Additiv produksjonsteknikk: teknologier og applikasjoner

Informatec Digital » Ressurser » Additiv produksjonsteknikk: Teknologier og applikasjoner

Additiv produksjonsteknikk har blitt en av de viktigste driverne for teknologisk endring i industrien . Det som for noen år siden ble sett på som enkle 3D-skrivere 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 og bilindustri.

I denne sammenhengen er det viktig å forstå hvilke typer additive produksjonsprosesser som finnes, hvilke fordeler de tilbyr, og i hvilke tilfeller det er fordelaktig å bruke hver enkelt . I tillegg til selve teknologiene vokser det også en hel rekke universitets- og videreutdanningsprogrammer, samt forskningslinjer som fokuserer på å integrere disse løsningene i den digitale fabrikken , 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 som bygger deler ved å legge til materiale lag for lag, basert på en CAD-design eller en 3D-skanning . I motsetning til subtraktive metoder (som maskinering, som starter med en blokk og fjerner materiale), genereres volumet her bare der det er behov for det, noe som åpner døren for svært komplekse geometrier og mye mer effektiv materialbruk.

Alle 3D-printingsteknologier har som mål å lage tredimensjonale objekter ved ekstrudering, avsetning eller størkning lag for lag , men måten de oppnår dette på er svært forskjellig: materialene endres (plast, harpiks, metaller, keramisk pulver), det samme gjør energikilden (laser, elektronstråle, projisert lys) og den endelige ytelsen (mekanisk motstand, presisjon, kostnad, hastighet osv.).

Derfor snakker vi i ingeniørfaget ikke bare om «3D-printing» generelt, men om spesifikke additive produksjonsprosesser (se teknologiske prosesser ) som velges i henhold til applikasjon, kvalitetskrav og budsjett. Å skrive ut en rimelig visuell prototype er ikke det samme som å skrive ut en motordel som utsettes for høye temperaturer eller et personlig medisinsk implantat.

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

Hovedtyper av additiv produksjon i industrien

Det finnes en rekke additive produksjonsprosesser i industrisektoren, men noen har fått særlig plass på grunn av sin teknologiske modenhet, konsistente resultater og materialtilgjengelighet . Disse inkluderer smeltet avsetningsmodellering, stereolitografi, ulike lasersintrings- og smelteteknikker, lysbaserte teknologier og mer avanserte metallbearbeidingsmetoder. Mange av disse løsningene vises også i lister over relevante nye teknologier i bransjen.

Følgende beskriver de mest relevante typene additiv produksjon, deres fordeler, begrensninger og vanlige brukstilfeller , og integrerer både polymerorienterte prosesser og de som er spesialiserte i metall.

Modellering av smeltet avsetning (FDM / FFF)

Smeltet avsetningsmodellering, kjent som FDM eller FFF, er sannsynligvis den mest utbredte 3D-printingsteknologien . I denne prosessen avsetter 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 muliggjør produksjon av slitesterke og relativt lette deler med god dimensjonsstabilitet og varmetoleranse , spesielt når man bruker tekniske polymerer. Kostnaden for utstyr og forbruksvarer er vanligvis lav, noe som forklarer den utbredte bruken av både små og mellomstore bedrifter og store selskaper for prototyping, verktøy, maler, støtter og korte produksjonsserier.

Deler produsert ved hjelp av FDM kan imidlertid vise anisotropisk oppførsel : styrken deres er ikke ensartet i alle retninger, ettersom lagovergangen vanligvis er det svakeste punktet. Dette krever nøye delorientering 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 lys . En skriver utstyrt med en UV-laser eller lignende lyskilde størkner harpiksen lag for lag, og følger seksjonene i 3D-modellen, og bygger dermed delen nedenfra og opp.

Dens hovedstyrke er den ekstremt høye presisjonen og overflatekvaliteten den gir, 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 det er behov for raskt å lage HD-prototyper på bare noen få timer , med 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 nøye.

Selektiv lasersintring (SLS)

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

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

Typiske eksempler produsert med SLS inkluderer fleksible hengsler, bevegelige deler, pakninger, stive hus og snap-fit-komponenter , samt 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 ytelsen.

På den annen side innebærer SLS-maskiner høye initiale investeringer, betydelige vedlikeholdskostnader og behov for spesialisert personell for å klargjøre, betjene og rengjøre utstyret. Videre krever støvhåndtering, sikkerhet og etterbehandling egnede fasiliteter.

Selektiv lasersmelting (SLM) og direkte metalllasersintring (DMLS)

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

Lag for lag skanner laseren punktene som er definert av designet, smelter og størkner metallet for 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 å produsere geometrier som er umulige å oppnå med tradisjonelle prosesser , som komplekse interne kjølekanaler, lette gitterstrukturer eller topologisk optimaliserte bioniske design. Den 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.

Bransjer som luftfart, medisin (bioniske hender med kunstig intelligens) og bilindustrien verdsetter disse egenskapene høyt, ettersom kombinasjonen av letthet, styrke og designfrihet passer perfekt til deres behov. Til gjengjeld krever DMLS/SLM dyrt utstyr, erfarne operatører, streng støvhåndtering og ofte støttende maskineri som elektrisk utladningsmaskinering (EDM) og varmebehandlingssystemer.

Binder Jetting

Binder-jetting er en additiv produksjonsprosess der basismaterialet presenteres som et fint pulver som spres lag for lag på skriverbunnen . Etter at hvert pulverlag er avsatt, injiserer ett eller flere skrivehoder et flytende bindemiddel i områdene der geometrien skal dannes, slik at partiklene binder seg sammen og skaper en "grønn" del.

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

Deler produsert ved sprøytestøping av bindemidler viser imidlertid vanligvis lavere mekanisk styrke enn de som oppnås med andre metallbearbeidingsprosesser som DMLS eller EBM, spesielt hvis påfølgende sintrings- eller infiltrasjonstrinn ikke utføres. Denne metoden 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 med et polymerbindemiddel . Skriveren avgir filamentet lag for lag etter et prinsipp som ligner på fabrikasjon av FFF-plastfilamenter, noe som resulterer i en del som fortsatt inneholder en betydelig mengde bindemiddel.

Deretter gjennomgår stykket en deagglomererings- og sintringsbehandling i en ovn , hvor bindemidlet fjernes og metallpartiklene sammenføyes. Dette resulterer i en metallkomponent 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 enkel håndtering av agglomerert pulver sammenlignet med løst pulver , bred tilgjengelighet av materialer og lavere startkostnad enn andre metallteknologier. 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 en viktig forskjell: i stedet for å skanne hver seksjon med en laser, projiseres hele bildet av hvert lag på fotopolymerharpiksen samtidig ved hjelp av en digital projektor. Dette gjør at hvert lag herder fullstendig samtidig.

Denne metoden gir høy produksjonshastighet og muligheten til å reprodusere design med svært komplekse geometrier samtidig som den opprettholder høy presisjon. Den finnes ofte i applikasjoner som krever repeterende produksjon av mange små, svært detaljerte deler.

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

Direkte energiavsetning (DED)

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

Takket være denne konfigurasjonen kan systemet påføre materiale fra så godt som alle vinkler , bygge eller reparere deler på eksisterende komponenter. Dette gjør DED til en svært attraktiv løsning for gjenvinning av deler med høy verdi, forsterkning av kritiske områder eller produksjon av store komponenter som er vanskelige å produsere med andre metoder.

Blant de viktigste fordelene er muligheten til å produsere metalldeler i store volum og tilsette materiale til eksisterende komponenter , noe som er spesielt nyttig i sektorer som luftfart og energi. På den annen side er dette komplekse og dyre maskiner som krever høyt kvalifisert personell, spesialiserte støvhåndteringsrom og betydelig etterbehandling for å forbedre presisjon og overflatefinish.

Elektronstrålefusjon (EBM)

Elektronstrålesmelting bruker en høyenergisk elektronstråle, styrt av et magnetfelt , for å smelte metallpulver lag for lag. Hele prosessen foregår inne i et vakuumkammer, en nødvendig betingelse for at elektronstrålen skal fungere.

Denne teknologien muliggjør høye produksjonshastigheter, god presisjon og deler med utmerkede mekaniske egenskaper , noe som gjør den høyt verdsatt for høyytelses superlegeringer i banebrytende sektorer. Vakuumkammeret og energitilførselsmetoden påvirker også materialets endelige mikrostruktur.

Bruken av EBM krever sofistikert utstyr og erfarent personell for å håndtere prosessparametere, vedlikehold og sikkerhet. Derfor finnes det 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 i hvert lag. Etter hver passering herder en ultrafiolett lyskilde materialet, slik at det størkner og danner geometrien som er definert av 3D-modellen.

En betydelig fordel er at det muliggjør kombinasjon av ulike materialer og farger i én del , siden de ulike skrivehodene kan dispensere ulike 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 delene har en tendens til å ha mindre motstand og holdbarhet enn de som er produsert med andre prosesser som er mer orientert mot funksjonell sluttapplikasjon, så det er vanligvis reservert for prototyper, mock-ups og visuelle valideringsmodeller.

Additiv produksjon og spesialisert universitetsutdanning

Den raske utviklingen av disse teknologiene har ansporet et økende antall universitetsopplæringsprogrammer spesielt fokusert på additiv produksjon , både på bachelor- og spesielt masternivå, inkludert faglig spesialisering. Målet er å utstyre ingeniører med solide ferdigheter innen design for additiv produksjon, prosessvalg, materialervaluering og industriell prosjektledelse.

Noen institusjoner tilbyr modulære utdanningsløp der studentene kan ta ulike moduler som fører til kvalifikasjoner på ulike nivåer (mastergrader i videreutdanning, spesialistdiplomer, eksperttitler, oppfriskningsbevis osv.). Dette lar studentene skreddersy læringsløpet sitt til tidligere erfaring og faglige mål.

For programmer som fører til mastergrader i videreutdanning, spesialist- eller ekspertkvalifikasjoner, kreves det vanligvis en offisiell universitetsgrad (bachelor, lisensiat, diplom, ingeniørfag, teknisk ingeniørfag, arkitektur eller teknisk arkitektur) (se 15 typer ingeniørfag ). I tillegg kan emneansvarlig foreslå ytterligere forkunnskaper innen spesifikke disipliner (materialer, design, produksjon osv.).

I unntakstilfeller vurderer noen universiteter å ta opp fagfolk uten de nødvendige formelle kvalifikasjonene, forutsatt at de kan vise tilstrekkelig erfaring gjennom CV-en sin og oppfyller universitetets opptakskrav fastsatt i gjeldende regelverk. I slike tilfeller kan rektor eller vedkommende organ godkjenne opptak etter å ha mottatt en positiv rapport fra programlederen.

Hvis en student melder seg på et høyere utdanningskurs uten å oppfylle opptakskravene for den tilsvarende graden, kan de fortsatt fullføre og bestå kurset, men vil ikke motta selve graden , men i stedet motta et fullføringsbevis. For andre typer akkreditering, for eksempel visse profesjonelle vitnemål eller åpen læring og videreutdanningsbevis, er det ikke alltid nødvendig med minimumskrav til opptak utover de som er satt av emneansvarlig.

Forskning, overføring og digital fabrikk innen additiv produksjon

Additiv produksjon er ikke begrenset til klasserom eller universitetslaboratorier: det er et sterkt fokus på samarbeid med industrien og kunnskapsoverføring . Spesialiserte 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 produksjon, og dermed drive innovasjon innen teknologi som er anvendelig for sektoren.

Denne forskningsaktiviteten resulterer i vitenskapelige publikasjoner i tidsskrifter med høy gjennomslagskraft, patenter og teknologiske utviklinger som overføres til produksjonsmiljøet. Disse forskningslinjene er vanligvis organisert rundt flere nøkkelområder for Industri 4.0 og den digitale fabrikken.

Et av hovedfokusområdene er analyse, utvikling og automatisering av produksjonsprosesser . Dette inkluderer både tradisjonelle teknologier (CNC-produksjon, mikrofabrikasjon, sprøytestøping av plast) 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 i design og produksjon , hvor det arbeides med automatisert utvikling av verktøy, integrering av CAX-verktøy (CAD/CAM/CAE) og PLM-systemer, samt informasjonsmodeller som forenkler dataflyt gjennom produktets livssyklus. I additiv produksjon betyr dette optimalisering av design spesifikt for hver prosess og automatisering av forberedelsen av utskriftsjobber.

Industriell styring og effektivitet spiller også en nøkkelrolle. Metoder som Lean Manufacturing, simuleringsverktøy og Manufacturing Execution Systems (MES) brukes for å øke produktiviteten, redusere nedetid og forbedre prosesskontrollen i prosesser der additiv produksjon kombineres med andre teknologier på samme produksjonslinje.

Innenfor den digitale fabrikkens sfære muliggjør bruk av muliggjørende teknologier som samarbeidende robotikk, vertikal integrering av informasjon, Industrial Internet of Things (IIoT) og avansert dataanalyse etableringen av smartere produksjonsmiljøer. Innenfor disse miljøene er 3D-skrivere og etterbehandlingsceller en del av et tilkoblet økosystem som overvåker parametere i sanntid og dynamisk justerer prosesser.

Til slutt gjennomføres sektorspesifikke studier av implementering av teknologier i industrien , graden av adopsjon av additiv produksjon, inngangsbarrierer og virkningen på ulike sektorer. 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 industrielle økosystemet skaper et scenario der additiv produksjonsteknikk konsoliderer seg som en strategisk pilar for konkurranseevne , og kombinerer 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 detaljene til hver teknologi, dens fordeler, dens begrensninger og konteksten den 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.