Additiv tillverkningsteknik: teknologier och tillämpningar

Informatec Digital » Resurser » Additiv tillverkningsteknik: teknologier och tillämpningar

La additiv tillverkningsteknik har blivit en av de stora förändringsmekanismerna i teknik inom industrinDet som för några år sedan sågs som enkla 3D-skrivare för prototyper är idag en uppsättning tekniker som kan tillverka funktionella delar, komplexa metallkomponenter och kundanpassade lösningar inom så krävande sektorer som flyg-, medicin- eller fordonsindustrin.

I detta sammanhang är det viktigt att förstå Vilka typer av additiva tillverkningsprocesser finns, vilka fördelar erbjuder de och i vilka fall är det fördelaktigt att använda var och en?Utöver teknologierna växer även en hel rad universitets- och forskarutbildningsprogram fram, liksom forskningsinriktningar som syftar till att integrera dessa lösningar i digital fabrik, automatisera processer och förbättra den totala produktiviteten i industrianläggningar.

Vad är additiv tillverkning och varför är det viktigt inom teknik?

När vi talar om additiv tillverkning syftar vi på en uppsättning tekniska processer que De bygger delar genom att lägga till material lager för lager från en CAD-design eller en 3D-skanningTill skillnad från subtraktiva metoder (som bearbetning, som börjar från ett block och tar bort material), genereras volymen här endast där det behövs, vilket öppnar dörren för mycket komplexa geometrier och en mycket effektivare materialanvändning.

Alla 3D-utskriftstekniker delar det målet skapa tredimensionella objekt genom extrudering, deponering eller stelning lager för lagerMen sättet de uppnår det på är väldigt annorlunda: de ändrar materialen (plaster, hartser, metaller, keramiska pulver), energikällan (laser, elektronstråle, projicerat ljus) och den slutliga prestandan (mekanisk motståndskraft, precision, kostnad, hastighet, etc.).

Därför pratar vi inom ingenjörskonst inte bara om "3D-utskrift" på ett generellt sätt, utan om specifika additiva tillverkningsprocesser (ser tekniska processerDessa alternativ väljs utifrån tillämpning, kvalitetskrav och budget. Att skriva ut en billig visuell prototyp är inte detsamma som att skriva ut en motordel som utsätts för höga temperaturer eller ett specialanpassat medicinskt implantat.

Företag som investerar i den här tekniken kombinerar den ofta med avancerad design, effektiva tillverkningsmetoder och produktionsledningssystemså att 3D-skrivaren inte är ett isolerat element, utan ytterligare en del av den uppkopplade och digitala fabriken.

Huvudtyper av additiv tillverkning inom industrin

I den industriella miljön finns det många additiva tillverkningsprocesser, men vissa har fått särskild betydelse på grund av sina teknisk mognad, resultatstabilitet och materialtillgänglighetBland dem finns modellering med sammansmält deposition, stereolitografi, lasersintring och smältningsvarianter, teknologier för projicerat ljus och mer avancerade metoder för att bearbeta metaller; många av dessa lösningar förekommer också i listor över nya tekniker relevant för branschen.

De mest relevanta typerna av additiv tillverkning beskrivs nedan. Dess fördelar, begränsningar och vanliga användningsområdenintegrerar både polymerorienterade och metallspecialiserade processer.

Modellering av sammansmält deposition (FDM / FFF)

Smält depositionsmodellering, känd som FDM eller FFF, är förmodligen den mest utbredda 3D-utskriftsteknikenI den här processen avsätter en skrivare smält termoplastfilament genom ett uppvärmt munstycke, lager för lager, på en byggplattform. Materialet stelnar snabbt och bildar det slutliga objektet längs de banor som definieras i utskriftsfilen.

Denna teknik möjliggör tillverkning Hållbara och relativt lätta delar, med god dimensionsstabilitet och värmetoleranssärskilt vid användning av tekniska polymerer. Kostnaden för utrustning och förbrukningsvaror är vanligtvis rimlig, vilket förklarar dess utbredda användning i både små och medelstora företag och stora företag för prototypframställning, verktyg, mallar, stöd och korta produktionsserier.

Delar som tillverkats med FDM kan dock uppvisa anisotropiskt beteendeStyrkan är inte jämn i alla riktningar, eftersom skiktövergången vanligtvis är den svagaste punkten. Detta kräver noggrann orientering av delen och val av tryckparametrar när hög mekanisk prestanda önskas.

Stereolitografi (SLA)

Stereolitografi är en av de banbrytande processerna inom additiv tillverkning och baseras på användningen av ljuskänsliga flytande hartser härdade med ultraviolett ljusEn skrivare utrustad med en UV-laser eller liknande ljuskälla stelnar hartset lager för lager, enligt 3D-modellens sektioner, och bygger därmed upp stycket nedifrån och upp.

Dess största styrka är extremt hög precision och ytkvalitet vilket den tillhandahåller, vilket gör den idealisk för tillverkning av prototyper med en mycket anmärkningsvärd detaljnivå, produktmodeller, masterformar eller modeller för sektorer som smycken, tandvård eller industridesign.

Denna typ av additiv tillverkning är särskilt värdefull när du behöver för att påskynda skapandet av högupplösta prototyper på bara några timmarmed snäva toleranser och mycket fina ytbehandlingar. De hartser som används erbjuder dock ofta mer begränsade mekaniska och termiska egenskaper än andra plaster, och stora delar kan vara benägna att deformeras eller utsättas för interna påfrestningar om processen inte kontrolleras väl.

Selektiv lasersintring (SLS)

Selektiv lasersintring använder en pulverbädd (vanligtvis polymerer som PA12 och andra tekniska material) på vilken en laser sintrar eller smälter selektivt materialpartiklar enligt geometrin för varje lager. När ett lager är färdigt appliceras ett nytt lager pulver och processen upprepas tills stycket är klart.

Denna teknik utmärker sig genom sin förmåga att producera Robusta, funktionella delar med utmärkt mekanisk motståndskraft och inget behov av stödstrukturereftersom det osintrade pulvret i sig stöder detaljen under tillverkningen. Detta möjliggör skapandet av mycket komplexa geometrier, med inre håligheter, integrerade gångjärn och ledade komponenter, allt i ett stycke.

Typiska exempel producerade med SLS inkluderar flexibla gångjärn, rörliga delar, packningar, styva höljen och snäppfästensåväl som sammansättningar som kan monteras direkt från skrivbädden. Egenskaperna är vanligtvis ganska isotropa, vilket innebär att de är likartade längs olika axlar, vilket förbättrar det övergripande mekaniska beteendet.

Omvänt involverar SLS-maskiner höga initiala investeringar, betydande underhållskostnader och ett behov av specialiserad personal för att förbereda, använda och rengöra utrustningen. Dessutom kräver dammhantering, säkerhet och efterbehandling lämpliga anläggningar.

Selektiv lasersmältning (SLM) och direkt metalllasersintring (DMLS)

Vid arbete med metaller är en av nyckelprocesserna direkt lasersintring, även känd som selektiv lasersmältning. Båda termerna används ofta för att beskriva processer där en En högeffektslaser smälter ett mycket fint metallpulver fullständigt. (titan, aluminium, stål, superlegeringar etc.) i en pulverbädd.

Lager för lager skannar lasern punkterna som definieras av designen, smältning och stelning av metallen att bygga funktionella prototyper och slutkomponenter med mekaniska egenskaper som ligger mycket nära de hos delar som tillverkas med konventionella metoder. Resultatet är täta, precisa och repeterbara komponenter, förutsatt att processen är väl optimerad.

Denna teknik är idealisk för produktion geometrier som är omöjliga att erhålla med traditionella processersåsom komplexa interna kylkanaler, lätta gitterstrukturer eller topologiskt optimerade bioniska konstruktioner. Det är också särskilt relevant för att skapa funktionella metallprototyper, delar med specifika mekaniska och termiska krav, och modeller för att validera 3D-konstruktioner i verkliga miljöer.

Industrier som flyg- och rymdfart, medicinsk (bioniska händer med artificiell intelligens) Bilindustrin värdesätter dessa funktioner mycket, eftersom kombination av lätthet, styrka och designfrihet Det passar deras behov mycket bra. I gengäld kräver DMLS/SLM dyr utrustning, erfarna operatörer, strikt dammhantering och ofta stödjande maskiner som elektrisk urladdningsbearbetningsutrustning (EDM) och värmebehandlingssystem.

Bindemedelssprutning

Formsprutning av bindemedel är en additiv tillverkningsprocess där basmaterialet presenteras i form av fint pulver som sprids över tryckbädden lager för lagerEfter att varje pulverlager har deponerats injicerar ett eller flera skrivhuvuden ett flytande bindemedel i de områden där geometrin ska formas, så att partiklarna binds samman och ger upphov till en "grön" del.

Denna teknik utmärker sig för sin hög hastighet och god dimensionsnoggrannhetEftersom skrivhuvudena kan placera bindemedel samtidigt på flera punkter möjliggör det produktion av dussintals eller till och med hundratals stycken i en enda sats. Kostnaden per styck är vanligtvis konkurrenskraftig, vilket gör det attraktivt för serieproduktion.

Delar som erhålls genom bindemedelsinjektion visar dock ofta lägre mekaniska hållfastheter än de som uppnås med andra metallurgiska processer såsom DMLS eller EBM, särskilt om korrekta efterföljande sintrings- eller infiltrationssteg inte utförs. Det används ofta när produktionsvolym och kostnad prioriteras framför maximal mekanisk prestanda.

Tillverkning av smält metalltråd (FFF-metall)

I denna process är utgångsmaterialet ett filament bestående av metallpulver bundet av ett polymert bindemedelSkrivaren avsätter filamentet lager för lager enligt en princip som liknar FFF-plast, vilket ger en bit som fortfarande innehåller en betydande andel bindemedel.

Därefter genomgår stycket en deagglomerering och sintringsbehandling i en ugndär bindemedlet avlägsnas och metallpartiklarna sammanfogas, vilket resulterar i en metallisk komponent med en inre struktur som vanligtvis är fylld (t.ex. triangulärt mönster) och lägre densitet än ett helt solidt stycke.

Bland dess fördelar finns Större säkerhet och enklare hantering av agglomererat pulver jämfört med löst pulverDen breda tillgången på material och en lägre introduktionskostnad än andra metalltekniker är viktiga fördelar. Som en bieffekt är delarna inte helt täta, vilket resulterar i lättare komponenter, vilket kan vara antingen en fördel eller en begränsning beroende på tillämpningen.

Digital ljusbehandling (DLP)

Digital ljusbehandling är en teknik som liknar stereolitografi, men med en viktig skillnad: istället för att skanna varje sektion med en laser, Den projicerar hela bilden av varje lager på en gång. Fotopolymerhartset appliceras med en digital projektor. Detta gör att varje lager härdar helt på en gång.

Detta arbetssätt ger en utmärkt konstruktionshastighet och förmåga att reproducera mönster med mycket komplexa geometrierbibehåller hög precision. Det förekommer ofta i applikationer där många små, mycket detaljerade delar behöver produceras upprepade gånger.

Som nackdelar genererar DLP-processen ofta starka lukter under utskrift Och stora delar kan drabbas av deformationer eller interna spänningar om orienteringen och stöden inte hanteras korrekt, liknande vad som händer med vissa SLA-hartser.

Direkt energideposition (DED)

Direkt energideponering är en metallisk additiv tillverkningsprocess där en munstycke monterat på en fleraxlig robotarm med en laser eller en elektronstråle som smälter materialet (i form av en metalltråd eller pulver) precis vid avsättningspunkten.

Tack vare den här konfigurationen kan systemet applicera material från praktiskt taget alla vinklarDED innebär att bygga eller reparera delar på befintliga komponenter. Detta gör DED till en mycket attraktiv lösning för att återvinna värdefulla delar, förstärka kritiska områden eller tillverka stora komponenter som är svåra att producera med andra metoder.

Bland dess främsta fördelar är möjligheten att tillverka stora metalldelar och tillsats av material till redan tillverkade komponenterDetta är särskilt användbart inom sektorer som flyg- och rymdindustrin och energisektorn. Dessa är dock komplexa och dyra maskiner som kräver högkvalificerad personal, specialanpassade rum för dammhantering och betydande efterbehandling för att förfina precision och ytfinish.

Elektronstrålefusion (EBM)

Elektronstrålefusion använder en högenergisk elektronstråle, styrd av ett magnetfältatt smälta metallpulvret lager för lager. Hela processen sker inuti en vakuumkammare, en nödvändig förutsättning för elektronstrålens funktion.

Denna teknik gör det möjligt för oss att uppnå höga tillverkningshastigheter, god precision och delar med utmärkta mekaniska egenskaperDetta gör det högt värderat för högpresterande superlegeringar inom banbrytande sektorer. Vakuumkammaren och metoden för energiinmatning påverkar också materialets slutliga mikrostruktur.

Användningen av EBM innebär sofistikerad utrustning och erfaren personal för att hantera processparametrar, underhåll och säkerhet. Därför används den vanligtvis i avancerade industriella miljöer och projekt med höga tekniska krav.

MultiJet-utskrift (MJP / materialsprutning)

MultiJet-utskrift, eller materialutskrift, baseras på avsättning av mikrodroppar av ett fotoreaktivt material i önskade positioner för varje lager. Efter varje pass härdar en ultraviolett ljuskälla materialet, vilket stelnar det och bildar den geometri som definieras av 3D-modellen.

En betydande fördel är att det tillåter kombinera olika material och färger i samma möbelDetta beror på att de olika skrivhuvudena kan dispensera olika material på ett kontrollerat sätt. Detta gör det särskilt intressant för realistiska prototyper, produktmodeller och komponenter där det slutliga utseendet behöver simuleras.

Den mindre gynnsamma aspekten är att bitarna tenderar att visa lägre styrka och hållbarhet än de som tillverkas med andra processer som är mer inriktade på en funktionell slutlig tillämpning, så det är vanligtvis reserverat för prototyper, mockups och visuella valideringsmodeller.

Additiv tillverkning och specialiserad universitetsutbildning

Den snabba utvecklingen av dessa teknologier har drivit ett växande utbud av specifika universitetsutbildningsprogram inom additiv tillverkningDetta program erbjuds både på grundnivå och, särskilt, på forskarnivå, samt inom yrkesinriktning. Målet är att utrusta ingenjörer med gedigna färdigheter inom additiv tillverkningsdesign, processval, materialutvärdering och industriell projektledning.

Vissa institutioner erbjuder modulära resplaner Dessa program gör det möjligt för studenter att ta olika moduler som leder till kvalifikationer på olika nivåer (vidareutbildning, masterexamen, specialistexamen, experttitlar, repetitionsintyg etc.). På så sätt är det möjligt att skräddarsy utbildningsvägen till varje persons tidigare erfarenhet och yrkesmål.

När det gäller program som leder till masterexamen i fortbildning, specialist- eller expertkvalifikationer krävs det vanligtvis att man innehar en Officiell universitetsexamen, kandidatexamen, licentiatexamen, diplom, ingenjörsvetenskap, teknisk teknik, arkitektur eller teknisk arkitektur (ser 15 typer av ingenjörskonstDessutom kan ledningen för varje kurs föreslå ytterligare förkunskapskrav inom specifika discipliner (material, design, tillverkning etc.).

I undantagsfall överväger vissa universitet att anta yrkesverksamma utan de formella kvalifikationer som krävs, förutsatt att visa tillräcklig erfarenhet genom sitt CV och uppfylla universitetets antagningskrav fastställs enligt gällande bestämmelser. I sådana fall kan rektorsämbetet eller behörigt organ godkänna inskrivning efter att ha mottagit en positiv rapport från programansvarig.

Om en student anmäler sig till en forskarutbildning utan att uppfylla behörighetskraven för motsvarande examen, Du kommer att kunna slutföra och klara kursen, men du kommer inte att få det officiella certifikatet.men ett intyg om fullbordad utbildning. För andra typer av ackreditering, såsom vissa yrkesexamensbevis eller certifikat för öppen inlärning och fortbildning, krävs inte alltid minimikrav för behörighet utöver de som kursansvarig fastställt.

Forskning, överföring och digital fabrik inom additiv tillverkning

Additiv tillverkning är inte begränsad till klassrum eller universitetslaboratorier: det finns en stark inriktning mot samarbete med industrin och kunskapsöverföringSpecialiserade forskargrupper arbetar med konkurrenskraftiga projekt (till exempel inom ramen för nationella FoU-planer) och samarbetar med företag för att ta innovationer från prototyp till industriellt utnyttjande, vilket driver innovation inom teknik tillämplig på sektorn.

Resultaten av denna forskningsverksamhet framträder vetenskapliga publikationer i tidskrifter med hög genomslagskraft, patent och teknisk utveckling som överförs till produktionsmiljön. Dessa forskningsinriktningar är vanligtvis organiserade kring flera nyckelaxlar för Industri 4.0 och den digitala fabriken.

En av de grundläggande linjerna fokuserar på analys, utveckling och automatisering av tillverkningsprocesserDetta inkluderar både traditionella tekniker (CNC-tillverkning, mikrofabrikation, plastinjektion) och additiv tillverkning och avancerade mekatroniska system, med syftet att förbättra noggrannheten, repeterbarheten och flexibiliteten i produktionsprocesser.

Ett annat viktigt område är kunskapsteknik tillämpad på design och tillverkningDetta område fokuserar på automatiserad utveckling av verktyg, integration av CAX-verktyg (CAD/CAM/CAE) och PLM-system, samt informationsmodeller som underlättar dataflödet genom hela produktens livscykel. Inom additiv tillverkning innebär detta att optimera design specifika för varje process och automatisera förberedelserna av tryckjobb.

La industriell ledning och effektivitet Det spelar också en ledande roll. Metoder som Lean Manufacturing, simuleringsverktyg och MES (Manufacturing Execution Systems) tillämpas för att öka produktiviteten, minska driftstopp och förbättra processkontrollen där additiv tillverkning kombineras med andra tekniker på samma produktionslinje.

Inom den digitala fabrikens område, införandet av Möjliggörande teknologier som samarbetande robotteknik, vertikal informationsintegration, det industriella sakernas internet (IIoT) och avancerad dataanalys Det möjliggör skapandet av smartare produktionsmiljöer. I dessa miljöer är 3D-skrivare och efterbehandlingsceller en del av ett sammankopplat ekosystem som övervakar parametrar i realtid och dynamiskt justerar processer.

Slutligen utvecklar de Sektorstudier om implementering av teknik inom industrinGraden av införande av additiv tillverkning, inträdesbarriärer och effekterna på olika sektorer analyseras. Dessa analyser hjälper till att vägleda investeringar, utforma innovationsstrategier och identifiera möjligheter för nya tillämpningar eller affärsmodeller baserade på distribuerad tillverkning och massanpassning.

Hela detta utbildnings-, forsknings- och industriella ekosystem bildar ett scenario där Additiv tillverkningsteknik befäster sig som en strategisk pelare för konkurrenskraftGenom att kombinera olika processer (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, bindemedelsinjektion, metall-FFF) med nya sätt att designa, producera och hantera information i fabriken. En grundlig förståelse för varje tekniks egenskaper, fördelar, begränsningar och det sammanhang i vilket de tillämpas möjliggör mer välgrundade beslut om vilken process som ska användas, hur den ska integreras i produktionslinjen och vilka färdigheter som ska utvecklas för att maximera dess fördelar.