Адытыўная тэхналогія: апісанне, вызначэнне, асаблівасці прымянення і водгукі. Адытыўная тэхналогіі ў прамысловасці

Тэхналогія 3D-друку з'явілася ў 1986 г., калі кампанія 3D Systems распрацавала першы спецыяльны прынтэр - машыну для стереолитографии, якая знайшла прымяненне ў абароннай прамысловасці. Першыя апараты былі вельмі дарагімі, а выбар матэрыялу для стварэння мадэляў быў абмежаваны. Бурнае развіццё трохмернай друку пачалося з развіццём тэхналогій праектавання (CAD), разлікаў і мадэлявання (CAE) і механічнай апрацоўкі (CAM). І сёння складана знайсці вобласць вытворчасці, дзе б не ўжываліся 3D-друкаркі: з іх дапамогай вырабляюцца дэталі самалётаў, касмічных апаратаў, падлодак, інструменты, пратэзы і імпланты, ювелірныя вырабы і інш. Перспектыва відавочная - адытыўная тэхналогія ў бліжэйшы час стане прыярытэтнай тэхналогіяй машынабудавання .

Вядучыя краіны свету актыўна ўключаюцца ў 3D-гонку. Так, у 2012 г. у Янгстоуне, Агаё, адкрыўся Нацыянальны інавацыйны інстытут адытыўная вытворчасці NAMII - першы цэнтр адытыўная тэхналогій з пятнаццаці ствараюцца ў ЗША. Машынны парк інстытута ўжо налічвае 10 адытыўная машын, тры з якіх з'яўляюцца самымі сучаснымі машынамі для стварэння металічных дэталяў.

Тэрміналогія і класіфікацыя

Сутнасць адытыўная тэхналогій заключаецца ў злучэнні матэрыялаў для стварэння аб'ектаў з дадзеных 3D-мадэлі пласт за пластом. Гэтым яны адрозніваюцца ад звычайных субтрактивных тэхналогій вытворчасці, разумелых механічную апрацоўку - выдаленне рэчывы з нарыхтоўкі.

Адытыўная тэхналогіі класіфікуюць:

• па выкарыстоўваным матэрыялах (вадкім, сыпкім, палімерным, металлопорошковым);
• па наяўнасці лазера;
• па спосабе фіксавання пласта пабудовы (цеплавое ўздзеянне, апрамяненне ўльтрафіялетам або бачным святлом, злучным складам);
• па спосабе адукацыі пласта.

Ёсць два спосабу фарміравання пласта. Першы заключаецца ў тым, што спачатку насыпают на платформу парашковы матэрыял, размяркоўваюць яго ролікам або нажом для стварэння роўнага пласта матэрыялу зададзенай таўшчыні. Адбываецца селектыўны апрацоўка парашка лазерам або іншым спосабам злучэння часціц парашка (топкія ці склейваннем) паводле бягучага перасеку CAD-мадэлі. Плоскасць пабудовы нязменная, а частка парашка застаецца некранутай. Гэты спосаб называюць селектыўным сінтэзам, а таксама селектыўным лазерным спяканнем, калі інструментам злучэння з'яўляецца лазер. Другі спосаб складаецца ў непасрэдным аблозе матэрыялу ў кропку падвядзення энергіі.

Арганізацыя ASTM, якая займаецца распрацоўкай галіновых стандартаў, падзяляе 3D-адытыўная тэхналогіі на 7 катэгорый.

1. Выцісканьне матэрыялу. У кропку пабудовы па летніх экструдар падаецца пастообразный матэрыял, які ўяўляе сабой сумесь злучнага і металічнага парашка. Пабудаваная сырая мадэль змяшчаецца ў печ для таго, каб выдаліць злучнае і спячы парашок - гэтак жа, як гэта адбываецца ў традыцыйных тэхналогіях. Гэтая адытыўная тэхналогія рэалізаваная пад маркамі MJS (Multiphase Jet Solidification, многофазных отвержденія бруі), FDM (Fused Deposition Modeling, мадэляванне метадам папластовага наплавленного), FFF (Fused Filament Fabrication, вытворчасць спосабам наплавленного нітак).
2. Распырскванне матэрыялу. Напрыклад, у тэхналогіі Polyjet воск або фотополимер па шматструменны галоўцы падаецца ў кропку пабудовы. Гэтая адытыўная тэхналогія таксама называецца Multi jetting Material.
3. Распырскванне злучнага. Да іх ставяцца струменевыя Ink-Jet-тэхналогіі ўпырсквання ў зону пабудовы ня мадэльнага матэрыялу, а злучнага рэагента (тэхналогія адытыўная вытворчасці ExOne).
4. Злучэнне ліставых матэрыялаў. Будаўнічы матэрыял уяўляе сабой палімерную плёнку, металічную фальгу, лісты паперы і інш. Выкарыстоўваецца, напрыклад, у тэхналогіі ультрагукавога адытыўная вытворчасці Fabrisonic. Тонкія пласціны з металу зварваюцца ультрагукам, пасля чаго лішкі металу выдаляюцца фрэзераваннем. Адытыўная тэхналогія тут ужываецца ў спалучэнні з субстрактивной.
5. Фотополимеризация ў ванне. Тэхналогія выкарыстоўвае вадкія мадэльныя матэрыялы - фотополимерные смалы. Прыкладам могуць служыць SLA-тэхналогія кампаніі 3D Systems і DLP-тэхналогія кампаній Envisiontec, Digital Light Procession.
6. Плаўленне матэрыялу ў загадзя сфармаваным пласце. Выкарыстоўваецца ў SLS-тэхналогіях, якія выкарыстоўваюць у якасці крыніцы энергіі лазер або термоголовку (SHS кампаніі Blueprinter).
7. Прамое падвядзенне энергіі ў месца пабудовы. Матэрыял і энергія для яго плаўлення паступаюць у кропку пабудовы адначасова. У якасці працоўнага органа выкарыстоўваецца галоўка, абсталяваная сістэмай подвода энергіі і матэрыялу. Энергія паступае ў выглядзе сканцэнтраванага пучка электронаў (Sciaky) або прамяня лазера (POM, Optomec,). Часам галоўка усталёўваецца на «руцэ» робата.

Гэтая класіфікацыя значна больш кажа пра тонкасці адытыўная тэхналогій, чым папярэднія.

сферы ўжывання

Рынак адытыўная тэхналогій у дынаміцы развіцця апярэджвае астатнія галіны вытворчасці. Яго сярэдні штогадовы рост ацэньваецца ў 27% і, па ацэнцы кампаніі IDC, да 2019 г. складзе 26,7 млрд даляраў ЗША ў параўнанні з 11 млрд ў 2015 г.

Аднак АТ-рынку яшчэ трэба будзе раскрыць нявыкарыстаны патэнцыял у сферы вытворчасці тавараў шырокага спажывання. Да 10% сродкаў кампаній ад кошту вытворчасці тавару выдаткоўваецца на яго прототипирование. І шмат кампаній ужо занялі дадзены сегмент рынку. Але астатнія 90% ідуць у вытворчасць, таму стварэнне прыкладанняў для хуткага вырабу тавараў стане асноўным напрамкам развіцця гэтай галіны ў будучыні.

У 2014 г. дзель хуткага прототипирования на рынку адытыўная тэхналогій хоць і паменшылася, заставалася найбольшай - 35%, доля хуткага вытворчасці расла і дасягнула 31%, доля ў стварэнні інструментаў заставалася засталася на ўзроўні 25%, астатняе прыходзілася на даследаванні і адукацыю.

Па галінах эканомікі прымяненне АТ-тэхналогій размеркавалася так:

• 21% - вытворчасць спажывецкіх тавараў і электронікі;
• 20% - аўтамабілебудаванне;
• 15% - медыцына, уключаючы стаматалогію;
• 12% - авіябудаванне і касмічная галіна вытворчасці;
• 11% - вытворчасць сродкаў вытворчасці;
• 8% - ваенная тэхніка;
• 8% - адукацыя;
• 3% - будаўніцтва.

Аматары і прафесіяналы

Рынак АТ-тэхналогій падзяляецца на аматарскі і прафесійны. Аматарскі рынак ўключае 3D-друкаркі і іх абслугоўванне, якое ўключае сэрвіс, расходныя матэрыялы, праграмнае забеспячэнне, і разлічаны на асобных энтузіястаў, сферу адукацыі і візуалізацыю ідэй і палягчэння камунікацыі на пачатковай стадыі развіцця новага бізнесу.

Прафесійныя 3D-друкаркі дарагія і падыходзяць для пашыранага ўзнаўлення. У іх вялікая зона пабудовы, прадукцыйнасць, дакладнасць, надзейнасць, пашыраны асартымент мадэльных матэрыялаў. Гэтыя машыны на парадак складаней і патрабуюць асваення асаблівых навыкаў працы з самімі прыладамі, з мадэльнымі матэрыяламі і праграмным забеспячэннем. Як правіла, аператарам прафесійнай машыны становіцца спецыяліст па адытыўная тэхналогіях з вышэйшай тэхнічнай адукацыяй.

Адытыўная тэхналогіі ў 2015 годзе

Паводле справаздачы Wohlers Report 2015, з 1988 па 2014 г. у свеце было ўстаноўлена 79 602 прамысловых 3D-друкаркі. Пры гэтым 38,1% прылад коштам больш за 5 тыс. Долараў ЗША прыпадае на ЗША, 9,3% - на Японію, 9,2% - на Кітай, і 8,7% - на Нямеччыну. Астатнія краіны свету знаходзяцца ў значным адрыве ад лідэраў. З 2007 па 2014 гадавы аб'ём продажаў настольных друкарак вырас з 66 да 139 584 прылад. У 2014 г. 91,6% продажаў прыходзіўся на настольныя 3D-друкаркі і 8,4% - на прамысловыя ўстаноўкі адытыўная вытворчасці, прыбытак ад якіх, аднак, склала 86,6% ад агульнага аб'ёму, або 1,12 млрд даляраў ЗША ў абсалютным выразе. Настольныя машыны здавольваліся 173,2 млн даляраў ЗША і 13,4%. У 2016 г. чакаецца рост продажаў да 7,3 млрд даляраў ЗША, у 2018 г. - 12,7 млрд, у 2020 г. рынак дасягне 21,2 млрд даляраў.

Згодна з Wohlers, FDM-тэхналогія пераважае, налічваючы каля 300 брэндаў па ўсім свеце, штодня папаўняючыся новымі мадыфікацыямі. Некаторыя з іх прадаюцца толькі лакальна, таму вельмі складана, калі наогул магчыма, знайсці інфармацыю пра колькасць брэндаў выпускаюцца 3D-друкарак. З упэўненасцю можна сказаць, што іх колькасць на рынку павялічваецца з кожным днём. Назіраецца вялікая разнастайнасць у памерах і ўжывальных тэхналогіях. Напрыклад, берлінская кампанія BigRep вырабляе велізарны FDM-прынтэр пад назвай BigRep ONE.2 па цане 36 тыс. Еўра, здольны друкаваць аб'екты памерам да 900 х 1055 х 1100 мм з дазволам 100-1000 мікрон, двума экструдар і магчымасцю выкарыстоўваць розныя матэрыялы.

Прамысловасць - за

Авіяцыйная прамысловасць ўзмоцнена інвесціруе ў адытыўная вытворчасць. Прымяненне адытыўная тэхналогій дасць магчымасць знізіць расход матэрыялаў, якія выдаткоўваюцца на выраб дэталяў, у 10 разоў. Чакаецца, што кампанія GE Aviation будзе штогод друкаваць 40 тыс. Фарсунак. А кампанія Airbus да 2018 г. збіраецца друкаваць да 30 т дэталяў штомесяц. Кампанія адзначае значны прагрэс у характарыстыках вырабленых такім спосабам дэталяў у параўнанні з традыцыйным. Аказалася, што кранштэйн, які быў разлічаны на 2,3 т нагрузкі, у рэчаіснасці можа вытрымліваць нагрузку да 14 т пры зніжэнні яго вагі ўдвая. Акрамя таго, кампанія друкуе дэталі з алюмініевага ліста і паліўныя коннекторы. У самалётах Airbus налічваецца 60 тыс. Частак, надрукаваных на 3D-друкарках Fortus кампаніі Stratasys. Іншыя кампаніі авіякасмічнай індустрыі таксама выкарыстоўваюць тэхналогіі адытыўная вытворчасці. Сярод іх: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Lockheed Martin, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce і SpaceX.

Лічбавыя адытыўная тэхналогіі ўжо выкарыстоўваюцца ў вытворчасці разнастайных спажывецкіх тавараў. Кампанія Materialise, якая прадстаўляе паслугі адытыўная вытворчасці, супрацоўнічае з кампаніяй Hoet Eyeware ў вырабе ачкоў для карэкцыі гледжання і сонечных ачкоў. 3D-мадэлі прадастаўляюцца мноствам хмарных сэрвісаў. Толькі кампаніі 3D Warehouse і Sketchup прапануюць 2,7 млн узораў. Не застаецца ў баку і індустрыя моды. RS Print выкарыстоўвае сістэму, якая вымяраецца ціск падэшвы, для друку індывідуальных вусцілак. Дызайнеры эксперыментуюць з бікіні, абуткам і сукенкамі.

хуткае прототипирование

Пад хуткім прототипированием разумеюць стварэнне прататыпа вырабы за максімальна кароткі тэрмін. Яно ўваходзіць у лік асноўных ужыванняў тэхналогій адытыўная вытворчасці. Прататып - гэта правобраз вырабы, неабходны для аптымізацыі формы дэталі, ацэнкі яе эрганомікі, праверкі магчымасці зборкі і правільнасці кампановачных рашэнняў. Вось чаму скарачэнне тэрміну вырабу дэталі дазваляе значна скараціць час распрацоўкі. Таксама прататып можа з'яўляцца мадэллю, прызначанай для правядзення аэро- і гідрадынамічных выпрабаванняў або праверкі функцыянальнасці дэталяў корпуса бытавой і медыцынскай тэхнікі. Шмат прататыпаў ствараецца ў якасці пошукавых дызайнерскіх мадэляў з нюансамі ў канфігурацыі, каляровай гаме размалёўкі і т. Д. Для хуткага прототипирования выкарыстоўваюцца недарагія 3D-друкаркі.

хуткае вытворчасць

Адытыўная тэхналогіі ў прамысловасці маюць вялікія перспектывы. Малосерийное вытворчасць вырабаў са складанай геаметрыяй і са спецыфічных матэрыялаў распаўсюджана ў суднабудаванні, энергетычным машынабудаванні, аднаўленчай хірургіі і дентальной медыцыне, аэракасмічнай прамысловасці. Непасрэднае вырошчванне вырабаў з металу тут матываванае эканамічнай мэтазгоднасцю, так як гэты спосаб вытворчасці апынуўся менш затратным. З выкарыстаннем адытыўная тэхналогій вырабляюць рабочыя органы турбін і валаў, імпланты і эндопротезы, запасныя часткі для аўтамабіляў і самалётаў.

Развіццю хуткага вытворчасці спрыяла і значнае пашырэнне ліку даступных металлопорошковых матэрыялаў. Калі ў 2000 гадах налічвалася 5-6 відаў парашкоў, то цяпер прапануецца шырокая наменклатура, якая вылічваецца дзесяткамі кампазіцый ад канструкцыйных сталей да каштоўных металаў і гарачатрывалых сплаваў.

Перспектыўныя і адытыўная тэхналогіі ў машынабудаванні, дзе іх можна выкарыстоўваць пры вырабе інструментаў і прыстасаванняў для серыйнага вытворчасці - уставак для тэрмапласт-аўтаматаў, прэс-формаў, шаблонаў.

Ultimaker 2 - лепшы 3D-прынтэр 2016 года

На думку часопіса CHIP, які правёў тэставанне і параўнаў характарыстыкі бытавых 3D-друкарак, лепшымі друкаркамі 2016 года з'яўляюцца мадэлі Ultimaker 2 кампаніі Ultimaker, Reniforce RF1000 кампаніі Conrad і Replicator Desktop 3D Printer кампаніі MakerBot.

Ultimaker 2+ ў яго палепшанай мадэлі выкарыстоўвае тэхналогію мадэлявання метадам наплавленного. 3D-прынтэр адрозніваецца найменшай таўшчынёй пласта, роўнай 0,02 мм, невялікім часам разліку, нізкай коштам друку (2600 руб за 1 кг матэрыялу). Асноўныя характарыстыкі:

• памер працоўнай камеры - 223 х 223 х 305 мм;
• вага - 12,3 кг;
• памер галоўкі - 0,25 / 0,4 / 0,6 / 0,8 мм;
• тэмпература галоўкі - 180-260 ° C;
• дазвол пласта - 150-60 / 200-20 / 400-20 / 600-20 мікрон;
• хуткасць друку - 8-24 мм ³ / с;
• дакладнасць XYZ - 12,5-12,55 мікрон;
• матэрыял - PLA, ABS, CPE дыяметрам 2,85 мм;
• праграмнае забеспячэнне - Cura;
• падтрымоўваныя тыпы файлаў - STL, OBJ, AMF;
• спажываная магутнасць - 221 Вт;
• кошт - 1 895 еўра базавая мадэль і 2 495 еўра пашыраная.

Па водгуках пакупнікоў, прынтэр лёгкі ў ўстаноўцы і выкарыстанні. Адзначаюць высокі дазвол, самарэгулявальнае ложа, вялікая разнастайнасць выкарыстоўванага матэрыялу, выкарыстанне адкрытага праграмнага забеспячэння. Да недахопаў друкаркі адносяць адкрытую канструкцыю друкаркі, якая можа прывесці да апёку гарачым матэрыялам.

LulzBot Mini 3D Printer

У аглядзе часопіса PC Magazine Ultimaker 2 і Replicator Desktop 3D Printer таксама ўвайшлі ў тройку лепшых, але тут на першым месцы апынуўся прынтэр LulzBot Mini 3D Printer. Яго спецыфікацыі такія:

• памер працоўнай камеры - 152 х 152 х 158 мм;
• вага - 8,55 кг;
• тэмпература галоўкі - 300 ° C;
• таўшчыня пласта - 0,05-0,5 мм;
• хуткасць друку - 275 мм / с пры вышыні пласта 0,18 мм;
• матэрыял - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, поліэстэр, нейлон, полікарбанат, PETG, PCTE, PC-ABS, і інш. дыяметрам 3 мм;
• праграмнае забеспячэнне - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl і інш .;
• спажываная магутнасць - 300 Вт;
• кошт - 1 250 даляраў ЗША.

Sciaky EBAM 300

Адной з лепшых прамысловых машын адытыўная вытворчасці з'яўляецца EBAM 300 кампаніі Sciaky. Электронна-прамянёвая гармата наносіць пласты металу з хуткасцю да 9 кг у гадзіну.

• памер працоўнай камеры - 5791 х 1219 х 1219 мм;
• ціск вакуумнай камеры - 1х10 ^-4 Тор;
• спажываная магутнасць - да 42 кВт пры напрузе 60 кв;
• тэхналогія - экструзія;
• матэрыял - тытан і сплавы тытана, тантал, инконель, вальфрам, ніёбія, нержавеючая сталь, алюміній, сталь, сплаў медзі з нікелем (70/30 і 30/70);
• максімальны аб'ём - 8605,2 л;
• цана - 250 тыс. долараў ЗША.

Адытыўная тэхналогіі ў Расіі

Машыны прамысловага класа ў Расіі не выпускаюцца. Пакуль толькі вядуцца распрацоўкі ў "Расатама", лазерным цэнтры МГТУ ім. Баумана, універсітэце «Станкин», політэхнічным універсітэце Пецярбурга, Уральскай федэральнай універсітэце. «Воронежсельиммаш», які выпускае вучэбна-бытавыя 3D-друкаркі «Альфа», распрацоўвае прамысловую адытыўная ўстаноўку.

Такая ж сітуацыя і з расходнымі матэрыяламі. Лідэрам распрацоўкі парашкоў і парашковых кампазіцый у Расіі з'яўляецца ВИАМ. Ім вырабляецца парашок для адытыўная тэхналогій, які выкарыстоўваецца пры аднаўленні лапатак турбін, па замове пермскага «авіярухавікоў». Прагрэс ёсць і ў Усерасійскага інстытута лёгкіх сплаваў (ВИЛС). Распрацоўкі вядуцца рознымі інжынірынгавымі цэнтрамі па ўсёй Расійскай Федэрацыі. "Ростех", Уральскае аддзяленне РАН, УрФУ вядуць свае распрацоўкі. Але ўсе яны не здольныя задаволіць нават невялікі попыт у 20 т парашка ў год.

У сувязі з гэтым урад даручыў Мінадукнавукі, Мінэканамразвіцця, Мінпрамгандлю, Мінкомсвязі, РАН, Фано, "Раскосмасу", "Расатаму", "Росстандарта", інстытутах развіцця стварыць узгодненую праграму распрацовак і даследаванняў. Для гэтага прапануецца вылучыць дадатковыя бюджэтныя асігнаванні, а таксама разгледзець магчымасці сумеснага фінансавання за кошт сродкаў ФНБ і іншых крыніц. Рэкамендавана падтрымаць новыя вытворчыя тэхналогіі, у т. Ч. Адытыўная, РВК, "Роснано", фонду "Сколкава", экспартнаму агенцтву "Эксар", "Знешэканамбанку". Таксама ўрад у асобе Мінпромторга падрыхтуе раздзел дзяржаўнай праграмы па развіццю і павышэнню канкурэнтаздольнасці прамысловасці.