что такое формативные технологии
Аддитивные технологии
Среди технологий, постоянно появляющихся в жизни человека благодаря достижениям научного прогресса, существуют и такие, которые носят название «аддитивных». Это определение произошло от заимствованного слова «аддитивность», или, если быть точнее, от английского словосочетания «additive manufacturing» (сокращенно – AF), которое дословно переводится как «прибавляемое производство». Так что же это такое, и чем данный вид технологий может быть полезен обществу сегодня?
Сущность
Аддитивные технологии являются отраслью цифровой промышленности и представляют собой такой метод производства изделий и различных продуктов, при котором происходит наращение слоев объекта посредством использования компьютерных устройств для 3D-печати. Что же за материалы их заполняют? Обычно это воск, металлические и гипсовые порошки, полистирол (бесцветный и стеклообразный полимер, напоминающих пластик), полиамиды (пластмассы), жидкие фотополимеры (заготовки, затвердевающие под воздействием световых лучей, чаще всего ультрафиолетовых) и пр.
Возникновение: как это было
История аддитивных устройств началась в 1986 году, когда один из представителей компании «Ultraviolet Products» по имени Чарльз Халл (ныне исполнительный вице-президент и главный технический директор собственной организации «3D Systems») сконструировал первый в мире стереолитографический принтер для трехмерной печати. Механизм был произведен главным образом для обеспечения оборонного комплекса США своевременными поставками. Халл обратил внимание на то, что для создания отдельных деталей и их последующей сборки требуется большое количество времени и сил. Поэтому он решил не только прибегнуть к помощи ультрафиолетового излучения, но и осуществить задуманное максимально рационально. Так, мужчина сначала наложил друг на друга несколько тысяч слоев пластика, а уже потом закрепил их одной ультрафиолетовой обработкой.
Позднее Чарльз покинул обанкротившуюся фирму «UVP», но останавливаться на разработке собственного детища не пожелал, – он запатентовал техническое изобретение в 1983 году и лично основал компанию, которая затем разрослась до масштабов настоящей корпорации. Сегодня «3D Systems» является одним из ключевых участников рынка принтеров, изделий и программного софта для создания объемной продукции.
Последующее развитие аддитивные технологии получили благодаря товарищам-студентам из Массачусетского технологического института. В 1993 году Джим Бредт и Тим Андерсон решили качественно дополнить уже существующие наработки собственными идеями, а потому взяли и модифицировали обычный 2D принтер в устройство для 3D печати. В модернизированном устройстве применялись не листы бумаги, а похожий на клей специальный жидкий состав, который разбрызгивался по тонким слоям основного наполнителя (полимерного, металлического или гипсового порошка) и затвердевал. Бредт и Андерсон подарили AF мировую известность, ведь сделали их более ходовыми и универсальными. В 1995 году друзья организовали собственную организацию «Z Corporation», успехи которой не остались без внимания «3D Systems», – в 2012 году она приобрела более мелкую, но не менее перспективную компанию, и их передовые проекты начали выходить в свет под общим логотипом.
Назначение и применение
Все это означало только одно – вступление в новую эру, качественное изменение многих производственных сфер и упрощение организационных процессов! Например, в автомобильной промышленности значительно ускорился этап разработки прототипов, ведь почти все комплектующие, будь то мощные двигатели или обыкновенные кнопки и рычаги, начали создаваться с полным или частичным использованием технологии 3D печати.
Кроме того, компании стали существенно экономить, ведь теперь производство:
Интересный факт! AF используются и для изготовления искусственных конечностей.
Аддитивные технологии покоряют и другие сферы: это архитектура, авиастроительство, производство спортивного снаряжения и товаров для детей… Спектр их применения расширяется, а эксперты в один голос прочат этому направлению перспективное и радужное будущее с притоком инвестиций, возрастанием спроса на компетентную рабочую силу и повышением зарплат.
Подробнее о некоторых типах АТ
Не лишним будет упомянуть и о том, как происходит создание объемного продукта в каждом конкретном случае. Самыми популярными методами в аддитивном производстве являются:
Конференции в России
Национальный рынок АТ в России развит еще недостаточно. Потенциал сферы не раскрывается из-за дефицита кадров, недостатка материала и оборудования и отсутствия должной программы государственной поддержки.
И все же некоторые учреждения стараются собственными силами способствовать знакомству российского общества с передовыми достижениями AF. Одной из таких организаций является Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ), представители которого ежегодно устраивают тематические конференции, посвященные аддитивным технологиям. Со своими докладами выступают отечественные и зарубежные ученые и работники промышленной сферы, заинтересованные в замене традиционных форм производства инновационными методами. В этом году мероприятие, состоявшееся 30 марта, стало уже 4 по счету. Принять участие в конференции, которая прошла под лозунгом «Настоящее и будущее», смогли участники, подавшие предварительные заявки.
Аддитивные технологии. Что это?
Аддитивные технологии наращивают темпы внедрения в нашу жизнь. Все чаще можно увидеть предметы, в производстве которых использовались аддитивные технологии. В этой статье Вы узнаете что это, зачем это нужно и где это применяется.
Аддитивные технологии — это технологии наращивания и синтеза объектов. То есть это технологии, помогающие создать любую форму, используя порошок из металла.
Технология была разработана в 1990 году. Начальным развитием технологии является быстрое создание прототипов для оценки эргономических и эстетических особенностей будущей серийной модели. Несмотря на то, что технологии уже 30 лет, популярность она начала набирать в последние 10 лет.
Аддитивные технологии включают в себя множество методов с разными целями применения.
Говоря простым языком, это наращивание одного материала на другой посредством послойного наплавления лазером через сопло подачи порошка в порошковой камере. Говоря еще проще, это 3D-печать металлическим порошком.
Во-первых, это бесконечные возможности. То есть можно нарастить деталь любой формы. Например, создать деталь с огромным количеством конформных или интегрированных каналов для охлаждения в изготовлении пресс-форм или теплоотвода в двигателях внутреннего сгорания. Также напечатанные детали получаются легче на 60%, чем вырезанные классическим способом аналогичные детали. Это особенно важно в аэрокосмической и медицинской отраслях.
Во-вторых, это экономия на материалах. Наращивание металлическим порошком намного дешевле, нежели классическая обработка цельного куска металла.
В-третьих, это сокращение времени на разработку, потому что функциональные прототипы могут быть изготовлены буквально за день. Стоит отметить, что материалы можно использовать те же, что и при серийном производстве.
Основной принцип этого метода — послойное нанесение материала на уже существующую базу. Особенностью данного принципа является одновременное наплавление комбинации разных материалов посредством лазера. Говоря проще, лазер плавит металлический порошок образуя дорожки. Множество дорожек образуют сплошной слой.
1. Создание детали с нуля. Последовательное наплавление дорожек друг на друга для создания сплошной структуры.
2. Нанесение материалов на существующие. После изготовления детали необходимо нанести антикоррозийный или износостойкий слой на поверхность детали. При помощи лазерной сварки наплавлением данный слой будет наиболее долговечным, нежели традиционное напыление.
3. Ремонт деталей. Зачастую дорогостоящая деталь ломается по той или иной причине. Разработка и вытачивание детали с нуля долго и дорого, а деталь нужна здесь и сейчас. Благодаря возможности наплавления слоя на уже существующую деталь (в нашем случае на поврежденную), отремонтировать деталь можно быстро и недорого.
4. Создание трубчатых структур. Наплавление производится слоями, тем самым можно нарастить трубчатую изогнутую структуру любой формы. Металлические, легкие и изогнутые трубки пользуются огромным спросом в аэрокосмической отрасли, где все зависит от веса и прочности каждого элемента конструкции.
5. Комбинация материалов и создание градиентных. Исходя из технологии, через 2 сопла подается 2 металлических порошка, которые плавятся под действием лазера. Это редкая возможность комбинировать 2 металла для создания детали, которая будет обладать преимуществами каждой из них.
Разберем пример создания коленного импланта. Для начала фрезеруется деталь-платформа для коленного импланта (она гладкая и глянцевая на детали). Это занимает ровно 12 минут на 1 деталь. После чего на эту платформу наращивается основная часть импланта. За 9 часов можно нарастить 9 имплантов.
Таким образом, за 9 часов и 12 минут будут готовы импланты, которые вернут людям возможность ходить. Кстати, верхний коленный имплант (над красным кругом) также был напечатан на станке, однако фрезерная обработка была совершена после печати, а не до в сравнении с нижним коленным имплантом.
Аддитивное производство активно применяется в авиакосмической отрасли, потому что можно создавать легкие компоненты необычных форм, с возможностью комбинации материалов для улучшений свойств, таких как теплопроводность и прочность деталей. Для получения идеальной детали необходимо применять иную обработку. В галерее Вы можете увидеть поэтапное создание корпуса турбины для авиастроения.
Подытожим. Аддитивное производство развивается стремительными темпами, дополняя традиционное создание деталей, а местами даже заменяя его. Уже в ближайшем будущем найдутся решения, которые обратят недостатки наращивания деталей в преимущество, и тогда уже можно будет говорить о полноценной замене традиционной фрезерной и токарной обработке.
На сегодняшний день мы имеем следующие общие преимущества и недостатки, связанные с аддитивными технологиями.
1. Создание объекта всего за одну процедуру печати.
2. Возможность создания объектов, которые невозможно сделать при традиционной обработке. Например, полые изнутри объекты, часто применяемые в изготовлении протезов.
3. Построение объектов любой сложности, с минимальными временными затратами на приготовление процесса из-за отсутствия необходимости в разработке технологического процесса.
4. Построение объекта, элементы которого сделаны с использованием разных материалов.
1. Из-за особенности наращивания деталей в структуре могут быть мелкие поры, которые недопустимы для хранения некоторых жидкостей, например, гелия.
2. По сравнению с цельным куском металла, который был обработан точением и сверлением, наращенный металлический порошок имеет сравнительно меньшую прочность из-за своей структуры.
3. Дорогостоящие расходные материалы. При наращивания используется большое количество металлического порошка, а также инертных газов.
4. При быстрой печати возможны неточности в производстве, которые в последствии необходимо устранять традиционной обработкой.
5. Деталь имеет множество лишних структур, нужные в качестве поддержки. Решается эта проблема при помощи фрезерного/токарного станка или ручной обработкой. Некоторые станкостроительные компании предлагают гибридные станки, сочетающие в себе аддитивные и фрезерные технологии.
Спасибо специалистам из DMG MORI за консультации по теме аддитивных технологий.
Офигенно, спасибо! Очень интересно.
А можно следующую статью про выращивание монокристаллов? Насколько я понимаю, там как раз получается добиться максимальной жесткости структуры. Смотрел видео про историю металлообработки и там в конце рассказывали как выращивать форсунки авиационных турбореактивных двигателей.
Аддитивные технологии на молекулярном уровне сулят фантастическими прорывами в технологиях.
А как такие изделия в плане сопромата?
сложная тема простыми словами- то, что надо!
Аддитивное производство: технологии трёхмерных изделий
Главная страница » Аддитивное производство: технологии трёхмерных изделий
Аддитивное производство (АП) – ряд технологий, направленных на изготовление (создание) трёхмерных продуктов методикой послойного наложения исходного материала. При этом в качестве исходных материалов допустимо применять: полимеры, металлы, строительный бетон и прочее. Традиционно применяемый технологический набор аддитивного производства включает: компьютер, программное обеспечение 3D-моделирования, машинное оборудование, исходный материал.
Аддитивное производство — принцип и виды технологий
Кратко производственный принцип аддитивного производства видится следующим:
Структура исходного материала, используемого под создание трёхмерных объектов аддитивным производством, может представлять порошок, жидкость, листовой металл.
Аддитивное производство – разделение по видам
Аддитивным производством как таковым, фактически затрагивается целый ряд технологий скоростного создания объектов-близнецов:
Аддитивное производство как скоростное макетирование
Методика создания прототипа физической детали (сборки) на основе информации трёхмерного автоматизированного проектирования (CAD). Построение модели традиционно выполняется по технологии изготовления аддитивного слоя.
Пример аддитивного процесса изготовления достаточно сложного по форме продукта. Между тем результат работы впечатляет высокой скоростью и качеством создания
Быстрое создание прототипов (макетов) – это эффективный способ аддитивного построения экспериментальных моделей за короткий промежуток времени. Кроме того, метод скоростного макетирования моделей отличается относительно дешёвым аддитивным производством.
Скоростное макетирование следует рассматривать технологией аддитивного производства с применением термопластичных материалов и аналогичных, обладающих пластичной структурой, способствующей быстрому производству множества прототипов.
Непосредственное (прямое) цифровое производство
Технология непосредственного цифрового производства (DDM — Direct Digital Manufacturing) представляет аддитивный процесс создания трёхмерных объектов непосредственно из файла CAD. Ожидается, что этот вид процесса производства добавок произведет революцию в мире благодаря инновационным разработкам, которые могут быть быстро произведены в больших масштабах.
Некоторые из преимуществ этого процесса:
Термин «Прямое цифровое производство» определяет производство законченного продукта, но не прототипа. Материалом такого вида аддитивного производства являются в основном металлы.
Технология аддитивного многослойного производства
Многослойное (послойное) производство (LM — Layered Manufacturing) — процесс, по сути, аналогичный технологиям, описанным выше. Аддитивная технология LM выступает одним из современных видов аддитивного производства, когда изготовление изделий выполняется послойной укладкой материала.
Достаточно простая деталь (по меркам аддитивного технологического процесса), полученная посредством изготовления под управлением компьютера буквально за несколько минут работы
Продукция, изготовленная посредством аддитивного вида LM, отмечается широким разнообразием продуктов — от медицинских имплантатов, до отдельных частей крыла самолёта. Аддитивное производство такого вида допускает использование обширного спектра материалов под создание сложных изделий с высокой скоростью, за короткое время.
Технология изготовления продукта 3D печатью
Очередной вид, получивший название 3D-печать – это также аддитивный процесс изготовления трёхмерных твёрдых объектов по информации, представленной цифровым файлом. Исходными материалами изготовления продукта, являются:
Последние годы методика 3D-печати уверенно развивается, благодаря техническому прогрессу индустрии машиностроения.
Главным технологическим инструментом печати выступает 3D-принтер – устройство, изобретённое в 1983 году. Вкратце принцип работы принтера следующий: фотополимерная жидкость мгновенно превращается в твёрдое вещество под воздействием ультрафиолета, а продукт превращается в твердый пластиковый объект.
Методика непосредственного цифрового производства детали позволяет изготавливать продукты с высокой точностью и хорошими качественными показателями. Опять же выигрышным видится фактор времени
Методика стереолитографии используется в этой новаторской технологии. Химический состав материалов под 3D-печать отмечается существенным улучшением за последние годы, что позволяет повысить точность печати. Жидкие материалы для 3D-принтера обычно проявляют свойства усадки, изменяющие физическую прочность объекта.
Важность аддитивной технологии 3D-печати с оглядкой на будущее очевидна для самых разных отраслей индустрии. Одними из первых в списке — медицина и строительство. Прогнозируется общий объём товаров и услуг на сумму около трёх миллиардов долларов в год, и высокий спрос на аддитивное производство 3D-печатью.
Виды технологии 3D-печати в аддитивном производстве
Достаточно длительный промежуток времени исследований и экспериментов привёл к появлению различных технологий 3D-печати. Каждое отдельное аддитивное производство такого рода подходит для конкретных условий применения. Проведём краткий обзор развития технологий 3D-печати:
Техника изготовления продукта стереолитографией
Аппарат стереолитографии содержит четыре основных модуля:
Файл модели преобразуется в файл стандартного языка тесселяции для 3D-печатных машин. Начальный этап процесса начинается с тонкого слоя фотополимера (0,05-0,15 мм), экструдированного на перфорированной платформе.
Структурная схема стереолитографии: 1 – подвижная платформа; 2 – резервуар с фотополимером; 3 – направление движения платформы; 4 – ультрафиолетовый свет; 5 – изготовляемый продукт; 6 – суппорт; 7 – луч лазера
Платформа подвергается воздействию ультрафиолетового лазера, что сопровождается затвердеванием фотополимера. Тем самым мгновенно образуется первый слой 3D-печатного объекта. Тот же процесс повторяется путём добавления слоя за слоем до момента, пока объект не сформирован.
Далее объект промывается жидким растворителем от остатка смолы, и подвергается дополнительному ультрафиолетовому облучению для полного отверждения пластика. Изготовленные объекты обычно имеют гладкую поверхность, но качество объекта зависит от качества машины, используемой для процесса.
Цифровой световой процесс полимеризации
Технология цифрового светового процесса (DLP — Digital Light Processing) разработана специалистами «Texas Instruments» в 1987 году. Этот метод аддитивного производства печатью использует цифровые микро-зеркала, размещённые в матрице полупроводниковой микросхемы.
Специалисты называют матрицу цифровым микро-зеркальным устройством. Каждое зеркало такого устройства представляет пиксель изображения для отображения. Когда 3D-модель отправляется на принтер, ёмкость с жидким полимером подвергается воздействию света DLP-проектора.
Структурная схема процесса световой обработки: 1 – рабочая сцена; 2 – фотополимер; 3 – источник света; 4 – оптическая линза; 5 – область цифрового светового процесса; 6 – электромотор; 7 – рамное основание
Процесс световой обработки повторяется до момента полной готовности трёхмерной модели. Метод DLP 3D-печати отличают быстрая работа и создание продуктов с высоким разрешением. Примерами принтеров из серии DLP устройств являются:
Эти принтеры используются в проекторах, кинопроекторах, на сотовых телефонах и, соответственно в устройствах 3D-печати.
Технология моделирования наплавлением
Моделирование продукта наплавлением (FDM — Fused Deposition Modelling) открыли в 1980-х годах. На базе этой же технологии разработан аналогичный метод 3D-печати плавким волокном (FFF — Fused Filament Fabrication).
Принцип действия следующий:
Накладываемые слои прочно связываются один с другим в процессе остывания пластика. Сопло управляется компьютером — перемещается по направлениям X, Y, Z в соответствии с траекторией печати, созданной компьютером. Процесс повторяется до полного создания объекта.
Этот метод аддитивного производства 3D-печатью является наиболее распространённым среди всех аналогичных технологий. Последние годы отмечаются резким ростом использования принтеров такого типа разными отраслями промышленности.
Структурная схема аддитивного моделирования наплавлением: 1 – катушка исходного материала; 2 – нагревательный элемент; 3 – сопло; 4 – объектная модель; 5 – суппорт; 6 – рабочая (строительная) платформа
Примерами принтеров подобного типа выступают аппараты:
Эти машины предназначены не только для изобретателей, но также для любителей экспериментировать и для владельцев малого бизнеса. Принтеры малогабаритные, эффективные, удобные в использовании.
Селективное лазерное спекание (плавление)
Методика (SLS — Selective Laser Sintering) селективное лазерное спекание берёт начало с 1980-х годов. Такого рода аддитивным производством предполагается использование лазера для связывания порошковых материалов, чаще всего пластмасс (например, нейлона), распределяемых тонкими слоями на строительной платформе.
Первым шагом создания объекта является преобразование файла CAD в формат STL и передача информации на 3D-принтер. Затем лазер, управляемый компьютером с помощью формы объекта, фокусируется на порошке, рассыпанном на строительной платформе.
Лазер нагревает порошок чуть ниже точки кипения (вариант SLS — спекание), либо выше точки кипения (вариант SLM — плавление). По мере остывания образуется твёрдый слой. Процесс повторяется до окончательного формирования объекта, который затем охлаждается в специальной камере.
Пример практического применения технологии на основе аддитивного процесса селективного плавления. Достаточно специфичный вариант аддитивного изготовления, но востребованный некоторыми секторами промышленности
Этот процесс является дорогостоящим, поскольку основан на применении лазера повышенной мощности. К тому же применение лазера потенциально опасно для коммерческого использования.
Технология электронно-лучевой плавки
Электронное лучевое плавление (EBM — Electron Beam Melting) – метод аддитивного производства, подобный избирательному лазерному спеканию (SLS) и селективной лазерной плавке (SLM). Схожесть обусловлена применением порошка на сборочной платформе 3D-принтера.
Принцип действия технологии — воздействие высокоэнергетическим пучком электронов для затвердевания металла. Слои предварительно накладываются один на другой до полного создания объёкта. Отличительные черты метода — используются материалы исключительно электропроводящие, учитывая применение техники электронного заряда.
Используемые этим видом аддитивного производства материалы ограничиваются в основном титаном и хром-кобальтовыми сплавами. Соответственно, изготовление керамических деталей или полимеров технически невозможно в этом процессе. Примером 3D-принтера является техника «Arcam» от шведского производителя. Процесс дорогостоящий, учитывая высокую стоимость металлического порошка ($350-$450 за 1 кг).
Аддитивное производство ламинированных объектов
Производство ламинированных изделий (LOM — Laminated Object Manufacturing) разработано специалистами «Helisys Inc» (1980 г). Процессом LOM слои пластика или бумаги ламинируют вместе под действием тепла и давления. Затем продукт разрезается до желаемых форм управляемым компьютером лазером или лезвием.
Структурная схема аддитивного процесса создания ламинированных объектов: 1 – лазер; 2 – лазерный луч; 3 – область поперченного сечения и штриховки; 4 – ламинирующий модуль; 5 – платформа; 6 – листовой материал; 7 – подающий ролик; 8 – принимающий ролик
Как правило, информационный файл 3D-модели подаётся на принтер, а устройство LOM использует непрерывный лист материала:
Листы материалов протягиваются через сборочную платформу системой подающих роликов. Когда начинается печать, нагретый ролик пропускается по листу материала на строительной платформе, расплавляет клей и прижимает материал к платформе. Далее управляемый компьютером лазер (лезвие) режет материал по желаемой схеме.
Аддитивное производство песочной печатью
Одним из перспективных методов, разработанных в последнее время для индустрии 3D-печати, является так называемая песочная печать. Методика аддитивного производства отличается экономичностью и эффективностью в различных отраслях — от производства автомобильных деталей, до изготовления разных форм и скульптур.
Песочная технология печати разработана группой немецких инженеров при запуске в 1999 году. Тогда же разработан прототип 3D-принтера для литейных форм и стержней. Техника песочной печати предполагает наличие связующих веществ и клеев, которыми формируются послойные осаждения.
Процесс аналогичен некоторым ранее описанным способам, но отличается отсутствием систем нагрева. Принцип таков:
Процесс повторяется до момента, пока 3D модель окончательно не завершена. Технология в основном используются для литья металлических и алюминиевых деталей различного назначения.
При помощи информации: Aalto