аддитивные технологии что это значит
Что это такое аддитивные технологии?
Технологический процесс не стоит на месте, с каждым днем происходит усовершенствование цифровых технологий. Это позволяет использовать новшества в различных сферах жизни человека. Аддитивные технологии — одни из самых передовых и востребованных во всем мире.
Экскурс в прошлое Additive Manufacturing
Цифровое производство нашло свое применение в медицине, космонавтике, производстве готовой продукции и прототипировании. Хотя 3D печать принято считать одним из главных открытий двадцать первого века, в действительности аддитивные технологии появились на несколько десятилетий раньше.
Родоначальником отрасли стал Чарльз Халл, основатель компании 3D Systems. В 1986 году инженер собрал первый в мире стереолитографический 3D-принтер. И благодаря этому цифровые технологии сделали огромный рывок вперед. Приблизительно в то же время Скотт Крамп, позже основавший компанию Stratasys, выпустил первый в мире FDМ-аппарат. С тех пор, рынок трехмерной печати стал стремительно расти и пополняться новыми моделями печатного оборудования.
Первое время обе технологии SLA и FDM развивались бок о бок исключительно в направлении промышленного производства. Однако в 1995 году назрел перелом, сделавший аддитивные методы изготовления продукции общедоступными. Студенты Массачусетского технологического института, Джим Бредт и Тим Андерсон, внедрили технологию послойного синтеза материала в корпус обычного настольного принтера. Именно так была основана компания Z Corporation, долгое время считавшаяся лидером в сфере бытовой печати объемных фигур.
Технология аддитивного производства — Эпоха инноваций
В наши дни AF-технологии используются повсеместно: научно-исследовательские организации с их помощью создают уникальные материалы и ткани, промышленные гиганты используют 3D принтеры для ускорения прототипирования новой продукции, архитектурные и конструкторские бюро нашли в 3D печати нескончаемый строительный потенциал, в то время как дизайн-студии буквально вдохнули новую жизнь в дизайнерский бизнес благодаря аддитивным машинам.
Наиболее точной аддитивной технологией считается стереолитография – методом поэтапного послойного отверждения жидкого фотополимера лазером. SLA принтеры используются преимущественно для изготовления прототипов, макетов и дизайнерских компонентов повышенной точности с высоким уровнем детализации.
Селективное лазерное спекание изначально появилось, как усовершенствованный метод отверждения жидкого фотополимера. SLS-технология позволяет в качестве чернил использовать порошкообразные материалы. Современные SLS-принтеры способны работать с керамической глиной, металлическим порошком, цементом и сложными полимерами.
В литейной отрасли недавно появились PolyJet-аппараты, работающие по классической AF-технологии. Они оборудованы струйными печатными головками, заправленными быстро-застывающим материалом. На сегодняшний день InkJet 3D принтеры нешироко распространены. Однако не исключено, что уже через несколько лет трехмерная печать станет столь же распространена, как и классические печатные устройства. Первопроходцем в данной отрасли стала компания ExOne с ее прототипирующей машиной S-Max.
Самыми дешевыми по-прежнему остаются FDM-принтеры. Это устройства, создающие трехмерные объекты путем послойного наплавления филамента. Наиболее распространенными принтерами данного типа остаются аппараты, печатающие расплавленной пластиковой нитью. Они могут оснащаться одной или несколькими печатными головками, внутри которых находится нагревательный элемент.
Большинство аддитивных принтеров, печатающих пластиком, способны создавать только одноцветные фигуры. Однако в последнее время на рынке трехмерной печати появились машины, использующие одновременно несколько видов филамента. Данное новшество позволяет создать цветные объекты.
Перспективы AF-технологии
На данный момент рынок трехмерной печати далек от перенасыщения. Аналитики отрасли сходятся во мнении, что аддитивные технологии ждет радужное будущее. Уже сегодня научно-исследовательские центры, занижающиеся AF-разработками, получают огромные финансовые вливания от оборонного комплекса и медицинских государственных институтов, что не дает усомниться в точности экспертных прогнозов!
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.
3д-печать или аддитивное производство — обзор
Аддитивное производство более известно как 3д-печать. Аддитивное производство представляет собой преобразующий подход к промышленному производству. Который позволяет создавать более легкие и прочные детали и системы.
3д-печать — это еще одно технологическое достижение. Оно стало возможным благодаря переходу от аналоговых к цифровым процессам. Например, в последние десятилетия связь, обработка изображений, архитектура и инженерия претерпели свои собственные цифровые революции.
В результате аддитивное производство (Additive manufacturing — 3д-печать) могут обеспечить цифровую гибкость и эффективность производственных операций.
Что такое аддитивное производство (3д-печать)?
Аддитивное производство (3д-печать) использует программное обеспечение для автоматизированного проектирования данных (CAD) или 3D-сканы объектов, чтобы направлять аппаратные средства для нанесения материала слой за слоем в точных геометрических формах.
Аддитивное производство (3д-печать) является подходящим названием для описания технологии для построения 3D-объектов путем добавления материала слой за слоем.
Как следует из названия, аддитивное производство добавляет материал для создания объекта. Напротив, когда вы создаете объект традиционными способами, часто необходимо удалять материал. Например, с помощью фрезерования, механической обработки, резьбы, формовки или других средств.
«3д-печать» и «быстрое создание прототипа» и «аддитивное производство» фактически являются синонимами. Хотя эти термины чаще используются для обсуждения аддитивного производства.
На самом деле 3д-печать существует уже несколько десятилетий. Хотя аддитивное производство кажется многим новым. При правильном применении аддитивное производство обеспечивает идеальное качество. Причем с улучшенными характеристиками, сложной геометрией и упрощенным изготовлением.
3д-печать — история
1800-е годы: зарождение концепций раннего аддитивного производства
Еще в 1800-х годах идеи, связанные с 3D-сканированием, формировались по-своему.
В 1859 году Франсуа Виллем разработал метод под названием «фотографическая скульптура». С помощью него он мог снимать трехмерные модели людей с помощью 24 камер, расположенных под разными углами.
Джозеф Э. Блантер запатентовал устройство, которое использовало наслоение для создания трехмерных топографических карт в 1892 году.
1980-е годы: 3д-печать — рождение первых технологий
Однако только в начале 1980-х годов 3д-печать как технология действительно начала развиваться. Доктор Хидео Кодама из Городского научно-исследовательского института промышленности Нагои был первым, кто изобрел послойный процесс быстрого прототипирования фотополимеров. Однако его метод не получил коммерческого распространения.
Чарльз Халл вместо него стал первым, кто успешно получил патент на свой стереолитографический аппарат. Он же ввел термин «стереолитография».
Его метод заключался в создании трехмерных объектов слой за слоем из фотополимеров, отвержденных УФ-лучом. Первым объектом, который напечатал Халл, была черная чашка для промывания глаз.
Халл также отвечал за разработку формата файла STL. Файла, который сегодня чаще всего используют 3D-принтеры. Халл коммерциализировал процесс быстрого прототипирования, создав 3D systems.
Первые действующие технологии
По состоянию на 2020 год это наиболее часто используемая технология 3D-печати.
1990-е: технологии развиваются и инновации растут
В 1990-е годы было разработано множество новых технологий. Включая прямое лазерное спекание металла и струйную обработку связующего. 3D-печать начала прокладывать путь для инноваций в области медицины с развитием биопечати. Которая включает точное позиционирование слоев клеток и их поддерживающих структур для создания функциональной ткани.
В 1999 году ученые из Института регенеративной медицины Уэйк Форест создали первый орган — человеческий мочевой пузырь. Они напечатали на 3D-принтере синтетический биоразлагаемый каркас для создания мочевого пузыря.
Который затем был покрыт собственными клетками пациентов, чтобы гарантировать, что орган не будет отторгнут. Это позволило трехмерной биопечати и трехмерной печати в области медицины действительно обрести форму.
2000-е: 3д-печать — повышение доступности
К 2000-м годам стоимость машин начала снижаться. А технология 3D-печати становилась все более доступной. В 2004 году Эдриан Бойер изобрел настольный принтер RepRap (сокращенно от реплицирующего быстрого прототипа).
Он способен печатать собственные компоненты для создания другой собственной версии, как способ сделать технологию более доступной и стал первым из низкоуровневых принтеров. стоят принтеры. Первая версия принтера RepRap «Darwin» была выпущена в 2007 году. Сейчас существует бесчисленное множество новых итераций.
Ранние ожидания против того, что возможно сегодня
Чарльз Халл начал разрабатывать свою технологию 3D-печати в начале 80-х, потому что был разочарован тем, насколько трудоемким было создание прототипов в то время.
Спустя почти 40 лет технология 3D-печати действительно стала самым быстрым и экономичным способом производства прототипов. И стала играть важную роль в производственном процессе во многих отраслях промышленности.
За последнее десятилетие было реализовано бесчисленное количество инновационных проектов с использованием аддитивного производства, поскольку технология продолжает развиваться. Стоимость оборудования снизилась, а качество печати повысилось. А процесс печати стал намного быстрее и эффективнее.
Теперь возможно создавать более толстые слои и более точные и сложные формы, чем когда-либо прежде. Что облегчило переход от прототипирования к производству конечных деталей. Индивидуальная настройка более достижима и доступна с помощью 3D-печати, чем с любым другим производственным процессом. Поэтому предприятиям легче предлагать варианты персонализации своим клиентам.
Технологии 3D-сканирования и 3д-печать также позволили внедрить важные инновации в области медицины, где индивидуальные настройки для пациентов помогли улучшить и даже спасти жизни.
То, что начиналось как способ производства пластиковых прототипов, превратилось в динамическую технологию, применение которой продолжает расти. По состоянию на 2020 год мы видим, что все больше и больше компаний интегрируют аддитивное производство в свои процессы разработки, проектирования и производства продукции. А масштабы новых проектов и инноваций расширяются.
Как работает 3д-печать?
Термин «3д-печать» относится к технологиям, которые выращивают трехмерные объекты по одному слою за раз. В результате каждый последующий слой связывается с предыдущим слоем расплавленного материала.
Для материалов можно использовать разные вещества. В том числе металлический порошок, термопласты, керамику, композиты, стекло. И даже такие продукты, как, например, шоколад.
Эта информация направляет путь сопла или печатающей головки. В результате она точно наносит материал на предыдущий слой. Когда материалы охлаждаются или отверждаются, они сплавляются вместе, образуя трехмерный объект.
Аддитивное производство — преимущества
Аддитивное производство (3д-печать) позволяет создавать более легкие, более сложные конструкции. Которые слишком сложно или слишком дорого строить с использованием традиционных механизмов. Например, штампов, пресс-форм, фрезерования и механической обработки.
Аддитивное производство (3д-печать) также отлично справляется с быстрым прототипированием. Можно вносить изменения на ходу. Поскольку цифровой процесс исключает традиционные промежуточные этапы. Аддитивное производство предлагает более динамичный, ориентированный на дизайн процесс. По сравнению с относительной скукой традиционного прототипирования.
Время выполнения заказа часто сокращается. Независимо от того, используются ли аддитивные технологии для создания прототипов или производства. Время выполнения некоторых деталей реактивного двигателя было сокращено на год и более. Кроме того, детали, когда-то созданные из нескольких собранных деталей, теперь изготавливаются как единый объект без сборки.
Инженеры долго стремились минимизировать вес при максимальной прочности. При проектировании всего, от мостов до небоскребов. Аддитивное производство помогает дизайнерам реализовать мечту об использовании органических структур. Чтобы значительно уменьшить вес объектов.
Например, в конкурсе GE GrabCAD® Bracket Challenge победившая конструкция была такой же прочной, как и оригинальная скобка. Хотя она весила почти на 84 процента меньше.
Сложные геометрии
Технология позволяет инженерам проектировать детали, которые имеют сложность, которая невозможна при использовании других методов. Сложные функции могут быть включены непосредственно в конструкцию.
Детали, которые ранее требовали сборки и сварки или пайки нескольких деталей, теперь можно выращивать как одну деталь. Это повышает прочность и долговечность. Дизайнеры больше не ограничены ограничениями традиционных машин. В результате они могут создавать детали с большей свободой проектирования.
Экономия веса
Дизайнеры могут уменьшить значительный вес. Сохраняя прочность и целостность детали. Включая органические структуры в проекты.
Экономия времени
Аддитивные технологии (3д-печать) идеально подходит для быстрого изготовления прототипов. Детали изготавливаются непосредственно из файла 3D CAD. Это исключает стоимость и длительный процесс создания приспособлений или штампов. Кроме того, изменения могут быть сделаны в середине потока. Практически без прерывания процесса.
Статья относится к нашему обзору Рынок 3D-печати.
Все новости в наших группах: вконтакте, twitter, facebook
Аддитивные технологии и 3D-сканирование в машиностроении: 7 историй успеха
3D-технологии все чаще оказываются в центре внимания крупных российских промышленных выставок, что отражает готовность предприятий к внедрению инновационных 3D-решений в свои производственные цепочки. Так, на выставке «Металлообработка-2018» аддитивные технологии впервые были представлены на отдельной площадке; цифровое производство стало главной темой Международной промышленной выставки «Иннопром», которая прошла в июле 2018 в Екатеринбурге.
Для машиностроения, как одной из ключевых отраслей российской экономики, исключительно важны разработки нового оборудования и применение передовых решений. 3D-технологии всецело отвечают этим потребностям. Совершенствуясь, они обеспечивают все большую эффективность, позволяя предприятиям сократить и упростить технологический процесс и оптимизировать расходы на производство.
К примеру, создание прототипа на 3D-принтере займет не месяцы, как на традиционном производстве, а всего несколько часов. Значительно экономятся временные затраты на доработку конструкции и запуск продукта в серийное производство, и, соответственно, снижается стоимость всего проекта. Благодаря применению 3D-сканеров и программного обеспечения для реверс-инжиниринга и контроля геометрии затраты времени и средств сокращаются в среднем в 1,5 раза.
Преимущества 3D-печати
Задачи, решаемые в машиностроении с помощью 3D-печати
Технологии 3D-печати для машиностроительных предприятий
Преимущества 3D-сканирования
Задачи, решаемые при помощи 3D-сканеров и специализированного ПО
7 историй успеха
Блок гидравлических клапанов
Финальный CAD-файл блока клапанов, готовый к 3D-печати
Конструкция нового блока гидравлических клапанов, разработанного компаниями VTT и Nurmi Cylinders, была оптимизирована c использованием технологии селективного лазерного плавления (SLM), позволившей значительно сэкономить вес, объем и материал. В результате было создано изделие, вес которого на 66% меньше исходной модели. Благодаря инновационному дизайну удалось оптимизировать поток жидкости по внутренним каналам и решить проблему утечки.
Смеситель жидкости с газом
Схема цельнометаллического смесителя, созданного по SLM-технологии. Справа внизу: изначальная модель, состоящая из 12 элементов
Центр быстрого прототипирования Jurec, использующий оборудование SLM Solutions, выполнил проект по усовершенствованию смесителя жидкости с газом. Изначально устройство собиралось из 12 частей, включая 3 крупных элемента – первое и второе фланцевые корпусные соединения и вставка смесителя. Селективное лазерное плавление дало возможность создать единый корпус, сократив количество деталей с 12 до одной. Отпадает необходимость использовать несколько металлов и фланцевых соединений: внутри цельнометаллического корпуса просто нарезается резьба, благодаря чему вес смесителя уменьшился с 1,3 кг до 50 г. В два раза сократилось время производства. И наконец, финансовые затраты на производство уменьшились на 73%.
Разветвитель гидроакустической антенны
Слева: мастер-форма из двух частей, напечатанная на 3D-принтере. Справа: извлечение готовой детали из силиконовой формы
ОАО «Концерн «Океанприбор» (Санкт-Петербург) производит системы связи для Военно-Морского Флота РФ, в том числе оборудование с большим количеством мелких элементов, например, разветвитель – один из основных компонентов новой гидроакустической антенны. Для быстрого прототипирования при изготовлении литьевых деталей концерн использует профессиональный 3D-принтер 3D Systems ProJet 660Pro, работающий по технологии CJP. На 3D-принтере выращивается литейная форма, которая затем заливается силиконом. В силиконовую форму можно заливать любой другой материал, в данном случае это полиуретан. В результате предприятие получает своего рода форму для форм – не просто прототип, а опытный образец, готовый к использованию. Реализация проекта с применением стандартных методов потребовала бы нескольких месяцев, но благодаря 3D-принтеру срок создания антенны удалось сократить до трех недель.
Компоненты газотурбинных двигателей
Восковая модель, выращенная методом 3D-печати, и готовое изделие
Американская компания Turbine Technologies, Ltd. разработала модификацию двигателей внутреннего сгорания, на которые устанавливаются турбины высокого давления. Компания приобрела принтер 3D Systems ProJet MJP 3600W для 3D-печати восковых моделей и получает готовую отливку в течение 3-4 дней. Восковые модели теперь изготавливаются непосредственно из 3D-моделей CAD, а литейный цех Turbine Technologies производит компоненты прототипов газотурбинных двигателей с большей точностью и меньшими расходами.
Компоненты и узлы для авиастроения
3D-печать фотополимерами по технологии QuickCast позволяет сэкономить время и деньги, поскольку позволяет обойтись без дорогостоящей оснастки
Компания Vaupell разрабатывает производственные решения для литейных предприятий, которые выполняют заказы аэрокосмической и оборонной отрасли. Благодаря стереолитографическому 3D-принтеру 3D Systems ProX 800 компания смогла радикально повысить эффективность производства. В принтере предусмотрен специальный режим печати фотополимером – QuickCast, при котором воспроизводится тонкостенная внешняя оболочка детали, а пустоты внутри детали заполняются ячеистой структурой. QuickCast-модели заменяют традиционные литейные модели и не требуют дорогостоящей оснастки. Таким образом, компания снизила затраты на литейные модели на 95%.
Контроль геометрии корпуса насоса
Карта отклонений геометрии футеровки
Компания iQB Technologies выполнила проект, включавший 3D-сканирование корпуса насоса после мехобработки и отдельное 3D-сканирование корпуса с футеровкой для контроля толщины покрытия. На первом этапе изделие было оцифровано ручным 3D-сканером Creaform HandySCAN 700, а затем была получена высокополигональная 3D-модель корпуса насоса. Затем специалисты произвели контроль отклонений геометрии в ПО Geomagic Control X. Выявленные отклонения в поверхности покрытия создают дополнительное давление на корпус, следовательно, уменьшают срок его эксплуатации. Проект осуществлен всего за 4 часа.
Реверс-инжиниринг рабочего колеса гидротурбины
3D-сканирование колеса гидротурбины для последующего обратного проектирования
Компания Dependable Industries (производитель литейных моделей и инструментов из Ванкувера) обратилась к предпринимателю Мэтью Персивалю из 3D Rev Eng для помощи в обратном проектировании отливки рабочего колеса радиально-осевой гидротурбины. Программа для реверс-инжиниринга Geomagic Design X позволяет в течение нескольких часов создавать такие модели со сложными формами, для изготовления которых при помощи традиционных технологий потребовалось бы несколько недель. Благодаря Geomagic Design X время на реверс-инжиниринг было сокращено на 50%, и на 48% уменьшены производственные затраты.