti vienu metu.
Šis metodas pasižymi dideliu gamybos greičiu ir galimybe atkurti labai sudėtingos geometrijos dizainus, išlaikant didelį tikslumą. Jis dažniausiai naudojamas tais atvejais, kai reikia pakartotinai gaminti daug mažų, labai detalių detalių.
DLP proceso trūkumai yra tai, kad spausdinimo metu dažnai skleidžiami stiprūs kvapai , o didelės dalys gali deformuotis arba patirti vidinių įtempių, jei netinkamai valdoma orientacija ir atramos, panašiai kaip nutinka su kai kuriomis SLA dervomis.
Tiesioginis energijos nusodinimas (DED)
Tiesioginis energijos nusodinimas yra metalo adityvusis gamybos procesas, kurio metu ant daugiaašės robotinės rankos pritvirtintas antgalis sujungiamas su lazeriu arba elektronų spinduliu, kuris išlydo medžiagą (metalinę vielą arba miltelius) tiesiai nusodinimo vietoje.
Dėl šios konfigūracijos sistema gali tepti medžiagą praktiškai bet kokiu kampu , gamindama arba remontuodama detales ant esamų komponentų. Dėl to DED yra labai patrauklus sprendimas didelės vertės detalių atkūrimui, kritinių sričių sutvirtinimui arba didelių komponentų, kuriuos sunku pagaminti naudojant kitus metodus, gamybai.
Tarp pagrindinių privalumų yra galimybė gaminti didelius metalinių detalių kiekius ir papildyti esamus komponentus medžiagomis , o tai ypač naudinga tokiuose sektoriuose kaip aviacijos ir kosmoso pramonė bei energetika. Kita vertus, tai yra sudėtingos ir brangios mašinos, kurioms reikalingas aukštos kvalifikacijos personalas, specializuotos dulkių surinkimo patalpos ir didelis papildomas apdorojimas, siekiant pagerinti tikslumą ir paviršiaus apdailą.
Elektronų pluošto sintezė (EBM)
Elektronų pluošto lydymo metu metalo milteliai sluoksnis po sluoksnio lydomi didelės energijos elektronų pluoštu, valdomu magnetinio lauko . Visas procesas vyksta vakuuminėje kameroje – tai būtina elektronų pluošto veikimo sąlyga.
Ši technologija leidžia pasiekti didelį gamybos greitį, gerą tikslumą ir pagaminti detales su puikiomis mechaninėmis savybėmis , todėl ji labai vertinama gaminant aukštos kokybės superlydinius pažangiausiuose sektoriuose. Vakuuminė kamera ir energijos įvedimo metodas taip pat turi įtakos galutinei medžiagos mikrostruktūrai.
ĮBM naudojimas reikalauja sudėtingos įrangos ir patyrusio personalo , kad būtų galima valdyti proceso parametrus, techninę priežiūrą ir saugą. Todėl jis paprastai naudojamas pažangioje pramonės aplinkoje ir projektuose, kuriems keliami aukšti techniniai reikalavimai.
Daugiapurškimas spausdinimu (MJP / medžiagų purškimas)
Daugiapurškis spausdinimas, arba medžiagos purškimas, pagrįstas fotoreaktyvios medžiagos mikrolašelių nusodinimu norimose kiekvieno sluoksnio vietose. Po kiekvieno praėjimo ultravioletinių spindulių šaltinis sukietina medžiagą, ją sukietindamas ir suformuodamas 3D modelyje apibrėžtą geometriją.
Svarbus privalumas yra tas, kad tai leidžia derinti įvairias medžiagas ir spalvas vienoje detalėje , nes skirtingos spausdinimo galvutės gali kontroliuojamai dozuoti skirtingas medžiagas. Tai ypač įdomu kuriant realistiškus prototipus, gaminių maketus ir komponentus, kurių galutinę išvaizdą reikia imituoti.
Mažiau palankus aspektas yra tas, kad dalys paprastai yra mažiau atsparios ir ilgaamžės nei tos, kurios pagamintos naudojant kitus procesus, labiau orientuotus į funkcinį galutinį pritaikymą, todėl jos paprastai skiriamos prototipams, maketams ir vizualinio patvirtinimo modeliams.
Adityvioji gamyba ir specializuotas universitetinis mokymas
Sparčiai tobulėjant šioms technologijoms, atsirado vis daugiau universitetinių mokymo programų, skirtų būtent pridėtinės gamybos sričiai , tiek bakalauro, tiek ypač magistrantūros lygmenyse, įskaitant profesinę specializaciją. Tikslas – suteikti inžinieriams tvirtų įgūdžių pridėtinės gamybos projektavimo, procesų parinkimo, medžiagų vertinimo ir pramoninių projektų valdymo srityse.
Kai kurios institucijos siūlo modulinius mokymosi kelius , pagal kuriuos studentai gali pasirinkti skirtingus modulius, suteikiančius įvairaus lygio kvalifikaciją (tętinio mokymo magistro laipsnius, specializuotus diplomus, ekspertų pavadinimus, kvalifikacijos kėlimo pažymėjimus ir kt.). Tai leidžia studentams pritaikyti savo mokymosi kelią prie ankstesnės patirties ir profesinių tikslų.
Programoms, suteikiančioms tęstinio mokymo magistro laipsnius, specialisto ar eksperto kvalifikacijas, paprastai reikalingas oficialus universitetinis išsilavinimas (bakalauro, licenciato, diplomo, inžinerijos, techninės inžinerijos, architektūros ar techninės architektūros) (žr. 15 inžinerijos tipų ). Be to, kurso vadovas gali pasiūlyti papildomų išankstinių reikalavimų konkrečiose disciplinose (medžiagų, projektavimo, gamybos ir kt.).
Išimtiniais atvejais kai kurie universitetai svarsto galimybę priimti specialistus, neturinčius reikiamos oficialios kvalifikacijos, jei jie savo gyvenimo aprašyme įrodo pakankamą patirtį ir atitinka galiojančiuose teisės aktuose nustatytus priėmimo į universitetą reikalavimus. Tokiais atvejais rektorius arba kompetentinga institucija, gavusi palankią programos direktoriaus ataskaitą, gali leisti juos priimti.
Jei studentas įstoja į magistrantūros studijas neatitikdamas atitinkamo laipsnio stojimo reikalavimų, jis vis tiek gali baigti ir išlaikyti kursą, tačiau negaus paties laipsnio , o gaus baigimo pažymėjimą. Kitų tipų akreditacijoms, pavyzdžiui, tam tikriems profesiniams diplomams arba atvirojo mokymosi ir tęstinio mokymo pažymėjimams, minimalūs stojimo reikalavimai, viršijantys kurso vadovo nustatytus reikalavimus, ne visada būtini.
Tyrimai, perdavimas ir skaitmeninė gamykla priedinėje gamyboje
Adityvioji gamyba neapsiriboja klasėmis ar universitetų laboratorijomis: didelis dėmesys skiriamas bendradarbiavimui su pramone ir žinių perdavimui . Specializuotos tyrimų grupės dirba su konkurencingais projektais (pavyzdžiui, pagal nacionalinius mokslinių tyrimų ir plėtros planus) ir bendradarbiauja su įmonėmis, kad inovacijos būtų perkeltos nuo prototipų iki pramoninės gamybos, skatinant sektoriui taikomų technologijų inovacijas .
Ši mokslinių tyrimų veikla lemia mokslinius leidinius didelio poveikio žurnaluose, patentus ir technologinius pokyčius , kurie perkeliami į gamybos aplinką. Šios tyrimų kryptys paprastai yra suskirstytos į kelias pagrindines 4.0-osios pramonės ir skaitmeninės gamyklos sritis.
Viena iš pagrindinių dėmesio sričių yra gamybos procesų analizė, kūrimas ir automatizavimas . Tai apima tiek tradicines technologijas (CNC gamybą, mikrofabrikaciją, plastiko liejimą), tiek adityvinę gamybą ir pažangias mechatronines sistemas, siekiant pagerinti gamybos procesų tikslumą, pakartojamumą ir lankstumą.
Kita svarbi sritis yra žinių inžinerija, taikoma projektavimui ir gamybai , kur dirbama su automatizuotu įrankių kūrimu, CAX įrankių (CAD/CAM/CAE) ir PLM sistemų integravimu, taip pat informaciniais modeliais, kurie palengvina duomenų srautą per visą produkto gyvavimo ciklą. Adityviojoje gamyboje tai reiškia kiekvienam procesui būdingų dizainų optimizavimą ir spausdinimo užduočių paruošimo automatizavimą.
Pramonės valdymas ir efektyvumas taip pat vaidina svarbų vaidmenį. Tokios metodikos kaip taupi gamyba (Lean Manufacturing), modeliavimo įrankiai ir gamybos vykdymo sistemos (MES) taikomos siekiant padidinti produktyvumą, sumažinti prastovas ir pagerinti procesų valdymą procesuose, kuriuose adityvioji gamyba derinama su kitomis technologijomis toje pačioje gamybos linijoje.
Skaitmeninių gamyklų srityje diegiant tokias technologijas kaip bendradarbiaujanti robotika, vertikali informacijos integracija, pramoninis daiktų internetas (IIoT) ir pažangi duomenų analizė, galima kurti išmanesnes gamybos aplinkas. Šiose aplinkose 3D spausdintuvai ir papildomo apdorojimo ląstelės yra sujungtos ekosistemos, kuri realiuoju laiku stebi parametrus ir dinamiškai koreguoja procesus, dalis.
Galiausiai, atliekami sektoriams skirti tyrimai, skirti technologijų diegimui pramonėje , pridėtinės gamybos diegimo laipsniui, patekimo į rinką kliūtims ir poveikiui skirtingiems sektoriams. Šios analizės padeda nukreipti investicijas, kurti inovacijų strategijas ir nustatyti naujų programų ar verslo modelių, pagrįstų paskirstyta gamyba ir masiniu pritaikymu, galimybes.
Visa ši švietimo, mokslinių tyrimų ir pramonės ekosistema sukuria scenarijų, kuriame pridėtinės gamybos inžinerija įtvirtina save kaip strateginį konkurencingumo ramstį , derindama įvairius procesus (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, rišiklio įpurškimą, metalo FFF) su naujais gamykloje esančios informacijos projektavimo, gamybos ir valdymo būdais. Išsamus kiekvienos technologijos specifikos, jos privalumų, apribojimų ir taikymo konteksto supratimas leidžia priimti labiau pagrįstus sprendimus dėl to, kokį procesą naudoti, kaip jį integruoti į gamybos liniją ir kokius įgūdžius lavinti, kad būtų maksimaliai padidinta jo nauda.
