Аддитивное производство: этапы, технологии, преимущества и применение

Содержание:

Аддитивное производство — что это такое

3D-печать на фабрике на 3D-принтерах HP, источник: hp.com

Аддитивное производство, оно же — производство с помощью аддитивных технологий, это создание изделий с помощью 3D-печати в производственных масштабах на фабриках, заводах и других предприятиях.

Это управляемый компьютерной программой процесс, при котором 3D-принтер создает трехмерные объекты в соответствии с заданной программой, путем добавления материала к создаваемой модели, откуда и взялось название: аддитивное — от английского “add”, — “добавлять”.

Методы аддитивного производства отличаются применяемыми технологиями — существует несколько применяемых в 3D-печати технологических процессов для работы с разными материалами, при использовании оборудования работающего по разным принципам.

Виды аддитивного производства отличаются целями и обстоятельствами, в которых оно применяется — от разработки и прототипирования, то непосредственного использования в серийном производстве деталей и создании конструкций.

Этапы аддитивного производства

Первый этап аддитивного производства — проектирование, фото: formlabs.com

Процесс аддитивного производства разделяется на этапы:

Появление идеи,
Разработка и согласование концепции,
Создание компьютерной 3D-модели,
Печать прототипа — иногда полноценного изделия, иногда макета,
Рассмотрение прототипа инженерами, выявление недостатков и доработка,
Применение модели в производстве: запуск в серию или создание единичного финального изделия (если это, например, мост или другой крупный единичный объект).

Аддитивное производство изделий — процесс хорошо отработанный. Далее мы рассмотрим его подробнее в разных аспектах.

Преимущества аддитивного производства

Генеративный дизайн активно применяется в сочетании с 3D-печатью, фото: formlabs.com

Преимущества аддитивного производства существенны и многочисленны, ниже попробуем перечислить их все, но всегда может найтись что-то еще.

Наглядность при прототипировании

Прототипирование с помощью 3D-технологий во многих случаях позволяет создать уже на этом этапе изделие, которое практически ничем не будет отличаться от того, что пойдет в серию. Это дает возможность тщательно изучить все его плюсы и минусы, в том числе практичность и эргономику, например, чтобы внести доработки и сделать серийный образец более совершенным.

Возможность персонализации

Производимые с помощью 3D-печати изделия могут получать персональные изменения под заказ пользователя, такие как изображения и надписи, изменение размеров, добавление или удаление каких-то деталей. Во многих случаях персонализированное изделие предпочтительнее для пользователя и за него можно запросить большую цену, при том, что себестоимость его, при изготовлении с помощью 3D-технологий, значительно не увеличится.

Экономия средств

Предыдущие технологии разработки и прототипирования, предшествовавшие применению цифрового дизайна и 3D-печати, стоили значительно дороже, так как требовали участия высокопрофессиональных инженеров, создания макетов вручную на каждой итерации в процессе разработки. Соответственно, расходовались деньги на оплату их труда.

Экономия времени

При ручном прототипировании и многократном внесении изменений и правок в конструкцию процесс создания финального прототипа мог занимать месяцы. С применением цифровой разработки и прототипирования 3D-печатью это происходит намного быстрее.

Энергоэффективность

Создание объектов с помощью 3D-печати зачастую позволяет сэкономить значительное количество электроэнергии, обычно потребляемой промышленным оборудованием.

Распределенное производство

Аддитивные технологии, так как часто оборудование и материалы для них значительно более компактны и универсальны, дают возможность производить многие вещи на местах, исключая долгое ожидание при заказе с больших фабрик и излишние расходы на транспортировку.

Сокращение логистических расходов

Применение 3D-печати зачастую позволяет значительно сэкономить на перевозках оборудования и материалов, так как аддитивное оборудование и материалы значительно универсальнее применяемых в классическом производстве.

Консолидация сборки

Опять же, благодаря универсальности оборудования и материалов для аддитивного производства, можно создавать все или большинство необходимых деталей для выпускаемой продукции на одном предприятии, а не строить новые фабрики или заказывать детали у подрядчиков. Также это позволяет быстро вносить изменения в конструкцию продукции при необходимости.

Сокращение отходов

В большинстве случаев, при аддитивном производстве материал используется практически на 100%, что значительно снижает расходы на него, по сравнению с традиционными методами производства.

Сокращение хранимых запасов

Аддитивное производство требует намного меньшего ассортимента хранимых на складах материалов и оборудования, в сравнении с традиционными методами производства, что сильно уменьшает и площадь складских помещений, и расходы на хранение.

Экономически эффективное производство деталей

Перечисленные выше факторы делают аддитивное производство, в очень многих случаях, куда более выгодным, менее затратным, чем аналогичное производство по традиционным технологиям. Исключение составляют простые детали, которые всё еще выгоднее производить массово обычными методами, такими как штамповка или литьё. Но и для таких производств прототипы новых изделий создаются при помощи 3D-печати.

Свобода проектирования

Применение цифрового проектирования, в том числе генеративного дизайна, а также собственно 3D-печати позволяет вносить изменения в конструкции в сжатые сроки и без больших дополнительных затрат, что делает производство более оперативным и дешевым.

Гибкость конструкции

Возможность внесения изменений в изделия сохраняется, при использовании на производстве 3D-печати, в течение всего производственного цикла, — всегда можно изменить параметры создаваемой продукции без переоборудования производственных линий, быстро и дешево.

Интеграция цифрового проектирования

Интеграция CAD/CAM-систем способствует гибкости и высокой экономической эффективности производства, уменьшая затраты на стадии разработки изделий и при внесении изменений в их конструкцию.

Преимущества для окружающей среды, меньше отходов

3D-печать, так как она использует практически всё сырье без остатка, значительно уменьшает общее количество отходов производства в промышленности.

Сокращение времени выполнения заказа

Заказанная клиентом продукция может быть спроектирована и запущена в производство в сжатые сроки, иногда — в считаные сутки, что значительно меньше, чем при традиционных методах производства.

Более легкие детали

3D-печать позволяет сохранять необходимую прочность деталей, делая их значительно более легкими, по сравнению с литьем например. Этому способствуют и сама специфика технологии 3D-печати, и возможность применения генеративного дизайна — когда проектирующая программа учитывает предстоящие детали нагрузки и усиливает конструкцию только в тех местах, где это необходимо.

Возможность производства в малых объемах

3D-печать предлагает создание необходимых деталей в количестве от одной штуки, при этом не увеличивая их стоимость во много раз. При производстве по традиционным технологиям такое зачастую невозможно, так как производство новой детали может требовать переоборудования производственной линии, создания литьевых или пресс форм, других значительных расходов.

Снижение затрат на электроэнергию

Специфика аддитивного производства позволяет тратить значительно меньше электроэнергии, чем при производстве деталей на заводах по традиционным технологиям, таким как литье расплавленных материалов, фрезерование и другие.

Массовая кастомизация

Использование 3D-печати позволяет вносить индивидуальные изменения в значительную часть продукции без огромного повышения ее себестоимости в производстве.

Гибкость деталей, гибкость производства

Любая деталь может быть изменена в любой момент, если это необходимо — не нужно переоборудовать производственную линию, заказывать дорогостоящую оснастку, такую как литьевые формы и штамповочные формы, закупать и устанавливать новые станки, строить под них новые цеха.

Пара часов работы инженера за компьютером, печать и утверждение образца, и измененную деталь можно производить массово.

Производство по требованию

Возможность производства деталей из каталога по требованию заказчика, даже если они уже не производятся массово, также обеспечивается аддитивными технологиями. Компания может обеспечить высочайший уровень сервиса, предоставляя своим клиентам любую необходимую деталь для своей продукции, как бы давно она ни была произведена, без необходимости сохранения для этого устаревших производственных линий.

Быстрый запуск производства новой продукции и выход на рынок

Применение цифрового производства значительно ускоряет процесс разработки и выпуска новой продукции. С использованием технологий цифрового проектирования и прототипирования, этот цикл может быть очень сильно сокращен — от месяцев до недель.

Отличие аддитивных технологий от традиционного производства

Аддитивные технологии производства, вместе с цифровыми технологиями проектирования, составляют новую парадигму производства в XXI веке, делая промышленный выпуск изделий более быстрым, более оперативным в удовлетворении потребностей покупателей и клиентов. Такой подход к производству может, в некоторых случаях, несколько удорожать саму продукцию, если считать сырье и производство одной детали, но позволяет экономить огромные суммы на оборудовании предприятий и введении в производство новых моделей изделий и деталей для них.

Технологии 3D в аддитивном производстве

Технология 3D-печати SLS позволяет создавать изделия во всем объеме камеры печати без поддержек: поддержкой служит само сырье, то есть порошковый материал для печати.

Технологии аддитивного производства — это технологии проектирования и производства продукции с применением 3D-печати. Применение технологии 3D-печати в аддитивном производстве подразумевает широчайшую вариативность выпускаемой продукции и повышение ее потребительских свойств и технических характеристик. Так, например, технологии генеративного дизайна позволяют, без изменения материала производства, делать деталь более легкой, при сохранении прочности, или более прочной, при сохранении веса.

Аддитивные технологии, технологии 3d производства применяются всё чаще, не только потому, что производство с их помощью становится более быстрым, но и потому, что это выгодно, в конечном итоге — не только компании-производителю, но зачастую и покупателю. 3d принтеры и аддитивные технологии стали универсальным инструментом в проектировании и промышленном производстве, а технологии 3d моделирования — в создании новых образцов продукции.

В числе технологий 3D-печати можно выделить методики печати пластиками и металлами.

FFF/FDM — послойное наплавление пластика, то есть прямое нанесение расплавленной пластиковой нити,
SLA, MSLA, SLS, LCD — стереолитография и лазерная стереолитография, то есть послойное отверждение фотополимера светом, через ЖК-маску или лазерным лучом соответственно,
SLS — спекание лазером частиц полимерного порошка, наносимого послойно,
SLM — сплавление лазером частиц металлического порошка, наносимого послойно.

Это лишь основные, самые применяемые технологии, существуют также их разновидности и отдельные редко применяемые технологии, обозначаемые другими аббревиатурами.

Также существуют технологии 3D-печати биоматериалами, пищевыми продуктами, бумагой, а также строительные 3D-принтеры, печатающие цементными растворами, но эти разновидности 3D-печати не используются крупномасштабно в промышленности. Узнать больше о доступном оборудовании для 3D-печати вы можете на сайте Top 3D Shop

Технологическое оборудование для аддитивных технологий

При печати по технологиям SLS и SLM порошок наносится слой за слоем, каждый новый слой обрабатывается лазером, частицы сырья соединяются под воздействием высокой температуры, затем наносится новый слой порошка и действие повторяется.

Технологическое оборудование для аддитивных технологий, 3D-принтеры в том числе, представляет собой совокупность аддитивного оборудования, работающего по разным технологиям 3D-печати.

Аддитивные технологии, 3D-проектирование и 3D печать, так как это относительно новая отдельная технологическая ниша, требуют для себя соответствующей материальной базы, и это, в том числе, оборудование для аддитивных технологий, 3d принтеры в основном, а также оборудование для постобработки 3D-печатных изделий и 3D-сканеры — сканирующее оборудование для реверс-инжиниринга.

Материалы в аддитивном производстве

Аппарат Mcor IRIS ирландской компании Mcor создает фотореалистичные 3D-печатные модели из листов бумаги плотностью 80 грамм. Такие 3D-модели стоят около 10-20 процентов от стоимости аналогичных изделий, напечатанных по другим технологиям.

Аддитивное производство вообще, в том числе и деталей из пластика, и аддитивное производство металлов, а точнее — изделий из металлов и сплавов, особенно в последнее время, широко применяется практически во всех отраслях промышленности без исключения. Это значит, что и материалы в таком производстве используются самые разнообразные:

Широчайший спектр полимеров разного состава, в виде прутка для FFF и FDM-печати, а также в виде гранул и порошка,
Жидкие полимеры для струйной печати,
Жидкие фотополимеры, отверждаемые светом,
Металлы и сплавы в виде порошка и проволоки,
Питательные растворы с живыми культурами и биоразлагаемые пластики — для биопечати,
Гипсовые растворы,
Цементные растворы для строительной 3D-печати,
Растворы сахара, жидкое тесто и другие пищевые продукты применяются в кулинарной 3D-печати и пищевой промышленности,
В искусстве применяется 3D-печать бумагой, путем наложения и фигурной обрезки листов бумаги в качестве слоев.

Технологии 3D-печати постоянно совершенствуются, в том числе появляются новые, так что это далеко не полный список. Следите за нашими публикациями, чтобы узнать больше нового об удивительном и разнообразном мире 3D-печати.