Additiv produksjonsteknikk: teknologier og applikasjoner

Informatec Digital » Ressurser » Additiv produksjonsteknikk: teknologier og applikasjoner

La additiv produksjonsteknikk har blitt en av de store drivkreftene for endring i teknologi i industrienDet som for noen år siden ble sett på som enkle 3D-printere for prototyper, er i dag et sett med teknologier som er i stand til å produsere funksjonelle deler, komplekse metallkomponenter og tilpassede løsninger i krevende sektorer som luftfart, medisin eller bilindustri.

I denne sammenhengen er det viktig å forstå Hvilke typer additive produksjonsprosesser finnes, hvilke fordeler tilbyr de, og i hvilke tilfeller er det fordelaktig å bruke hver enkelt?I tillegg til teknologiene vokser det også frem en hel rekke universitets- og videreutdanningsprogrammer, samt forskningslinjer som tar sikte på å integrere disse løsningene i digital fabrikk, automatisere prosesser og forbedre den generelle produktiviteten til industrianlegg.

Hva er additiv produksjon, og hvorfor er det viktig innen ingeniørfag?

Når vi snakker om additiv produksjon, refererer vi til et sett med teknologiske prosesser que De bygger deler ved å legge til materiale lag for lag fra en CAD-design eller en 3d-skanningI motsetning til subtraktive metoder (som maskinering, som starter fra en blokk og fjerner materiale), genereres volumet her bare der det er behov for det, noe som åpner døren for svært komplekse geometrier og en mye mer effektiv bruk av materiale.

Alle 3D-printingsteknologier deler dette målet om lage tredimensjonale objekter ved ekstrudering, avsetning eller størkning lag for lagMen måten de oppnår det på er svært forskjellig: de endrer materialene (plast, harpiks, metaller, keramisk pulver), energikilden (laser, elektronstråle, projisert lys) og den endelige ytelsen (mekanisk motstand, presisjon, kostnad, hastighet osv.).

Derfor snakker vi ikke bare om «3D-printing» på en generisk måte innen ingeniørfag, men om spesifikke additive produksjonsprosesser (se teknologiske prosesserDisse alternativene velges basert på bruksområde, kvalitetskrav og budsjett. Å skrive ut en billig visuell prototype er ikke det samme som å skrive ut en motordel som utsettes for høye temperaturer eller et spesialtilpasset medisinsk implantat.

Selskaper som investerer i denne teknologien kombinerer den ofte med avansert design, effektive produksjonsmetoder og produksjonsstyringssystemerslik at 3D-skriveren ikke er et isolert element, men enda en del av den tilkoblede og digitale fabrikken.

Hovedtyper av additiv produksjon i industrien

I industrimiljøet finnes det en rekke additive produksjonsprosesser, men noen har fått spesiell betydning på grunn av deres teknologisk modenhet, stabilitet i resultatene og tilgjengeligheten av materialerDisse inkluderer modellering av smeltet avsetning, stereolitografi, lasersintring og smeltevarianter, teknologier for projisert lys og mer avanserte metallbearbeidingsmetoder; mange av disse løsningene vises også i lister over nye teknologier relevant for bransjen.

De mest relevante typene additiv produksjon er beskrevet nedenfor. Dens fordeler, begrensninger og vanlige brukstilfellerintegrering av både polymerorienterte og metallspesialiserte prosesser.

Modellering av smeltet avsetning (FDM / FFF)

Modellering av smeltet avsetning, kjent som FDM eller FFF, er sannsynligvis den mest utbredte 3D-printingsteknologienI denne prosessen avgir en skriver smeltet termoplastfilament gjennom en oppvarmet dyse, lag for lag, på en byggeplattform. Materialet størkner raskt og danner det endelige objektet langs banene som er definert i utskriftsfilen.

Denne teknikken tillater produksjon Holdbare og relativt lette deler, med god dimensjonsstabilitet og varmetoleransespesielt når man bruker tekniske polymerer. Kostnaden for utstyr og forbruksvarer er vanligvis rimelig, noe som forklarer den utbredte bruken i både små og mellomstore bedrifter og store bedrifter for prototyping, verktøy, maler, støtter og korte produksjonsserier.

Deler produsert med FDM kan imidlertid vise anisotropisk oppførselStyrken er ikke jevn i alle retninger, ettersom lagovergangen vanligvis er det svakeste punktet. Dette krever nøye orientering av delen og valg av trykkparametere når høy mekanisk ytelse er ønsket.

Stereolitografi (SLA)

Stereolitografi er en av de banebrytende prosessene innen additiv produksjon og er basert på bruk av lysfølsomme flytende harpikser herdet med ultrafiolett lysEn skriver utstyrt med en UV-laser eller lignende lyskilde størkner harpiksen lag for lag, og følger seksjonene i 3D-modellen, og bygger dermed stykket nedenfra og opp.

Dens største styrke er ekstremt høy presisjon og overflatekvalitet som den tilbyr, noe som gjør den ideell for produksjon av prototyper med et svært bemerkelsesverdig detaljnivå, produktmodeller, masterformer eller modeller for sektorer som smykker, tannbehandling eller industridesign.

Denne typen additiv produksjon er spesielt verdifull når du trenger å fremskynde produksjonen av HD-prototyper på bare noen få timermed små toleranser og svært fine overflater. Imidlertid tilbyr harpiksene som brukes ofte mer begrensede mekaniske og termiske egenskaper enn andre plasttyper, og store deler kan være utsatt for deformasjon eller indre spenninger hvis prosessen ikke kontrolleres godt.

Selektiv lasersintring (SLS)

Selektiv lasersintring bruker et pulverlag (vanligvis polymerer som PA12 og andre tekniske materialer) som en laser sintrer eller smelter selektivt sammen materialpartikler etter geometrien til hvert lag. Når et lag er ferdig, spres et nytt lag med pulver, og prosessen gjentas til stykket er ferdig.

Denne teknologien skiller seg ut ved sin evne til å produsere Robuste, funksjonelle deler med utmerket mekanisk motstand og uten behov for støttestrukturerfordi det usintrede pulveret i seg selv støtter delen under produksjonen. Dette muliggjør etablering av svært komplekse geometrier, med indre hulrom, integrerte hengsler og artikulerte komponenter, alt i ett stykke.

Typiske eksempler produsert med SLS inkluderer fleksible hengsler, bevegelige deler, pakninger, stive hus og snap-fit-komponentersamt sammenstillinger som kan monteres direkte fra printbedet. Egenskapene er vanligvis ganske isotrope, noe som betyr at de er like langs forskjellige akser, noe som forbedrer den generelle mekaniske oppførselen.

Omvendt involverer SLS-maskiner høye initiale investeringer, betydelige vedlikeholdskostnader og behov for spesialisert personell å klargjøre, bruke og rengjøre utstyret. I tillegg krever støvhåndtering, sikkerhet og etterbehandling egnede fasiliteter.

Selektiv lasersmelting (SLM) og direkte metalllasersintring (DMLS)

Når man arbeider med metaller, er en av nøkkelprosessene direkte lasersintring, også kjent som selektiv lasersmelting. Begge begrepene brukes ofte for å beskrive prosesser der en En høyeffektslaser smelter et veldig fint metallpulver fullstendig. (titan, aluminium, stål, superlegeringer osv.) i et pulverlag.

Lag for lag skanner laseren punktene som er definert av designet, smelting og størkning av metallet å bygge funksjonelle prototyper og sluttkomponenter med mekaniske egenskaper som er svært lik de til deler produsert med konvensjonelle metoder. Resultatet er tette, presise og repeterbare komponenter, forutsatt at prosessen er godt optimalisert.

Denne teknologien er ideell for produksjon geometrier som er umulige å oppnå med tradisjonelle prosessersom komplekse interne kjølekanaler, lette gitterstrukturer eller topologisk optimaliserte bioniske design. Det er også spesielt relevant for å lage funksjonelle metallprototyper, deler med spesifikke mekaniske og termiske krav, og modeller for validering av 3D-design i virkelige miljøer.

Industrier som luftfart, medisinsk (bioniske hender med kunstig intelligens) Bilindustrien verdsetter disse mulighetene høyt, siden kombinasjon av letthet, styrke og designfrihet Det passer deres behov veldig bra. Til gjengjeld krever DMLS/SLM dyrt utstyr, erfarne operatører, streng støvhåndtering og ofte støttemaskiner som elektrisk utladningsmaskinering (EDM) og varmebehandlingssystemer.

Binder Jetting

Bindemiddelsprøytestøping er en additiv produksjonsprosess der basismaterialet presenteres i form av fint pulver som spres utover trykkflaten lag for lagEtter at hvert lag med pulver er avsatt, sprøyter ett eller flere skrivehoder et flytende bindemiddel inn i områdene der geometrien skal dannes, slik at partiklene binder seg sammen og gir opphav til en «grønn» del.

Denne teknologien skiller seg ut for sin høy hastighet og god dimensjonsnøyaktighetSiden skrivehodene kan legge på bindemiddel samtidig på flere punkter, muliggjør det produksjon av dusinvis eller til og med hundrevis av deler i én batch. Kostnaden per stykk er vanligvis konkurransedyktig, noe som gjør det attraktivt for serieproduksjon.

Deler som oppnås ved bindemiddelinjeksjon viser imidlertid ofte lavere mekaniske styrker enn de som oppnås med andre metallurgiske prosesser som DMLS eller EBM, spesielt hvis riktige påfølgende sintrings- eller infiltrasjonstrinn ikke utføres. Det brukes ofte når produksjonsvolum og kostnader prioriteres over maksimal mekanisk ytelse.

Fabrikasjon av smeltet metallfilament (FFF-metall)

I denne prosessen er utgangsmaterialet et filament bestående av metallpulver bundet av et polymert bindemiddelSkriveren legger filamentet lag for lag etter et prinsipp som ligner på FFF-plast, og får et stykke som fortsatt inneholder en betydelig andel bindemiddel.

Deretter gjennomgår stykket en deagglomerering og sintringsbehandling i en ovnder bindemidlet fjernes og metallpartiklene sammenføyes, noe som resulterer i en metallisk komponent med en indre struktur som vanligvis er fylt (f.eks. trekantet mønster) og lavere tetthet enn et helt solid stykke.

Blant fordelene er Større sikkerhet og enklere håndtering av agglomerert pulver sammenlignet med løst pulverDen brede tilgjengeligheten av materialer og lavere inngangskostnader enn andre metallteknologier er viktige fordeler. Som en bivirkning er ikke delene helt tette, noe som resulterer i lettere komponenter, noe som enten kan være en fordel eller en begrensning avhengig av bruksområdet.

Digital lysbehandling (DLP)

Digital lysbehandling er en teknologi som ligner på stereolitografi, men med én viktig forskjell: i stedet for å skanne hver seksjon med en laser, Den projiserer hele bildet av hvert lag samtidig. Fotopolymerharpiksen påføres med en digital projektor. Dette gjør at hvert lag herder fullstendig samtidig.

Denne arbeidsmåten gir en flott konstruksjonshastighet og evne til å reprodusere design med svært komplekse geometrieropprettholder høy presisjon. Det finnes ofte i applikasjoner der mange små, svært detaljerte deler må produseres gjentatte ganger.

Som ulemper genererer DLP-prosessen ofte sterke lukter under utskrift Og store deler kan bli utsatt for deformasjoner eller indre spenninger hvis orienteringen og støttene ikke håndteres riktig, på samme måte som skjer med noen SLA-harpikser.

Direkte energiavsetning (DED)

Direkte energiavsetning er en metallisk additiv produksjonsprosess der en dyse montert på en flerakset robotarm med en laser eller en elektronstråle som smelter materialet (i form av en metalltråd eller pulver) rett ved avsetningspunktet.

Takket være denne konfigurasjonen kan systemet påfør materiale fra praktisk talt alle vinklerDED innebærer å bygge eller reparere deler på eksisterende komponenter. Dette gjør DED til en svært attraktiv løsning for å gjenvinne deler med høy verdi, forsterke kritiske områder eller produsere store komponenter som er vanskelige å produsere med andre metoder.

Blant de viktigste fordelene er muligheten til å produsere store metalldeler og tilsetning av materiale til allerede produserte komponenterDette er spesielt nyttig i sektorer som luftfart og energi. Dette er imidlertid komplekse og dyre maskiner som krever høyt kvalifisert personell, spesialtilpassede rom for støvhåndtering og betydelig etterbehandling for å forbedre presisjon og overflatefinish.

Elektronstrålefusjon (EBM)

Elektronstrålefusjon benytter en høyenergisk elektronstråle, styrt av et magnetfeltå smelte metallpulveret lag for lag. Hele prosessen foregår inne i et vakuumkammer, en nødvendig betingelse for at elektronstrålen skal fungere.

Denne teknologien lar oss oppnå høye produksjonshastigheter, god presisjon og deler med utmerkede mekaniske egenskaperDette gjør det svært verdsatt for høypresterende superlegeringer i banebrytende sektorer. Vakuumkammeret og metoden for energitilførsel påvirker også materialets endelige mikrostruktur.

Bruken av EBM innebærer sofistikert utstyr og erfarent personell for å administrere prosessparametere, vedlikehold og sikkerhet. Derfor finnes den vanligvis i avanserte industrimiljøer og prosjekter med høye tekniske krav.

MultiJet-utskrift (MJP / materialjetting)

MultiJet-utskrift, eller materialjetting, er basert på avsetning av mikrodråper av et fotoreaktivt materiale i de ønskede posisjonene for hvert lag. Etter hver passering herder en ultrafiolett lyskilde materialet, slik at det stivner og danner geometrien som er definert av 3D-modellen.

En betydelig fordel er at det tillater kombinere forskjellige materialer og farger i samme møbelDette er fordi de forskjellige skrivehodene kan dispensere forskjellige materialer på en kontrollert måte. Dette gjør det spesielt interessant for realistiske prototyper, produktmodeller og komponenter der det endelige utseendet må simuleres.

Det mindre gunstige aspektet er at brikkene har en tendens til å vise lavere styrke og holdbarhet enn de som er produsert med andre prosesser som er mer orientert mot en funksjonell endelig applikasjon, så det er vanligvis reservert for prototyper, mockups og visuelle valideringsmodeller.

Additiv produksjon og spesialisert universitetsutdanning

Den raske utviklingen av disse teknologiene har drevet et økende tilbud av spesifikke universitetsopplæringsprogrammer i additiv produksjonDette programmet tilbys både på bachelor- og, spesielt, masternivå, samt innen profesjonell spesialisering. Målet er å utstyre ingeniører med solide ferdigheter innen additiv produksjonsdesign, prosessvalg, materialervaluering og industriell prosjektledelse.

Noen institusjoner tilbyr modulære reiseruter Disse programmene lar studentene ta ulike moduler som fører til kvalifikasjoner på ulike nivåer (mastergrader i videreutdanning, spesialistdiplomer, eksperttitler, oppfriskningsbevis osv.). På denne måten er det mulig å skreddersy opplæringsløpet til hver enkelt persons tidligere erfaring og faglige mål.

Når det gjelder programmer som fører til mastergrader i videreutdanning, spesialist- eller ekspertkvalifikasjoner, kreves det vanligvis at man har en Offisiell universitetsgrad, bachelorgrad, lisensiatgrad, diplomgrad, ingeniørfag, teknisk ingeniørfag, arkitektur eller teknisk arkitektur (se 15 typer ingeniørfagI tillegg kan ledelsen for hvert kurs foreslå ytterligere krav til forutdanning innen spesifikke fagområder (materialer, design, produksjon osv.).

I unntakstilfeller vurderer noen universiteter å ta opp fagfolk uten de nødvendige formelle kvalifikasjonene, forutsatt at demonstrere tilstrekkelig erfaring gjennom CV-en sin og oppfylle opptakskravene til universitetet fastsatt i gjeldende forskrifter. I slike tilfeller kan rektors kontor eller vedkommende organ godkjenne opptak etter å ha mottatt en positiv rapport fra programlederen.

Dersom en student melder seg på et høyere utdanningsstudium uten å oppfylle opptakskravene for den tilsvarende graden, Du vil kunne fullføre og bestå kurset, men du vil ikke få det offisielle sertifikatet.men et fullføringsbevis. For andre typer akkreditering, som visse profesjonelle vitnemål eller sertifikater for åpen læring og videreutdanning, kreves det ikke alltid minimumskrav til opptak utover de som er fastsatt av emneansvarlig.

Forskning, overføring og digital fabrikk innen additiv produksjon

Additiv produksjon er ikke begrenset til klasserom eller universitetslaboratorier: det er en sterk orientering mot samarbeid med industrien og kunnskapsoverføringSpesialiserte forskningsgrupper jobber med konkurransedyktige prosjekter (for eksempel innenfor rammen av nasjonale FoU-planer) og samarbeider med bedrifter for å ta innovasjoner fra prototype til industriell utnyttelse, og dermed drive frem innovasjon innen teknologi gjeldende for sektoren.

Resultatene av denne forskningsaktiviteten kommer frem vitenskapelige publikasjoner i tidsskrifter med høy gjennomslagskraft, patenter og teknologiske utviklinger som overføres til produksjonsmiljøet. Disse forskningslinjene er vanligvis organisert rundt flere nøkkelakser for Industri 4.0 og den digitale fabrikken.

En av de grunnleggende linjene fokuserer på analyse, utvikling og automatisering av produksjonsprosesserDette inkluderer både tradisjonelle teknologier (CNC-produksjon, mikrofabrikasjon, plastinjeksjon) og additiv produksjon og avanserte mekatroniske systemer, med mål om å forbedre nøyaktigheten, repeterbarheten og fleksibiliteten i produksjonsprosesser.

Et annet viktig område er kunnskapsteknikk anvendt på design og produksjonDette området fokuserer på automatisert utvikling av verktøy, integrering av CAX-verktøy (CAD/CAM/CAE) og PLM-systemer, samt informasjonsmodeller som forenkler dataflyt gjennom hele produktets livssyklus. I additiv produksjon betyr dette optimalisering av design spesifikt for hver prosess og automatisering av forberedelsen av utskriftsjobber.

La industriell ledelse og effektivitet Det spiller også en ledende rolle. Metoder som Lean Manufacturing, simuleringsverktøy og MES (Manufacturing Execution Systems) brukes for å øke produktiviteten, redusere nedetid og forbedre prosesskontrollen der additiv produksjon kombineres med andre teknologier på samme produksjonslinje.

Innen den digitale fabrikken, adopsjonen av Muliggjørende teknologier som samarbeidende robotikk, vertikal integrering av informasjon, Industrial Internet of Things (IIoT) og avansert dataanalyse Det muliggjør etablering av smartere produksjonsmiljøer. I disse miljøene er 3D-skrivere og etterbehandlingsceller en del av et tilkoblet økosystem som overvåker parametere i sanntid og dynamisk justerer prosesser.

Til slutt utvikler de seg Sektorstudier om implementering av teknologier i industrienGraden av adopsjon av additiv produksjon, inngangsbarrierer og virkningen på ulike sektorer analyseres. Disse analysene bidrar til å veilede investeringer, utforme innovasjonsstrategier og identifisere muligheter for nye applikasjoner eller forretningsmodeller basert på distribuert produksjon og massetilpasning.

Hele dette utdannings-, forsknings- og industriøkosystemet danner et scenario der Additiv produksjonsteknikk konsoliderer seg som en strategisk pilar for konkurranseevneÅ kombinere ulike prosesser (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, bindemiddelinjeksjon, metall-FFF) med nye måter å designe, produsere og administrere informasjon i fabrikken på. En grundig forståelse av hver teknologis egenskaper, fordeler, begrensninger og konteksten de brukes i, gir mulighet for mer informerte beslutninger om hvilken prosess som skal brukes, hvordan den skal integreres i produksjonslinjen og hvilke ferdigheter som skal utvikles for å maksimere fordelene.