Аддитивна технологія: опис, визначення, особливості застосування та відгуки. Адитивні технології в промисловості

Технологія 3D-друку з`явилася в 1986 році, коли компанія 3D Systems розробила перший спеціальний принтер - машину для стереолітографії, яка знайшла застосування в оборонній промисловості. Перші апарати були вкрай дорогими, а вибір матеріалу для створення моделей був обмежений. Бурхливий розвиток тривимірної друку почалося з розвитком технологій проектування (CAD), розрахунків та моделювання (CAE) і механічної обробки (CAM). І сьогодні складно знайти галузь виробництва, де б не застосовувалися 3D-принтери: з їх допомогою виготовляються деталі літаків, космічних апаратів, підводних човнів, інструменти, протези і імплантати, ювелірні вироби та ін. Перспектива очевидна - адитивна технологія найближчим часом стане пріоритетною технологією машинобудування.

Провідні країни світу активно включаються в 3D-гонку. Так, в 2012 р в Янгстоуне, Огайо, відкрився Національний інноваційний інститут адитивного виробництва NAMII - перший центр адитивних технологій з п`ятнадцяти створюваних в США. Машинний парк інституту вже налічує 10 адитивних машин, три з яких є найсучаснішими машинами для створення металевих деталей.

Термінологія і класифікація

Суть адитивних технологій полягає в з`єднанні матеріалів для створення об`єктів з даних 3D-моделі шар за шаром. Цим вони відрізняються від звичайних субтрактівних технологій виробництва, що мають на увазі механічну обробку - видалення речовини з заготовки.

Адитивні технології класифікують:

• з використовуваних матеріалів (рідким, сипучим, полімерним, металлопорошкових);
• за наявністю лазера;
• за способом фіксування шару побудови (тепловий вплив, опромінення ультрафіолетом або видимим світлом, сполучною складом);
• за способом утворення шару.

Є два способи формування шару. Перший полягає в тому, що спочатку насипають на платформу порошковий матеріал, розподіляють його роликом або ножем для створення рівного шару матеріалу заданої товщини. Відбувається селективна обробка порошку лазером або іншим способом з`єднання частинок порошку (плавкої або склеюванням) згідно з поточним перетину CAD-моделі. Площина побудови незмінна, а частина порошку залишається незайманою. Цей спосіб називають селективним синтезом, а також селективним лазерним спіканням, якщо інструментом з`єднання є лазер. Другий спосіб полягає в безпосередньому осадженні матеріалу в точку підведення енергії.

Організація ASTM, що займається розробкою галузевих стандартів, розділяє 3D-адитивні технології на 7 категорій.

1. Видавлювання матеріалу. В точку побудови по підігрітому екструдеру подається пастоподібний матеріал, що представляє собою суміш сполучного і металевого порошку. Побудована сира модель поміщається в піч для того, щоб видалити сполучна і спекти порошок - так само, як це відбувається в традиційних технологіях. Ця аддитивная технологія реалізована під марками MJS (Multiphase Jet Solidification, багатофазні затвердіння струменя), FDM (Fused Deposition Modeling, моделювання методом пошарового наплавления), FFF (Fused Filament Fabrication, виробництво способом наплавлення ниток).
2. Розбризкування матеріалу. Наприклад, в технології Polyjet віск або фотополімер по Багатоструменеві голівці подається в точку побудови. Ця аддитивная технологія також називається Multi jetting Material.
3. Розбризкування сполучного. До них відносяться струменеві Ink-Jet-технології впорскування в зону побудови не модельна матеріалу, а сполучного реагента (технологія адитивного виробництва ExOne).
4. З`єднання листових матеріалів. Будівельний матеріал являє собою полімерну плівку, металеву фольгу, аркуші паперу і ін. Використовується, наприклад, в технології ультразвукового адитивного виробництва Fabrisonic. Тонкі пластини з металу зварюються ультразвуком, після чого надлишки металу видаляються фрезеруванням. Аддитивна технологія тут застосовується в поєднанні з субстрактівной.
5. Фотополімеризація у ванні. Технологія використовує рідкі модельні матеріали - фотополімерні смоли. Прикладом можуть служити SLA-технологія компанії 3D Systems і DLP-технологія компаній Envisiontec, Digital Light Procession.
6. Плавка матеріалу в заздалегідь сформованому шарі. Використовується в SLS-технологіях, що використовують як джерело енергії лазер або термоголовку (SHS компанії Blueprinter).
7. Пряме підведення енергії в місце побудови. Матеріал і енергія для його плавлення надходять в точку побудови одночасно. В якості робочого органу використовується головка, оснащена системою підведення енергії і матеріалу. Енергія надходить у вигляді сконцентрованого пучка електронів (Sciaky) або променя лазера (POM, Optomec,). Іноді головка встановлюється на «руці» робота.

Ця класифікація набагато більше говорить про тонкощі адитивних технологій, ніж попередні.

Сфера застосування

Ринок адитивних технологій в динаміці розвитку випереджає інші галузі виробництва. Його середнє щорічне зростання оцінюється в 27% і, за оцінкою компанії IDC, до 2019 р складе 26,7 млрд доларів США в порівнянні з 11 млрд в 2015 р

Однак АТ-ринку ще належить розкрити невикористаний потенціал в сфері виробництва товарів широкого споживання. До 10% коштів компаній від вартості виробництва товару витрачається на його прототипирование. І багато компаній вже зайняли даний сегмент ринку. Але інші 90% йдуть у виробництво, тому створення додатків для швидкого виготовлення товарів стане основним напрямком розвитку цієї галузі в майбутньому.

У 2014 р частка швидкого прототипування на ринку адитивних технологій хоча і зменшилася, залишалася найбільшою - 35%, частка швидкого виробництва росла і досягла 31%, частка в створенні інструментів залишалася залишилася на рівні 25%, решта припадала на дослідження і освіту.

По галузях економіки застосування АТ-технологій розподілилося так:

• 21% - виробництво споживчих товарів і електроніки;
• 20% - автомобілебудування;
• 15% - медицина, включаючи стоматологію;
• 12% - авіабудування і космічна галузь виробництва;
• 11% - виробництво засобів виробництва;
• 8% - військова техніка;
• 8% - освіту;
• 3% - будівництво.

Любителі і професіонали

Ринок АТ-технологій розділяється на аматорський і професійний. Любительський ринок включає 3D-принтери і їх обслуговування, яке включає сервіс, витратні матеріали, програмне забезпечення, і розрахований на окремих ентузіастів, сферу освіти і візуалізацію ідей і полегшення комунікації на початковій стадії розвитку нового бізнесу.

Професійні 3D-принтери дорогі і підходять для розширеного відтворення. У них велика зона побудови, продуктивність, точність, надійність, розширено асортимент модельних матеріалів. Ці машини на порядок складніше і вимагають освоєння особливих навичок роботи з самими пристроями, з модельними матеріалами і програмним забезпеченням. Як правило, оператором професійної машини стає фахівець з адитивним технологій з вищою технічною освітою.

Адитивні технології в 2015 році

Згідно зі звітом Wohlers Report 2015 року, з 1988 по 2014 року в світі було встановлено 79 602 промислових 3D-принтера. При цьому 38,1% пристроїв вартістю понад 5 тис. Доларів США припадає на США, 9,3% - на Японію, 9,2% - на Китай, і 8,7% - на Німеччину. Решта країн світу знаходяться в значному відриві від лідерів. З 2007 по 2014 річний обсяг продажів настільних принтерів виріс з 66 до 139 584 пристроїв. У 2014 р 91,6% продажів припадав на настільні 3D-принтери і 8,4% - на промислові установки адитивного виробництва, прибуток від яких, однак, склала 86,6% від загального обсягу, або 1,12 млрд доларів США в абсолютному вираженні. Настільні машини задовольнялися 173,2 млн доларів США і 13,4%. З 2016 року очікується зростання продажів до 7,3 млрд доларів США, в 2018 р - 12,7 млрд, в 2020 році ринок досягне 21,2 млрд доларів.

Згідно Wohlers, FDM-технологія превалює, нараховуючи близько 300 брендів по всьому світу, щодня поповнюючись новими модифікаціями. Деякі з них продаються тільки локально, тому дуже складно, якщо взагалі можливо, знайти інформацію про кількість брендів, що випускаються 3D-принтерів. З упевненістю можна сказати, що їх кількість на ринку збільшується з кожним днем. Спостерігається велика різноманітність в розмірах і застосовуваних технологіях. Наприклад, берлінська компанія BigRep виробляє величезний FDM-принтер під назвою BigRep ONE.2 за ціною 36 тис. Євро, здатний друкувати об`єкти розміром до 900 х +1055 х 1100 мм з дозволом 100-1000 мікрон, двома екструдерами і можливістю використовувати різні матеріали.

Промисловість - за

Авіаційна промисловість посилено інвестує в аддитивное виробництво. Застосування адитивних технологій дозволить знизити витрату матеріалів, що витрачаються на виготовлення деталей, в 10 разів. Очікується, що компанія GE Aviation буде щорічно друкувати 40 тис. Форсунок. А компанія Airbus до 2018 р збирається друкувати до 30 т деталей щомісяця. Компанія відзначає значний прогрес у характеристиках вироблених таким способом деталей в порівнянні з традиційним. Виявилося, що кронштейн, який був розрахований на 2,3 т навантаження, в дійсності може витримувати навантаження до 14 т при зниженні його ваги вдвічі. Крім того, компанія друкує деталі з алюмінієвого листа і паливні коннектори. У літаках Airbus налічується 60 тис. Частин, надрукованих на 3D-принтерах Fortus компанії Stratasys. Інші компанії авіакосмічної індустрії також використовують технології адитивного виробництва. Серед них: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Lockheed Martin, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce і SpaceX.

Цифрові адитивні технології вже використовуються у виробництві різноманітних споживчих товарів. Компанія Materialise, що надає послуги адитивного виробництва, співпрацює з компанією Hoet Eyeware у виготовленні окулярів для корекції зору і сонячних окулярів. 3D-моделі надаються безліччю хмарних сервісів. Тільки компанії 3D Warehouse і Sketchup пропонують 2,7 млн зразків. Не залишається осторонь і індустрія моди. RS Print використовує систему, що вимірює тиск підошви, для друку індивідуальних устілок. Дизайнери експериментують з бікіні, взуттям та сукнями.

швидке прототипування

Під швидкого прототипування розуміють створення прототипу вироби за максимально короткий термін. Воно входить до числа основних застосувань технологій адитивного виробництва. Прототип - це прообраз вироби, необхідний для оптимізації форми деталі, оцінки її ергономіки, перевірки можливості складання і правильності компонувальних рішень. Ось чому скорочення терміну виготовлення деталі дозволяє значно скоротити час розробки. Також прототип може бути моделлю, призначеної для проведення аеро- і гідродинамічних випробувань або перевірки функціональності деталей корпусу побутової та медичної техніки. Багато прототипів створюється як пошукових дизайнерських моделей з нюансами в конфігурації, кольоровій гамі розмальовки та т. Д. Для швидкого прототипування використовуються недорогі 3D-принтери.

швидке виробництво

Адитивні технології в промисловості мають великі перспективи. Малосерійне виробництво виробів зі складною геометрією і зі специфічних матеріалів поширене в суднобудуванні, енергетичному машинобудуванні, відновної хірургії і дентальної медицині, аерокосмічної промисловості. Безпосереднє вирощування виробів з металу тут мотивовано економічною доцільністю, так як цей спосіб виробництва виявився менш витратним. З використанням адитивних технологій виробляють робочі органи турбін і валів, імпланти і ендопротези, запасні частини для автомобілів і літаків.

Розвитку швидкого виробництва сприяло і значне розширення числа доступних металлопорошкових матеріалів. Якщо в 2000 роках налічувалося 5-6 видів порошків, то зараз пропонується широка номенклатура, що обчислюється десятками композицій від конструкційних сталей до дорогоцінних металів і жароміцних сплавів.

Перспективні і адитивні технології в машинобудуванні, де їх можна використовувати при виготовленні інструментів іпріспособленій для серійного виробництва - вставок для термопласт-автоматів, прес-форм, шаблонів.

Ultimaker 2 - кращий 3D-принтер 2016 року

На думку журналу CHIP, який провів тестування і порівняв характеристики побутових 3D-принтерів, кращими принтерами 2016 року є моделі Ultimaker 2 компанії Ultimaker, Reniforce RF1000 компанії Conrad і Replicator Desktop 3D Printer компанії MakerBot.

Ultimaker 2+ в його поліпшеною моделі використовує технологію моделювання методом наплавлення. 3D-принтер відрізняється найменшою товщиною шару, що дорівнює 0,02 мм, невеликим часом розрахунку, низькою вартістю друку (2600 руб за 1 кг матеріалу). Основні характеристики:

• розмір робочої камери - 223 х 223 х 305 мм;
• вага - 12,3 кг;
• розмір головки - 0,25 / 0,4 / 0,6 / 0,8 мм;
• температура головки - 180-260 ° C;
• дозвіл шару - 150-60 / 200-20 / 400-20 / 600-20 мікрон;
• швидкість друку - 8-24 мм³/ С;
• точність XYZ - 12,5-12,55 мікрон;
• матеріал - PLA, ABS, CPE діаметром 2,85 мм;
• програмне забезпечення - Cura;
• підтримувані типи файлів - STL, OBJ, AMF;
• споживана потужність - 221 Вт;
• ціна - 1 895 євро базова модель і 2 495 євро розширена.

За відгуками покупців, принтер легкий в установці і використанні. Відзначають високу роздільну здатність, саморегулирующееся ложе, велика різноманітність використовуваного матеріалу, використання відкритого програмного забезпечення. До недоліків принтера відносять відкриту конструкцію принтера, яка може привести до опіку гарячим матеріалом.

LulzBot Mini 3D Printer

В огляді журналу PC Magazine Ultimaker 2 і Replicator Desktop 3D Printer також увійшли в трійку кращих, але тут на першому місці опинився принтер LulzBot Mini 3D Printer. Його специфікації такі:

• розмір робочої камери - 152 х 152 х 158 мм;
• вага - 8,55 кг;
• температура головки - 300 ° C;
• товщина шару - 0,05-0,5 мм;
• швидкість друку - 275 мм / с при висоті шару 0,18 мм;
• матеріал - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, поліестер, нейлон, полікарбонат, PETG, PCTE, PC-ABS, і ін. діаметром 3 мм;
• програмне забезпечення - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl і ін .;
• споживана потужність - 300 Вт;
• ціна - 1 250 доларів США.

Sciaky EBAM 300

Однією з кращих промислових машин адитивного виробництва є EBAM 300 компанії Sciaky. Електронно-променева гармата завдає шари металу зі швидкістю до 9 кг на годину.

• розмір робочої камери - 5791 х 1219 х 1219 мм;
• тиск вакуумної камери - 1х10^-4 Тор;
• споживана потужність - до 42 кВт при напрузі 60 кВ;
• технологія - екструзія;
• матеріал - титан і сплави титану, тантал, інконель, вольфрам, ніобій, нержавіюча сталь, алюміній, сталь, сплав міді з нікелем (70/30 і 30/70);
• максимальний обсяг - 8605,2 л;
• ціна - 250 тис. доларів США.

Адитивні технології в Росії

Машини промислового класу в Росії не випускаються. Поки тільки ведуться розробки в "Росатомі", Лазерному центрі МГТУ ім. Баумана, університеті «Станкін», політехнічному університеті Петербурга, Уральському федеральному університеті. «Воронежсельіммаш», що випускає навчально-побутові 3D-принтери «Альфа», розробляє промислову аддитивную установку.

Така ж ситуація і з витратними матеріалами. Лідером розробки порошків і порошкових композицій в Росії є ВІАМ. Їм проводиться порошок для адитивних технологій, що використовується при відновленні лопаток турбін, на замовлення пермського «авіадвигунів». Прогрес є і у Всеросійського інституту легких сплавів (ВІЛС). Розробки ведуться різними інжиніринговими центрами по всій Російській Федерації. "Ростех", Уральське відділення РАН, УрФУ ведуть свої розробки. Але всі вони не здатні задовольнити навіть невеликий попит в 20 т порошку в рік.

У зв`язку з цим уряд доручив Міносвіти, Мінекономрозвитку, Мінпромторгу, Мінкомзв`язку, РАН, Фано, "Роскосмосу", "Росатому", "Росстандарту", Інститутам розвитку створити узгоджену програму розробок і досліджень. Для цього пропонується виділити додаткові бюджетні асигнування, а також розглянути можливості співфінансування за рахунок коштів ФНБ і інших джерел. Рекомендовано підтримати нові виробничі технології, в т. Ч. Адитивні, РВК, "Роснано", Фонду «Сколково», експортного агентству "ЕКСАР", "Зовнішекономбанку". Також уряд в особі Мінпромторгу підготує розділ Державної програми з розвитку і підвищенню конкурентоспроможності промисловості.

Статті схожі на "Аддитивна технологія: опис, визначення, особливості застосування та відгуки. Адитивні технології в промисловості"

Як вибрати принтер для будинку? Невеликий екскурс по типам пристроїв для друку

Що таке портативні принтери?

Як встановлювати драйвера на принтер: поради і рекомендації

Скільки коштує принтер для комп`ютера? Скільки коштує 3d-принтер?