Ingineria de fabricație aditivă: tehnologii și aplicații

Informatec Digital » Recursos » Ingineria de fabricație aditivă: tehnologii și aplicații

La inginerie de fabricație aditivă a devenit una dintre marile pârghii ale schimbării în tehnologie în industrieCeea ce acum câțiva ani era văzut ca niște simple imprimante 3D pentru prototipuri, astăzi este un set de tehnologii capabile să fabrice piese funcționale, componente metalice complexe și soluții personalizate în sectoare la fel de solicitante precum industria aerospațială, medicală sau auto.

În acest context, este esențial să înțelegem Ce tipuri de procese de fabricație aditivă există, ce avantaje oferă acestea și în ce cazuri este avantajos să se utilizeze fiecare dintre ele?Pe lângă tehnologii, o gamă largă de programe de formare universitare și postuniversitare este în creștere, precum și linii de cercetare care vizează integrarea acestor soluții în... fabrică digitală, automatiza procesele și îmbunătățește productivitatea generală a instalațiilor industriale.

Ce este fabricația aditivă și de ce este importantă în inginerie?

Când vorbim despre fabricație aditivă, ne referim la un set de procese tehnologice că Ei construiesc piese adăugând material strat cu strat dintr-un design CAD sau dintr-un Scanare 3DSpre deosebire de metodele subtractive (cum ar fi prelucrarea mecanică, care pornește de la un bloc și îndepărtează material), aici volumul este generat doar acolo unde este nevoie, deschizând calea către geometrii foarte complexe și o utilizare mult mai eficientă a materialului.

Toate tehnologiile de imprimare 3D au același obiectiv de a crearea de obiecte tridimensionale prin extrudare, depunere sau solidificare strat cu stratÎnsă modul în care realizează acest lucru este foarte diferit: schimbă materialele (plastice, rășini, metale, pulberi ceramice), sursa de energie (laser, fascicul de electroni, lumină proiectată) și performanța finală (rezistența mecanică, precizia, costul, viteza etc.).

Prin urmare, în inginerie, nu vorbim doar despre „imprimare 3D” într-un mod generic, ci despre procese specifice de fabricație aditivă (vedea procese tehnologiceAceste opțiuni sunt selectate în funcție de aplicație, cerințele de calitate și buget. Imprimarea unui prototip vizual ieftin nu este același lucru cu imprimarea unei piese de motor supuse unor temperaturi ridicate sau a unui implant medical personalizat.

Companiile care investesc în această tehnologie o combină adesea cu design avansat, metodologii eficiente de fabricație și sisteme de management al producțieiastfel încât imprimanta 3D să nu fie un element izolat, ci încă o piesă a fabricii conectate și digitale.

Principalele tipuri de fabricație aditivă în industrie

În mediul industrial există numeroase procese de fabricație aditivă, dar unele au căpătat o importanță deosebită datorită... maturitatea tehnologică, stabilitatea rezultatelor și disponibilitatea materialelorPrintre acestea se numără modelarea prin depunere topită, stereolitografia, sinterizarea cu laser și variantele de topire, tehnologiile cu lumină proiectată și metode mai avansate pentru lucrul cu metale; multe dintre aceste soluții apar și în listele de tehnologiile emergente relevante pentru industrie.

Cele mai relevante tipuri de fabricație aditivă sunt detaliate mai jos. Avantajele, limitele și cazurile sale comune de utilizareintegrând atât procese orientate pe polimeri, cât și procese specializate pe metale.

Modelare prin depunere topită (FDM / FFF)

Modelarea prin depunere topită, cunoscută sub numele de FDM sau FFF, este probabil cea mai răspândită tehnologie de imprimare 3DÎn acest proces, o imprimantă depune filament termoplastic topit printr-o duză încălzită, strat cu strat, pe o platformă de imprimare. Materialul se solidifică rapid, formând obiectul final de-a lungul căilor definite în fișierul de imprimare.

Această tehnică permite fabricarea Piese durabile și relativ ușoare, cu stabilitate dimensională bună și toleranță termicăîn special atunci când se utilizează polimeri inginerești. Costul echipamentelor și consumabilelor este de obicei rezonabil, ceea ce explică adoptarea lor pe scară largă atât în ​​IMM-uri, cât și în companiile mari pentru prototipare, scule, șabloane, suporturi și serii scurte de producție.

Totuși, piesele fabricate prin FDM pot prezenta comportament anizotropRezistența nu este uniformă în toate direcțiile, deoarece joncțiunea straturilor este de obicei punctul cel mai slab. Acest lucru necesită o orientare atentă a piesei și selectarea parametrilor de imprimare atunci când se dorește o performanță mecanică ridicată.

Stereolitografie (SLA)

Stereolitografia este unul dintre procesele de pionierat în fabricația aditivă și se bazează pe utilizarea... rășini lichide fotosensibile întărite cu lumină ultravioletăO imprimantă echipată cu un laser UV sau o sursă de lumină similară solidifică rășina strat cu strat, urmând secțiunile modelului 3D, construind astfel piesa de jos în sus.

Cea mai mare putere a sa este precizie extrem de ridicată și calitate a suprafeței pe care le oferă, fiind ideal pentru fabricarea de prototipuri cu un nivel remarcabil de detaliu, machete de produse, matrițe master sau modele pentru sectoare precum bijuteria, stomatologia sau designul industrial.

Acest tip de fabricație aditivă este deosebit de valoros atunci când aveți nevoie pentru a accelera crearea de prototipuri de înaltă definiție în doar câteva orecu toleranțe strânse și finisaje foarte fine. Cu toate acestea, rășinile utilizate oferă adesea proprietăți mecanice și termice mai limitate decât alte materiale plastice, iar piesele mari pot fi predispuse la deformări sau solicitări interne dacă procesul nu este bine controlat.

Sinterizarea selectivă cu laser (SLS)

Sinterizarea selectivă cu laser utilizează un pat de pulbere (de obicei polimeri precum PA12 și alte materiale inginerești) pe care se aplică un laser sinterizează sau fuzionează selectiv particule de material urmând geometria fiecărui strat. Odată ce un strat este terminat, se întinde un nou strat de pulbere și procesul se repetă până când piesa este completă.

Această tehnologie se remarcă prin capacitatea sa de a produce Piese robuste și funcționale, cu rezistență mecanică excelentă și fără necesitatea unor structuri de susțineredeoarece pulberea nesinterizată susține piesa în timpul fabricației. Acest lucru permite crearea unor geometrii extrem de complexe, cu cavități interne, balamale integrate și componente articulate, toate într-o singură piesă.

Exemple tipice produse cu SLS includ balamale flexibile, piese mobile, garnituri, carcase rigide și componente cu fixare prin clipsareprecum și ansambluri care pot fi asamblate direct de pe patul de imprimare. Proprietățile sunt de obicei destul de izotrope, adică sunt similare de-a lungul diferitelor axe, ceea ce îmbunătățește comportamentul mecanic general.

În schimb, mașinile SLS implică investiții inițiale mari, costuri semnificative de întreținere și nevoia de personal specializat pentru a pregăti, opera și curăța echipamentul. În plus, gestionarea prafului, siguranța și post-procesarea necesită instalații adecvate.

Topire selectivă cu laser (SLM) și sinterizare directă cu laser a metalelor (DMLS)

Când se lucrează cu metale, unul dintre procesele cheie este sinterizarea directă cu laser, cunoscută și sub denumirea de topire selectivă cu laser. Ambii termeni sunt folosiți frecvent pentru a descrie procesele în care un Un laser de mare putere topește complet o pulbere metalică foarte fină. (titan, aluminiu, oțeluri, superaliaje etc.) într-un pat de pulbere.

Strat cu strat, laserul scanează punctele definite de design, topirea și solidificarea metalului pentru a construi prototipuri funcționale și componente finale cu proprietăți mecanice foarte apropiate de cele ale pieselor fabricate prin metode convenționale. Rezultatul este reprezentat de componente dense, precise și repetabile, cu condiția ca procesul să fie bine optimizat.

Această tehnologie este ideală pentru producerea geometrii imposibil de obținut cu procesele tradiționalecum ar fi canale complexe de răcire internă, structuri de rețea ușoare sau designuri bionice optimizate topologic. De asemenea, este deosebit de relevant pentru crearea de prototipuri metalice funcționale, piese cu cerințe mecanice și termice specifice și modele pentru validarea designurilor 3D în medii reale.

Industrii precum cea aerospațială, medical (mâini bionice cu inteligență artificială) Industria auto apreciază foarte mult aceste capacități, deoarece combinație de ușurință, rezistență și libertate de design Se potrivește foarte bine nevoilor lor. În schimb, DMLS/SLM necesită echipamente costisitoare, operatori experimentați, o gestionare strictă a prafului și adesea utilaje auxiliare, cum ar fi echipamente de prelucrare prin electroeroziune (EDM) și sisteme de tratament termic.

Jet de lianți

Turnarea prin injecție a liantului este un proces de fabricație aditivă în care materialul de bază este prezentat sub formă de pulbere fină care este întinsă pe patul de imprimare strat cu stratDupă depunerea fiecărui strat de pulbere, unul sau mai multe capete de imprimare injectează un liant lichid în zonele în care urmează să se formeze geometria, astfel încât particulele să se lege între ele și să dea naștere unei piese „verzi”.

Această tehnologie se remarcă prin viteză mare și precizie dimensională bunăÎntrucât capetele de imprimare pot depune liant simultan în mai multe puncte, acest lucru permite producerea a zeci sau chiar sute de bucăți într-un singur lot. Costul per bucată este de obicei competitiv, ceea ce îl face atractiv pentru producția de serie.

Totuși, piesele obținute prin injectarea liantului prezintă adesea rezistențe mecanice mai mici decât cele obținute prin alte procese metalurgice cum ar fi DMLS sau EBM, în special dacă nu se efectuează etapele ulterioare de sinterizare sau infiltrare corespunzătoare. Se utilizează frecvent atunci când volumul producției și costul au prioritate față de performanța mecanică maximă.

Fabricarea filamentelor metalice topite (FFF Metal)

În acest proces, materia primă este o filament compus din pulbere metalică legată de un liant polimericImprimanta depune filamentul strat cu strat, urmând un principiu similar plasticului FFF, obținând o piesă care conține încă o fracțiune semnificativă de liant.

Ulterior, piesa trece printr-o tratament de dezaglomerare și sinterizare într-un cuptorunde liantul este îndepărtat și particulele metalice sunt unite, rezultând o componentă metalică cu o structură internă de obicei umplută (de exemplu, model triunghiular) și o densitate mai mică decât o piesă complet solidă.

Printre avantajele sale se numără Siguranță sporită și ușurință în manipularea pulberii aglomerate în comparație cu pulberea liberăDisponibilitatea largă a materialelor și un cost de intrare mai mic decât alte tehnologii metalice sunt avantaje cheie. Ca efect secundar, piesele nu sunt complet dense, rezultând componente mai ușoare, ceea ce poate fi fie un avantaj, fie o limitare, în funcție de aplicație.

Procesarea digitală a luminii (DLP)

Prelucrarea digitală a luminii este o tehnologie similară stereolitografiei, dar cu o diferență cheie: în loc să scaneze fiecare secțiune cu un laser, Proiectează întreaga imagine a fiecărui strat simultan. Rășina fotopolimerică este aplicată cu ajutorul unui proiector digital. Acest lucru permite fiecărui strat să se întărească complet simultan.

Acest mod de lucru oferă o mare viteza de construcție și capacitatea de a reproduce modele cu geometrii foarte complexemenținând o precizie ridicată. Se găsește frecvent în aplicații în care multe piese mici și foarte detaliate trebuie produse în mod repetat.

Ca dezavantaje, procesul DLP generează adesea mirosuri puternice în timpul imprimării Și piesele mari pot suferi deformări sau solicitări interne dacă orientarea și suporturile nu sunt gestionate corect, similar cu ceea ce se întâmplă în cazul unor rășini SLA.

Depunere directă de energie (DED)

Depunerea directă de energie este un proces de fabricație aditivă metalică în care duză montată pe un braț robotic multiaxial cu un laser sau un fascicul de electroni care topește materialul (sub formă de sârmă metalică sau pulbere) chiar în punctul de depunere.

Datorită acestei configurații, sistemul poate aplică materialul din aproape orice unghiDED implică construirea sau repararea pieselor pe componente existente. Acest lucru face ca DED să fie o soluție foarte atractivă pentru recuperarea pieselor de mare valoare, consolidarea zonelor critice sau fabricarea de componente mari care sunt dificil de produs prin alte metode.

Printre principalele sale avantaje se numără capacitatea de a fabrica piese metalice de volum mare și adăugarea de material la componentele deja fabricateAcest lucru este util în special în sectoare precum industria aerospațială și cea energetică. Cu toate acestea, acestea sunt mașini complexe și costisitoare care necesită personal înalt calificat, încăperi special adaptate pentru gestionarea prafului și post-procesare semnificativă pentru a rafina precizia și finisajul suprafeței.

Fuziunea cu fascicul de electroni (EBM)

Fuziunea cu fascicul de electroni folosește o fascicul de electroni de înaltă energie, ghidat de un câmp magneticsă topească pulberea metalică strat cu strat. Întregul proces are loc în interiorul unei camere de vid, o condiție necesară pentru funcționarea fasciculului de electroni.

Această tehnologie ne permite să realizăm viteze mari de fabricație, precizie bună și piese cu proprietăți mecanice excelenteDin acest motiv, este foarte apreciat pentru superaliaje de înaltă performanță în sectoare de vârf. Camera de vid și metoda de introducere a energiei influențează, de asemenea, microstructura finală a materialului.

Utilizarea EBM implică echipamente sofisticate și personal experimentat pentru a gestiona parametrii procesului, întreținerea și siguranța. Prin urmare, se găsește de obicei în medii industriale avansate și proiecte cu cerințe tehnice ridicate.

Imprimare MultiJet (MJP / Jet de materiale)

Imprimarea MultiJet, sau imprimarea cu jet de material, se bazează pe depunerea de micropicături de material fotoreactiv în pozițiile dorite ale fiecărui strat. După fiecare trecere, o sursă de lumină ultravioletă întărește materialul, solidificându-l și formând geometria definită de modelul 3D.

Un avantaj semnificativ este acela că permite combină diferite materiale și culori în cadrul aceleiași pieseAcest lucru se datorează faptului că diferitele capete de imprimare pot distribui materiale diferite într-un mod controlat. Acest lucru o face deosebit de interesantă pentru prototipuri realiste, machete de produse și componente unde aspectul final trebuie simulat.

Aspectul mai puțin favorabil este că piesele tind să se arate rezistență și durabilitate mai mici decât cele fabricate prin alte procese mai orientate către o aplicație finală funcțională, așa că este de obicei rezervată prototipurilor, machetelor și modelelor de validare vizuală.

Fabricație aditivă și formare universitară specializată

Avansul rapid al acestor tehnologii a determinat o creștere a ofertei de programe universitare specifice de formare în domeniul producției aditiveAcest program este oferit atât la nivel de licență, cât și, în special, la nivel de masterat, precum și în specializare profesională. Scopul este de a dota inginerii cu competențe solide în proiectarea de fabricație aditivă, selecția proceselor, evaluarea materialelor și managementul proiectelor industriale.

Unele instituții oferă itinerarii modulare Aceste programe permit studenților să urmeze diferite module care duc la calificări la diverse niveluri (masterate în educație continuă, diplome de specializare, titluri de expert, certificate de reîmprospătare a cunoștințelor etc.). În acest fel, este posibilă adaptarea traseului de formare la experiența anterioară și obiectivele profesionale ale fiecărei persoane.

În cazul programelor care conduc la obținerea de masterate în educație continuă, calificări de specialist sau expert, este de obicei necesară deținerea unei calificări... Diplomă universitară oficială, Licență, Licență, Diplomă, Inginerie, Inginerie Tehnică, Arhitectură sau Arhitectură Tehnică (vedea 15 tipuri de inginerieÎn plus, conducerea fiecărui curs poate propune cerințe suplimentare de formare prealabilă în discipline specifice (materiale, proiectare, fabricație etc.).

În cazuri excepționale, unele universități iau în considerare admiterea de profesioniști fără calificările formale necesare, cu condiția ca demonstrează suficientă experiență prin CV și îndeplinesc cerințele de admitere la universitate stabilite de reglementările în vigoare. În astfel de cazuri, rectoratul sau organul competent poate autoriza înscrierea după primirea unui raport favorabil din partea directorului de program.

Dacă un student se înscrie la un curs postuniversitar fără a îndeplini cerințele de admitere pentru diploma corespunzătoare, Vei putea finaliza și promova cursul, dar nu vei obține certificatul oficial.ci un certificat de absolvire. Pentru alte tipuri de acreditare, cum ar fi anumite diplome profesionale sau certificate de învățare deschisă și educație continuă, nu sunt întotdeauna impuse cerințe minime de admitere dincolo de cele stabilite de directorul cursului.

Cercetare, transfer și fabrică digitală în fabricația aditivă

Fabricația aditivă nu se limitează la sălile de clasă sau la laboratoarele universitare: există o puternică orientare spre colaborarea cu industria și transferul de cunoștințeGrupurile de cercetare specializate lucrează la proiecte competitive (de exemplu, în cadrul planurilor naționale de cercetare și dezvoltare) și colaborează cu companiile pentru a duce inovațiile de la prototip la exploatarea industrială, impulsionând inovație în tehnologie aplicabile sectorului.

Rezultatele acestei activități de cercetare apar publicații științifice în reviste de mare impact, brevete și dezvoltări tehnologice care sunt transferate în mediul de producție. Aceste linii de cercetare sunt de obicei organizate în jurul mai multor axe cheie pentru Industria 4.0 și fabrica digitală.

Una dintre liniile fundamentale se concentrează pe analiza, dezvoltarea și automatizarea proceselor de fabricațieAceasta include atât tehnologii tradiționale (fabricație CNC, microfabricație, injecție de mase plastice), cât și fabricație aditivă și sisteme mecatronice avansate, cu scopul de a îmbunătăți precizia, repetabilitatea și flexibilitatea proceselor de producție.

O altă zonă esențială este ingineria cunoașterii aplicată proiectării și producțieiAceastă arie se concentrează pe dezvoltarea automatizată a sculelor, integrarea instrumentelor CAX (CAD/CAM/CAE) și a sistemelor PLM, precum și a modelelor informaționale care facilitează fluxul de date pe tot parcursul ciclului de viață al produsului. În fabricația aditivă, acest lucru se traduce prin optimizarea designurilor specifice fiecărui proces și automatizarea pregătirii lucrărilor de imprimare.

La managementul și eficiența industrială De asemenea, joacă un rol principal. Metodologii precum Lean Manufacturing, instrumente de simulare și MES (Sisteme de Execuție a Manufacturării) sunt aplicate pentru a crește productivitatea, a reduce timpii de nefuncționare și a îmbunătăți controlul proceselor, în care fabricația aditivă este combinată cu alte tehnologii pe aceeași linie de producție.

În domeniul fabricii digitale, adoptarea Tehnologii facilitatoare precum robotica colaborativă, integrarea verticală a informațiilor, Internetul Industrial al Lucrurilor (IIoT) și analiza avansată a datelor Permite crearea unor medii de producție mai inteligente. În aceste medii, imprimantele 3D și celulele de post-procesare fac parte dintr-un ecosistem conectat care monitorizează parametrii în timp real și ajustează dinamic procesele.

În cele din urmă, ele dezvoltă Studii sectoriale privind implementarea tehnologiilor în industrieSunt analizate gradul de adoptare a fabricației aditive, barierele la intrare și impactul asupra diferitelor sectoare. Aceste analize ajută la ghidarea investițiilor, la conceperea strategiilor de inovare și la identificarea oportunităților pentru noi aplicații sau modele de afaceri bazate pe fabricație distribuită și personalizare în masă.

Întregul ecosistem educațional, de cercetare și industrial formează un scenariu în care Ingineria de fabricație aditivă se consolidează ca un pilon strategic pentru competitivitateCombinând diverse procese (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, injecție de lianți, FFF metalic) cu noi modalități de proiectare, producere și gestionare a informațiilor în fabrică. O înțelegere aprofundată a caracteristicilor, avantajelor, limitărilor fiecărei tehnologii și a contextului în care acestea sunt aplicate permite luarea unor decizii mai informate cu privire la ce proces să utilizeze, cum să o integreze în linia de producție și ce abilități să dezvolte pentru a maximiza beneficiile sale.