Una dintre mașinile de asamblare a tehnologiilor aditive. Tehnologii aditive în inginerie mecanică: industria transporturilor

11.02.2022 | Internet

Producția digitală prin metoda aditivă constă în crearea strat cu strat a unui obiect de orice complexitate. Tehnologiile aditive sunt fundamental diferite de cele utilizate până de curând. Principala lor diferență este că nu sunt subtractive, ca, de exemplu, metoda de prelucrare CNC, ci colective. Cu alte cuvinte, produsul este asamblat din piesele realizate de compoziția de pulbere. În comparație cu turnarea, ștanțarea sau prelucrarea CNC, această tehnologie crește productivitatea de până la treizeci de ori, dar cel mai important, face posibilă obținerea unor piese care erau imposibil de realizat prin metode tradiționale.

Tehnologiile inovatoare de aditivi 3D vă permit să creați modele de orice formă și dimensiune, deoarece procesul de sinteză strat cu strat are loc strat cu strat. Această metodă de producție folosește o metodă precum prototiparea. Acest lucru face posibilă crearea nu a unui obiect gata făcut care poate fi utilizat în scopuri specifice, ci a prototipului său, care vă permite să evaluați capacitățile și caracteristicile modelului, datele sale externe etc.

Prototipurile pot fi prezentate clienților și pot fi folosite și în scopuri de marketing. De exemplu, expozițiile auto folosesc adesea modele de prototipare rapidă pentru a le prezenta clienților potențiali. Această tehnologie face posibilă producerea de prototipuri rapid și, cel mai important, ieftin în comparație cu metodele de producție standard.

Tehnologiile de fabricație aditivă sunt utilizate pe scară largă pentru a reduce costurile de proiectare prin identificarea posibilelor erori în etapele incipiente ale proiectării. În plus, această tehnologie reduce timpul de lansare pe piață prin întărirea conexiunii dintre client și proiectant. Elimină aproape complet etapa laborioasă și lungă de fabricare a prototipurilor.

Istoricul dezvoltării și domeniul de aplicare al tehnologiilor aditive 3D

Mulți consideră că imprimarea 3D este o invenție a secolului 21, dar tehnica imprimării aditive datează din anii 1980. Iar tatăl ei este considerat Ch. Hull – bărbatul care a proiectat prima imprimantă 3D stereolitografică care lucrează pe tehnologia SLA. Curând, un alt inginer, S. Kramp, a reușit să proiecteze și să construiască o imprimantă FDM. Și, în ciuda faptului că aceste tehnologii de imprimare sunt ușor diferite unele de altele, ele sunt unite de un singur principiu - creșterea strat cu strat a unui model tridimensional. Până la sfârșitul anilor '90, ambele tehnologii au început să fie utilizate în industrie. Puțin mai târziu, tehnologia 3D a fost introdusă de doi studenți ai Institutului din Massachusetts în imprimantele desktop, iar astăzi tehnologiile aditive, tehnologiile de modelare 3D sunt utilizate pe scară largă nu numai în producție, ci și în viața de zi cu zi.

Pe acest moment tehnologiile moderne de producție digitală sunt utilizate în construcții, arhitectură, medicină, cosmonautică, inginerie mecanică și alte domenii de activitate. De exemplu, tehnologiile aditive în inginerie mecanică fac posibilă crearea de prototipuri de înaltă calitate de modele care ajută la studierea tuturor caracteristicilor unui viitor produs sau unitate. În prototipare, cea mai utilizată metodă de imprimare AF stereolitografică, în care straturile de polimer lichid sunt solidificate cu ajutorul unui laser. Tehnica permite obținerea de prototipuri ale celor mai complexe obiecte cu multe elemente mici, inclusiv forme non-standard.

Ce probleme rezolvă utilizarea tehnologiilor aditive în producția digitală?

Sistemul integrat computerizat de control al producției digitale include utilizarea modelării numerice, vizualizare tridimensională (3D), analiză inginerească și instrumente de colaborare concepute pentru a dezvolta proiectarea produselor și a proceselor tehnologice pentru fabricarea acestora.

Designul de fabricație digitală este conceptul de pregătire tehnologică a producției într-un singur mediu virtual folosind instrumente de planificare, verificare și simulare a proceselor de producție. Tehnologiile de producție digitală sunt, în primul rând, procesele de traducere a designului digital într-un obiect fizic.

Utilizarea tehnologiilor aditive rezolvă astfel de probleme ale industriilor digitale precum modernizarea și automatizarea existente și proiectarea de noi industrii eficiente de construcții de mașini pentru diverse scopuri, echipamentele și sistemele acestora, precum și procesele de producție și tehnologice folosind sisteme automatizate pregătirea tehnologică a producţiei.

Țările lider ale lumii sunt implicate activ în cursa 3D. De exemplu, în 2012, Institutul Național de Inovare pentru Fabricarea Aditivelor (NAMII) s-a deschis în Youngston, Ohio, primul din cincisprezece centre pentru tehnologii aditive fiind creat în Statele Unite. Parcul de mașini al institutului are deja 10 mașini de aditivi, dintre care trei sunt mașini de ultimă generație pentru crearea pieselor metalice.

Terminologie și clasificare

Esența tehnologiilor aditive este combinarea materialelor pentru a crea obiecte din datele modelului 3D strat cu strat. Prin aceasta, ele diferă de tehnologiile de producție subtractive convenționale, care implică prelucrare mecanică - îndepărtarea unei substanțe dintr-o piesă de prelucrat.

Tehnologiile aditive sunt clasificate:

în funcție de materialele folosite (lichid, vrac, polimer, pulbere metalică);
prin prezența unui laser;
conform metodei de fixare a stratului de construcție (expunere termică, iradiere cu ultraviolete sau lumina vizibila, compoziție de legare);
după metoda de formare a stratului.

Există două moduri de a forma un strat. Primul este că materialul pulbere este mai întâi turnat pe platformă, distribuit cu o rolă sau un cuțit pentru a crea un strat uniform de material de o anumită grosime. Există o prelucrare selectivă a pulberii cu un laser sau o altă metodă de conectare a particulelor de pulbere (topire sau lipire) conform secțiunii curente a modelului CAD. Planul de construcție este neschimbat, iar o parte din pulbere rămâne neatinsă. Această metodă se numește sinteză selectivă, precum și sinterizare selectivă cu laser, dacă instrumentul de îmbinare este un laser. A doua metodă constă în depunerea directă a materialului în punctul de alimentare cu energie.

Organizația de standarde industriale ASTM împarte tehnologiile de aditivi 3D în 7 categorii.

Extrudarea materialului. Un material asemănător pastei, care este un amestec de liant și pulbere metalică, este alimentat la punctul de construcție printr-un extruder încălzit. Modelul brut construit este introdus într-un cuptor pentru a îndepărta liantul și a sinteriza pulberea - așa cum se întâmplă în tehnologiile tradiționale. Această tehnologie aditivă este implementată sub mărcile MJS (Multiphase Jet Solidification), FDM (Fused Deposition Modeling), FFF (Fused Filament Fabrication).
Material de stropire. De exemplu, în tehnologia Polyjet, ceara sau fotopolimerul este alimentat printr-un cap cu jet multiplu până la punctul de construcție. Această tehnologie aditivă se mai numește și Multi Jetting Material.
Stropire de liant. Acestea includ tehnologii jet Ink-Jet pentru injectarea în zona de construcție nu a unui material model, ci a unui agent de legare (tehnologia de fabricație aditivă ExOne).
Lipirea foilor este o peliculă polimerică, folie metalică, foi de hârtie etc. Este folosită, de exemplu, în tehnologia de fabricație aditivă cu ultrasunete Fabrisonic. Plăcile metalice subțiri sunt sudate cu ultrasunete, după care excesul de metal este îndepărtat prin frezare. Tehnologia aditivă este folosită aici în combinație cu scădere.
Fotopolimerizare în baie. Tehnologia folosește materiale lichide de modelare - rășini fotopolimerice. Un exemplu este tehnologia SLA a 3D Systems și tehnologia DLP a Envisiontec, Digital Light Procession.
Material de topire într-un strat preformat. Este folosit în tehnologiile SLS care folosesc un laser sau un cap termic (SHS de la Blueprinter) ca sursă de energie.
Alimentarea directă cu energie la locul de construcție. Materialul și energia pentru topirea acestuia intră în același timp în punctul de construcție. Ca corp de lucru, se folosește un cap, echipat cu un sistem de alimentare cu energie și material. Energia vine sub forma unui fascicul de electroni concentrat (Sciaky) sau a unui fascicul laser (POM, Optomec). Uneori capul este montat pe „brațul” robotului.

Această clasificare vorbește mult mai mult despre complexitățile tehnologiilor aditive decât cele anterioare.

Aplicații

Piața tehnologiilor aditive în dinamica dezvoltării este înaintea altor industrii. Creșterea sa medie anuală este estimată la 27% și, potrivit IDC, va fi de 26,7 miliarde de dolari până în 2019, comparativ cu 11 miliarde de dolari în 2015.

Cu toate acestea, piața AT nu a eliberat încă potențialul neexploatat în producția de bunuri de larg consum. Până la 10% din fondurile companiei din costul producerii unui produs sunt cheltuite pentru prototiparea acestuia. Și multe companii au ocupat deja acest segment de piață. Dar restul de 90% intră în producție, așa că realizarea de aplicații rapide de realizat va fi principalul obiectiv al industriei în viitor.

În 2014, ponderea prototipării rapide pe piața tehnologiilor aditive, deși a scăzut, a rămas cea mai mare - 35%, ponderea producției rapide a crescut și a ajuns la 31%, ponderea în crearea de instrumente a rămas la 25%, restul a fost explicat de cercetare și educație.

Pe sectoare ale economiei, utilizarea tehnologiilor AT a fost distribuită astfel:

21% - producția de bunuri de larg consum și electronice;
20% - industria auto;
15% - medicina, inclusiv stomatologia;
12% - industria aeronautică și industria spațială;
11% - producția de mijloace de producție;
8% - echipament militar;
8% - educație;
3% - constructii.

Amatori și profesioniști

Piața tehnologiei AT este împărțită în amatori și profesioniști. Piața de hobby include imprimante 3D și serviciile acestora, care includ servicii, consumabile, software și se adresează pasionaților individuali, educației și vizualizării ideilor și facilitarea comunicării în stadiul inițial al dezvoltării noilor afaceri.

Imprimantele 3D profesionale sunt scumpe și potrivite pentru reproducere extinsă. Au o suprafață mare de construcție, productivitate, precizie, fiabilitate și o gamă extinsă de materiale de model. Aceste mașini sunt cu un ordin de mărime mai complexe și necesită dezvoltarea unor abilități speciale în lucrul cu dispozitivele în sine, cu materiale de model și software. De regulă, un specialist în tehnologii aditive cu studii tehnice superioare devine operatorul unei mașini profesionale.

Tehnologii aditive în 2015

Conform Raportului Wohlers 2015, între 1988 și 2014, în întreaga lume au fost instalate 79.602 de imprimante 3D industriale. În același timp, 38,1% dintre dispozitivele în valoare de peste 5 mii de dolari SUA sunt în Statele Unite, 9,3% - în Japonia, 9,2% - în China și 8,7% - în Germania. Restul lumii este cu mult în urma liderilor. Din 2007 până în 2014, vânzările anuale de imprimante desktop au crescut de la 66 de unități la 139.584 de unități. În 2014, 91,6% din vânzări au provenit de la imprimante 3D desktop și 8,4% de la mașini industriale AM, care, totuși, au reprezentat 86,6% din total, sau 1,12 miliarde USD în termeni absoluți. Mașinile desktop s-au mulțumit cu 173,2 milioane de dolari SUA și 13,4%. În 2016, vânzările sunt de așteptat să crească la 7,3 miliarde de dolari SUA, în 2018 - 12,7 miliarde, în 2020 piața va ajunge la 21,2 miliarde de dolari.

Potrivit lui Wohlers, tehnologia FDM este predominantă, cu aproximativ 300 de mărci în întreaga lume, cu noi modificări adăugate zilnic. Unele dintre ele sunt vândute doar local, așa că este foarte dificil, dacă nu imposibil, să găsești informații despre numărul de mărci de imprimante 3D produse. Putem spune cu încredere că numărul lor pe piață crește în fiecare zi. Există o mare varietate de dimensiuni și tehnologii aplicate. De exemplu, compania din Berlin BigRep produce o imprimantă FDM uriașă numită BigRep ONE.2 la un preț de 36 de mii de euro, capabilă să imprime obiecte de până la 900 x 1055 x 1100 mm cu o rezoluție de 100-1000 microni, două extrudere și capacitatea de a utiliza diferite materiale.

Industrie - pentru

Industria aviației investește masiv în fabricarea aditivă. Utilizarea tehnologiilor aditive va reduce de 10 ori consumul de materiale cheltuite pentru fabricarea pieselor. Se estimează că GE Aviation va produce 40.000 de duze anual. Și până în 2018, Airbus va imprima până la 30 de tone de piese pe lună. Compania constată o îmbunătățire semnificativă a caracteristicilor pieselor produse în acest mod față de cea tradițională. S-a dovedit că suportul, care a fost proiectat pentru o sarcină de 2,3 tone, poate rezista de fapt la o sarcină de până la 14 tone, reducând în același timp greutatea la jumătate. În plus, compania imprimă piese din tablă de aluminiu și conectori de combustibil. Avioanele Airbus au 60.000 de piese imprimate pe imprimantele 3D Fortus de la Stratasys. Alte companii din industria aerospațială folosesc, de asemenea, tehnologii de fabricație aditivă. Printre acestea: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce și SpaceX.

Tehnologiile digitale aditive sunt deja folosite în producția unei varietăți de produse de consum. Materialize, o companie de servicii de producție aditivă, este în parteneriat cu Hoet Eyeware pentru a produce ochelari de vedere și ochelari de soare. Modelele 3D sunt furnizate de multe servicii cloud. Numai 3D Warehouse și Sketchup oferă 2,7 milioane de modele. Industria modei nu este lăsată deoparte. RS Print folosește un sistem care măsoară presiunea tălpii pentru a imprima branțuri personalizate. Designerii experimentează cu bikini, pantofi și rochii.

Prototipuri rapide

Prototiparea rapidă este crearea unui prototip de produs în cel mai scurt timp posibil. Este printre principalele aplicații ale tehnologiilor de fabricație aditivă. Un prototip este un prototip al unui produs, necesar pentru optimizarea formei unei piese, evaluarea ergonomiei acesteia, verificarea posibilitatii de asamblare si corectitudinea solutiilor de layout. Acesta este motivul pentru care reducerea timpului de livrare pentru o piesă poate reduce semnificativ timpul de dezvoltare. De asemenea, prototipul poate fi un model conceput pentru a efectua teste aero- și hidrodinamice sau pentru a verifica funcționalitatea unor părți ale corpului echipamentelor de uz casnic și medical. Multe prototipuri sunt create ca modele exploratorii de design cu nuanțe de configurare, culori de vopsea etc. Pentru prototiparea rapidă se folosesc imprimante 3D ieftine.

Producție rapidă

Tehnologiile aditive din industrie au perspective mari. Producția la scară mică de produse cu geometrie complexă și din materiale specifice este comună în construcțiile navale, inginerie energetică, chirurgie reconstructivă și medicina dentară și industria aerospațială. Cultivarea directă a produselor metalice aici este motivată de fezabilitatea economică, deoarece aceasta s-a dovedit a fi mai puțin costisitoare. Cu ajutorul tehnologiilor aditive, se produc corpurile de lucru ale turbinelor și arborilor, implanturilor și endoprotezelor, piese de schimb pentru mașini și avioane.

Dezvoltarea producției rapide a fost facilitată și de o expansiune semnificativă a numărului de materiale din pulbere metalică disponibile. Dacă în 2000 existau 5-6 tipuri de pulberi, acum se oferă o gamă largă, însumând zeci de compoziții de la oțeluri de structură la metale prețioase și aliaje rezistente la căldură.

Tehnologiile aditive sunt promițătoare și în inginerie mecanică, unde pot fi utilizate la fabricarea de unelte și dispozitive de fixare pentru producția de masă - inserții pentru mașini de turnat prin injecție, matrițe, șabloane.

Ultimaker 2 este cea mai bună imprimantă 3D din 2016

Potrivit revistei CHIP, care a testat și comparat imprimante 3D pentru consumatori, cele mai bune imprimante din 2016 sunt Ultimaker's Ultimaker 2, Conrad's Reniforce RF1000 și MakerBot's Replicator Desktop 3D Printer.

Ultimaker 2+ folosește tehnologia de modelare prin depunere în modelul său îmbunătățit. Imprimanta 3D se distinge prin cea mai mică grosime a stratului de 0,02 mm, timp scurt de calcul, cost redus de imprimare (2600 de ruble per 1 kg de material). Principalele caracteristici:

dimensiunea camerei de lucru - 223 x 223 x 305 mm;
greutate - 12,3 kg;
dimensiunea capului - 0,25 / 0,4 / 0,6 / 0,8 mm;
temperatura capului - 180-260°C;
rezoluție strat - 150-60/200-20/400-20/600-20 microni;
viteza de imprimare - 8-24 mm 3 /s;
Precizie XYZ - 12,5-12,55 microni;
material - PLA, ABS, CPE cu diametrul de 2,85 mm;
software - Cura;
tipuri de fișiere acceptate - STL, OBJ, AMF;
- 221 W;
pret - 1.895 euro pentru modelul de baza si 2.495 euro pentru cel extins.

Conform recenziilor clienților, imprimanta este ușor de instalat și utilizat. Ei notează rezoluție înaltă, stoc auto-ajustabil, mare varietate de materiale utilizate, utilizarea deschisă software. Dezavantajele imprimantei includ designul deschis al imprimantei, care poate duce la arsuri de la materialul fierbinte.

Imprimantă 3D LulzBot Mini

Ultimaker 2 și Replicator Desktop 3D Printer de la PC Magazine au ajuns și ele în primele trei, dar aici a fost imprimanta 3D LulzBot Mini care a ieșit pe primul loc. Specificatiile sale sunt:

dimensiunea camerei de lucru - 152 x 152 x 158 mm;
greutate - 8,55 kg;
temperatura capului - 300°C;
grosimea stratului - 0,05-0,5 mm;
viteza de imprimare - 275 mm/s la o înălțime a stratului de 0,18 mm;
material - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, poliester, nailon, policarbonat, PETG, PCTE, PC-ABS etc. cu diametrul de 3 mm;
software - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl etc.;
consum de energie - 300 W;
preț - 1.250 dolari SUA.

Sciaky EBAM 300

Una dintre cele mai bune mașini industriale de producție aditivă este EBAM 300 de la Sciaky. Pistolul cu fascicul catodic depune straturi de metal cu o viteză de până la 9 kg pe oră.

dimensiunea camerei de lucru - 5791 x 1219 x 1219 mm;
presiunea camerei de vid - 1x10 -4 Torr;
consum de energie - până la 42 kW la o tensiune de 60 kV;
tehnologie - extrudare;
material - titan și aliaje de titan, tantal, inconel, wolfram, niobiu, oțel inoxidabil, aluminiu, oțel, aliaj cupru-nichel (70/30 și 30/70);
volum maxim - 8605,2 l;
preț - 250 de mii de dolari SUA.

Tehnologii aditive în Rusia

Mașinile de clasă industrială nu sunt produse în Rusia. Până acum, dezvoltările sunt în curs doar la Rosatom, centrul laser al Universității Tehnice de Stat din Moscova. Bauman, Universitatea Stankin, Universitatea Politehnică din Sankt Petersburg, Universitatea Federală Ural. Voronezhselimmash, care produce imprimante 3D educaționale și de uz casnic Alfa, dezvoltă o instalație de aditivi industriali.

Același lucru este valabil și pentru consumabile. Liderul în dezvoltarea de pulberi și compoziții de pulbere în Rusia este VIAM. Produce pulbere pentru tehnologii aditive, care este utilizată în restaurarea palelor de turbine, la ordinul Perm Aviadvigatel. Există progrese și la Institutul All-Rusian de Aliaje Ușoare (VILS). Dezvoltarile sunt realizate de diferite centre de inginerie din întreaga Federație Rusă. Rostec, Filiala Ural a Academiei Ruse de Științe, Universitatea Federală Ural își dezvoltă propriile proiecte. Dar toate nu sunt capabile să satisfacă nici măcar o cerere mică de 20 de tone de pulbere pe an.

În acest sens, guvernul a instruit Ministerul Educației și Științei, Ministerul Dezvoltării Economice, Ministerul Industriei și Comerțului, Ministerul Comunicațiilor, Academia Rusă de Științe, FASO, Roscosmos, Rosatom, Rosstandart și instituțiilor de dezvoltare să crearea unui program coordonat de dezvoltare și cercetare. În acest scop, se propune alocarea unor alocări bugetare suplimentare, precum și luarea în considerare a posibilității de cofinanțare din FN și alte surse. Se recomandă sprijinirea altora noi, inclusiv cele aditive, pentru RVC, Rosnano, Fundația Skolkovo, agenția de export EXIAR și Vnesheconombank. De asemenea, guvernul, reprezentat de Ministerul Industriei și Comerțului, va pregăti o secțiune din programul de stat pentru dezvoltarea și creșterea competitivității industriei.

Procesul tehnologic nu stă pe loc, în fiecare zi are loc o îmbunătățire a tehnologiilor digitale, ceea ce permite utilizarea inovațiilor în domenii diverse viata umana. Tehnologiile aditive sunt printre cele mai avansate și cele mai solicitate în întreaga lume.

Tehnologii aditive - ce este?

Fabricarea aditivă (de la cuvântul aditivitate - adăugat) este o construcție și sinteza strat cu strat a unui obiect folosind tehnologii 3D computerizate. Invenția îi aparține lui Charles Hull, care în 1986 a proiectat prima imprimantă stereolitografică tridimensională. Ce înseamnă procesul aditiv al creării strat cu strat a unui model și cum funcționează? În industria modernă, acestea sunt mai multe procese diferite, în urma cărora este modelat un obiect 3d:

iradiere UV;
extrudare;
pulverizare cu jet;
fuziune;
laminare.

Materiale utilizate în tehnologiile aditive:

ceară;
pulbere de gips;
fotopolimeri lichizi;
pulberi metalice;
diverse tipuri de poliamide;
polistiren.

Aplicarea tehnologiilor aditive

Progresul tehnologic contribuie la producerea multor lucruri utile pentru viața de zi cu zi, sănătatea și siguranța umană, de exemplu, tehnologiile aditive în producția de aeronave ajută la crearea unui transport aerian mai economic și mai ușor, în timp ce proprietățile sale aerodinamice sunt pe deplin păstrate. Acest lucru a fost posibil prin aplicarea principiilor structurii osoase a aripilor de pasăre la proiectarea aripilor aeronavelor. Alte domenii de aplicare a tehnologiilor aditive:

constructie;
industria agricolă;
inginerie mecanică;
constructii navale;
astronautică;
medicină și farmacologie.

Tehnologii 3d aditive

Dezvoltându-se dinamic într-un ritm rapid, tehnologiile de imprimare 3D aditive sunt utilizate în industriile progresive. Există mai multe tipuri inovatoare de tehnologii aditive:

FDM(Fused deposition modeling) - produsul se formează în straturi dintr-un fir de plastic topit.
CJP(Imprimarea ColorJet) este singura imprimare 3D full-color din lume cu principiul pulberii de lipire constând din gips.
SLS(Selective Laser Sintering) este o tehnologie de sinterizare cu laser care produce obiecte foarte durabile de orice dimensiune.
MJM(MultiJet Modeling) modelare 3d multi-jet folosind fotopolimeri și ceară.
SLA(Stereolitografia cu laser) - întărirea strat cu strat a unui polimer lichid are loc cu ajutorul unui laser.

Tehnologii aditive în inginerie mecanică

Jim Corr, un inginer american, folosește fabricarea aditivă în inginerie mecanică de 15 ani. Proiectul Urbee de la Kor Ecologic este crearea primului prototip de mașină 3d cu o viteză de 112 km/h, corpul acestuia și unele părți sunt imprimate pe o imprimantă 3d. O altă companie Local Motors a introdus, în noiembrie 2015, o mașină „inteligentă și sigură” LMSD Swim - 75% dintre părți sunt realizate prin imprimare tridimensională folosind plastic ABS și fibră de carbon.

Tehnologii aditive în construcții

Fabricarea aditivă a clădirilor și a diferitelor structuri reduce semnificativ timpul de construcție. Imprimarea 3D în construcții este în tendințe în întreaga lume. Experimentele efectuate pe imprimante 3d laser pentru oamenii obișnuiți par a fi în pragul fantasticului. Tehnologii 3D aditive - aspecte pozitive în construcții:

economisirea timpului și a costurilor financiare (viteza de construcție în câteva zile, reducerea costului logisticii, consumabilelor, angajarea unui număr mare de personal);
implementarea oricăror soluții de proiectare și forme geometrice complexe (castele medievale, case sub formă de asteroizi și galaxii);
capacitatea de a construi case în ceea ce privește rezistența seismică în zonele predispuse la cutremure și uragane.

Cele mai faimoase clădiri 3D:

Tehnologii aditive în medicină

În 2016, a devenit o descoperire pentru medicină datorită tehnologiilor aditive 3D. Calitatea serviciilor medicale a crescut semnificativ. Procesul aditiv a afectat mai multe domenii ale asistenței medicale și acest lucru a redus mortalitatea în rândul pacienților care au nevoie de servicii medicale urgente și de calitate. Beneficiile utilizării imprimării 3D aditive în medicină:

Cu ajutorul imaginilor tomografice, a devenit posibilă imprimarea cu precizie a unui organ cu patologie pentru a studia subtilitățile și nuanțele viitoarei operații.
Transplantul a parcurs un drum lung. Tehnologiile aditive aici rezolvă mai multe probleme simultan - morale și etice și reduc timpul de așteptare, este un fapt binecunoscut că oamenii așteaptă organele donatoare de câțiva ani, dar uneori factura nu merge de ani de zile, ci de zile și chiar de ore. . Transplantul de organe umane crescute artificial va deveni în curând o realitate.
Imprimarea instrumentelor sterile. În era infecțiilor virale severe și incurabile, instrumentele sterile de unică folosință anulează infecția în timpul procedurilor medicale.

Astăzi, următoarele produse ale tehnologiilor aditive sunt utilizate cu succes în medicină:

piele umană crescută artificial (relevant pentru transplant la persoanele cu o zonă mare de arsuri);
țesut osos și cartilaj biocompatibil;
tipărirea organelor cu un proces oncologic și studierea efectului medicamentelor asupra tumorilor;
implanturi dentare, proteze, coroane;
aparate auditive individuale;
proteze ortopedice.

Tehnologii aditive în farmacologie

Cu o abundență de medicamente moderne, este important ca un medic să știe ce efect aditiv este în medicamente, succesul tratamentului depinde de acesta. Efectul cumulat al medicamentelor luate în timpul tratamentului ar trebui să fie sinergic (complementare reciproc și întărire), dar nu este întotdeauna cazul. Totul depinde de intoleranța individuală, de starea corpului. Tehnologiile aditive vin și aici în ajutor. Sunt deja testate tablete Spritam imprimate 3D pentru epilepsie, care conțin informații despre pacient: sex, greutate, vârstă, stare hepatică, dozaj individual.

Tehnologii aditive în educație

Tehnologiile aditive sunt deja introduse activ la școală, dacă până de curând școlarii studiau modelarea 3d în programe de calculator specializate, acum a devenit deja posibilă tipărirea unei imagini simulate în volum. Elevii își văd vizual invențiile, greșelile făcute și cum funcționează mecanismul. Până în 2018, Ministerul Educației intenționează să formeze 3.000 de profesori din instituțiile de învățământ în tehnologii aditive.

08.06.2016

Perspective de utilizare a tehnologiilor aditive în producția de mașini de construcție a drumurilor

Principalele direcții de dezvoltare a ingineriei mecanice în prezent sunt: utilizarea de noi materiale polimerice, compozite, inteligente în producția de piese de mașini; dezvoltarea de noi metode, echipamente și procese tehnologice pentru producerea produselor de inginerie.

Primul pas către crearea unei mașini este proiectarea spațială a produselor de inginerie mecanică folosind modele tridimensionale digitale virtuale pe computer, care a devenit posibilă datorită introducerii software-ului modern (program CAD), modelare și calcule (CAE).

Introducerea tehnologiilor de „imprimare tridimensională” (imprimare 3D) oferă posibilitatea de a crea o piesă de mașină sau un produs în ansamblu pe baza modelului 3D dezvoltat în cel mai scurt timp posibil și cu pierderi minime de materiale. Metodele de fabricare a produselor bazate pe procesul de combinare a materialului pentru a crea un obiect din datele modelului 3D au fost numite în mod colectiv „tehnologii aditive” (aditiv).

În acest context, tehnologiile tradiționale de inginerie bazate pe prelucrarea unei piese de prelucrat, în care o parte din material este îndepărtată (strunjire, frezare), sunt „străctive”.

În centrul tehnologiilor moderne de aditivi se află metoda de formare a unei părți dintr-un material compozit polimeric prin construirea treptată cu ajutorul unui impact termic sau al oricărui alt impact, care are ca rezultat o parte din forma necesară cu dimensiuni specificate. În prezent, există deja peste 30 de tipuri diferite de procese de fabricație aditivă.

Principalele avantaje ale tehnologiilor aditive față de cele tradiționale sunt:

Reducerea complexității producției;
reducerea termenilor de proiectare și fabricație a piesei;
reducerea costurilor de proiectare și fabricare a pieselor;
economia materialelor de inginerie. Momentul apariției aditivului
tehnologia datează de la sfârșitul anilor 1980. Pionierul în acest domeniu este 3D Systems (SUA).

Prima clasificare a metodelor de fabricație aditivă pentru producția de piese a fost dată în ASTM F2792.1549323-1 (SUA), în mare măsură depășită în ultimii douăzeci de ani din cauza dezvoltării rapide a echipamentelor tehnologice.

La 1 septembrie 2015, prin ordinul standardului Ros, a fost creat un comitet tehnic „Tehnologii aditive” pentru elaborarea termenilor, definițiilor și standardelor aferente acestora.

Elaborarea unei clasificări a tehnologiilor aditive, ținând cont de varietatea metodelor, materialelor și echipamentelor utilizate, nu este o sarcină ușoară.

În primul rând, este necesar să se evidențieze două direcții pentru dezvoltarea tehnologiilor aditive conform principiului formării pieselor

Direcții pentru dezvoltarea tehnologiilor aditive bazate pe principiul formării pieselor

Prima direcție prevede formarea unei piese prin combinarea materialului distribuit pe suprafața de lucru a platformei echipamentelor tehnologice (depunerea în pat). După încheierea procesului de fabricație, rămâne o anumită cantitate de material care poate fi folosită pentru a forma piesa următoare.

Procesele de combinare a materialului distribuit pe platformă formează baza diferitelor tipuri de echipamente tehnologice pentru producția de piese folosind tehnologii aditive:

SLA - Aparat de Steriolitografie;
SLM - Topire selectivă cu laser;
DMLS - Sinterizarea directă cu laser a metalelor;
EBM - Topirea fasciculului de electroni;
SHS - Sinterizarea selectivă a căldurii;
MIM - Turnare prin injecție a metalelor;
Jet de cerneală sau de liant;
UAM – Fabricare aditivă cu ultrasunete;
LOM - Fabricarea de obiecte laminate.

A doua direcție de formare a piesei– prin depunerea directă a materialului (Direct deposition). În acest caz, produsul este format în straturi direct din materialul încălzit la temperatura necesară, care intră pe platforma de lucru dintr-un dispozitiv special de distribuție.

Pe principiul depunerii directe a materialului, sunt construite următoarele tipuri de echipamente tehnologice pentru producția de piese folosind tehnologii aditive:

CLAD - Directiva privind aditivii laser pentru constructii;
EBDM - Fabricare directă cu fascicul de electroni;
MJS - Solidificare cu jet multifazi;
BPM - Fabricarea particulelor balistice;
MJM - Material cu jet multiplu.

Clasificarea tehnologiilor aditive în funcție de starea de agregare a materialului utilizat în formare
Detalii

Clasificarea tehnologiilor aditive în funcție de starea de agregare a materialului utilizat la formarea piesei

Clasificarea tehnologiilor aditive după tipul de material utilizat

Clasificarea tehnologiilor aditive după tipul de material utilizat

În funcție de tipul și forma inițială a materialului utilizat pentru fabricarea pieselor, există tipuri de tehnologii aditive

Clasificarea tehnologiilor aditive în funcție de tipul și forma materialului utilizat la fabricarea pieselor

Materiile prime- denumirea internațională pentru un amestec granular de pulbere și liant.

Evident, pentru producția de materii prime utilizate la formarea pieselor folosind tehnologii aditive, se folosesc diverse tipuri de echipamente tehnologice speciale, a căror enumerare și descriere nu este prevăzută de domeniul de aplicare al acestui articol.

Procesul de creare a unui produs folosind tehnologii aditive poate fi reprezentat ca o secvență de acțiuni

Structura procesului tehnologic aditiv pentru producerea produselor de inginerie

După cum se arată în Fig. 5, la prima etapă a creării produsului, un model 3D este dezvoltat folosind un program CAD în conformitate cu termenii de referință și cerințele standardelor.

După aceea, este necesar să exportați datele fișierului programului de modelare solidă într-un format acceptat de programul mașinii de control al producției aditive (de exemplu, „STL”).
Înainte de următoarea etapă, sunt identificate posibile defecte ale modelului. Un model destinat imprimării 3D trebuie să fie etanș, monolitic și să nu conțină pereți goli, ceea ce se asigură cu ajutorul unor programe speciale.

În continuare, informațiile din fișierul STL sunt convertite în comenzi, în urma cărora imprimanta 3D produce produsul, acesta este așa-numitul cod G. În timpul acestei proceduri, ar trebui să selectați scara dorită a piesei, poziția corectă în spațiu și, de asemenea, să poziționați cu precizie modelul pe suprafața de lucru. Rezultatul întregului proces, rezistența, rugozitatea suprafeței piesei și consumul de material depind de aceasta.

După efectuarea setărilor, modelul este împărțit în straturi de material, care sunt „montate” în corpul piesei într-un ciclu de lucru al mașinii de aditivi. Acest proces se numește feliere. Tăierea se face folosind software-ul furnizat împreună cu mașina sau cu instrumente speciale (Skein-forge, Slic3r, KISSlicer, MakerWare etc.).

Codul G obținut în pasul anterior este transferat la imprimanta 3D prin intermediul memoriei flash sau printr-un cablu USB.
În procesul de pregătire și montare a mașinii de aditiv se efectuează calibrarea, preîncălzirea corpurilor de lucru, selectarea materialului model și setarea parametrilor modurilor de funcționare a echipamentelor care depind de acesta.

Pe dispozitivele de nivel profesional, acest pas poate fi combinat cu procedurile procesului de feliere.

După ce toate operațiunile pregătitoare sunt finalizate, începe procesul de imprimare, adică combinația strat cu strat de materiale. Durata acestuia depinde de tipul de tehnologie și de parametrii selectați de precizie și calitate a fabricării pieselor.

Dacă este necesar, piesa creată este supusă unor influențe tehnologice suplimentare: îndepărtarea suporturilor de susținere, tratament chimic sau termic, finisarea suprafețelor de lucru.
În etapa finală a producției, se efectuează controlul calității producției piesei, inclusiv verificarea conformității cu cerințele de reglementare privind dimensiunile geometrice, indicatorii proprietăților fizice și mecanice și alți parametri care afectează proprietățile de consum ale produsului.

Pentru mașinile tehnologice de construcții și transport, perspectivele de utilizare a tehnologiilor aditive sunt în primul rând evidente în producția următoarelor tipuri de piese:

Componente din plastic ale corpului aparatelor electrice;
componente ale echipamentelor hidraulice (etanșări ale pistoanelor de ghidare și pistoanelor cilindrilor hidraulici, racorduri detașabile, elemente de distribuitoare, pompe și motoare hidraulice);
producție de duze pentru sistemele de răcire a motorului și de alimentare;
detalii de ornamentare ale cabinei operatorului: manere, panouri, comutatoare, joystick-uri etc.;
caroserie, siguranță, articulate și alte părți ale echipamentului de lucru atașat;
bucșe de balamale ale îmbinărilor mobile, care funcționează ca lagăr al utilajului de lucru.

Un interes deosebit este posibilitatea utilizării tehnologiilor aditive pentru prototipare rapidă în dezvoltarea echipamentelor de lucru pentru mașini de construcții.

Dezvoltarea unui prototip (aspect) al corpului de lucru este cea mai importantă etapă în crearea mașinii. Prototipul produsului finit nu numai că oferă o idee despre aspectul și caracteristicile de greutate, dar vă permite și să evaluați conformitatea proprietăților de performanță atinse cu cerințele specificațiilor tehnice.

Luați în considerare procedura de prototipare folosind tehnologii aditive folosind exemplul unei cupe de excavator.
Prototiparea rapidă la proiectarea noilor modificări ale găleților oferă:

Vizualizarea aspect cărucior;
confirmarea compatibilității parametrilor cinematici cu mașina de bază;
capacitatea de a evalua umplerea găleții cu pământ și descărcarea ulterioară a acesteia, care joacă un rol important în dezvoltarea solurilor cu lipiciitate ridicată sau îngheț;
posibilitatea de a studia procesul de formare a așchiilor la tăierea solului cu o găleată;
identificarea zonelor supuse la cea mai mare uzură abrazivă în timpul funcționării;
studiul proceselor tehnologice de asamblare, sudare, prelucrare si vopsire;
formarea angajatilor. Oferă oportunități largi
varietate de tipuri și proprietăți ale materialelor model utilizate pentru prototipare. De exemplu, un model creat dintr-un polimer transparent face posibilă studierea nu numai a interacțiunii suprafețelor corpului de lucru al unui excavator cu solul în timpul umplerii, ci și a proceselor care au loc în solul dezvoltat. Acest lucru vă permite să alegeți forma optimă a găleții, care oferă cea mai mică rezistență la săparea solului.

Model digital al unui prototip de cupă de excavator

Analiza modelului folosind metoda elementelor finite vă permite să evaluați distribuția tensiunilor care apar în structură în timpul săpăturii

Distribuția tensiunilor interne în proiectarea cupei excavatorului în timpul excavației

Crearea și testarea unui prototip de găleată oferă:

Economisirea de bani pentru teste la scară completă;
prevenirea erorilor în proiectarea și asamblarea produsului;
reducerea greutății găleții;
creșterea eficienței excavației cu o găleată, care, la rândul său, reduce consumul de combustibil;
creșterea fiabilității și durabilității echipamentelor de lucru;
posibilitatea aprecierii duratei de viață a găleții și a intensității uzurii dinților în procesul de dezvoltare a solurilor de diferite categorii. Procesul de creare a unei cupe de excavator
utilizarea layout-ului constă din următorii pași:
dezvoltarea unui model digital 3D al unei găleți, efectuând calcule folosind produse software specializate.
fabricarea unui prototip folosind tehnologii aditive: pregătirea unui model pentru prototipare, justificarea scalei pentru aspect și formarea unui oală dintr-un material termoplastic.
efectuarea de teste și studii experimentale ale prototipului de găleată.
prelucrarea și analiza rezultatelor cercetării, efectuarea modificărilor necesare în proiectarea cupei, finalizarea documentației de proiectare, coordonarea și demararea producției.

Cupa de excavator realizată conform rezultatelor cercetării prototipului

La repararea mașinilor de transport și tehnologice, este posibilă utilizarea tehnologiilor aditive pentru refacerea pieselor metalice uzate și deteriorate folosind metodele LENS, CLAD, DMD, ceea ce permite reducerea la minimum a utilizării muncii manuale, creșterea productivității și a calității reparațiilor.

Dar fabricarea pieselor din materiale polimerice pentru reparații poate fi utilă în următoarele:

În loc de metal - o măsură care reduce timpul de nefuncționare al echipamentelor din cauza bruscă
defecțiune (înlocuire temporară). Acest lucru este valabil mai ales în cazul companiilor care nu desfășoară evenimente PPR. Pentru o mică întreprindere care operează mai multe unități de utilaje în diverse scopuri, al căror buget nu permite întreținerea angajaților pentru achiziționarea de piese de schimb sau deținerea unui stoc de piese de schimb;
în loc de plastic, vă va permite să imprimați piese de o dimensiune de reparație individuală;
utilizarea materialelor compozite cu proprietăți care depășesc parametrii piesei originale;
producția unui număr mic de piese în inginerie electrică și acționare hidraulică;
mobilitatea imprimantelor: este posibilă plasarea în mașină;
consum relativ redus de energie.

Un factor important este faptul că în fabricarea aditivă și restaurarea pieselor, dezvoltatorul se poate afla la orice distanță de obiect (mașină) datorită utilizării pe scară largă a rețelelor de calculatoare.

Scanarea componentelor deteriorate ale unităților de asamblare cu ajutorul unui scaner 3D (reinginerie) cu procesare și imprimare computerizată ulterioară deschide perspective pentru crearea de complexe universale de producție și reparații multifuncționale.
Scanarea crește semnificativ viteza și acuratețea producției de piese și, de asemenea, reduce costul instrumentelor de măsurare. În prezent, un scaner 3D este deja utilizat în controlul calității pieselor fabricate la întreprinderile de vârf.

Până în prezent, principalele probleme care împiedică introducerea tehnologiilor aditive în producție sunt alegerea limitată a materialelor utilizate și costul ridicat al acestora, dimensiunile de gabarit limitate ale produselor create și productivitatea scăzută a echipamentelor. Dar ținând cont de dinamica actuală a dezvoltării tehnologiilor aditive, depășirea acestor probleme în viitorul apropiat este destul de realistă.
Rezultatele prezentate în articol au fost obținute în cadrul dezvoltării proiectului nr. B1124214, realizat ca parte a componentei de proiectare a sarcinii de stat în domeniul activității științifice pentru anul 2016.

Lista literaturii folosite
1. Slyusar, V.I. Fabrică în fiecare casă. In jurul lumii. - Nr. 1 (2808).
2. Dovbysh V.M., Zabednov P.V., Zlenko M.A. Articolul „Tehnologii aditive și produse metalice” Centrul Științific de Stat al Federației Ruse FSUE „NAMI”.
3. Zorin V.A. Baurova N.I., Shakurova A.M. Utilizarea materialelor încapsulate în asamblarea și repararea îmbinărilor filetate // Mecanizarea construcțiilor. 2014. Nr 8(842).
4. Zorin V.A. Baurova N.I., Shakurova A.M. Studiul structurii adezivului anaerob încapsulat // Glues. Etanșanti. Tehnologii. 2014. Nr. 5.
5. Baurova N.I., Zorin V.A., Prikhodko V.M. Descrierea scenariilor de tranziție a unui material de la o stare de funcționare la o stare inoperabilă folosind ecuația teoriei catastrofelor „fold” // Klei. Etanșanti. Tehnologii. 2014. Nr. 8.
6. Baurova N.I., Zorin V.A., Prikhodko V.M. Descrierea proceselor de degradare a proprietăților materialelor folosind aparatul teoriei catastrofelor // Toate materialele. Carte de referință enciclopedică. 2014. Nr. 11.
Baurova N.I., Sergeev A.Yu. Studii structurale ale mecanismului de distrugere a îmbinărilor adezive după încercări prin metoda extragerii // Adezivi. Etanșanti. Tehnologii. 2014. Nr. 4.

Tehnologiile aditive sunt denumite în mod justificat tehnologii ale secolului 21. Au un mare potențial de reducere a costurilor energetice pentru crearea unei game largi de produse. Gradul de utilizare a acestora în producția industrială este un adevărat indicator al puterii industriale a statului și al dezvoltării sale inovatoare. În acest moment, întreprinderile rusești folosesc pulberi metalice importate. Nu există producție în serie de materiale sub formă de pulbere pentru tehnologiile aditive în Rusia.

Grupul de Cercetare Infomine
Fondată în 1993. Este specializat în studierea piețelor produselor industriale din Rusia și țările CSI. Principalele domenii de cercetare sunt: materii prime minerale, metale și produse chimice. În ultimii ani, specialiștii companiei au pregătit peste 1000 de recenzii. Peste 500 de companii de producție, comerț, consultanță, bănci și organizații științifice din 37 de țări ale lumii sunt clienți ai Infomine. Printre acestea: Gazprom, Lukoil, TNK-BP, AFK Sistema, MMC Norilsk Nickel, Evraz Group S.A., United Company Rusal etc. Profesionalismul companiei este confirmat de numeroase publicații în reviste științifice și de popularizare, precum și prezentări la conferințe ale diverse niveluri.

Pulberile metalice au proprietăți chimice și metalurgice unice, ceea ce le permite să fie utilizate în diverse domenii. Odată cu apariția tehnologiilor aditive, metalurgia pulberilor a primit noi perspective de dezvoltare. Metalurgia pulberilor este cea mai economică metodă de fabricare a produselor, se caracterizează printr-un nivel scăzut de deșeuri în comparație cu tehnologiile tradiționale (turnare, prelucrare, prelucrare la rece și la cald) și un număr minim de operații pentru obținerea produselor cu dimensiuni apropiate de cele finale. . O altă caracteristică a metalurgiei pulberilor este posibilitatea de a produce materiale și produse care nu pot fi obținute prin metode metalurgice tradiționale. Cu ajutorul tehnologiilor aditive, procesele de producție sunt simplificate în industria aviației, inginerie energetică, instrumente - oriunde este nevoie de produse cu geometrie complexă și „creșterea” pieselor metalice. În prezent, în ceea ce privește introducerea tehnologiilor aditive, Rusia rămâne în urma țărilor lider ale lumii. Ca și până acum, consumatorii ruși depind atât de furnizarea de pulberi metalice de înaltă calitate importate, cât și de importul de imprimante 3D.

Starea tehnologiilor aditive în lume
Tehnologia de imprimare tridimensională (3D) a început să se dezvolte la sfârșitul anilor 80 ai secolului trecut. Pionierul în acest domeniu este 3D Systems, care în 1986 a dezvoltat primul aparat stereolitografic. Primele aparate laser - stereolitografie (SLA) și apoi pulbere (SLS-machines) - au fost foarte scumpe, alegerea materialelor a fost destul de restrânsă, iar până la mijlocul anilor 1990 au fost folosite în principal în activități de cercetare și dezvoltare legate de apărare. industrie. În viitor, după utilizarea pe scară largă a tehnologiilor digitale în domeniul proiectării, modelării și prelucrării, tehnologiile 3D au început să se dezvolte rapid. Pentru tehnologiile 3D, termenul de fabricație aditivă (AM) este în prezent recomandat. Potrivit Wohlers Associates, piața globală de tehnologie AM în 2014 s-a ridicat la aproximativ 3 miliarde de dolari, cu o rată medie de creștere de 20-30%. Se estimează că până în 2020 volumul pieței va ajunge la 16 miliarde de dolari. Piața tehnologiilor aditive se schimbă rapid, au loc fuziuni și achiziții de companii producătoare de mașini, apar noi centre de furnizare de servicii în domeniul tehnologiilor AM, aceste centre se unesc într-o rețea europeană, iar acum globală. 63% din toate mașinile de aditivi din lume sunt fabricate în SUA. Introducerea tehnologiilor AM este cel mai vizibilă în industrii precum industria aviației, construcțiile navale, ingineria energetică, precum și stomatologia și chirurgia reconstructivă. Principalii clienți și consumatori ai produselor AM sunt industria aviației și industria auto din SUA și Europa. Aceste tehnologii atrag mari companii industriale: Boeing, Mersedes, General Electric, Lockheed Martin, Mitsubishi, General Motors. De exemplu, Boeing și-a extins semnificativ portofoliul de piese AM în ultimii ani. Acum, peste 22.000 de piese din 300 de articole sunt fabricate în acest fel pentru 10 tipuri de avioane militare și comerciale, inclusiv Dreamliner. Refuzul de a produce o tablă complet metalică în favoarea pulberilor de sinterizare la formarea cadrelor unui număr de modele Boeing a permis companiei să treacă la un nou nivel producție. Potrivit experților General Electric, în 10 ani, aproximativ jumătate din piesele turbinelor de putere și ale motoarelor de aeronave vor fi fabricate folosind tehnologii AM. Tehnologiile aditive sunt utilizate în mod activ în electronicele de larg consum și în medicină, inclusiv în stomatologie. Potrivit Arcam, dispozitivele lor au fost folosite pentru a crea peste 30.000 de implanturi de titan pentru reconstrucția șoldului. Principala diferență dintre tehnologiile AM este că acestea sunt folosite pentru a forma o piesă prin construirea materialului, spre deosebire de îndepărtarea în cazul prelucrării. Utilizarea tehnologiilor aditive face posibilă producerea de piese cu caracteristici care nu sunt disponibile pentru alte metode de prelucrare (de exemplu, cu găuri curbate sau goluri interne). Metoda stratificată de construire a unei piese oferă oportunități complet noi, de exemplu, producția de „parte în parte”, piese cu proprietăți ale materialelor care variază în grosime (așa-numitele materiale gradient), producția de structuri de plasă care nu pot fi obținute fie prin turnare, fie prin prelucrare mecanică. În industria aerospațială se deschid perspective semnificative pentru tehnologiile 3D. Acest lucru se datorează faptului că, cu ajutorul lor, a devenit posibilă reducerea drastică a raportului dintre masa de material necesară pentru eliberarea piesei și masa piesei finale. Pentru majoritatea pieselor realizate în mod tradițional, acest raport poate ajunge la 20:1, când se utilizează tehnologii aditive, acest raport este cel mai rău de 2:1.

Orez. 1. Mașină de topire selectivă cu laser SLM 280 de la SLM Solutions (Germania)

Aproape toate companiile cu laser au nume diferite pentru tehnologia lor. Acest lucru se face pentru a se distinge de concurenți, dar din punct de vedere tehnic toate sunt tehnologii de fuziune laser selectivă - tehnologii SLM. Cu toate acestea, acest nume este atribuit în mod tacit SLM Solutions. SLM Solutions (Germania) este unul dintre liderii mondiali în domeniul tehnologiilor de sinteză cu laser. SLM Solutions cooperează activ cu FILT. În urma acestei colaborări, a apărut SLM 280, cea mai „avansată” mașină de până acum (Fig. 1). Acest dispozitiv se distinge prin prezența a două lasere: conturul exterior al piesei și pereții subțiri sunt prelucrate de primul laser cu o putere de 400 W, corpul principal al piesei este procesat de al doilea laser, mai puternic (1000 W). Combinația a două lasere de putere diferită face posibilă producerea de piese cu o grosime a fragmentelor individuale de până la 0,3 mm. Acest lucru oferă dispozitivului și avantaje semnificative: viteza de construire a unei piese crește (de până la 5 ori), structura internă a materialului și curățenia suprafeței exterioare se îmbunătățesc.

Tipuri de tehnologii aditive
Două tipuri de tehnologii aditive sunt fundamental diferite în ceea ce privește metodele de formare a straturilor. Tehnologia Bed Deposition presupune formarea unui strat de pulbere în prima etapă, urmată de prelucrarea selectivă (selectivă) a stratului format cu un laser sau în alt mod. Această tehnologie corespunde destul de exact termenului de „sinteză selectivă” sau „sinterizare selectivă cu laser” (SLS - Selective Laser Sintering), dacă instrumentul de „călire” este un laser, care în acest caz, spre deosebire de stereolitografia cu laser (tehnologia SLA), este o sursă de căldură, nu radiație ultravioletă. Al doilea tip de depunere directă este depunerea directă sau directă a materialului, adică direct în punctul în care este furnizată energie și în care se construiește în prezent un fragment. Modelele grupului Bed Deposition sunt cele mai larg reprezentate pe piata. Majoritatea companiilor - producătorii de astfel de dispozitive folosesc un laser în mașinile lor ca sursă de energie pentru conectarea particulelor de compoziții de pulbere metalică. Acestea includ: Arcam (Suedia), Concept Laser (Germania), EOS (Germania), Phenix Systems (Franța), Realizes (Germania), Renishaw (Marea Britanie), SLM Solutions (Germania), Systems (SUA). În 2012, acest grup includea companiile chineze Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems și Trump Precision Machinery. Al doilea grup de mașini (Depunere directă) include dispozitive de la POM Group, Optomec, Sciaky (SUA), Irepa Laser (Franța), InssTek (Coreea de Sud). În Rusia, nu există producție în masă de mașini AM care utilizează ca material pulberi metalice. În același timp, o serie de organizații sunt angajate în dezvoltarea și crearea de prototipuri ale acestui tip de aparat. De exemplu, JSC Elektromekhanika (regiunea Tver), în colaborare cu FGBOU VPO MGTU STANKIN, a fabricat o configurație 3D automată pentru creșterea semifabricatelor de titan de precizie ale pieselor complexe în vid prin sinteza strat cu strat de fascicul de electroni din pulbere metalică fin dispersată. TVEL JSC, împreună cu organizațiile științifice ale filialei Ural a Academiei Ruse de Științe, dezvoltă și organizează producția de instalații URAM-550 pentru fuziunea selectivă cu laser a pulberilor metalice cu o dimensiune a camerei de lucru de 500 × 500 × 500 mm. Rosatom, în cooperare cu Ministerul Educației și Științei, intenționează să creeze un prototip de imprimantă 3D pentru fabricarea de produse metalice pe baza NPO TsNIITMASH. Specialiștii JSC „Institutul Național de Tehnologii Aviației” au dezvoltat mai multe tipuri de instalații laser experimentale pentru sinteza strat cu strat. Dezvoltarea dispozitivelor pentru sinteza laser strat cu strat este realizată și de Institutul pentru Probleme de Laser și tehnologia Informatiei(IPLIT).

Orez. 2. Mașină X line 1000R AM de la Concept Laser

Până de curând, linia X 1000R (Fig. 2) cu o suprafață de construcție de 630×400×500 mm era considerată cea mai mare mașină AM a companiei. A fost dezvoltat în cooperare cu Institutul Fraunhofer pentru Tehnologia Laserului (FILT), cu participarea Daimler AG și a intrat pe piață în 2013. Prima astfel de mașină este instalată la Daimler AG pentru a crește componente din aluminiu pentru automobile. Modificarea X line 2000R a fost adăugată recent acestui model, echipat cu două lasere cu o putere de 1000 W. Suprafața de construcție a fost mărită la 800×400×500 mm. Compania a răspuns nevoilor clienților din industria aerospațială și auto prin creșterea vitezei de producție a produselor de construcție.

Orez. 3. DMD IC106 de la POM

POM (Precision Optical Manufacturing) este un dezvoltator al tehnologiei DMD și un deținător de brevet pentru soluții tehnice originale pentru sisteme laser și sisteme de control cu feedback cu control simultan în timp real al parametrilor principali ai construcției piesei: volumul de alimentare cu material, viteza de mișcare a capului și laserul. putere , care asigură stabilitatea și calitatea fluxului de lucru (Fig. 3). Această tehnologie permite alimentarea paralelă sau secvențială a două tipuri de materiale cu proprietăți fizice și chimice diferite și astfel crearea de componente bimetalice, precum matrițe pentru injecție de plastic (corp matriță din cupru, piesa de lucru din oțel pentru scule), sau aplicarea unor componente speciale. acoperiri, de exemplu pe căptușele cilindrilor, segmentele pistonului, arborii cu came, scaunele supapelor.

Tehnologii pentru producerea pulberilor metalice
În prezent, nu există cerințe generale pentru compozițiile de pulbere metalică utilizate în tehnologiile AM. Diferite companii - producătorii de mașini AM prescriu lucrări cu o anumită listă de materiale, de obicei furnizate de această companie însăși. O cerință generală pentru pulberile pentru mașinile AM este forma unei particule sferice. Acest lucru se datorează nevoii de ambalare compactă într-un anumit volum și asigurarea „fluidității” compoziției de pulbere în sistemele de alimentare cu materiale cu rezistență minimă. Există zeci de tipuri de diferite compoziții pe piață: de la oțeluri structurale obișnuite până la aliaje rezistente la căldură și metale prețioase. Domeniul de aplicare al acestora este deja extrem de divers - de la stomatologie la industria de bijuterii. Principalele tehnologii de obținere a pulberilor pentru mașinile AM sunt atomizarea gazelor, atomizarea în vid și atomizarea centrifugă. Conform tehnologiei de atomizare a gazelor, metalul este topit într-o cameră de topire (de obicei în vid sau atmosferă inertă) și apoi turnat în mod controlat printr-un atomizor special, unde fluxul de metal lichid este distrus de un jet de inert. gaz sub presiune. Există trei companii în Europa - ALD (Olanda), PSI - Phoenix Scientific Industries Ltd. (Marea Britanie) și Atomising Systems (Marea Britanie) - produc atomizatoare ca produse comerciale. În atomizarea în vid, procesul are loc datorită gazului dizolvat în topitură. Atomizorul este format din două camere - de topire și de pulverizare. În camera de topire se creează o presiune în exces de gaz (hidrogen, heliu, azot), care se dizolvă în topitură. În timpul atomizării, metalul, sub acțiunea presiunii în camera de topire, urcă până la aparatul de duză, care intră în camera de pulverizare, unde se creează un vid. Căderea de presiune rezultată induce gazul dizolvat să iasă la suprafața picăturilor topite și „explodează” picăturile din interior, oferind în același timp o formă sferică și o structură de pulbere fin dispersată. Tehnologiile de atomizare centrifugă sunt foarte diverse, dar cele mai interesante sunt cele care fac posibilă obținerea de pulberi din cele mai valoroase aliaje pentru tehnologii aditive - metale reactive și refractare. Singurul factor limitativ în dezvoltarea tehnologiilor aditive este costul ridicat al consumabilelor (pulberi metalice). În prezent, o serie de companii lucrează la introducerea unor tehnologii mai puțin costisitoare pentru producția de pulberi (inclusiv titan). O descoperire în această direcție va duce la o creștere semnificativă a cererii de dispozitive 3D capabile să reproducă modele metalice.

Orez. 4. Atomizor EIGA 50 de la ALD (Olanda)

Liderul mondial în producția de echipamente pentru atomizarea gazelor este ALD (în prezent parte a AMG Advanced Metallurgical Group). Are în linia de producție atomizatoare atât pentru laborator (volum creuzet 1,0–2,0 l) cât și pentru scopuri industriale cu o capacitate de până la 500 kg per topitură sau mai mult. ALD este, de asemenea, producător de atomizatoare pentru producerea de compoziții de pulbere folosind tehnologia EIGA - topire prin inducție cu atomizare cu gaz inert. Modelele de bază EIGA 50 și EIGA 100 diferă prin dimensiunea materiei prime utilizate - o tijă de 50 și, respectiv, 100 mm. Mașinile EIGA (Fig. 4) au o rată de pulverizare scăzută - aproximativ 0,5 kg/s, cu toate acestea, permit pulverizarea unei cantități destul de mari de material în timpul unei topituri - de la unități la zeci de kilograme.

Orez. 5. Instalarea atomizării centrifuge a topiturii LLC „Sferamet”

În Rusia, există experiență în obținerea de materiale pulbere prin pulverizare centrifugă de la capătul unui stoc de bar topit printr-un arc de plasmă. Metoda a fost dezvoltată în anii 1970 la VILS. În ultimii ani, această metodă a fost dezvoltată în continuare în lucrările Sferamet LLC (regiunea Moscova). SRL „Sferamet” este un dezvoltator de echipamente și tehnologii de nouă generație pentru producerea de granule sferice de metale și aliaje prin atomizarea centrifugă a topiturii. Materialul de pornire pentru producerea de granule pe instalația UCR-6 dezvoltată (Fig. 5) este semifabricat cilindric turnat cu un diametru de 76–80 mm și o lungime de 700 mm. Pe această instalație s-au obținut granule cu o dispersie de 50 μm.

Producția de pulberi metalice pentru tehnologii aditive în Rusia
Utilizarea intensivă a tehnologiilor aditive în Rusia este constrânsă atât de lipsa mașinilor AM, cât și de absența pulberilor fine de metal. În prezent, întreprinderile rusești folosesc pulberi importate furnizate în principal de companiile care produc fabrici. Nu există producție în serie de pulberi metalice pentru tehnologii aditive în Rusia. Întreprinderea Unitară Federală de Stat „Institutul de Materiale de Aviație All-Russian” (VIAM, Moscova) produce compoziții de pulbere metalică pentru tehnologiile aditive în cantități relativ mici. În viitorul apropiat, este planificată lansarea de echipamente industriale moderne și producția comercială de pulberi. Potrivit directorului general VIAM, academicianul E.N. Kablov, flota existentă a fabricilor rusești de fabricare a aditivilor are nevoie de aproximativ 20 de tone de pulberi pe an. Potrivit Infomine, acest volum este supraestimat, iar capacitatea totală a pieței de pulberi pentru operarea instalațiilor de tehnologii aditive din Rusia la începutul anului 2016 nu este mai mare de 6-7 tone. O serie de companii rusești sunt în prezent angajate în producția de pulberi metalice pentru tehnologii aditive. Potrivit experților, încă din 2016, pe piața internă pot apărea compoziții comerciale certificate de pulbere de metal de diferite grade. În prezent, VIAM se asigură în mod independent cu pulberi, dar capacitatea este mică (până la 2 tone pe an). Mișcarea VIAM către producția de pulberi pentru tehnologii aditive a început odată cu organizarea producției de lipituri pentru lipirea sub vid la temperatură înaltă. Cerințele pentru pulberea de lipit sunt apropiate de cele pentru compozițiile de metal-pulbere utilizate în tehnologiile aditive, inclusiv combinația de fracții de diferite dimensiuni. Din 2010, VIAM lucrează activ la crearea producției de pulberi metalice fine prin pulverizarea topiturii cu un gaz inert la unitatea ERMIGA10/100VI. Au fost dezvoltate și stăpânite tehnologii pentru obținerea de pulberi de peste 10 grade de lipituri de nichel și titan (10–200 µm). Au început livrările în serie de lipituri către fabricile de motoare. Se lucrează pentru obținerea de pulberi fine pentru tehnologiile aditive. Pulberile pentru suprafața cu laser LMD (40–80 µm) sunt furnizate către JSC Aviadvigatel, unde se lucrează la dezvoltarea tehnologiilor de suprafață a barbelor flanșelor de acoperire ale lamelor HPT. Se lucrează pentru obținerea de pulberi pentru topirea selectivă cu laser (20–40, 10–50 µm).

Orez. 6. Unitate de fuziune laser strat cu strat M2 Cusing de la Concept Laser

În 2014, VIAM a achiziționat o unitate Concept Laser M2 Cusing pentru topirea selectivă cu laser a pulberilor metalice (Fig. 6), ceea ce face posibilă obținerea unor piese de aproape orice complexitate a structurii interne direct din pulberi metalice fără utilizarea sculelor. Au început cercetările în domeniul obținerii de piese pentru un ciclu complet, ceea ce va accelera și mai mult introducerea în producție a tehnologiilor aditive. De asemenea, în FSUE VIAM, folosind metoda fuziunii laser strat cu strat pe instalația M2 Cusing a companiei Concept Laser, din pulbere EP648-VI (VKh4L), fabricarea de turbionare pentru motoarele 100-07, 100-08 , 100-09 a început. În cadrul cercetării, comandate de Agenția Spațială Federală, au fost efectuate lucrări care au arătat posibilitatea obținerii de pulberi (granule) pe bază de nichel și titan pentru fuziunea selectivă cu laser.

Tehnologii aditive în Rosatom: ciclu de la pulberi la aplicații

Orez. 7. Foaia de parcurs pentru dezvoltarea tehnologiilor aditive de către Rosatom

Import în Rusia de dispozitive pentru tehnologii aditive
Rusia satisface cererea de imprimante 3D cu pulbere metalică importând aceste produse. Potrivit Infomine, în 2009-2015, Rusia a importat 29 de mașini cu tehnologie de aditivi cu pudră de metal în valoare de aproximativ 12 milioane de dolari. În același timp, tendința de creștere a livrărilor de import este tipică (Fig. 10). După cum se poate observa, 2014 și 2015 au fost caracterizate de cel mai inalt nivel livrări în valoare de peste 200 de mii de dolari.

Orez. 8. Atomizor ALD VIGA-2B

Centrul Științific pentru Știința Materialelor Pulbere (NCPM) de la Universitatea Politehnică de Cercetare Perm (PNRPU) a achiziționat un atomizor ALD VIGA-2B în 2011 (Fig. 8). În aprilie 2014, mașina AM a fost lansată. Unitatea este concepută pentru cercetarea și producerea de loturi experimentale mici de pulberi. Vă permite să pulverizați toate metalele și aliajele nerefractare cu un punct de topire de până la 1700 °C. Potrivit experților Centrului Științific, pulberile sunt sferice, dar eterogene - cu o dimensiune a particulelor de 0,5 până la 100 de microni.

Orez. 9. Structura furnizării de imprimante 3D către Federația Rusă de către marii producători străini în perioada 2009–2015, %