Kejuruteraan pembuatan aditif: teknologi dan aplikasi

Informatec Digital » Sumber » Kejuruteraan pembuatan aditif: teknologi dan aplikasi

La kejuruteraan pembuatan bahan tambahan telah menjadi salah satu penggerak perubahan yang besar dalam teknologi dalam industriApa yang beberapa tahun lalu dilihat sebagai pencetak 3D mudah untuk prototaip, hari ini merupakan satu set teknologi yang mampu mengeluarkan bahagian berfungsi, komponen logam kompleks dan penyelesaian tersuai dalam sektor yang sama mencabarnya seperti aeroangkasa, perubatan atau automotif.

Dalam konteks ini, adalah penting untuk memahami Apakah jenis proses pembuatan bahan tambahan yang wujud, apakah kelebihan yang ditawarkannya, dan dalam kes apakah ia berfaedah untuk menggunakan setiap satunya?Selain teknologi, pelbagai program latihan universiti dan pascasiswazah juga sedang berkembang, serta pelbagai penyelidikan yang bertujuan untuk mengintegrasikan penyelesaian ini ke dalam kilang digital, mengautomasikan proses dan meningkatkan produktiviti keseluruhan loji perindustrian.

Apakah pembuatan bahan tambahan dan mengapa ia penting dalam kejuruteraan?

Apabila kita bercakap tentang pembuatan bahan tambahan, kita merujuk kepada satu set proses teknologi bahawa Mereka membina bahagian dengan menambah bahan lapisan demi lapisan daripada reka bentuk CAD atau Imbasan 3dTidak seperti kaedah subtraktif (seperti pemesinan, yang bermula dari blok dan membuang bahan), di sini isipadu dijana hanya jika diperlukan, membuka pintu kepada geometri yang sangat kompleks dan penggunaan bahan yang jauh lebih cekap.

Semua teknologi percetakan 3D berkongsi matlamat tersebut iaitu mencipta objek tiga dimensi melalui penyemperitan, pemendapan atau pemejalan lapisan demi lapisanTetapi cara mereka mencapainya sangat berbeza: mereka mengubah bahan (plastik, resin, logam, serbuk seramik), sumber tenaga (laser, pancaran elektron, cahaya yang diunjurkan) dan prestasi akhir (rintangan mekanikal, ketepatan, kos, kelajuan, dll.).

Oleh itu, dalam kejuruteraan, kita bukan sahaja bercakap tentang "percetakan 3D" secara generik, tetapi juga tentang proses pembuatan bahan tambahan tertentu (lihat proses teknologiPilihan ini dipilih berdasarkan aplikasi, keperluan kualiti dan bajet. Mencetak prototaip visual yang murah tidak sama dengan mencetak bahagian enjin yang tertakluk kepada suhu tinggi atau implan perubatan tersuai.

Syarikat-syarikat yang melabur dalam teknologi ini sering menggabungkannya dengan reka bentuk canggih, metodologi pembuatan yang cekap dan sistem pengurusan pengeluaransupaya pencetak 3D bukanlah elemen terpencil, tetapi satu lagi bahagian kilang digital yang terhubung.

Jenis utama pembuatan bahan tambahan dalam industri

Dalam persekitaran perindustrian, terdapat banyak proses pembuatan bahan tambahan, tetapi ada yang telah mendapat kepentingan khusus kerana kematangan teknologi, kestabilan hasil, dan ketersediaan bahanIni termasuk pemodelan pemendapan terlakur, stereolitografi, varian pensinteran dan peleburan laser, teknologi cahaya yang diunjurkan dan kaedah kerja logam yang lebih maju; banyak penyelesaian ini juga muncul dalam senarai teknologi baru muncul yang berkaitan dengan industri.

Jenis pembuatan bahan tambahan yang paling relevan diperincikan di bawah. Kelebihan, batasan dan kes penggunaan biasamengintegrasikan kedua-dua proses berorientasikan polimer dan khusus logam.

Pemodelan Pemendapan Terlakur (FDM / FFF)

Pemodelan pemendapan terlakur, yang dikenali sebagai FDM atau FFF, mungkin teknologi percetakan 3D yang paling meluasDalam proses ini, pencetak mendepositkan filamen termoplastik cair melalui muncung yang dipanaskan, lapisan demi lapisan, ke atas platform binaan. Bahan tersebut memejal dengan cepat, membentuk objek terakhir di sepanjang laluan yang ditakrifkan dalam fail cetakan.

Teknik ini membolehkan pembuatan Bahagian yang tahan lama dan agak ringan, dengan kestabilan dimensi dan toleransi haba yang baikterutamanya apabila menggunakan polimer kejuruteraan. Kos peralatan dan bahan habis pakai biasanya berpatutan, yang menjelaskan penggunaannya secara meluas dalam PKS dan syarikat besar untuk prototaip, pembuatan perkakas, templat, sokongan dan jangka masa pengeluaran yang singkat.

Walau bagaimanapun, bahagian yang dihasilkan menggunakan FDM mungkin mempamerkan tingkah laku anisotropikKekuatannya tidak seragam dalam semua arah, kerana persimpangan lapisan biasanya merupakan titik paling lemah. Ini memerlukan orientasi bahagian yang teliti dan pemilihan parameter pencetakan apabila prestasi mekanikal yang tinggi diperlukan.

Stereolitografi (SLA)

Stereolithografi merupakan salah satu proses perintis dalam pembuatan bahan tambahan dan berasaskan penggunaan resin cecair fotosensitif yang diawetkan oleh cahaya ultraunguPencetak yang dilengkapi dengan laser UV atau sumber cahaya yang serupa akan memejalkan resin lapisan demi lapisan, mengikut bahagian model 3D, sekali gus membina bahagian tersebut dari bawah ke atas.

Kekuatan terbesarnya ialah ketepatan dan kualiti permukaan yang sangat tinggi yang disediakannya, menjadikannya sesuai untuk pembuatan prototaip dengan tahap perincian yang sangat luar biasa, mock-up produk, acuan induk atau model untuk sektor seperti barang kemas, pergigian atau reka bentuk perindustrian.

Jenis pembuatan bahan tambahan ini amat berharga apabila anda memerlukannya untuk mempercepatkan penciptaan prototaip definisi tinggi dalam masa beberapa jam sahajadengan toleransi yang ketat dan kemasan yang sangat halus. Walau bagaimanapun, resin yang digunakan selalunya menawarkan sifat mekanikal dan terma yang lebih terhad berbanding plastik lain, dan bahagian yang besar boleh terdedah kepada ubah bentuk atau tekanan dalaman jika proses tersebut tidak dikawal dengan baik.

Sintering laser terpilih (SLS)

Sintering laser terpilih menggunakan lapisan serbuk (biasanya polimer seperti PA12 dan bahan kejuruteraan lain) di mana laser menyinter atau menggabungkan zarah bahan secara selektif mengikut geometri setiap lapisan. Setelah lapisan siap, lapisan serbuk baharu disapu dan proses itu diulang sehingga kepingan itu siap.

Teknologi ini menonjol kerana keupayaannya untuk menghasilkan Bahagian yang teguh dan berfungsi dengan rintangan mekanikal yang sangat baik dan tidak memerlukan struktur sokongankerana serbuk yang tidak disinter itu sendiri menyokong bahagian tersebut semasa pembuatan. Ini membolehkan penciptaan geometri yang sangat kompleks, dengan rongga dalaman, engsel bersepadu dan komponen yang diartikulasi, semuanya dalam satu bahagian.

Contoh tipikal yang dihasilkan dengan SLS termasuk engsel fleksibel, bahagian yang bergerak, gasket, perumah tegar dan komponen snap-fitserta pemasangan yang boleh dipasang terus dari katil cetak. Sifat-sifatnya biasanya agak isotropik, bermakna ia serupa di sepanjang paksi yang berbeza, yang meningkatkan keseluruhan sifat mekanikal.

Sebaliknya, mesin SLS melibatkan pelaburan awal yang tinggi, kos penyelenggaraan yang tinggi, dan keperluan untuk kakitangan khusus untuk menyediakan, mengendalikan dan membersihkan peralatan. Di samping itu, pengurusan habuk, keselamatan dan pemprosesan pasca memerlukan kemudahan yang sesuai.

Peleburan laser terpilih (SLM) dan pensinteran laser logam langsung (DMLS)

Apabila bekerja dengan logam, salah satu proses utama ialah pensinteran laser langsung, juga dikenali sebagai peleburan laser terpilih. Kedua-dua istilah ini sering digunakan untuk menggambarkan proses di mana a Laser berkuasa tinggi mencairkan sepenuhnya serbuk logam yang sangat halus. (titanium, aluminium, keluli, superaloi, dll.) dalam lapisan serbuk.

Lapisan demi lapisan, laser mengimbas titik-titik yang ditakrifkan oleh reka bentuk, meleburkan dan memejalkan logam untuk membina prototaip berfungsi dan komponen akhir dengan sifat mekanikal yang sangat hampir dengan bahagian yang dihasilkan melalui kaedah konvensional. Hasilnya ialah komponen yang padat, tepat dan boleh diulang, dengan syarat prosesnya dioptimumkan dengan baik.

Teknologi ini sesuai untuk menghasilkan geometri yang mustahil diperoleh dengan proses tradisionalseperti saluran penyejukan dalaman yang kompleks, struktur kekisi ringan atau reka bentuk bionik yang dioptimumkan secara topologi. Ia juga amat relevan untuk mencipta prototaip logam berfungsi, bahagian dengan keperluan mekanikal dan terma tertentu, dan model untuk mengesahkan reka bentuk 3D dalam persekitaran dunia sebenar.

Industri seperti aeroangkasa, perubatan (tangan bionik dengan kecerdasan buatan) Industri automotif sangat menghargai keupayaan ini, memandangkan gabungan ringan, kekuatan dan kebebasan reka bentuk Ia sangat sesuai dengan keperluan mereka. Sebagai balasannya, DMLS/SLM memerlukan peralatan berkos tinggi, pengendali berpengalaman, pengurusan habuk yang ketat dan selalunya jentera sokongan seperti peralatan pemesinan nyahcas elektrik (EDM) dan sistem rawatan haba.

Penjetan Pengikat

Acuan suntikan pengikat merupakan proses pembuatan bahan tambahan di mana bahan asas dibentangkan dalam bentuk serbuk halus yang disapu di atas katil percetakan lapisan demi lapisanSelepas setiap lapisan serbuk dimendapkan, satu atau lebih kepala cetak menyuntik pengikat cecair ke dalam kawasan di mana geometri akan dibentuk, supaya zarah-zarah tersebut terikat bersama dan menghasilkan bahagian "hijau".

Teknologi ini menonjol kerana kelajuan tinggi dan ketepatan dimensi yang baikOleh kerana kepala cetak boleh memendapkan pengikat secara serentak di beberapa titik, ia membolehkan pengeluaran berpuluh-puluh atau beratus-ratus keping dalam satu kelompok. Kos setiap keping biasanya kompetitif, menjadikannya menarik untuk pengeluaran bersiri.

Walau bagaimanapun, bahagian yang diperoleh melalui suntikan pengikat sering menunjukkan kekuatan mekanikal yang lebih rendah berbanding yang dicapai dengan proses metalurgi yang lain seperti DMLS atau EBM, terutamanya jika peringkat pensinteran atau penyusupan berikutnya yang betul tidak dilakukan. Ia kerap digunakan apabila jumlah pengeluaran dan kos diutamakan berbanding prestasi mekanikal maksimum.

Fabrikasi Filamen Berlakur Logam (Logam FFF)

Dalam proses ini, bahan permulaan adalah filamen yang terdiri daripada serbuk logam yang terikat oleh pengikat polimerPencetak memendapkan filamen lapisan demi lapisan mengikut prinsip yang serupa dengan plastik FFF, menghasilkan sekeping yang masih mengandungi sebahagian besar pengikat.

Seterusnya, karya tersebut menjalani deagglomerasi dan rawatan sintering dalam relaudi mana pengikat ditanggalkan dan zarah logam dicantumkan bersama, menghasilkan komponen logam dengan struktur dalaman yang biasanya diisi (cth., corak segi tiga) dan ketumpatan yang lebih rendah daripada sekeping yang sepenuhnya pepejal.

Antara kelebihannya ialah Keselamatan dan kemudahan pengendalian serbuk aglomerasi yang lebih tinggi berbanding serbuk longgarKetersediaan bahan yang luas dan kos permulaan yang lebih rendah berbanding teknologi logam lain merupakan kelebihan utama. Sebagai kesan sampingan, bahagian-bahagiannya tidak sepenuhnya padat, menghasilkan komponen yang lebih ringan, yang boleh menjadi kelebihan atau batasan bergantung pada aplikasi.

Pemprosesan Cahaya Digital (DLP)

Pemprosesan cahaya digital ialah teknologi yang serupa dengan stereolitografi, tetapi dengan satu perbezaan utama: bukannya mengimbas setiap bahagian dengan laser, Ia memproyeksikan keseluruhan imej setiap lapisan sekaligus. Resin fotopolimer digunakan menggunakan projektor digital. Ini membolehkan setiap lapisan mengeras sepenuhnya sekaligus.

Cara kerja ini memberikan hasil yang hebat kelajuan pembinaan dan keupayaan untuk menghasilkan semula reka bentuk dengan geometri yang sangat kompleksmengekalkan ketepatan yang tinggi. Ia biasanya ditemui dalam aplikasi di mana banyak bahagian kecil yang sangat terperinci perlu dihasilkan berulang kali.

Sebagai kelemahan, proses DLP sering menghasilkan bau yang kuat semasa mencetak Dan bahagian yang besar boleh mengalami ubah bentuk atau tekanan dalaman jika orientasi dan sokongan tidak dikendalikan dengan betul, sama seperti apa yang berlaku dengan beberapa resin SLA.

Pemendapan tenaga langsung (DED)

Pemendapan tenaga langsung ialah proses pembuatan bahan tambahan logam di mana muncung dipasang pada lengan robot berbilang paksi dengan laser atau pancaran elektron yang mencairkan bahan (dalam bentuk dawai logam atau serbuk) betul-betul di titik pemendapan.

Berkat konfigurasi ini, sistem ini dapat mengaplikasikan bahan dari hampir semua sudutDED melibatkan pembinaan atau pembaikan bahagian pada komponen sedia ada. Ini menjadikan DED penyelesaian yang sangat menarik untuk mendapatkan semula bahagian bernilai tinggi, mengukuhkan kawasan kritikal atau mengeluarkan komponen besar yang sukar dihasilkan menggunakan kaedah lain.

Antara kelebihan utamanya ialah keupayaan untuk menghasilkan bahagian logam isipadu besar dan menambah bahan kepada komponen yang telah dihasilkanIni amat berguna dalam sektor seperti aeroangkasa dan tenaga. Walau bagaimanapun, mesin-mesin ini merupakan mesin yang kompleks dan mahal yang memerlukan kakitangan yang berkelayakan tinggi, bilik yang disesuaikan khas untuk pengurusan habuk dan pemprosesan pasca yang ketara untuk memperhalusi ketepatan dan kemasan permukaan.

Gabungan alur elektron (EBM)

Gabungan alur elektron menggunakan pancaran elektron bertenaga tinggi, dipandu oleh medan magnetuntuk mencairkan serbuk logam lapisan demi lapisan. Keseluruhan proses berlaku di dalam ruang vakum, satu syarat yang diperlukan untuk operasi alur elektron.

Teknologi ini membolehkan kita mencapai kelajuan pembuatan yang tinggi, ketepatan yang baik, dan bahagian-bahagian dengan sifat mekanikal yang sangat baikIni menjadikannya sangat bernilai untuk superaloi berprestasi tinggi dalam sektor canggih. Kebuk vakum dan kaedah input tenaga juga mempengaruhi mikrostruktur akhir bahan tersebut.

Penggunaan EBM bermaksud peralatan canggih dan kakitangan yang berpengalaman untuk mengurus parameter proses, penyelenggaraan dan keselamatan. Oleh itu, ia biasanya ditemui dalam persekitaran perindustrian termaju dan projek dengan permintaan teknikal yang tinggi.

Percetakan MultiJet (MJP / Penjetan Bahan)

Pencetakan MultiJet, atau jet bahan, adalah berdasarkan pemendapan mikrotitisan bahan fotoreaktif pada kedudukan yang dikehendaki bagi setiap lapisan. Selepas setiap laluan, sumber cahaya ultraungu akan mengawet bahan, memejalkannya dan membentuk geometri yang ditakrifkan oleh model 3D.

Satu kelebihan yang ketara ialah ia membolehkan menggabungkan pelbagai bahan dan warna dalam satu bahagianIni kerana kepala cetak yang berbeza boleh mengeluarkan bahan yang berbeza dengan cara yang terkawal. Ini menjadikannya amat menarik untuk prototaip realistik, mock-up produk dan komponen di mana penampilan akhir perlu disimulasikan.

Aspek yang kurang baik ialah kepingan-kepingan itu cenderung untuk menunjukkan kekuatan dan ketahanan yang lebih rendah berbanding yang dihasilkan dengan proses lain yang lebih berorientasikan ke arah aplikasi akhir yang berfungsi, jadi ia biasanya dikhaskan untuk prototaip, mock-up dan model pengesahan visual.

Pembuatan bahan tambahan dan latihan universiti khusus

Kemajuan pesat teknologi ini telah mendorong peningkatan bekalan program latihan universiti khusus dalam pembuatan bahan tambahanProgram ini ditawarkan di peringkat sarjana muda dan terutamanya peringkat pascasiswazah, serta pengkhususan profesional. Matlamatnya adalah untuk melengkapkan jurutera dengan kemahiran yang kukuh dalam reka bentuk pembuatan bahan tambahan, pemilihan proses, penilaian bahan dan pengurusan projek perindustrian.

Sesetengah institusi menawarkan jadual perjalanan modular Program-program ini membolehkan pelajar mengambil modul berbeza yang membawa kepada kelayakan di pelbagai peringkat (Ijazah Sarjana Pendidikan Berterusan, Diploma Pakar, Gelaran Pakar, sijil ulangkaji, dll.). Dengan cara ini, laluan latihan dapat disesuaikan dengan pengalaman dan matlamat profesional setiap orang.

Dalam kes program yang membawa kepada ijazah Sarjana dalam Pendidikan Berterusan, kelayakan Pakar atau Pakar, biasanya dikehendaki memegang Ijazah universiti rasmi, Sarjana Muda, Lesen, Diploma, Kejuruteraan, Kejuruteraan Teknikal, Seni Bina atau Seni Bina Teknikal (lihat 15 jenis kejuruteraanDi samping itu, pihak pengurusan setiap kursus boleh mencadangkan keperluan latihan tambahan terdahulu dalam disiplin tertentu (bahan, reka bentuk, pembuatan, dll.).

Dalam kes-kes yang luar biasa, sesetengah universiti mempertimbangkan untuk menerima golongan profesional tanpa kelayakan formal yang diperlukan, dengan syarat bahawa menunjukkan pengalaman yang mencukupi melalui resume mereka dan memenuhi syarat kemasukan universiti yang ditetapkan oleh peraturan semasa. Dalam kes sedemikian, pejabat rektor atau badan yang berwibawa boleh membenarkan pendaftaran selepas menerima laporan yang menggalakkan daripada pengarah program.

Jika pelajar mendaftar dalam kursus pascasiswazah tanpa memenuhi syarat kemasukan untuk ijazah yang sepadan, Anda akan dapat menyelesaikan dan lulus kursus ini, tetapi anda tidak akan mendapat sijil rasmi.tetapi sijil penyiapan. Bagi jenis akreditasi lain, seperti diploma profesional tertentu atau sijil pembelajaran terbuka dan pendidikan berterusan, syarat kemasukan minimum melebihi yang ditetapkan oleh pengarah kursus tidak selalu dituntut.

Penyelidikan, pemindahan dan kilang digital dalam pembuatan bahan tambahan

Pembuatan bahan tambahan tidak terhad kepada bilik darjah atau makmal universiti: terdapat pengaruh yang kuat orientasi ke arah kerjasama dengan industri dan pemindahan pengetahuanKumpulan penyelidikan khusus mengusahakan projek yang kompetitif (contohnya, dalam rangka kerja pelan R&D kebangsaan) dan bekerjasama dengan syarikat untuk membawa inovasi daripada prototaip kepada eksploitasi perindustrian, memacu inovasi dalam teknologi terpakai kepada sektor tersebut.

Hasil daripada aktiviti penyelidikan ini muncul penerbitan saintifik dalam jurnal berimpak tinggi, paten dan perkembangan teknologi yang dipindahkan ke persekitaran pengeluaran. Bidang penyelidikan ini biasanya disusun berdasarkan beberapa paksi utama untuk Industri 4.0 dan kilang digital.

Salah satu garis asas memberi tumpuan kepada analisis, pembangunan dan automasi proses pembuatanIni termasuk teknologi tradisional (pembuatan CNC, mikrofabrikasi, suntikan plastik) dan pembuatan bahan tambahan serta sistem mekatronik termaju, dengan tujuan untuk meningkatkan ketepatan, kebolehulangan dan fleksibiliti proses pengeluaran.

Satu lagi bidang penting ialah kejuruteraan pengetahuan yang digunakan untuk reka bentuk dan pembuatanBidang ini memberi tumpuan kepada pembangunan perkakasan automatik, penyepaduan perkakas CAX (CAD/CAM/CAE) dan sistem PLM, serta model maklumat yang memudahkan aliran data sepanjang kitaran hayat produk. Dalam pembuatan bahan tambahan, ini diterjemahkan kepada pengoptimuman reka bentuk khusus untuk setiap proses dan mengautomasikan penyediaan kerja cetakan.

La pengurusan dan kecekapan perindustrian Ia juga memainkan peranan utama. Metodologi seperti Pembuatan Lean, alat simulasi dan MES (Sistem Pelaksanaan Pembuatan) digunakan untuk meningkatkan produktiviti, mengurangkan masa henti dan menambah baik kawalan proses di mana pembuatan bahan tambahan digabungkan dengan teknologi lain pada barisan pengeluaran yang sama.

Dalam bidang kilang digital, penerapan Teknologi yang membolehkan seperti robotik kolaboratif, integrasi maklumat menegak, Internet Pelbagai Benda Perindustrian (IIoT) dan analisis data lanjutan Ia membolehkan penciptaan persekitaran pengeluaran yang lebih pintar. Dalam persekitaran ini, pencetak 3D dan sel pasca pemprosesan adalah sebahagian daripada ekosistem yang terhubung yang memantau parameter dalam masa nyata dan melaraskan proses secara dinamik.

Akhirnya, mereka membangunkan Kajian sektoral mengenai pelaksanaan teknologi dalam industriTahap penggunaan pembuatan bahan tambahan, halangan kemasukan dan kesannya terhadap sektor yang berbeza dianalisis. Analisis ini membantu membimbing pelaburan, mereka bentuk strategi inovasi dan mengenal pasti peluang untuk aplikasi atau model perniagaan baharu berdasarkan pembuatan teragih dan penyesuaian besar-besaran.

Keseluruhan ekosistem pendidikan, penyelidikan dan perindustrian ini membentuk senario di mana Kejuruteraan pembuatan aditif sedang mengukuhkan dirinya sebagai tonggak strategik untuk daya saingMenggabungkan pelbagai proses (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, suntikan pengikat, FFF logam) dengan cara baharu untuk mereka bentuk, menghasilkan dan mengurus maklumat di kilang. Pemahaman yang menyeluruh tentang ciri, kelebihan, batasan setiap teknologi dan konteks penggunaannya membolehkan keputusan yang lebih tepat tentang proses yang hendak digunakan, cara mengintegrasikannya ke dalam barisan pengeluaran dan kemahiran yang perlu dibangunkan untuk memaksimumkan manfaatnya.