Adityviosios gamybos inžinerija: technologijos ir taikymas

Informatec Digital » Ištekliai » Adityviosios gamybos inžinerija: technologijos ir taikymas

La pridėtinės gamybos inžinerija tapo vienu iš didžiausių pokyčių svertų technologija pramonėjeKas prieš kelerius metus buvo laikoma paprastais prototipų 3D spausdintuvais, šiandien yra technologijų rinkinys, galintis gaminti funkcines dalis, sudėtingus metalinius komponentus ir individualius sprendimus tokiuose reikliuose sektoriuose kaip aviacijos ir kosmoso, medicinos ar automobilių pramonė.

Šiame kontekste būtina suprasti Kokie egzistuoja pridėtinės gamybos procesų tipai, kokius privalumus jie teikia ir kokiais atvejais naudinga naudoti kiekvieną iš jų?Be technologijų, auga ir daugybė universitetinių ir magistrantūros studijų programų, taip pat tyrimų krypčių, skirtų integruoti šiuos sprendimus į... skaitmeninė gamykla, automatizuoti procesus ir pagerinti bendrą pramonės įmonių našumą.

Kas yra adityvinė gamyba ir kodėl ji svarbi inžinerijoje?

Kalbėdami apie adityvinę gamybą, turime omenyje rinkinį technologiniai procesai kad Jie gamina dalis sluoksnis po sluoksnio pridėdami medžiagą iš CAD projekto arba 3D nuskaitymasSkirtingai nuo subtraktyvių 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 medžiagos naudojimui.

Visos 3D spausdinimo technologijos siekia to paties tikslo sukurti trimačius objektus ekstruzijos, nusodinimo arba kietinimo būdu sluoksnis po sluoksnioTačiau jie tai pasiekia labai skirtingai: keičia medžiagas (plastikus, dervas, metalus, keraminius miltelius), energijos šaltinį (lazerį, elektronų pluoštą, projektuojamą šviesą) ir galutinį našumą (mechaninį atsparumą, tikslumą, kainą, greitį ir kt.).

Todėl inžinerijoje mes nekalbame apie „3D spausdinimą“ bendrai, bet ir apie specifiniai priedų gamybos procesai (pamatyti technologiniai procesaiŠios parinktys parenkamos atsižvelgiant į taikymą, kokybės reikalavimus ir biudžetą. Pigaus vizualinio prototipo spausdinimas nėra tas pats, kas spausdinti variklio detalę, veikiamą aukšta temperatūra, ar individualų medicininį implantą.

Įmonės, investuojančios į šią technologiją, dažnai ją derina su pažangus dizainas, efektyvios gamybos metodikos ir gamybos valdymo sistemoskad 3D spausdintuvas nebūtų izoliuotas elementas, o dar viena prijungtos ir skaitmeninės gamyklos dalis.

Pagrindiniai priedinės gamybos tipai pramonėje

Pramoninėje aplinkoje yra daug pridėtinės gamybos procesų, tačiau kai kurie iš jų įgijo ypatingą svarbą dėl savo technologinis brandumas, rezultatų stabilumas ir medžiagų prieinamumasTarp jų yra lydyto nusodinimo modeliavimas, stereolitografija, lazerinio sukepinimo ir lydymo variantai, projektuojamos šviesos technologijos ir pažangesni metalų apdirbimo metodai; daugelis šių sprendimų taip pat pateikiami sąrašuose. naujos technologijos aktualūs pramonei.

Toliau išsamiai aprašomi aktualiausi priedinės gamybos tipai. Jo privalumai, apribojimai ir dažniausiai naudojami atvejaiintegruojant tiek polimerams orientuotus, tiek metalams specializuotus procesus.

Lydyto nusodinimo modeliavimas (FDM / FFF)

Lydyto nusodinimo modeliavimas, žinomas kaip FDM arba FFF, tikriausiai yra labiausiai paplitusi 3D spausdinimo technologijaŠio proceso metu spausdintuvas sluoksnis po sluoksnio per įkaitintą antgalį užtepa išlydytą termoplastinę giją ant spausdinimo platformos. Medžiaga greitai sukietėja ir suformuoja galutinį objektą spausdinimo faile apibrėžtais maršrutais.

Ši technologija leidžia gaminti Patvarios ir santykinai lengvos dalys, pasižyminčios geru matmenų stabilumu ir atsparumu karščiuiypač naudojant inžinerinius polimerus. Įrangos ir eksploatacinių medžiagų kaina paprastai yra priimtina, todėl ji plačiai taikoma tiek MVĮ, tiek didelėse įmonėse prototipų kūrimui, įrankių, šablonų, atramų ir trumpų gamybos partijų gamybai.

Tačiau FDM būdu pagamintos dalys gali turėti anizotropinis elgesysStiprumas nėra vienodas visomis kryptimis, nes sluoksnių jungtis paprastai yra silpniausia vieta. Todėl, kai pageidaujamas didelis mechaninis našumas, reikia atidžiai orientuoti detalę ir pasirinkti spausdinimo parametrus.

Esterolitografija (SLA)

Stereolitografija yra vienas iš novatoriškiausių adityvinės gamybos procesų, pagrįstas šviesai jautrios skystos dervos, kietėjančios ultravioletiniais spinduliaisSpausdintuvas su UV lazeriu arba panašiu šviesos šaltiniu kietina dervą sluoksnis po sluoksnio, sekdamas 3D modelio sekcijas, taip konstruodamas detalę iš apačios į viršų.

Didžiausia jo stiprybė yra itin didelis tikslumas ir paviršiaus kokybė kurį jis suteikia, todėl idealiai tinka gaminti labai detalius prototipus, gaminių maketus, pagrindines formas ar modelius tokiems sektoriams kaip juvelyrika, odontologija ar pramoninis dizainas.

Šis priedinės gamybos tipas yra ypač vertingas, kai reikia pagreitinti didelės raiškos prototipų kūrimą vos per kelias valandassu griežtais tolerancijos nuokrypiais ir labai puikia apdaila. Tačiau naudojamos dervos dažnai pasižymi ribotomis mechaninėmis ir šiluminėmis savybėmis nei kiti plastikai, o didelės dalys gali būti linkusios deformuotis arba patirti vidinius įtempius, jei procesas nėra gerai kontroliuojamas.

Selektyvus lazerinis sukepinimas (SLS)

Selektyvus lazerinis sukepinimas naudoja miltelių sluoksnį (paprastai polimerus, tokius kaip PA12 ir kitas inžinerines medžiagas), ant kurio lazeris selektyviai sukepina arba sulydo medžiagos daleles laikantis kiekvieno sluoksnio geometrijos. Užbaigus sluoksnį, paskleidžiamas naujas miltelių sluoksnis ir procesas kartojamas, kol detalė baigta.

Ši technologija išsiskiria savo gebėjimu gaminti Tvirtos, funkcionalios dalys, pasižyminčios puikiu mechaniniu atsparumu ir nereikalaujančios atraminių konstrukcijųnes nesukepinti milteliai gamybos metu palaiko detalę. Tai leidžia sukurti labai sudėtingas geometrines figūras su vidinėmis ertmėmis, integruotais vyriais ir šarnyriniais komponentais – visa tai viename gabale.

Tipiniai SLS gamybos pavyzdžiai: lankstūs vyriai, judančios dalys, tarpinės, standūs korpusai ir užspaudžiami komponentaitaip pat ir mazgus, kuriuos galima surinkti tiesiai iš spausdinimo platformos. Savybės paprastai yra gana izotropinės, tai reiškia, kad jos yra panašios išilgai skirtingų ašių, o tai pagerina bendras mechanines savybes.

Ir atvirkščiai, SLS mašinos apima didelės pradinės investicijos, reikšmingos 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, vienas iš pagrindinių procesų yra tiesioginis lazerinis sukepinimas, dar žinomas kaip selektyvus lazerinis lydymas. Abu terminai dažnai vartojami apibūdinti procesus, kurių metu Galingas lazeris visiškai išlydo labai smulkius metalo miltelius. (titanas, aliuminis, plienas, superlydiniai ir kt.) miltelių sluoksnyje.

Sluoksnis po sluoksnio lazeriu nuskaitomi dizaino apibrėžti taškai, metalo lydymas ir kietėjimas sukurti funkcinius prototipus ir galutinius komponentus, kurių mechaninės savybės būtų labai artimos įprastu būdu pagamintų dalių savybėms. Rezultatas – tankūs, tikslūs ir pakartojami komponentai, jei procesas gerai optimizuotas.

Ši technologija idealiai tinka gamybai geometrijos, kurių neįmanoma gauti tradiciniais procesaispavyzdžiui, sudėtingi vidiniai aušinimo kanalai, lengvos grotelių struktūros arba topologiškai optimizuoti bioniniai dizainai. Tai taip pat ypač aktualu kuriant funkcinius metalo prototipus, detales su specifiniais mechaniniais ir terminiais reikalavimais bei modelius, skirtus 3D projektams patvirtinti realioje aplinkoje.

Tokios pramonės šakos kaip aviacija ir kosmosas, medicininė (bioninės rankos su dirbtiniu intelektu) Automobilių pramonė labai vertina šias galimybes, nes Lengvumo, tvirtumo ir dizaino laisvės derinys Tai labai gerai 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 liejimas yra priedinis gamybos procesas, kurio metu pagrindinė medžiaga pateikiama ... pavidalu. smulkūs milteliai, kurie sluoksnis po sluoksnio paskleidžiami ant spausdinimo pagrindoPo kiekvieno miltelių sluoksnio nusodinimo viena ar kelios spausdinimo galvutės įpurškia skystą rišiklį į vietas, kuriose turi būti suformuota geometrija, kad dalelės susijungtų ir susidarytų „žalioji“ dalis.

Ši technologija išsiskiria tuo, didelis greitis ir geras matmenų tikslumasKadangi spausdinimo galvutės gali vienu metu dėti rišiklį į kelis taškus, tai leidžia pagaminti dešimtis ar net šimtus vienetų viena partija. Vieneto kaina paprastai yra konkurencinga, todėl ji patraukli serijinei gamybai.

Tačiau rišiklio įpurškimo būdu gautos dalys dažnai pasižymi mažesnis mechaninis stiprumas nei pasiekiamas naudojant kitus metalurginius procesus pavyzdžiui, DMLS arba EBM, ypač jei neatliekami tinkami vėlesni sukepinimo arba infiltracijos etapai. Jis dažnai naudojamas, kai gamybos apimtis ir kaina yra svarbesni už maksimalų mechaninį našumą.

Metalo lydytų gijų gamyba (FFF metalas)

Šiame procese pradinė medžiaga yra iš metalo miltelių, sujungtų polimeriniu rišikliu, sudarytas siūlasSpausdintuvas sluoksnis po sluoksnio deda kaitinimo siūlelį, laikydamasis principo, panašaus į FFF plastiką, taip gaudamas gabalą, kuriame vis dar yra didelė rišiklio dalis.

Vėliau kūrinys patiria deaglomeracija ir sukepinimas krosnyjekur rišiklis pašalinamas ir metalo dalelės sujungiamos, gaunant metalinį komponentą su vidine struktūra, kuri paprastai yra užpildyta (pvz., trikampio formos) ir mažesnio tankio nei visiškai vientisas gabalas.

Tarp jo privalumų yra Didesnis aglomeruotų miltelių saugumas ir lengvesnis tvarkymas, palyginti su biriais milteliaisPlatus medžiagų prieinamumas ir mažesnė pradinė kaina, palyginti su kitomis metalo technologijomis, yra pagrindiniai privalumai. 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 vieną esminį skirtumą: užuot nuskaitęs kiekvieną sekciją lazeriu, Jis projektuoja visą kiekvieno sluoksnio vaizdą vienu metu. Fotopolimerinė derva užtepama naudojant skaitmeninį projektoriumi. Tai leidžia kiekvienam sluoksniui iš karto visiškai sukietėti.

Toks darbo būdas suteikia puikių konstrukcijos greitis ir galimybė atkurti labai sudėtingų geometrinių formų dizainąišlaikant didelį tikslumą. Tai dažniausiai pasitaiko tais atvejais, kai reikia pakartotinai gaminti daug mažų, labai detalių dalių.

DLP proceso trūkumai dažnai sukelia stiprūs kvapai spausdinimo metu Didelės dalys gali deformuotis arba patirti vidinius įtempius, jei orientacija ir atramos nėra tinkamai tvarkomos, panašiai kaip nutinka su kai kuriomis SLA dervomis.

Tiesioginis energijos nusodinimas (DED)

Tiesioginis energijos nusodinimas yra metalų priedų gamybos procesas, kurio metu antgalis, sumontuotas ant daugiaašės robotinės rankos lazeriu arba elektronų pluoštu, kuris išlydo medžiagą (metalinę vielą arba miltelius) tiesiai nusodinimo vietoje.

Dėl šios konfigūracijos sistema gali tepkite medžiagą praktiškai bet kokiu kampuDED (angl. Detalių gamyba arba remontas) apima dalių gamybą ant esamų komponentų. Dėl to DED yra labai patrauklus sprendimas norint atkurti didelės vertės dalis, sutvirtinti kritines vietas arba gaminti didelius komponentus, kuriuos sunku pagaminti naudojant kitus metodus.

Vienas iš pagrindinių privalumų yra gebėjimas gaminti didelių metalinių detalių gamyba ir medžiagų pridėjimas prie jau pagamintų komponentųTai ypač naudinga tokiuose sektoriuose kaip aviacijos ir kosmoso pramonė bei energetika. Tačiau tai sudėtingos ir brangios mašinos, kurioms reikalingas aukštos kvalifikacijos personalas, specialiai pritaikytos patalpos dulkių valdymui ir didelis papildomas apdorojimas, siekiant pagerinti tikslumą ir paviršiaus apdailą.

Elektronų pluošto sintezė (EBM)

Elektronų pluošto sintezėje naudojama didelės energijos elektronų pluoštas, valdomas magnetinio laukometalo miltelius sluoksnis po sluoksnio išlydyti. Visas procesas vyksta vakuuminėje kameroje – tai būtina elektronų pluošto veikimo sąlyga.

Ši technologija leidžia mums pasiekti didelis gamybos greitis, geras tikslumas ir detalės su puikiomis mechaninėmis savybėmisDėl šios priežasties ji labai vertinama gaminant aukštos kokybės superlydinius pažangiausiuose sektoriuose. Vakuuminė kamera ir energijos įvedimo būdas taip pat turi įtakos galutinei medžiagos mikrostruktūrai.

EBM naudojimas reiškia moderni įranga ir patyręs personalas valdyti proceso parametrus, techninę priežiūrą ir saugą. Todėl jis paprastai naudojamas pažangioje pramoninėje aplinkoje ir projektuose, kuriems keliami aukšti techniniai reikalavimai.

Daugiapurškimas spausdinimu (MJP / medžiagų purškimas)

„MultiJet“ spausdinimas arba medžiagų purškimas yra pagrįstas medžiagų nusodinimu. fotoreaktyvios medžiagos mikrolašeliai norimose kiekvieno sluoksnio pozicijose. Po kiekvieno praėjimo ultravioletinių spindulių šaltinis sukietina medžiagą, ją sukietindamas ir suformuodamas 3D modelyje apibrėžtą geometriją.

Vienas reikšmingas privalumas yra tai, kad jis leidžia derinti skirtingas medžiagas ir spalvas tame pačiame gaminyjeTaip yra todėl, kad 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 gabalai linkę matytis mažesnis stiprumas ir ilgaamžiškumas nei tie, kurie pagaminti naudojant kitus procesus, labiau orientuotus į funkcinį galutinį pritaikymą, todėl jis paprastai skirtas prototipams, maketams ir vizualinio patvirtinimo modeliams.

Adityvioji gamyba ir specializuotas universitetinis mokymas

Sparčiai tobulėjant šioms technologijoms, didėja pasiūla specialios universitetinės mokymo programos adityvinės gamybos srityjeŠi programa siūloma tiek bakalauro, tiek ypač magistrantūros studijose, taip pat ir profesinės specializacijos srityse. Tikslas – suteikti inžinieriams tvirtų įgūdžių pridėtinės gamybos projektavimo, procesų parinkimo, medžiagų vertinimo ir pramoninių projektų valdymo srityse.

Kai kurios įstaigos siūlo moduliniai maršrutai Šios programos leidžia studentams pasirinkti skirtingus modulius, suteikiančius įvairaus lygio kvalifikaciją (tętinio mokymo magistro laipsnius, specializuotus diplomus, ekspertų pavadinimus, kvalifikacijos kėlimo pažymėjimus ir kt.). Tokiu būdu mokymo kelią galima pritaikyti prie kiekvieno asmens ankstesnės patirties ir profesinių tikslų.

Programų, vedančių į tęstinio mokymo magistro laipsnius, specialisto ar eksperto kvalifikacijas, atveju paprastai reikalaujama turėti Oficialus universitetinis išsilavinimas, bakalauro laipsnis, licenciato laipsnis, diplomas, inžinerija, techninė inžinerija, architektūra arba techninė architektūra (pamatyti 15 inžinerijos rūšiųBe to, kiekvieno kurso vadovybė gali pasiūlyti papildomus išankstinio mokymo reikalavimus konkrečiose disciplinose (medžiagos, projektavimas, gamyba ir kt.).

Išimtiniais atvejais kai kurie universitetai svarsto galimybę priimti specialistus, neturinčius reikiamos oficialios kvalifikacijos, su sąlyga, kad savo gyvenimo aprašyme parodyti pakankamą patirtį ir atitikti priėmimo į universitetą reikalavimus nustatyta galiojančiuose reglamentuose. Tokiais atvejais rektoriaus biuras arba kompetentinga institucija, gavusi palankią programos direktoriaus ataskaitą, gali leisti priimti studentą.

Jei studentas įstoja į magistrantūros studijas neatitikdamas atitinkamo laipsnio stojimo reikalavimų, Galėsite baigti ir išlaikyti kursą, bet oficialaus pažymėjimo negausite....bet baigimo pažymėjimą. Kitų tipų akreditacijoms, pavyzdžiui, tam tikriems profesiniams diplomams arba atvirojo mokymosi ir tęstinio mokymo pažymėjimams, ne visada keliami minimalūs priėmimo reikalavimai, viršijantys kurso vadovo nustatytus reikalavimus.

Tyrimai, perdavimas ir skaitmeninė gamykla priedinėje gamyboje

Adityvioji gamyba neapsiriboja klasėmis ar universitetų laboratorijomis: yra stipri orientacija į bendradarbiavimą su pramone ir žinių perdavimąSpecializuotos tyrimų grupės dirba su konkurencingais projektais (pavyzdžiui, pagal nacionalinius MTEP planus) ir bendradarbiauja su įmonėmis, kad inovacijos būtų perkeltos nuo prototipo iki pramoninio panaudojimo, taip skatinant technologijų naujovės taikytina sektoriui.

Šios tyrimų veiklos rezultatai išryškėja mokslinės publikacijos didelio poveikio žurnaluose, patentai ir technologinė plėtra kurios perkeliamos į gamybos aplinką. Šios tyrimų kryptys paprastai yra organizuojamos aplink kelias pagrindines 4.0-osios pramonės ir skaitmeninės gamyklos ašis.

Viena iš pagrindinių linijų sutelkia dėmesį į gamybos procesų analizė, kūrimas ir automatizavimasTai apima tiek tradicines technologijas (CNC gamybą, mikrofabrikaciją, plastiko įpurškimą), tiek adityvinę gamybą ir pažangias mechatronines sistemas, siekiant pagerinti gamybos procesų tikslumą, pakartojamumą ir lankstumą.

Kita esminė sritis yra žinių inžinerija, taikoma projektavimui ir gamybaiŠioje srityje daugiausia dėmesio skiriama automatizuotam įrankių kūrimui, CAX (CAD/CAM/CAE) įrankių ir PLM sistemų integravimui, taip pat informaciniams modeliams, kurie palengvina duomenų srautą per visą produkto gyvavimo ciklą. Adityviojoje gamyboje tai reiškia kiekvienam procesui būdingų dizainų optimizavimą ir spausdinimo užduočių paruošimo automatizavimą.

La pramonės valdymas ir efektyvumas Ji taip pat atlieka pagrindinį vaidmenį. Siekiant padidinti našumą, sumažinti prastovas ir pagerinti procesų valdymą, taikomos tokios metodikos kaip taupioji gamyba (Lean Manufacturing), modeliavimo įrankiai ir MES (gamybos vykdymo sistemos), kuriose adityvioji gamyba derinama su kitomis toje pačioje gamybos linijoje esančiomis technologijomis.

Skaitmeninės gamyklos srityje diegimas Tokios technologijos kaip bendradarbiaujanti robotika, vertikali informacijos integracija, pramoninis daiktų internetas (IIoT) ir pažangi duomenų analizė Tai leidžia 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 jie vystosi Sektoriniai technologijų diegimo pramonėje tyrimaiAnalizuojamas pridėtinės gamybos diegimo laipsnis, patekimo į rinką kliūtys ir poveikis skirtingiems sektoriams. Šios analizės padeda nukreipti investicijas, kurti inovacijų strategijas ir nustatyti naujų pritaikymų ar verslo modelių, pagrįstų paskirstyta gamyba ir masiniu pritaikymu, galimybes.

Visa ši švietimo, mokslinių tyrimų ir pramonės ekosistema sudaro scenarijų, kuriame Adityvioji gamybos inžinerija tampa vis labiau strateginiu konkurencingumo ramsčiu.Įvairių procesų (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, rišiklio įpurškimo, metalo FFF) derinimas su naujais gamyklos informacijos projektavimo, gamybos ir valdymo būdais. Išsamus kiekvienos technologijos savybių, privalumų, apribojimų ir taikymo konteksto supratimas leidžia priimti labiau pagrįstus sprendimus dėl to, kurį procesą naudoti, kaip jį integruoti į gamybos liniją ir kokius įgūdžius lavinti, kad būtų maksimaliai padidinta jo nauda.