Аддитивное производство: технологии получения трёхмерных изделий послойно

Аддитивное производство: технологии получения трёхмерных изделий послойно

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:

  1. Создание эскиза компьютерной программой.
  2. Передача файла эскиза на оборудование АП.
  3. Машинное чтение данных из файла.
  4. Старт укладки материала слоями.
  5. Образование объекта в трёх измерениях.

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:

  • скоростное макетирование (RP — Rapid Prototyping),
  • непосредственное цифровое производство (DDM — Direct Digital Manufacturing),
  • многослойное производство (LM — Layered Manufacturing),
  • 3D-печать.

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.

Аддитивное производство: пример практики изготовления продукта
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:

  • устранение временной задержки между проектированием и производством,
  • сокращение инвестиций в оснастку,
  • удешевление продуктов на коммерческом рынке.

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.

Аддитивное производство - изготовление методом прототипирования
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:

  • различные виды твёрдого пластика,
  • металлы,
  • строительный бетон,
  • углеродное волокно,
  • пищевые ингредиенты и т. д.

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.

Аддитивное производство непосредственным цифровым изготовлением
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:

  • резервуар, заполненный жидким пластиком (фотополимером),
  • перфорированную платформу, которая опускается в резервуар,
  • ультрафиолетовый лазер,
  • компьютер, управляющий платформой лазера.

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 аддитивного производства стереолитографией
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.

Аддитивное производство: структурная схема цифрового светового процесса
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:

  • Envision Tec Ultra,
  • MiiCraft,
  • Lunavast XG2.

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:

  • файл 3D-модели подаётся на 3D-принтер,
  • применяется пластиковая нить для построения объекта,
  • насадка принтера расплавляет нить и печатает слоями,
  • пластик быстро затвердевает, будучи помещённым на платформу.

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
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:

  • Cube,
  • Replicator,
  • Mojo.

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.

Аддитивное производство методом селективной плавки
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 процесса ламинирования
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:

  • пластика,
  • бумаги,
  • металла.

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:

  1. Слой песка размещается на строительной платформе.
  2. Поперечная балка опускает связывающие вещества в разные места строительной платформы.
  3. Образуются слои, связанные один с другим.

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