Адитивна виробнича інженерія: технології та застосування

Інформатек Діджитал » Ресурси » Адитивна виробнича інженерія: технології та застосування

La адитивна виробнича інженерія став одним із головних важелів змін у технології в промисловостіТе, що кілька років тому вважалося простими 3D-принтерами для прототипів, сьогодні являє собою набір технологій, здатних виготовляти функціональні деталі, складні металеві компоненти та індивідуальні рішення в таких вимогливих секторах, як аерокосмічна, медична чи автомобільна.

У цьому контексті важливо розуміти Які типи адитивних виробничих процесів існують, які переваги вони пропонують, і в яких випадках вигідно використовувати кожен з них?Окрім технологій, також розвивається цілий спектр університетських та післядипломних навчальних програм, а також напрямки досліджень, спрямовані на інтеграцію цих рішень у цифрова фабрика, автоматизувати процеси та підвищити загальну продуктивність промислових підприємств.

Що таке адитивне виробництво та чому воно важливе в інженерії?

Коли ми говоримо про адитивне виробництво, ми маємо на увазі набір технологічні процеси що Вони створюють деталі, додаючи матеріал шар за шаром з креслення CAD або 3D скануванняНа відміну від субтрактивних методів (таких як механічна обробка, яка починається з блоку та видаляє матеріал), тут об'єм створюється лише там, де це необхідно, відкриваючи шлях до дуже складних геометрій та набагато ефективнішого використання матеріалу.

Усі технології 3D-друку мають цю спільну мету створювати тривимірні об'єкти шляхом екструзії, осадження або затвердіння шар за шаромАле спосіб, яким вони цього досягають, дуже відрізняється: вони змінюють матеріали (пластик, смоли, метали, керамічні порошки), джерело енергії (лазер, електронний промінь, проектоване світло) та кінцеві характеристики (механічна стійкість, точність, вартість, швидкість тощо).

Тому в інженерії ми говоримо не лише про «3D-друк» у загальному сенсі, а й про специфічні процеси адитивного виробництва (подивитися технологічні процесиЦі варіанти вибираються залежно від застосування, вимог до якості та бюджету. Друк дешевого візуального прототипу – це не те саме, що друк деталі двигуна, що піддається впливу високих температур, або індивідуального медичного імплантату.

Компанії, які інвестують у цю технологію, часто поєднують її з передовий дизайн, ефективні методи виробництва та системи управління виробництвомщоб 3D-принтер не був ізольованим елементом, а ще однією частиною підключеної та цифрової фабрики.

Основні види адитивного виробництва в промисловості

У промисловому середовищі існує безліч процесів адитивного виробництва, але деякі з них набули особливого значення завдяки своїм технологічна зрілість, стабільність результатів та доступність матеріалівСеред них моделювання методом плавлення, стереолітографія, варіанти лазерного спікання та плавлення, технології проектованого світла та більш просунуті методи роботи з металами; багато з цих рішень також фігурують у списках Нові технології актуальні для галузі.

Найбільш актуальні типи адитивного виробництва детально описані нижче. Його переваги, обмеження та поширені випадки використанняінтегруючи як полімерно-орієнтовані, так і металоспеціалізовані процеси.

Моделювання методом плавленого осадження (FDM / FFF)

Моделювання методом плавленого осадження, відоме як FDM або FFF, ймовірно, найпоширеніша технологія 3D-друкуУ цьому процесі принтер шар за шаром наносить розплавлений термопластичний філамент через нагріте сопло на платформу для друку. Матеріал швидко твердне, формуючи кінцевий об'єкт вздовж траєкторій, визначених у файлі друку.

Ця технологія дозволяє виготовляти Міцні та відносно легкі деталі з хорошою розмірною стабільністю та термостійкістюособливо при використанні інженерних полімерів. Вартість обладнання та витратних матеріалів зазвичай є прийнятною, що пояснює його широке застосування як у малих, так і у великих компаніях для створення прототипів, інструментів, шаблонів, опор та коротких виробничих серій.

Однак, деталі, виготовлені за допомогою FDM, можуть мати анізотропна поведінкаМіцність не є рівномірною в усіх напрямках, оскільки місце з'єднання шарів зазвичай є найслабшим місцем. Це вимагає ретельної орієнтації деталі та вибору параметрів друку, коли потрібні високі механічні характеристики.

Стереолітографія (SLA)

Стереолітографія є одним з новаторських процесів в адитивному виробництві та базується на використанні світлочутливі рідкі смоли, що тверднуть ультрафіолетовим світломПринтер, оснащений УФ-лазером або подібним джерелом світла, затверджує смолу шар за шаром, слідуючи за ділянками 3D-моделі, таким чином створюючи виріб знизу вгору.

Його найбільша сила полягає в тому, надзвичайно висока точність і якість поверхні які він забезпечує, що робить його ідеальним для виготовлення прототипів з дуже високим рівнем деталізації, макетів виробів, майстер-форм або моделей для таких галузей, як ювелірна справа, стоматологія чи промисловий дизайн.

Цей тип адитивного виробництва особливо цінний, коли вам потрібно пришвидшити створення прототипів високої чіткості всього за кілька годинз жорсткими допусками та дуже тонкою обробкою. Однак, використані смоли часто мають обмеженіші механічні та термічні властивості, ніж інші пластмаси, а великі деталі можуть бути схильні до деформації або внутрішніх напружень, якщо процес не контролюється належним чином.

Селективне лазерне спікання (SLS)

Селективне лазерне спікання використовує порошковий шар (зазвичай полімери, такі як PA12 та інші інженерні матеріали), на який потрапляє лазер. вибірково спікає або сплавляє частинки матеріалу дотримуючись геометрії кожного шару. Після завершення шару наноситься новий шар порошку, і процес повторюється, доки виріб не буде готовий.

Ця технологія вирізняється своєю здатністю виробляти Міцні, функціональні деталі з відмінною механічною стійкістю та без потреби в опорних конструкціяхоскільки неспечений порошок сам по собі підтримує деталь під час виробництва. Це дозволяє створювати дуже складні геометрії з внутрішніми порожнинами, інтегрованими шарнірами та шарнірними компонентами, все в одному виробі.

Типові приклади, отримані за допомогою SLS, включають гнучкі шарніри, рухомі частини, прокладки, жорсткі корпуси та компоненти, що замикаютьсяа також вузли, які можна зібрати безпосередньо з друкованої платформи. Властивості зазвичай досить ізотропні, тобто вони подібні вздовж різних осей, що покращує загальну механічну поведінку.

І навпаки, машини SLS включають високі початкові інвестиції, значні витрати на обслуговування та потреба в спеціалізованому персоналі підготовлювати, експлуатувати та очищувати обладнання. Крім того, для управління пилом, безпеки та подальшої обробки потрібні відповідні приміщення.

Селективне лазерне плавлення (SLM) та пряме лазерне спікання металу (DMLS)

Під час роботи з металами одним із ключових процесів є пряме лазерне спікання, також відоме як селективне лазерне плавлення. Обидва терміни часто використовуються для опису процесів, в яких... Потужний лазер повністю плавить дуже дрібний металевий порошок. (титан, алюміній, сталі, суперсплави тощо) у порошковому шарі.

Шар за шаром лазер сканує точки, визначені дизайном, плавлення та затвердіння металу створювати функціональні прототипи та кінцеві компоненти з механічними властивостями, дуже близькими до властивостей деталей, виготовлених традиційними методами. Результатом є щільні, точні та повторювані компоненти, за умови добре оптимізованого процесу.

Ця технологія ідеально підходить для виробництва геометрії, які неможливо отримати традиційними процесамитакі як складні внутрішні канали охолодження, легкі ґратчасті структури або топологічно оптимізовані біонічні конструкції. Це також особливо актуально для створення функціональних металевих прототипів, деталей зі специфічними механічними та тепловими вимогами, а також моделей для перевірки 3D-конструкцій у реальних умовах.

Такі галузі, як аерокосмічна промисловість, медичний (біонічні руки зі штучним інтелектом) Автомобільна промисловість високо цінує ці можливості, оскільки поєднання легкості, міцності та свободи дизайну Це дуже добре відповідає їхнім потребам. Натомість, DMLS/SLM вимагає дорогого обладнання, досвідчених операторів, суворого контролю пилу та часто допоміжного обладнання, такого як обладнання для електроерозійної обробки (EDM) та системи термічної обробки.

Струменеве очищення сполучних речовин

Лиття під тиском сполучних речовин – це процес адитивного виробництва, в якому основний матеріал представлений у вигляді дрібний порошок, який шар за шаром розподіляється по друкарському платформіПісля нанесення кожного шару порошку одна або кілька друкуючих головок впорскують рідкий сполучний матеріал у ділянки, де має бути сформована геометрія, щоб частинки з'єдналися разом і утворили «зелену» деталь.

Ця технологія вирізняється своєю висока швидкість і хороша точність розмірівОскільки друкуючі головки можуть наносити сполучний матеріал одночасно в кількох точках, це дозволяє виробляти десятки або навіть сотні виробів однією партією. Вартість одного виробу, як правило, конкурентоспроможна, що робить його привабливим для серійного виробництва.

Однак деталі, отримані шляхом ін'єкції сполучного матеріалу, часто показують нижча механічна міцність, ніж та, що досягається іншими металургійними процесами такі як DMLS або EBM, особливо якщо не виконуються належні наступні етапи спікання або інфільтрації. Його часто використовують, коли обсяг виробництва та вартість мають перевагу над максимальною механічною продуктивністю.

Виготовлення металевих плавлених ниток (FFF Metal)

У цьому процесі вихідним матеріалом є нитка, що складається з металевого порошку, зв'язаного полімерним сполучним елементомПринтер наносить філамент шар за шаром, за принципом, подібним до FFF-пластику, отримуючи виріб, який все ще містить значну частку сполучної речовини.

Згодом твір проходить деагломерація та спікання в печіде сполучна речовина видаляється, а частинки металу з'єднуються разом, в результаті чого утворюється металевий компонент із внутрішньою структурою, яка зазвичай заповнена (наприклад, трикутний візерунок), та меншою щільністю, ніж повністю суцільний виріб.

Серед його переваг можна назвати Більша безпека та легкість обробки агломерованого порошку порівняно з розсипним порошкомШирока доступність матеріалів та нижча початкова вартість, ніж у інших металотехнологій, є ключовими перевагами. Як побічний ефект, деталі не є повністю щільними, що призводить до легших компонентів, що може бути як перевагою, так і обмеженням залежно від застосування.

Цифрова обробка світла (DLP)

Цифрова обробка світла — це технологія, подібна до стереолітографії, але з однією ключовою відмінністю: замість сканування кожної секції лазером, Він проектує все зображення кожного шару одночасно. Фотополімерна смола наноситься за допомогою цифрового проектора. Це дозволяє кожному шару повністю затвердіти одночасно.

Такий спосіб роботи забезпечує чудову швидкість будівництва та можливість відтворення конструкцій з дуже складною геометрієюпідтримка високої точності. Це зазвичай зустрічається в тих випадках, коли потрібно багаторазово виготовляти багато дрібних, дуже деталізованих деталей.

Як недоліки, процес DLP часто генерує сильні запахи під час друку А великі деталі можуть зазнавати деформацій або внутрішніх напружень, якщо орієнтація та опори не будуть виконані належним чином, подібно до того, що відбувається з деякими SLA-смолами.

Пряме виділення енергії (DED)

Пряме енергетичне осадження – це процес адитивного виробництва металів, в якому сопло, встановлене на багатоосьовому роботизованому маніпуляторі за допомогою лазера або електронного променя, який плавить матеріал (у вигляді металевого дроту або порошку) безпосередньо в точці осадження.

Завдяки такій конфігурації система може наносити матеріал практично під будь-яким кутомDED передбачає створення або ремонт деталей на існуючих компонентах. Це робить DED дуже привабливим рішенням для відновлення дорогоцінних деталей, посилення критичних ділянок або виготовлення великогабаритних компонентів, які важко виготовити іншими методами.

Серед його головних переваг – можливість виготовляти великогабаритні металеві деталі та додавання матеріалу до вже виготовлених компонентівЦе особливо корисно в таких секторах, як аерокосмічна промисловість та енергетика. Однак це складні та дорогі машини, які потребують висококваліфікованого персоналу, спеціально обладнаних приміщень для видалення пилу та значної постобробки для підвищення точності та якості поверхні.

Електронно-променевий синтез (EBM)

Електронно-променевий синтез використовує високоенергетичний електронний пучок, керований магнітним полемрозплавляти металевий порошок шар за шаром. Весь процес відбувається у вакуумній камері, що є необхідною умовою для роботи електронного променя.

Ця технологія дозволяє нам досягти високі швидкості виробництва, хороша точність та деталі з відмінними механічними властивостямиЦе робить його високо цінним для високопродуктивних суперсплавів у передових секторах. Вакуумна камера та спосіб подачі енергії також впливають на кінцеву мікроструктуру матеріалу.

Використання EBM передбачає сучасне обладнання та досвідчений персонал для керування параметрами процесу, технічним обслуговуванням та безпекою. Тому його зазвичай можна знайти в передових промислових середовищах та проектах з високими технічними вимогами.

Багатоструменевий друк (MJP / струменеве друкування матеріалу)

Багатоструменевий друк, або струменеве нанесення матеріалу, базується на нанесенні мікрокраплі фотореактивного матеріалу у потрібних положеннях кожного шару. Після кожного проходу джерело ультрафіолетового світла затверджує матеріал, затвердіваючи його та формуючи геометрію, визначену 3D-моделлю.

Одна з суттєвих переваг полягає в тому, що це дозволяє поєднувати різні матеріали та кольори в одному виробіЦе пояснюється тим, що різні друкуючі головки можуть дозувати різні матеріали контрольованим чином. Це робить його особливо цікавим для реалістичних прототипів, макетів продуктів та компонентів, де потрібно імітувати кінцевий вигляд.

Менш сприятливим аспектом є те, що шматки, як правило, видно менша міцність і довговічність ніж ті, що виготовлені за допомогою інших процесів, більш орієнтованих на функціональне кінцеве застосування, тому зазвичай вони використовуються для прототипів, макетів та моделей візуальної валідації.

Адитивне виробництво та спеціалізована університетська підготовка

Швидкий розвиток цих технологій призвів до зростання пропозиції спеціальні університетські навчальні програми з адитивного виробництваЦя програма пропонується як на бакалавраті, так і, особливо, на магістратурі, а також у рамках професійної спеціалізації. Мета полягає в тому, щоб надати інженерам ґрунтовні навички в проектуванні адитивного виробництва, виборі процесів, оцінці матеріалів та управлінні промисловими проектами.

Деякі установи пропонують модульні маршрути Ці програми дозволяють студентам проходити різні модулі, що ведуть до отримання кваліфікацій різного рівня (ступінь магістра безперервної освіти, диплом спеціаліста, кваліфікація експерта, сертифікати підвищення кваліфікації тощо). Таким чином, можна адаптувати навчальний план до попереднього досвіду та професійних цілей кожної людини.

У випадку програм, що ведуть до отримання ступеня магістра з безперервної освіти, кваліфікації спеціаліста або експерта, зазвичай вимагається наявність Офіційний університетський диплом, бакалавр, ліценціат, диплом, інженер, технічна інженерія, архітектура або технічна архітектура (подивитися 15 видів інженеріїКрім того, керівництво кожного курсу може пропонувати додаткові вимоги до попередньої підготовки з певних дисциплін (матеріали, дизайн, виробництво тощо).

У виняткових випадках деякі університети розглядають можливість прийому фахівців без необхідної формальної кваліфікації, за умови, що продемонструвати достатній досвід у своєму резюме та відповідати вимогам до вступу до університету встановлено чинними правилами. У таких випадках ректорат або компетентний орган може дозволити зарахування після отримання сприятливого звіту від керівника програми.

Якщо студент вступає до аспірантури, не виконавши вступних вимог для отримання відповідного ступеня, Ви зможете завершити та скласти курс, але не отримаєте офіційного сертифіката.але сертифікат про завершення. Для інших видів акредитації, таких як певні професійні дипломи або сертифікати відкритого навчання та безперервної освіти, мінімальні вимоги до вступу, окрім тих, що встановлені керівником курсу, не завжди вимагаються.

Дослідження, трансфер та цифрова фабрика в адитивному виробництві

Адитивне виробництво не обмежується аудиторіями чи університетськими лабораторіями: існує сильна орієнтація на співпрацю з промисловістю та передачу знаньСпеціалізовані дослідницькі групи працюють над конкурентними проектами (наприклад, у рамках національних планів досліджень та розробок) та співпрацюють з компаніями, щоб перевести інновації від прототипу до промислового впровадження, стимулюючи інновації в технологіях застосовні до сектору.

Результати цієї дослідницької діяльності з'являються наукові публікації у журналах з високим імпакт-фактором, патенти та технологічні розробки які переносяться у виробниче середовище. Ці напрямки досліджень зазвичай організовані навколо кількох ключових осей для Індустрії 4.0 та цифрової фабрики.

Один з фундаментальних напрямків зосереджений на аналіз, розробка та автоматизація виробничих процесівЦе включає як традиційні технології (виробництво на верстатах з ЧПК, мікрообробка, лиття пластмас під тиском), так і адитивне виробництво та передові мехатронні системи з метою підвищення точності, повторюваності та гнучкості виробничих процесів.

Ще однією важливою сферою є інженерія знань, застосована до проектування та виробництваЦя галузь зосереджена на автоматизованій розробці інструментів, інтеграції інструментів CAX (CAD/CAM/CAE) та PLM-систем, а також інформаційних моделях, що сприяють потоку даних протягом усього життєвого циклу продукту. В адитивному виробництві це призводить до оптимізації конструкцій, специфічних для кожного процесу, та автоматизації підготовки завдань друку.

La промислове управління та ефективність Він також відіграє провідну роль. Такі методології, як бережливе виробництво, інструменти моделювання та MES (системи виконання виробництва), застосовуються для підвищення продуктивності, скорочення простоїв та покращення контролю процесів, в яких адитивне виробництво поєднується з іншими технологіями на одній виробничій лінії.

У сфері цифрової фабрики, впровадження Такі передові технології, як колаборативна робототехніка, вертикальна інтеграція інформації, промисловий Інтернет речей (IIoT) та передова аналітика даних Це дозволяє створювати розумніші виробничі середовища. У цих середовищах 3D-принтери та комірки постобробки є частиною пов'язаної екосистеми, яка відстежує параметри в режимі реального часу та динамічно коригує процеси.

Зрештою, вони розвиваються Галузеві дослідження щодо впровадження технологій у промисловостіПроаналізовано ступінь впровадження адитивного виробництва, бар'єри для входу та вплив на різні сектори. Ці аналізи допомагають спрямовувати інвестиції, розробляти інноваційні стратегії та визначати можливості для нових застосувань або бізнес-моделей на основі розподіленого виробництва та масової кастомізації.

Уся ця освітня, дослідницька та промислова екосистема формує сценарій, у якому Адитивне виробництво консолідується як стратегічний стовп конкурентоспроможностіПоєднання різноманітних процесів (SLA, SLS, FDM, DMLS, DED, EBM, DLP, MJP, впорскування сполучних речовин, металеве FFF) з новими способами проектування, виробництва та управління інформацією на заводі. Глибоке розуміння характеристик, переваг, обмежень кожної технології та контексту, в якому вони застосовуються, дозволяє приймати більш обґрунтовані рішення щодо того, який процес використовувати, як інтегрувати його у виробничу лінію та які навички розвивати, щоб максимізувати його переваги.