- Aditivna proizvodnja zajema več procesov, ki omogočajo ustvarjanje delov plast za plastjo iz CAD-zasnov, z materiali, ki segajo od polimerov do naprednih kovin.
- Tehnologije, kot so FDM, SLA, SLS, DMLS/SLM, DED, EBM, DLP, brizganje veziv, MJP in kovinski FFF, ponujajo različne kombinacije stroškov, natančnosti in mehanskih lastnosti.
- Univerzitetna izobrazba in podiplomski programi, specializirani za aditivno proizvodnjo, so ključni za profile, ki so sposobni načrtovati, izbirati procese in upravljati kompleksne industrijske projekte.
- Integracija z digitalno tovarno, avtomatizacija, analiza podatkov in prenos znanja iz raziskav in razvoja naredijo aditivno proizvodno inženirstvo strateški element za industrijsko konkurenčnost.
Aditivna proizvodnja je postala eden glavnih gonilnikov tehnoloških sprememb v industriji . Kar je bilo še pred nekaj leti videti kot preprosti 3D-tiskalniki za prototipe, je danes nabor tehnologij, ki omogočajo izdelavo funkcionalnih delov, kompleksnih kovinskih komponent in prilagojenih rešitev v zahtevnih sektorjih, kot so vesoljska, medicina in avtomobilska industrija.
V tem kontekstu je bistveno razumeti, katere vrste aditivnih proizvodnih procesov obstajajo, katere prednosti ponujajo in v katerih primerih je koristno uporabiti vsakega od njih . Poleg samih tehnologij se razvija tudi cela vrsta univerzitetnih in podiplomskih programov usposabljanja ter raziskovalnih smeri, osredotočenih na integracijo teh rešitev v digitalno tovarno , avtomatizacijo procesov in izboljšanje splošne produktivnosti industrijskih obratov.
Kaj je aditivna proizvodnja in zakaj je pomembna v inženirstvu?
Ko govorimo o aditivni proizvodnji, se sklicujemo na niz tehnoloških procesov , ki izdelujejo dele z dodajanjem materiala plast za plastjo, na podlagi CAD-zasnove ali 3D-skeniranja . Za razliko od subtraktivnih metod (kot je strojna obdelava, ki se začne z blokom in odstrani material) se tukaj volumen ustvari le tam, kjer je potreben, kar odpira vrata zelo kompleksnim geometrijam in veliko učinkovitejši uporabi materiala.
Vse tehnologije 3D-tiskanja imajo skupni cilj ustvarjanja tridimenzionalnih predmetov z ekstruzijo, nanašanjem ali strjevanjem plast za plastjo , vendar se način, kako to dosežejo, zelo razlikuje: spreminjajo se materiali (plastika, smole, kovine, keramični prahovi), prav tako vir energije (laser, elektronski žarek, projicirana svetloba) in končna zmogljivost (mehanska odpornost, natančnost, stroški, hitrost itd.).
Zato v inženirstvu ne govorimo le o "3D-tiskanju" na splošno, temveč o specifičnih aditivnih proizvodnih postopkih (glej tehnološki postopki ), ki so izbrani glede na uporabo, zahteve glede kakovosti in proračun. Tiskanje poceni vizualnega prototipa ni enako tiskanju dela motorja, izpostavljenega visokim temperaturam, ali personaliziranega medicinskega vsadka.
Podjetja, ki vlagajo v to tehnologijo, jo pogosto kombinirajo z naprednim načrtovanjem, učinkovitimi proizvodnimi metodologijami in sistemi za upravljanje proizvodnje , tako da 3D-tiskalnik ni izoliran element, temveč še en del povezane in digitalne tovarne.
Glavne vrste aditivne proizvodnje v industriji
V industrijskem sektorju obstajajo številni aditivni proizvodni procesi, nekateri pa so pridobili na pomenu zaradi svoje tehnološke zrelosti, doslednih rezultatov in razpoložljivosti materialov . Mednje spadajo modeliranje s taljenjem, stereolitografija, različne tehnike laserskega sintranja in taljenja, tehnologije na osnovi svetlobe in naprednejše metode obdelave kovin; številne od teh rešitev se pojavljajo tudi na seznamih ustreznih novih tehnologij v industriji.
V nadaljevanju so podrobno opisane najpomembnejše vrste aditivne proizvodnje, njihove prednosti, omejitve in pogosti primeri uporabe , ki vključujejo tako polimerno usmerjene procese kot tiste, specializirane za kovine.
Modeliranje taljenega nanašanja (FDM / FFF)
Modeliranje s taljenjem, znano kot FDM ali FFF, je verjetno najbolj razširjena tehnologija 3D-tiskanja . Pri tem postopku tiskalnik nanese staljeno termoplastično nit skozi segreto šobo, plast za plastjo, na platformo za izdelavo. Material se hitro strdi in oblikuje končni predmet vzdolž poti, določenih v datoteki za tiskanje.
Ta tehnika omogoča izdelavo trpežnih in relativno lahkih delov z dobro dimenzijsko stabilnostjo in toplotno toleranco , zlasti pri uporabi inženirskih polimerov. Stroški opreme in potrošnega materiala so običajno nizki, kar pojasnjuje njeno široko uporabo tako v malih in srednje velikih podjetjih kot v velikih podjetjih za izdelavo prototipov, orodij, predlog, podpor in kratke proizvodne serije.
Vendar pa lahko deli, izdelani z uporabo FDM, kažejo anizotropno obnašanje : njihova trdnost ni enakomerna v vseh smereh, saj je stik plasti običajno najšibkejša točka. To zahteva skrbno orientacijo delov in izbiro parametrov tiskanja, kadar je zaželena visoka mehanska zmogljivost.
Estereolitografija (SLA)
Stereolitografija je eden od pionirskih postopkov v aditivni proizvodnji in temelji na uporabi fotoobčutljivih tekočih smol, ki se strjujejo z ultravijolično svetlobo . Tiskalnik, opremljen z UV-laserjem ali podobnim virom svetlobe, strjuje smolo plast za plastjo, pri čemer sledi odsekom 3D-modela in tako gradi del od spodaj navzgor.
Njegova glavna prednost je izjemno visoka natančnost in kakovost površine , zaradi česar je idealen za izdelavo prototipov z izjemno stopnjo podrobnosti, maket izdelkov, glavnih kalupov ali modelov za sektorje, kot so nakit, zobozdravstvo ali industrijsko oblikovanje.
Ta vrsta aditivne proizvodnje je še posebej dragocena, kadar je treba hitro izdelati visokoločljivostne prototipe v samo nekaj urah , z ozkimi tolerancami in zelo finimi zaključki. Vendar pa uporabljene smole pogosto ponujajo bolj omejene mehanske in toplotne lastnosti kot druge plastike, veliki deli pa so lahko nagnjeni k deformacijam ali notranjim napetostim, če postopek ni skrbno nadzorovan.
Selektivno lasersko sintranje (SLS)
Selektivno lasersko sintranje uporablja praškasto posteljo (običajno polimere, kot je PA12 in drugi inženirski materiali), na katero laser selektivno sintra ali tali delce materiala glede na geometrijo vsake plasti. Ko je plast končana, se nanese nova plast prahu in postopek se ponavlja, dokler del ni končan.
Ta tehnologija izstopa po svoji sposobnosti izdelave robustnih, funkcionalnih delov z odlično mehansko trdnostjo in brez potrebe po podpornih strukturah , saj nesintran prašek sam podpira del med proizvodnjo. To omogoča ustvarjanje zelo kompleksnih geometrij z notranjimi votlinami, integriranimi tečaji in zgibnimi komponentami, vse v enem kosu.
Tipični primeri, izdelani s SLS, vključujejo fleksibilne tečaje, gibljive dele, tesnila, toga ohišja in komponente s snemljivim sistemom , pa tudi sklope, ki jih je mogoče sestaviti neposredno s tiskalne plošče. Lastnosti so običajno precej izotropne, kar pomeni, da so si podobne vzdolž različnih osi, kar izboljša splošno mehansko delovanje.
Po drugi strani pa SLS-stroji zahtevajo visoke začetne naložbe, znatne stroške vzdrževanja in potrebo po specializiranem osebju za pripravo, upravljanje in čiščenje opreme. Poleg tega ravnanje s prahom, varnost in naknadna obdelava zahtevajo ustrezne prostore.
Selektivno lasersko taljenje (SLM) in direktno lasersko sintranje kovin (DMLS)
Pri delu s kovinami je ena vodilnih tehnik neposredno lasersko sintranje, znano tudi kot selektivno lasersko taljenje. Oba izraza se pogosto uporabljata za opis postopkov, pri katerih visokozmogljiv laser popolnoma stopi zelo fin kovinski prah (titan, aluminij, jeklo, superzlitine itd.) v praškasti postelji.
Laser plast za plastjo skenira točke, ki jih določa zasnova, tali in strjuje kovino, da bi zgradil funkcionalne prototipe in končne komponente z mehanskimi lastnostmi, ki so zelo blizu lastnostim delov, izdelanih s konvencionalnimi metodami. Rezultat so goste, natančne in ponovljive komponente, če je postopek dobro optimiziran.
Ta tehnologija je idealna za izdelavo geometrij, ki jih s tradicionalnimi postopki ni mogoče doseči , kot so kompleksni notranji hladilni kanali, lahke rešetkaste strukture ali topološko optimizirane bionične zasnove. Posebej pomembna je tudi za ustvarjanje funkcionalnih kovinskih prototipov, delov s posebnimi mehanskimi in toplotnimi zahtevami ter modelov za potrjevanje 3D-zasnov v resničnih okoljih.
Industrije, kot so vesoljska, medicina (bionične roke z umetno inteligenco) in avtomobilska, zelo cenijo te zmogljivosti, saj kombinacija lahkotnosti, trdnosti in oblikovalske svobode popolnoma ustreza njihovim potrebam. Po drugi strani pa DMLS/SLM zahteva drago opremo, izkušene operaterje, strogo ravnanje s prahom in pogosto podporne stroje, kot so oprema za elektroerozijo (EDM) in sistemi za toplotno obdelavo.
Brizganje veziva
Brizganje veziva je aditivni proizvodni postopek, pri katerem je osnovni material predstavljen kot fin prah, ki se plast za plastjo razprostira na tiskalno površino . Po nanosu vsake plasti prahu ena ali več tiskalnih glav vbrizga tekoče vezivo na območja, kjer je treba oblikovati geometrijo, tako da se delci povežejo in ustvarijo »zelen« del.
Ta tehnologija izstopa po visoki hitrosti in dobri dimenzijski natančnosti , saj lahko tiskalne glave hkrati nanašajo vezivo na več mestih, kar omogoča izdelavo več deset ali celo stotin delov v eni sami seriji. Cena na kos je običajno konkurenčna, zaradi česar je privlačna za serijsko proizvodnjo.
Vendar pa deli, izdelani z brizganjem veziva, običajno kažejo nižjo mehansko trdnost kot tisti, doseženi z drugimi postopki obdelave kovin, kot sta DMLS ali EBM, zlasti če se ne izvedejo nadaljnje faze sintranja ali infiltracije. Ta metoda se pogosto uporablja, kadar imata obseg proizvodnje in stroški prednost pred maksimalno mehansko zmogljivostjo.
Izdelava kovinsko taljenih filamentov (kovina FFF)
V tem postopku je začetni material filament, sestavljen iz kovinskega prahu, vezanega s polimernim vezivom . Tiskalnik nanaša filament plast za plastjo po principu, podobnem izdelavi plastičnih filamentov FFF, kar ima za posledico del, ki še vedno vsebuje znatno količino veziva.
Nato se kos v peči podvrže deaglomeraciji in sintranju , kjer se vezivo odstrani in kovinski delci se združijo, kar ima za posledico kovinsko komponento z običajno zapolnjeno notranjo strukturo (npr. trikotni vzorec) in manjšo gostoto kot popolnoma trden kos.
Med njegovimi prednostmi so večja varnost in enostavnost ravnanja z aglomeriranim prahom v primerjavi z razsutim prahom , široka dostopnost materialov in nižji začetni stroški kot pri drugih kovinskih tehnologijah. Posledično deli niso popolnoma gosti, kar ima za posledico lažje komponente, kar je lahko prednost ali omejitev, odvisno od uporabe.
Digitalna obdelava svetlobe (DLP)
Digitalna obdelava svetlobe je tehnologija, podobna stereolitografiji, vendar s ključno razliko: namesto skeniranja vsakega odseka z laserjem, projicira celotno sliko vsake plasti hkrati na fotopolimerno smolo z digitalnim projektorjem. To omogoča, da se vsaka plast popolnoma strdi hkrati.
Ta metoda ponuja visoko proizvodno hitrost in možnost reprodukcije modelov z zelo kompleksnimi geometrijami, hkrati pa ohranja visoko natančnost. Pogosto se uporablja v aplikacijah, ki zahtevajo ponavljajočo se proizvodnjo številnih majhnih, zelo podrobnih delov.
Slabosti so, da postopek DLP med tiskanjem pogosto povzroča močne vonjave , veliki deli pa lahko utrpijo deformacije ali notranje napetosti, če orientacija in nosilci niso pravilno določeni, podobno kot se to dogaja pri nekaterih SLA smolah.
Neposredno odlaganje energije (DED)
Neposredno nanašanje z energijo je postopek aditivne proizvodnje kovin, pri katerem se šoba, nameščena na večosni robotski roki, kombinira z laserskim ali elektronskim žarkom, ki tali material (v obliki kovinske žice ali prahu) neposredno na mestu nanašanja.
Zahvaljujoč tej konfiguraciji lahko sistem nanaša material iz praktično katerega koli kota , pri čemer gradi ali popravlja dele na obstoječih komponentah. Zaradi tega je DED zelo privlačna rešitev za predelavo dragocenih delov, ojačitev kritičnih območij ali izdelavo velikih komponent, ki jih je težko izdelati z drugimi metodami.
Med njegovimi glavnimi prednostmi je možnost izdelave kovinskih delov velikih količin in dodajanja materiala obstoječim komponentam , kar je še posebej uporabno v sektorjih, kot sta vesoljska industrija in energetika. Po drugi strani pa so to kompleksni in dragi stroji, ki zahtevajo visoko usposobljeno osebje, specializirane prostore za ravnanje s prahom in znatno naknadno obdelavo za izboljšanje natančnosti in površinske obdelave.
Elektronska žarkovna fuzija (EBM)
Taljenje z elektronskim žarkom uporablja visokoenergijski elektronski žarek, ki ga vodi magnetno polje , za taljenje kovinskega prahu plast za plastjo. Celoten postopek poteka v vakuumski komori, kar je nujen pogoj za delovanje elektronskega žarka.
Ta tehnologija omogoča visoke proizvodne hitrosti, dobro natančnost in dele z odličnimi mehanskimi lastnostmi , zaradi česar je zelo cenjena za visokozmogljive superzlitine v najsodobnejših sektorjih. Vakuumska komora in metoda vnosa energije vplivata tudi na končno mikrostrukturo materiala.
Uporaba EBM vključuje sofisticirano opremo in izkušeno osebje za upravljanje procesnih parametrov, vzdrževanja in varnosti. Zato se običajno uporablja v naprednih industrijskih okoljih in projektih z visokimi tehničnimi zahtevami.
Večjezmični tisk (MJP / brizganje materiala)
Večjetno tiskanje ali brizganje materiala temelji na nanašanju mikrokapljic fotoreaktivnega materiala na želene položaje vsake plasti. Po vsakem prehodu vir ultravijolične svetlobe strdi material, ga strdi in oblikuje geometrijo, ki jo določa 3D-model.
Pomembna prednost je, da omogoča kombiniranje različnih materialov in barv znotraj enega samega dela , saj lahko različne tiskalne glave nadzorovano dozirajo različne materiale. Zaradi tega je še posebej zanimiv za realistične prototipe, makete izdelkov in komponente, kjer je treba simulirati končni videz.
Manj ugoden vidik je, da imajo deli običajno manjšo odpornost in vzdržljivost kot tisti, izdelani z drugimi postopki, ki so bolj usmerjeni v funkcionalno končno uporabo, zato so običajno rezervirani za prototipe, makete in modele za vizualno validacijo.
Aditivna proizvodnja in specializirano univerzitetno usposabljanje
Hiter napredek teh tehnologij je spodbudil vse večje število univerzitetnih programov usposabljanja, ki so posebej osredotočeni na aditivno proizvodnjo , tako na dodiplomski kot zlasti na podiplomski ravni, vključno s strokovno specializacijo. Cilj je inženirje opremiti s trdnimi veščinami na področju načrtovanja za aditivno proizvodnjo, izbire procesov, vrednotenja materialov in vodenja industrijskih projektov.
Nekatere institucije ponujajo modularne poti , kjer lahko študenti opravijo različne module, ki vodijo do kvalifikacij na različnih ravneh (magistrski študij nadaljnjega izobraževanja, specialistične diplome, strokovni nazivi, osvežitveni certifikati itd.). To študentom omogoča, da prilagodijo svojo učno pot svojim predhodnim izkušnjam in poklicnim ciljem.
Za programe, ki vodijo do magistrskega študija nadaljnjega izobraževanja, specialističnih ali strokovnih kvalifikacij, je običajno potrebna uradna univerzitetna diploma (diplomirana, licencirana, diplomirana, inženirska, tehnična, arhitekturna ali tehnična arhitektura) (glejte 15 vrst inženirstva ). Poleg tega lahko vodja študija predlaga nadaljnje predpogoje na določenih področjih (materiali, načrtovanje, proizvodnja itd.).
V izjemnih primerih nekatere univerze sprejemajo strokovnjake brez zahtevanih formalnih kvalifikacij, če ti v svojem življenjepisu dokažejo zadostne izkušnje in izpolnjujejo pogoje za vpis na univerzo, določene z veljavnimi predpisi. V takih primerih lahko rektor ali pristojni organ odobri vpis po prejemu ugodnega poročila direktorja programa.
Če se študent vpiše v podiplomski študij, ne da bi izpolnil vpisne pogoje za ustrezno stopnjo, lahko še vedno zaključi študij, vendar ne bo prejel same diplome , temveč potrdilo o zaključku. Za druge vrste akreditacije, kot so nekatere strokovne diplome ali potrdila o odprtem učenju in nadaljnjem izobraževanju, minimalne vpisne zahteve, ki presegajo tiste, ki jih določi vodja študija, niso vedno potrebne.
Raziskave, prenos in digitalna tovarna v aditivni proizvodnji
Aditivna proizvodnja ni omejena na učilnice ali univerzitetne laboratorije: močan poudarek je na sodelovanju z industrijo in prenosu znanja . Specializirane raziskovalne skupine delajo na konkurenčnih projektih (na primer v okviru nacionalnih načrtov za raziskave in razvoj) in sodelujejo s podjetji, da bi inovacije prenesle od prototipa do industrijske proizvodnje, kar spodbuja inovacije v tehnologiji, uporabni v tem sektorju.
Rezultat te raziskovalne dejavnosti so znanstvene objave v revijah z visokim vplivom, patenti in tehnološki razvoj , ki se prenese v proizvodno okolje. Te raziskovalne smeri so običajno organizirane okoli več ključnih področij za Industrijo 4.0 in digitalno tovarno.
Eno ključnih področij osredotočenosti je analiza, razvoj in avtomatizacija proizvodnih procesov . To vključuje tako tradicionalne tehnologije (CNC proizvodnja, mikrofabrikacija, brizganje plastike) kot tudi aditivno proizvodnjo in napredne mehatronske sisteme, s ciljem izboljšanja natančnosti, ponovljivosti in prilagodljivosti proizvodnih procesov.
Drugo bistveno področje je inženiring znanja, ki se uporablja v načrtovanju in proizvodnji , kjer se dela na avtomatiziranem razvoju orodij, integraciji orodij CAX (CAD/CAM/CAE) in PLM sistemov ter informacijskih modelih, ki olajšajo pretok podatkov skozi celoten življenjski cikel izdelka. V aditivni proizvodnji se to prevede v optimizacijo zasnov, specifičnih za vsak proces, in avtomatizacijo priprave tiskarskih opravil.
Ključno vlogo igrata tudi industrijsko upravljanje in učinkovitost . Metodologije, kot so vitka proizvodnja, simulacijska orodja in sistemi za izvajanje proizvodnje (MES), se uporabljajo za povečanje produktivnosti, zmanjšanje izpadov in izboljšanje nadzora procesov v procesih, kjer se aditivna proizvodnja kombinira z drugimi tehnologijami na isti proizvodni liniji.
Na področju digitalne tovarne uporaba spodbujevalnih tehnologij, kot so sodelovalna robotika, vertikalna integracija informacij, industrijski internet stvari (IIoT) in napredna analiza podatkov, omogoča ustvarjanje pametnejših proizvodnih okolij. V teh okoljih so 3D-tiskalniki in celice za naknadno obdelavo del povezanega ekosistema, ki v realnem času spremlja parametre in dinamično prilagaja procese.
Nazadnje se izvajajo sektorske študije o uvajanju tehnologij v industriji , stopnji uporabe aditivne proizvodnje, ovirah za vstop in vplivu na različne sektorje. Te analize pomagajo usmerjati naložbe, oblikovati inovacijske strategije in prepoznavati priložnosti za nove aplikacije ali poslovne modele, ki temeljijo na porazdeljeni proizvodnji in množični prilagoditvi.
Celoten izobraževalni, raziskovalni in industrijski ekosistem ustvarja scenarij, v katerem se aditivna proizvodna tehnika utrjuje kot strateški steber konkurenčnosti , saj združuje različne procese (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, brizganje veziv, kovinski FFF) z novimi načini načrtovanja, proizvodnje in upravljanja informacij v tovarni. Temeljito razumevanje posebnosti vsake tehnologije, njenih prednosti, omejitev in konteksta, v katerem se uporablja, omogoča bolj informirane odločitve o tem, kateri proces uporabiti, kako ga integrirati v proizvodno linijo in katere veščine razviti, da bi kar najbolje izkoristili njegove koristi.
