Jeden z montážnych strojov aditívnych technológií. Aditívne technológie v strojárstve: dopravný priemysel

Digitálna výroba aditívnou metódou spočíva vo vytváraní objektu akejkoľvek zložitosti vrstva po vrstve. Aditívne technológie sa zásadne líšia od tých, ktoré sa používali donedávna. Ich hlavným rozdielom je, že nie sú subtraktívne, ako napríklad metóda CNC spracovania, ale kolektívne. Inými slovami, výrobok je zostavený z častí vyrobených práškovou kompozíciou. V porovnaní s odlievaním, lisovaním alebo CNC obrábaním táto technológia až tridsaťnásobne zvyšuje produktivitu, no najmä umožňuje získať diely, ktoré nebolo možné vyrobiť tradičnými metódami.

Inovatívne 3D aditívne technológie vám umožňujú vytvárať modely akéhokoľvek tvaru a veľkosti, pretože proces syntézy vrstva po vrstve prebieha vrstvu po vrstve. Tento spôsob výroby využíva metódu ako je prototypovanie. To umožňuje vytvoriť nie hotový objekt, ktorý možno použiť na špecifické účely, ale jeho prototyp, ktorý vám umožní vyhodnotiť možnosti a vlastnosti modelu, jeho externé údaje atď.

Prototypy môžu byť prezentované zákazníkom a tiež použité na marketingové účely. Napríklad autosalóny často využívajú modely rýchleho prototypovania na prezentáciu potenciálnym zákazníkom. Táto technológia umožňuje vyrábať prototypy rýchlo a hlavne lacno v porovnaní so štandardnými výrobnými metódami.

Technológie aditívnej výroby sa široko používajú na zníženie nákladov na dizajn identifikáciou možných chýb v počiatočných fázach návrhu. Okrem toho táto technológia skracuje čas uvedenia na trh posilnením spojenia medzi zákazníkom a dizajnérom. Takmer úplne eliminuje pracnú a zdĺhavú fázu výroby prototypov.

História vývoja a rozsah 3D aditívnych technológií

Mnohí považujú 3D tlač za vynález 21. storočia, no technika aditívnej tlače siaha až do 80. rokov minulého storočia. A za jej otca sa považuje Ch. Hull – muž, ktorý navrhol prvú stereolitografickú 3D tlačiareň pracujúcu na technológii SLA. Čoskoro ďalší inžinier, S. Kramp, dokázal navrhnúť a postaviť FDM tlačiareň. A napriek tomu, že tieto technológie tlače sa od seba mierne líšia, spája ich jeden princíp - rast trojrozmerného modelu po vrstvách. Koncom deväťdesiatych rokov sa obe technológie začali využívať v priemysle. O niečo neskôr zaviedli 3D technológiu do stolných tlačiarní dvaja študenti Massachusettského inštitútu a dnes aditívne technológie, technológie 3D modelovania sú široko používané nielen vo výrobe, ale aj v bežnom živote.

V súčasnosti sa moderné digitálne výrobné technológie využívajú v stavebníctve, architektúre, medicíne, astronautike, strojárstve a ďalších oblastiach činnosti. Napríklad aditívne technológie v strojárstve umožňujú vytvárať vysokokvalitné prototypy modelov, ktoré pomáhajú študovať všetky charakteristiky budúceho produktu alebo jednotky. Pri prototypovaní sa najčastejšie používa stereolitografická metóda AF-tlače, pri ktorej sa vrstvy tekutého polyméru spevňujú pomocou lasera. Táto technika umožňuje získať prototypy najzložitejších predmetov s mnohými malými prvkami, vrátane neštandardných tvarov.

Aké problémy rieši využitie aditívnych technológií v digitálnej výrobe?

Integrovaný počítačový digitálny systém riadenia výroby zahŕňa použitie numerického modelovania, trojrozmernej (3D) vizualizácie, inžinierskej analýzy a nástrojov spolupráce určených na vývoj dizajnu produktov a technologických procesov na ich výrobu.

Digitálny výrobný dizajn je koncept technologickej prípravy výroby v jedinom virtuálnom prostredí s využitím nástrojov na plánovanie, overovanie a simuláciu výrobných procesov. Digitálne výrobné technológie sú v prvom rade procesy prevodu digitálneho dizajnu do fyzického objektu.

Využitie aditívnych technológií rieši také problémy digitálneho priemyslu, ako je modernizácia a automatizácia existujúcich a návrh nových efektívnych strojárskych odvetví pre rôzne účely, prostriedky a systémy pre ich vybavenie, ako aj výrobné a technologické procesy využívajúce automatizované systémy pre technologická príprava výroby.

Do 3D pretekov sa aktívne zapájajú popredné krajiny sveta. Napríklad v roku 2012 sa v Youngstone v štáte Ohio otvoril Národný inovačný inštitút pre aditívnu výrobu (NAMII), prvé z pätnástich centier pre aditívne technológie, ktoré vznikajú v Spojených štátoch. Strojový park ústavu má už 10 aditívnych strojov, z toho tri sú najmodernejšie stroje na vytváranie kovových súčiastok.

Terminológia a klasifikácia

Podstatou aditívnych technológií je kombinovať materiály na vytváranie objektov z údajov 3D modelu vrstvu po vrstve. V tomto sa líšia od konvenčných subtraktívnych výrobných technológií, ktoré zahŕňajú mechanické spracovanie - odstránenie látky z obrobku.

Aditívne technológie sú klasifikované:

• podľa použitých materiálov (kvapalina, objem, polymér, kovový prášok);
• prítomnosťou lasera;
• podľa spôsobu upevnenia konštrukčnej vrstvy (tepelná expozícia, ožarovanie ultrafialovým alebo viditeľným svetlom, zloženie spojiva);
• podľa spôsobu tvorby vrstvy.

Existujú dva spôsoby, ako vytvoriť vrstvu. Prvým je, že práškový materiál sa najskôr naleje na plošinu, rozdelí sa valčekom alebo nožom, aby sa vytvorila rovnomerná vrstva materiálu danej hrúbky. Dochádza k selektívnemu spracovaniu prášku laserom alebo inou metódou spájania práškových častíc (tavením alebo lepením) podľa aktuálnej sekcie CAD modelu. Rovina konštrukcie zostáva nezmenená a časť prášku zostáva nedotknutá. Táto metóda sa nazýva selektívna syntéza, ako aj selektívne laserové spekanie, ak je spojovacím nástrojom laser. Druhý spôsob spočíva v priamom ukladaní materiálu v mieste dodávky energie.

Priemyselná štandardná organizácia ASTM rozdeľuje 3D aditívne technológie do 7 kategórií.

1. Extrúzia materiálu. Pastovitý materiál, ktorý je zmesou spojiva a kovového prášku, sa privádza na miesto konštrukcie cez vyhrievaný extrudér. Vytvorený surový model sa vloží do pece, aby sa z neho odstránilo spojivo a prášok sa spekal – tak ako sa to deje pri tradičných technológiách. Táto aditívna technológia je implementovaná pod značkami MJS (Multiphase Jet Solidification), FDM (Fused Deposition Modeling), FFF (Fused Filament Fabrication).
2. Striekajúci materiál. Napríklad pri technológii Polyjet je vosk alebo fotopolymér privádzaný cez multitryskovú hlavu do konštrukčného bodu. Táto aditívna technológia sa tiež nazýva Multi jetting Material.
3. Špliechanie spojiva. Patria sem technológie tryskových Ink-Jet na vstrekovanie do zóny konštrukcie nie modelového materiálu, ale spojiva (technológia aditívnej výroby ExOne).
4. Lepenie plechov je polymérová fólia, kovová fólia, papierové listy atď. Používa sa napríklad v technológii výroby ultrazvukových aditív Fabrisonic. Tenké kovové dosky sú zvárané ultrazvukom, po čom sa prebytočný kov odstráni frézovaním. Používa sa tu aditívna technológia v kombinácii so subtraktívnou.
5. Fotopolymerizácia v kúpeli. Technológia využíva tekuté modelovacie hmoty – fotopolymérne živice. Príkladom je technológia SLA spoločnosti 3D Systems a technológia DLP spoločnosti Envisiontec, Digital Light Procession.
6. Tavenie materiálu vo vopred vytvorenej vrstve. Používa sa v SLS technológiách, ktoré využívajú ako zdroj energie laser alebo termálnu hlavu (SHS od Blueprinter).
7. Priama dodávka energie na miesto stavby. Materiál a energia na jeho roztavenie vstupujú do stavebného bodu súčasne. Ako pracovný orgán sa používa hlava vybavená systémom na dodávku energie a materiálu. Energia prichádza vo forme koncentrovaného elektrónového lúča (Sciaky) alebo laserového lúča (POM, Optomec,). Niekedy je hlava namontovaná na „ruku“ robota.

Táto klasifikácia hovorí oveľa viac o zložitosti aditívnych technológií ako predchádzajúce.

Aplikácie

Trh aditívnych technológií v dynamike vývoja predbieha ostatné odvetvia. Jeho priemerný ročný rast sa odhaduje na 27 % a podľa IDC bude do roku 2019 predstavovať 26,7 miliardy USD v porovnaní s 11 miliardami USD v roku 2015.

Trh AT však ešte neuvoľnil nevyužitý potenciál vo výrobe spotrebného tovaru. Až 10 % finančných prostriedkov spoločnosti z nákladov na výrobu produktu sa vynakladá na jeho prototypovanie. A tento segment trhu už obsadilo mnoho spoločností. Ale zvyšných 90 % ide do výroby, takže v budúcnosti bude hlavným zameraním tohto odvetvia vytváranie rýchlo vyrobiteľných aplikácií.

V roku 2014 podiel rýchleho prototypovania na trhu aditívnych technológií, aj keď klesol, zostal najvyšší - 35 %, podiel rýchlej výroby rástol a dosiahol 31 %, podiel na tvorbe nástrojov zostal na 25 %, zvyšok pripadal na výskum a vzdelávanie.

Podľa sektorov hospodárstva bolo používanie AT technológií rozdelené takto:

• 21 % - výroba spotrebného tovaru a elektroniky;
• 20 % - automobilový priemysel;
• 15% - medicína vrátane zubného lekárstva;
• 12 % – letecký priemysel a vesmírny priemysel;
• 11 % - výroba výrobných prostriedkov;
• 8 % - vojenské vybavenie;
• 8 % - vzdelanie;
• 3% - stavebníctvo.

Amatéri aj profesionáli

Trh AT technológií je rozdelený na amatérske a profesionálne. Hobby market zahŕňa 3D tlačiarne a ich služby, ktoré zahŕňajú služby, spotrebný materiál, softvér a je zameraný na individuálnych nadšencov, vzdelávanie a vizualizáciu nápadov a uľahčenie komunikácie v počiatočnej fáze rozvoja nového podnikania.

Profesionálne 3D tlačiarne sú drahé a vhodné na rozšírenú reprodukciu. Majú veľkú konštrukčnú plochu, produktivitu, presnosť, spoľahlivosť a rozšírenú škálu modelových materiálov. Tieto stroje sú rádovo zložitejšie a vyžadujú si rozvoj špeciálnych zručností pri práci so samotnými zariadeniami, s modelovými materiálmi a softvérom. Obsluhou profesionálneho stroja sa spravidla stáva špecialista na aditívne technológie s vyšším technickým vzdelaním.

Aditívne technológie v roku 2015

Podľa Wohlersovej správy 2015 bolo v rokoch 1988 až 2014 na celom svete nainštalovaných 79 602 priemyselných 3D tlačiarní. Zároveň je 38,1 % zariadení v hodnote viac ako 5 000 dolárov v Spojených štátoch, 9,3 % v Japonsku, 9,2 % v Číne a 8,7 % v Nemecku. Zvyšok sveta je ďaleko za lídrami. Od roku 2007 do roku 2014 vzrástol ročný predaj stolových tlačiarní zo 66 kusov na 139 584 kusov. V roku 2014 pochádzalo 91,6 % tržieb zo stolných 3D tlačiarní a 8,4 % z priemyselných AM strojov, čo však predstavovalo 86,6 % z celkových tržieb alebo 1,12 miliardy USD v absolútnom vyjadrení. Stolné počítače sa uspokojili so 173,2 miliónmi amerických dolárov a 13,4 %. V roku 2016 sa očakáva rast tržieb na 7,3 miliardy amerických dolárov, v roku 2018 - 12,7 miliardy, v roku 2020 trh dosiahne 21,2 miliardy dolárov.

Podľa Wohlersa prevláda technológia FDM s približne 300 značkami po celom svete, pričom nové úpravy sa pridávajú každý deň. Niektoré z nich sa predávajú len lokálne, preto je veľmi ťažké, ak nie nemožné, nájsť informácie o počte vyrobených značiek 3D tlačiarní. Môžeme s istotou povedať, že ich počet na trhu sa každým dňom zvyšuje. Existuje veľká rozmanitosť veľkostí a použitých technológií. Napríklad berlínska spoločnosť BigRep vyrába obrovskú FDM tlačiareň s názvom BigRep ONE.2 v cene 36-tisíc eur, schopnú tlačiť objekty až do veľkosti 900 x 1055 x 1100 mm s rozlíšením 100-1000 mikrónov, dva extrudéry a schopnosť používať rôzne materiály.

Priemysel - pre

Letecký priemysel výrazne investuje do aditívnej výroby. Použitie aditívnych technológií zníži spotrebu materiálov vynaložených na výrobu dielov 10-krát. Očakáva sa, že GE Aviation bude vyrábať 40 000 trysiek ročne. A do roku 2018 bude Airbus tlačiť až 30 ton dielov mesačne. Spoločnosť zaznamenáva výrazné zlepšenie vlastností takto vyrobených dielov v porovnaní s tradičným. Ukázalo sa, že konzola, ktorá bola navrhnutá na zaťaženie 2,3 tony, skutočne vydrží zaťaženie až 14 ton pri znížení hmotnosti na polovicu. Okrem toho spoločnosť tlačí diely z hliníkového plechu a palivové konektory. Lietadlá Airbus majú 60 000 dielov vytlačených na 3D tlačiarňach Fortus od Stratasys. Ďalšie spoločnosti v leteckom a kozmickom priemysle tiež využívajú technológie aditívnej výroby. Medzi nimi: Bell Helicopter, BAE Systems, Bombardier, Boeing, Embraer, Honeywell Aerospace, General Dynamics, Northrop Grumman, Raytheon, Pratt & Whitney, Rolls-Royce a SpaceX.

Digitálne aditívne technológie sa už používajú pri výrobe rôznych spotrebných produktov. Materialize, spoločnosť poskytujúca služby v oblasti aditívnej výroby, spolupracuje so spoločnosťou Hoet Eyeware na výrobe okuliarov a slnečných okuliarov. 3D modely sú poskytované mnohými cloudovými službami. Len 3D Warehouse a Sketchup ponúkajú 2,7 milióna návrhov. Módny priemysel nezostáva bokom. RS Print používa systém, ktorý meria tlak podošvy na potlač prispôsobených vložiek. Dizajnéri experimentujú s bikinami, topánkami a šatami.

Rapídne prototypovanie

Rapid prototyping je vytvorenie prototypu produktu v čo najkratšom čase. Patrí medzi hlavné aplikácie technológií aditívnej výroby. Prototyp je prototyp výrobku, potrebný na optimalizáciu tvaru dielca, vyhodnotenie jeho ergonómie, preverenie možnosti montáže a správnosti dispozičných riešení. To je dôvod, prečo skrátenie doby prípravy dielu môže výrazne skrátiť čas vývoja. Prototypom môže byť aj model určený na vykonávanie aero- a hydrodynamických testov alebo overenie funkčnosti častí karosérie domácnosti a zdravotníckej techniky. Mnohé prototypy sú vytvorené ako prieskumné dizajnové modely s nuansami v konfigurácii, farbách laku atď. Na rýchle prototypovanie sa používajú lacné 3D tlačiarne.

Rýchla výroba

Aditívne technológie v priemysle majú veľkú perspektívu. Malovýroba produktov so zložitou geometriou a zo špecifických materiálov je bežná v lodiarstve, energetike, rekonštrukčnej chirurgii a zubnom lekárstve a v leteckom a kozmickom priemysle. Priame pestovanie kovových výrobkov je tu motivované ekonomickou realizovateľnosťou, keďže sa ukázalo, že je menej nákladné. S využitím aditívnych technológií sa vyrábajú pracovné telesá turbín a hriadeľov, implantáty a endoprotézy, náhradné diely do automobilov a lietadiel.

K rozvoju rýchlej výroby prispelo aj výrazné rozšírenie počtu dostupných kovových práškových materiálov. Ak v roku 2000 existovalo 5-6 druhov práškov, teraz sa ponúka široký sortiment, ktorý predstavuje desiatky zložení od konštrukčných ocelí po drahé kovy a žiaruvzdorné zliatiny.

Aditívne technológie sú perspektívne aj v strojárstve, kde sa dajú využiť pri výrobe nástrojov a prípravkov pre sériovú výrobu - vložky do vstrekovacích lisov, formy, šablóny.

Ultimaker 2 je najlepšia 3D tlačiareň roku 2016

Podľa magazínu CHIP, ktorý testoval a porovnával spotrebiteľské 3D tlačiarne, sú najlepšie tlačiarne roku 2016 Ultimaker's Ultimaker 2, Conrad's Reniforce RF1000 a MakerBot's Replicator Desktop 3D Printer.

Ultimaker 2+ využíva vo svojom vylepšenom modeli technológiu modelovania depozície. 3D tlačiareň sa vyznačuje najmenšou hrúbkou vrstvy 0,02 mm, krátkym časom výpočtu, nízkymi nákladmi na tlač (2600 rubľov na 1 kg materiálu). Hlavné charakteristiky:

• veľkosť pracovnej komory - 223 x 223 x 305 mm;
• hmotnosť - 12,3 kg;
• veľkosť hlavy - 0,25 / 0,4 / 0,6 / 0,8 mm;
• teplota hlavy - 180-260 ° C;
• rozlíšenie vrstvy - 150-60/200-20/400-20/600-20 mikrónov;
• rýchlosť tlače - 8-24 mm 3 / s;
• Presnosť XYZ - 12,5-12,55 mikrónov;
• materiál - PLA, ABS, CPE s priemerom 2,85 mm;
• softvér - Cura;
• podporované typy súborov - STL, OBJ, AMF;
• - 221 W;
• cena - 1 895 eur za základný model a 2 495 eur za rozšírený.

Podľa recenzií zákazníkov sa tlačiareň ľahko inštaluje a používa. Berú na vedomie vysoké rozlíšenie, samonastaviteľnú posteľ, širokú škálu použitých materiálov, použitie open source softvéru. Medzi nevýhody tlačiarne patrí otvorená konštrukcia tlačiarne, ktorá môže viesť k popáleniu horúcim materiálom.

Mini 3D tlačiareň LulzBot

Do prvej trojky sa dostali aj Ultimaker 2 a Replicator Desktop 3D Printer od PC Magazine, no tu to bola 3D tlačiareň LulzBot Mini. Jeho špecifikácie sú:

• veľkosť pracovnej komory - 152 x 152 x 158 mm;
• hmotnosť - 8,55 kg;
• teplota hlavy - 300 ° C;
• hrúbka vrstvy - 0,05-0,5 mm;
• rýchlosť tlače - 275 mm / s pri výške vrstvy 0,18 mm;
• materiál - PLA, ABS, HIPS, PVA, PETT, polyester, nylon, polykarbonát, PETG, PCTE, PC-ABS atď s priemerom 3 mm;
• softvér - Cura, OctoPrint, BotQueue, Slic3r, Printrun, MatterControl atď.;
• spotreba energie - 300 W;
• cena - 1 250 dolárov.

Sciaky EBAM 300

Jedným z najlepších priemyselných zariadení na výrobu aditív je Sciaky EBAM 300. Pištoľ s katódovým lúčom nanáša vrstvy kovu rýchlosťou až 9 kg za hodinu.

• veľkosť pracovnej komory - 5791 x 1219 x 1219 mm;
• tlak vákuovej komory - 1x10 -4 Torr;
• spotreba energie - do 42 kW pri napätí 60 kV;
• technológia - extrúzia;
• materiál - titán a zliatiny titánu, tantal, inconel, volfrám, niób, nehrdzavejúca oceľ, hliník, oceľ, zliatina medi a niklu (70/30 a 30/70);
• maximálny objem - 8605,2 l;
• cena - 250 tisíc dolárov.

Aditívne technológie v Rusku

Stroje priemyselnej triedy sa v Rusku nevyrábajú. Vývoj zatiaľ prebieha len v Rosatome, laserovom centre Moskovskej štátnej technickej univerzity. Bauman, Stankinova univerzita, Petrohradská polytechnická univerzita, Uralská federálna univerzita. Spoločnosť Voronezhselimmash, ktorá vyrába vzdelávacie a domáce 3D tlačiarne Alfa, vyvíja inštaláciu priemyselných aditív.

To isté platí pre spotrebný materiál. Lídrom vo vývoji práškov a práškových kompozícií v Rusku je VIAM. Na objednávku Perm Aviadvigatel vyrába prášok pre aditívne technológie, ktorý sa používa pri obnove lopatiek turbín. Pokrok nastal aj vo Všeruskom inštitúte ľahkých zliatin (VILS). Vývoj vykonávajú rôzne inžinierske centrá v celej Ruskej federácii. Rostec, Uralská pobočka Ruskej akadémie vied, Uralská federálna univerzita vyvíja svoje vlastné projekty. Ale všetky nie sú schopné uspokojiť ani malý dopyt 20 ton prášku ročne.

V tejto súvislosti vláda poverila ministerstvo školstva a vedy, ministerstvo hospodárskeho rozvoja, ministerstvo priemyslu a obchodu, ministerstvo komunikácií, ruskú akadémiu vied, FANO, Roskosmos, Rosatom, Rosstandart a rozvojové inštitúcie, aby vytvoriť koordinovaný program vývoja a výskumu. Na tento účel sa navrhuje vyčleniť dodatočné rozpočtové prostriedky, ako aj zvážiť možnosť spolufinancovania z NWF a iných zdrojov. Nové, vrátane prídavných, sa odporúča podporovať RVC, Rosnano, Skolkovo Foundation, exportná agentúra EXIAR a Vnesheconombank. Vláda v zastúpení Ministerstva priemyslu a obchodu pripraví aj časť štátneho programu rozvoja a zvyšovania konkurencieschopnosti priemyslu.

Technologický proces nestojí na mieste, každým dňom dochádza k zdokonaľovaniu digitálnych technológií, čo umožňuje využívať inovácie v rôznych oblastiach ľudského života. Aditívne technológie patria medzi najpokročilejšie a najžiadanejšie na celom svete.

Aditívne technológie - čo to je?

Aditívna výroba (od slova aditívnosť - pridaná) je vrstvenie a syntéza objektu pomocou počítačových 3D technológií. Vynález patrí Charlesovi Hullovi, ktorý v roku 1986 navrhol prvú stereolitografickú trojrozmernú tlačiareň. Čo znamená aditívny proces vytvárania modelu vrstva po vrstve a ako funguje? V modernom priemysle ide o niekoľko rôznych procesov, v dôsledku ktorých sa modeluje 3D objekt:

• UV ožarovanie;
• extrúzia;
• tryskové striekanie;
• fúzia;
• laminovanie.

Materiály používané v aditívnych technológiách:

• vosk;
• sadrový prášok;
• kvapalné fotopolyméry;
• kovové prášky;
• rôzne druhy polyamidov;
• polystyrén.

Aplikácia aditívnych technológií

Technologický pokrok prispieva k výrobe mnohých užitočných vecí pre každodenný život, zdravie a bezpečnosť ľudí, napríklad aditívne technológie pri výrobe lietadiel pomáhajú vytvárať vysoko ekonomickejšiu a ľahšiu leteckú dopravu, pričom jej aerodynamické vlastnosti sú plne zachované. Umožnilo to uplatnenie princípov štruktúry kostí vtáčích krídel pri konštrukcii krídel lietadiel. Ďalšie oblasti použitia aditívnych technológií:

• budovanie;
• poľnohospodársky priemysel;
• mechanické inžinierstvo;
• stavba lodí;
• kozmonautika;
• medicíny a farmakológie.

Aditívne 3D technológie

Dynamicky sa rozvíjajúce a rýchlym tempom aditívne technológie 3D tlače sa používajú v progresívnych odvetviach. Existuje niekoľko inovatívnych typov aditívnych technológií:

1. FDM(modelovanie tavenej depozície) - výrobok sa formuje vo vrstvách z roztavenej plastovej nite.
2. CJP(ColorJet printing) je jediná plnofarebná 3D tlač na svete na princípe lepiaceho prášku pozostávajúceho zo sadry.
3. SLS(Selective Laser Sintering) je technológia laserového spekania, ktorá produkuje vysoko odolné predmety akejkoľvek veľkosti.
4. MJM(MultiJet Modeling) viactryskové 3D modelovanie pomocou fotopolymérov a vosku.
5. SLA(Laser Stereolitografia) - vytvrdzovanie vrstvy po vrstve tekutého polyméru prebieha pomocou lasera.

Aditívne technológie v strojárstve

Jim Corr, americký inžinier, používa aditívnu výrobu v strojárstve už 15 rokov. Projekt Urbee od Kor Ecologic je vytvorením prvého prototypu 3D auta s rýchlosťou 112 km/h, jeho karoséria a niektoré časti sú vytlačené na 3D tlačiarni. Ďalšia spoločnosť Local Motors v novembri 2015 predstavila „inteligentné a bezpečné“ auto LMSD Swim – ktorého 75 % dielov je vyrobených pomocou trojrozmernej tlače s použitím ABS plastu a uhlíkových vlákien.

Aditívne technológie v stavebníctve

Aditívna výroba budov a rôznych konštrukcií výrazne skracuje čas výstavby. Stavebná 3D tlač je trendom po celom svete. Experimenty vykonávané na laserových 3D tlačiarňach pre obyčajných ľudí vyzerajú na pokraji fantastického. Aditívne 3D technológie - pozitívne aspekty v stavebníctve:

• úspora času a finančných nákladov (rýchlosť výstavby v priebehu niekoľkých dní, zníženie nákladov na logistiku, spotrebný materiál, nábor veľkého počtu personálu);
• realizácia akýchkoľvek dizajnových riešení a zložitých geometrických tvarov (stredoveké hrady, domy vo forme asteroidov a galaxií);
• schopnosť stavať domy s ohľadom na seizmickú odolnosť v oblastiach náchylných na zemetrasenia a hurikány.

Najznámejšie 3D budovy:

Aditívne technológie v medicíne

V roku 2016 sa stal prelomovým pre medicínu vďaka aditívnym 3D technológiám. Kvalita zdravotníckych služieb sa výrazne zvýšila. Aditívny proces ovplyvnil niekoľko oblastí zdravotnej starostlivosti, čo znížilo úmrtnosť pacientov, ktorí potrebujú kvalitné a urgentné lekárske služby. Výhody použitia aditívnej 3D tlače v medicíne:

1. Pomocou tomografických obrázkov bolo možné presne vytlačiť orgán s patológiou, aby sa študovali jemnosti a nuansy nadchádzajúcej operácie.
2. Transplantácia prešla dlhú cestu. Aditívne technológie tu riešia viacero problémov naraz – morálne a etické a skrátenie čakacej doby, to je známy fakt, že ľudia čakajú na darcovské orgány aj niekoľko rokov, no účet niekedy netrvá roky, ale dni a dokonca hodiny . Transplantácie umelo vypestovaných ľudských orgánov sa čoskoro stanú realitou.
3. Potlač sterilných nástrojov. V ére ťažkých a nevyliečiteľných vírusových infekcií jednorazové sterilné nástroje rušia infekciu počas lekárskych procedúr.

V súčasnosti sa v medicíne úspešne používajú tieto produkty aditívnych technológií:

• umelo pestovaná ľudská koža (relevantná pre transplantáciu ľuďom s vysokou oblasťou popálenín);
• biokompatibilné kostné a chrupavkové tkanivo;
• tlač orgánov s onkologickým procesom a štúdium účinku liekov na nádory;
• zubné implantáty, protézy, korunky;
• individuálne načúvacie prístroje;
• ortopedické protézy.

Aditívne technológie vo farmakológii

Pri množstve moderných liekov je dôležité, aby lekár vedel, čo je to aditívny účinok liekov, od toho závisí úspešnosť liečby. Kumulatívny účinok liekov užívaných počas liečby by mal byť synergický (vzájomne sa dopĺňajúci a posilňujúci), no nie vždy to tak je. Všetko závisí od individuálnej neznášanlivosti, stavu tela. Aj tu prichádzajú na pomoc aditívne technológie. Už sa testujú 3D tlačené tablety Spritam na epilepsiu, ktoré obsahujú informácie o pacientovi: pohlavie, hmotnosť, vek, stav pečene, individuálne dávkovanie.

Aditívne technológie vo vzdelávaní

Aditívne technológie sa už aktívne zavádzajú v škole, ak donedávna školáci študovali 3D modelovanie v špecializovaných počítačových programoch, teraz je už možné vytlačiť simulovaný obrázok v objeme. Študenti vizuálne vidia svoje vynálezy, chyby a spôsob fungovania mechanizmu. Do roku 2018 plánuje ministerstvo školstva vyškoliť 3000 učiteľov vo vzdelávacích inštitúciách v aditívnych technológiách.

08.06.2016

Perspektívy využitia aditívnych technológií pri výrobe strojov na stavbu ciest

Hlavné smery rozvoja strojárstva v súčasnosti sú: používanie nových polymérnych, kompozitných, inteligentných materiálov pri výrobe strojných súčiastok; vývoj nových technologických metód, zariadení a procesov na výrobu strojárskych výrobkov.

Prvým krokom k vytvoreniu stroja je priestorový návrh strojárskych výrobkov pomocou počítačových virtuálnych digitálnych trojrozmerných modelov, ktorý sa stal možným vďaka zavedeniu moderného softvéru (CAD-program), modelovania a výpočtov (CAE).

Zavedenie technológií „trojrozmernej tlače“ (3D tlač) poskytuje možnosť vytvorenia strojovej časti alebo výrobku ako celku na základe vyvinutého 3D modelu v čo najkratšom čase a s minimálnymi stratami materiálov. Spôsoby výroby produktov založené na procese kombinovania materiálu na vytvorenie objektu z údajov 3D modelu sa súhrnne nazývajú „aditívne technológie“ (aditívne).

V tejto súvislosti sú tradičné strojárske technológie založené na opracovaní obrobku, pri ktorom sa odoberá časť materiálu (sústruženie, frézovanie), „subtraktívne“.

Základom moderných aditívnych technológií je spôsob tvarovania dielca z polymérneho kompozitného materiálu postupným budovaním za pomoci tepelného alebo iného rázu, ktorého výsledkom je dielec požadovaného tvaru so stanovenými rozmermi. V súčasnosti už existuje viac ako 30 rôznych typov procesov aditívnej výroby.

Hlavné výhody aditívnych technológií oproti tradičným sú:

Zníženie zložitosti výroby;
zníženie požiadaviek na dizajn a výrobu dielu;
zníženie nákladov na navrhovanie a výrobu dielov;
hospodárnosť strojárskych materiálov. Čas výskytu aditíva
technológia sa datuje do konca osemdesiatych rokov minulého storočia. Priekopníkom v tejto oblasti je spoločnosť 3D Systems (USA).

Prvá klasifikácia aditívnych výrobných metód na výrobu dielov bola uvedená v norme ASTM F2792.1549323-1 (USA), ktorá bola za posledných dvadsať rokov značne zastaraná v dôsledku rýchleho vývoja technologických zariadení.

Dňa 1. septembra 2015 bola na príkaz normy Ros vytvorená technická komisia „Aditívne technológie“ na vývoj pojmov, definícií a noriem, ktoré s nimi súvisia.

Vypracovanie klasifikácie aditívnych technológií, berúc do úvahy rôznorodosť použitých metód, materiálov a zariadení, nie je ľahká úloha.

Najprv je potrebné vyčleniť dva smery vývoja aditívnych technológií podľa princípu tvorby dielov

Smernice pre vývoj aditívnych technológií založených na princípe formovania dielov

Prvý smer zabezpečuje vytvorenie dielca spojením materiálu rozloženého na pracovnej ploche plošiny technologického zariadenia (depozícia lôžka). Po dokončení výrobného procesu zostáva určité množstvo materiálu, ktorý možno použiť na vytvorenie ďalšej časti.

Procesy kombinovania materiálu distribuovaného na platforme tvoria základ rôznych typov technologických zariadení na výrobu dielov pomocou aditívnych technológií:

SLA - Steriolitografický prístroj;
SLM - Selektívne tavenie laserom;
DMLS - Priame laserové spekanie kovov;
EBM - tavenie elektrónovým lúčom;
SHS - Selektívne tepelné spekanie;
MIM - vstrekovanie kovov;
Ink-Jet alebo Binder jet;
UAM – výroba ultrazvukových aditív;
LOM - Výroba laminovaných predmetov.

Druhý smer tvorby dielov– priamym ukladaním materiálu (Direct deposition). V tomto prípade sa výrobok vytvára vo vrstvách priamo z materiálu ohriateho na požadovanú teplotu, ktorý vstupuje na pracovnú plošinu zo špeciálneho rozdeľovacieho zariadenia.

Na princípe priamej depozície materiálu sú vybudované nasledovné typy technologických zariadení na výrobu dielov aditívnymi technológiami:

CLAD – smernica o aditívoch pre stavebné lasery;
EBDM - Priama výroba elektrónovým lúčom;
MJS - viacfázové prúdové tuhnutie;
BPM – výroba balistických častíc;
MJM - Multijetting Material.

Klasifikácia aditívnych technológií podľa stavu agregácie materiálu použitého pri formovaní
podrobnosti

Klasifikácia aditívnych technológií podľa stavu agregácie materiálu použitého pri výrobe dielca

Klasifikácia aditívnych technológií podľa druhu použitého materiálu

Klasifikácia aditívnych technológií podľa druhu použitého materiálu

V závislosti od typu a počiatočného tvaru materiálu použitého na výrobu dielov existujú typy aditívnych technológií

Klasifikácia aditívnych technológií podľa druhu a tvaru materiálu použitého na výrobu dielov

Surovina- medzinárodný názov pre granulovanú zmes prášku a spojiva.

Je zrejmé, že na výrobu surovín používaných pri výrobe dielov pomocou aditívnych technológií sa používajú rôzne typy špeciálnych technologických zariadení, ktorých zoznam a popis nie je predmetom tohto článku.

Proces vytvárania produktu pomocou aditívnych technológií možno znázorniť ako postupnosť akcií

Štruktúra aditívneho technologického procesu výroby strojárskych výrobkov

Ako je znázornené na obr. 5 algoritmu, v prvej fáze tvorby produktu je vyvinutý 3D model pomocou programu CAD v súlade so zadávacími podmienkami a požiadavkami noriem.

Potom je potrebné exportovať dáta súboru programu objemového modelovania do formátu akceptovaného programom riadiaceho stroja aditívnej výroby (napríklad "STL").
Pred ďalšou fázou sa identifikujú možné chyby v modeli. Model určený pre 3D tlač musí byť vzduchotesný, monolitický a nesmie obsahovať duté steny, čo je zabezpečené pomocou špeciálnych programov.

Ďalej sa informácie zo súboru STL prevedú na príkazy, na základe ktorých 3D tlačiareň vyrobí produkt, ide o takzvaný G-kód. Počas tohto postupu by ste si mali zvoliť požadovanú mierku dielu, správnu polohu v priestore a tiež presne umiestniť model na pracovnú plochu. Od toho závisí výsledok celého procesu, pevnosť, drsnosť povrchu dielca a spotreba materiálu.

Po nastavení sa model rozdelí na vrstvy materiálu, ktoré sa v jednom pracovnom cykle aditíva „napasujú“ do tela dielu. Tento proces sa nazýva krájanie. Rezanie sa vykonáva pomocou softvéru dodávaného so strojom alebo pomocou špeciálnych nástrojov (Skein-forge, Slic3r, KISSlicer, MakerWare atď.).

G-kód získaný v predchádzajúcom kroku sa prenesie do 3D tlačiarne cez flash pamäť alebo cez USB kábel.
V procese prípravy a nastavenia aditivačného stroja sa vykonáva kalibrácia, predhrievanie pracovných telies, výber materiálu modelu a nastavenie parametrov prevádzkových režimov zariadenia, ktoré na ňom závisia.

Na zariadeniach profesionálnej úrovne možno tento krok kombinovať s postupmi procesu krájania.

Po dokončení všetkých prípravných operácií sa spustí proces tlače, teda kombinácia materiálov vrstva po vrstve. Jej trvanie závisí od typu technológie a zvolených parametrov presnosti a kvality výroby dielu.

V prípade potreby sa vytvorený diel podrobí dodatočným technologickým vplyvom: odstránenie nosných podpier, chemické alebo tepelné spracovanie, konečná úprava pracovných plôch.
V záverečnej fáze výroby sa vykonáva kontrola kvality výroby dielu vrátane overenia súladu s regulačnými požiadavkami na geometrické rozmery, ukazovatele fyzikálnych a mechanických vlastností a ďalšie parametre, ktoré ovplyvňujú spotrebiteľské vlastnosti výrobku.

Pre stavebné a dopravno-technologické stroje sú perspektívy využitia aditívnych technológií zrejmé predovšetkým pri výrobe nasledovných druhov dielov:

Plastové časti karosérie elektrických spotrebičov;
komponenty hydraulických zariadení (tesnenia vodiacich piestov a piestov hydraulických valcov, rozoberateľné spoje, prvky rozvádzačov, čerpadiel a hydromotorov);
výroba trysiek pre chladiace a energetické systémy motora;
detaily úpravy kabíny operátora: pákové rukoväte, panely, spínače, joysticky atď.;
telo, bezpečnostné, kĺbové a iné časti pripojeného pracovného zariadenia;
puzdrá závesov pohyblivých kĺbov, fungujúce ako klzné ložisko pracovného zariadenia.

Zaujímavá je najmä možnosť využitia aditívnych technológií pre rýchle prototypovanie pri vývoji pracovných prostriedkov pre stavebné stroje.

Vývoj prototypu (návrhu) pracovného tela je najdôležitejšou etapou pri tvorbe stroja. Prototyp hotového výrobku dáva nielen predstavu o jeho vzhľade a hmotnostných charakteristikách, ale umožňuje aj posúdiť súlad dosiahnutých výkonnostných vlastností s požiadavkami technických špecifikácií.

Zvážte postup prototypovania pomocou aditívnych technológií na príklade lyžice rýpadla.
Rýchle prototypovanie pri navrhovaní nových modifikácií vedier poskytuje:

Vizualizácia vzhľadu vedra;
potvrdenie kompatibility kinematických parametrov so základným strojom;
schopnosť posúdiť naplnenie vedra zeminou a jej následné vyloženie, čo zohráva dôležitú úlohu pri vývoji pôd s vysokou lepivosťou alebo mrazom;
možnosť štúdia procesu tvorby triesok pri rezaní pôdy vedrom;
identifikácia oblastí, ktoré sú počas prevádzky vystavené najväčšiemu abrazívnemu opotrebovaniu;
štúdium technologických procesov montáže, zvárania, obrábania a lakovania;
školenia personálu. Poskytuje široké možnosti
rozmanitosť typov a vlastností modelových materiálov používaných na prototypovanie. Napríklad model vytvorený z priehľadného polyméru umožňuje študovať nielen interakciu povrchov pracovného tela rýpadla s pôdou počas plnenia, ale aj procesy prebiehajúce vo vyvinutej pôde. To vám umožní zvoliť optimálny tvar vedra, ktorý kladie najmenší odpor pri kopaní pôdy.

Digitálny model prototypovej lyžice rýpadla

Analýza modelu pomocou metódy konečných prvkov umožňuje vyhodnotiť rozloženie napätí, ktoré sa vyskytujú v konštrukcii počas kopania

Rozloženie vnútorných napätí v konštrukcii lyžice rýpadla pri razení

Vytvorenie a testovanie prototypu vedierka poskytuje:

Úspora peňazí za testy v plnom rozsahu;
predchádzanie chybám pri návrhu a montáži výrobku;
zníženie hmotnosti vedra;
zvýšenie účinnosti výkopu pomocou vedra, čo zase znižuje spotrebu paliva;
zvýšenie spoľahlivosti a životnosti pracovných zariadení;
možnosť posúdenia životnosti lopaty a intenzity opotrebovania zubov v procese vývoja pôd rôznych kategórií. Proces vytvárania lopaty rýpadla
používanie rozloženia pozostáva z nasledujúcich krokov:
vývoj digitálneho 3D modelu vedra, vykonávanie výpočtov pomocou špecializovaných softvérových produktov.
výroba prototypu pomocou aditívnych technológií: príprava modelu na prototypovanie, zdôvodnenie mierky pre rozloženie a vytvorenie naberačky z termoplastického materiálu.
vykonávanie testov a experimentálnych štúdií prototypu lyžice.
spracovanie a analýza výsledkov výskumu, vykonanie potrebných zmien v konštrukcii lopaty, finalizácia projektovej dokumentácie, koordinácia a spustenie výroby.

Lyžica rýpadla vyrobená podľa výsledkov prototypového výskumu

Pri opravách dopravných a technologických strojov je možné použiť aditívne technológie na obnovu opotrebovaných a poškodených kovových dielov metódami LENS, CLAD, DMD, čo umožňuje minimalizovať využitie ručnej práce, zvýšiť produktivitu a kvalitu opráv.

Ale výroba dielov z polymérnych materiálov na opravu môže byť užitočná v nasledujúcom:

Namiesto kovu - opatrenie, ktoré znižuje prestoje zariadení v dôsledku náhleho
porucha (dočasná výmena). Platí to najmä v spoločnostiach, ktoré nerobia PPR akcie. Pre malý podnik prevádzkujúci niekoľko jednotiek strojov na rôzne účely, ktorých rozpočet neumožňuje udržiavať zamestnancov na nákup náhradných dielov alebo mať zásobu náhradných dielov;
namiesto plastu vám umožní vytlačiť diely individuálnej veľkosti opravy;
použitie kompozitných materiálov s vlastnosťami, ktoré presahujú parametre pôvodného dielu;
výroba malého počtu dielov v elektrotechnike a hydraulickom pohone;
mobilita tlačiarní: umiestnenie v aute je možné;
relatívne nízka spotreba energie.

Dôležitým faktorom je skutočnosť, že pri aditívnej výrobe a reštaurovaní dielov môže byť vývojár v akejkoľvek vzdialenosti od objektu (stroja) vzhľadom na rozšírené používanie počítačových sietí.

Skenovanie poškodených komponentov montážnych celkov pomocou 3D skenera (reengineering) s následným počítačovým spracovaním a tlačou otvára perspektívy pre vytváranie univerzálnych multifunkčných výrobných a opravárenských komplexov.
Skenovanie výrazne zvyšuje rýchlosť a presnosť výroby dielov a tiež znižuje náklady na meracie nástroje. V súčasnosti sa už 3D skener používa pri kontrole kvality vyrábaných dielov v popredných podnikoch.

K dnešnému dňu sú hlavnými problémami, ktoré bránia zavádzaniu aditívnych technológií do výroby, obmedzený výber použitých materiálov a ich vysoká cena, obmedzené celkové rozmery vyrábaných produktov a nízka produktivita zariadení. Ale vzhľadom na súčasnú dynamiku vývoja aditívnych technológií je prekonanie týchto problémov v blízkej budúcnosti celkom reálne.
Výsledky prezentované v článku boli získané pri spracovaní projektu č. B1124214, realizovaného v rámci projektovej časti štátnej úlohy v oblasti vedeckej činnosti na rok 2016.

Zoznam použitej literatúry
1. Slyusar, V.I. Továreň v každom dome. Okolo sveta. - č. 1 (2808).
2. Dovbysh V.M., Zabednov P.V., Zlenko M.A. Článok "Aditívne technológie a kovové výrobky" Štátne vedecké centrum Ruskej federácie FSUE "NAMI".
3. Zorin V.A. Baurová N.I., Shakurová A.M. Použitie zapuzdrených materiálov pri montáži a opravách závitových spojov // Stavebná mechanizácia. 2014. Číslo 8(842).
4. Zorin V.A. Baurová N.I., Shakurová A.M. Štúdium štruktúry zapuzdreného anaeróbneho lepidla // Lepidlá. Tmely. technológie. 2014. Číslo 5.
5. Baurová N.I., Zorin V.A., Prikhodko V.M. Popis scenárov prechodu materiálu z prevádzkyschopného stavu do nefunkčného stavu pomocou rovnice teórie katastrof "fold" // Klei. Tmely. technológie. 2014. Číslo 8.
6. Baurová N.I., Zorin V.A., Prikhodko V.M. Popis procesov degradácie vlastností materiálov pomocou aparátu teórie katastrof // Všetky materiály. Encyklopedická referenčná kniha. 2014. Číslo 11.
Baurova N.I., Sergeev A.Yu. Štrukturálne štúdie mechanizmu deštrukcie adhéznych spojov po skúškach metódou vyťahovania // Lepidlá. Tmely. technológie. 2014. Číslo 4.

Aditívne technológie sú oprávnene označované ako technológie 21. storočia. Majú veľký potenciál pri znižovaní nákladov na energiu pri vytváraní širokej škály produktov. Miera ich využitia v priemyselnej výrobe je skutočným ukazovateľom priemyselnej sily štátu a jeho inovačného rozvoja. V súčasnosti ruské podniky používajú dovážané kovové prášky. V Rusku neexistuje sériová výroba práškových materiálov pre aditívne technológie.

Výskumná skupina Infomine
Založená v roku 1993. Špecializuje sa na štúdium trhov priemyselných výrobkov v Rusku a krajinách SNŠ. Hlavnými oblasťami výskumu sú: nerastné suroviny, kovy a chemické produkty. Za posledné roky pripravili špecialisti spoločnosti viac ako 1000 recenzií. Klientmi Infomine je viac ako 500 výrobných, obchodných, poradenských spoločností, bánk a vedeckých organizácií z 37 krajín sveta. Medzi nimi: Gazprom, Lukoil, TNK-BP, AFK Sistema, MMC Norilsk Nickel, Evraz Group S.A., United Company Rusal atď. Profesionalitu spoločnosti potvrdzujú početné publikácie vo vedeckých a populárno-vedeckých časopisoch, ako aj prezentácie na konferencie rôznych úrovní.

Kovové prášky majú jedinečné chemické a metalurgické vlastnosti, čo umožňuje ich využitie v rôznych oblastiach. S príchodom aditívnych technológií získala prášková metalurgia nové perspektívy rozvoja. Prášková metalurgia je najhospodárnejší spôsob výroby produktov, vyznačuje sa nízkou mierou odpadu v porovnaní s tradičnými technológiami (odlievanie, obrábanie, spracovanie za studena a za tepla) a minimálnym počtom operácií na získanie produktov s rozmermi blízkymi finálnym. . Ďalšou črtou práškovej metalurgie je možnosť výroby materiálov a produktov, ktoré nie je možné získať tradičnými metalurgickými metódami. Pomocou aditívnych technológií sa zjednodušujú výrobné procesy v leteckom priemysle, energetike, prístrojovej technike – všade tam, kde sú potrebné produkty zložitej geometrie a „pestovanie“ kovových súčiastok. V súčasnosti, pokiaľ ide o zavádzanie aditívnych technológií, Rusko zaostáva za poprednými krajinami sveta. Rovnako ako predtým, ruskí spotrebitelia sú závislí jednak od dodávok dovážaných vysokokvalitných kovových práškov a jednak od dovozu samotných 3D tlačiarní.

Stav aditívnych technológií vo svete
Technológia trojrozmernej tlače (3D) sa začala rozvíjať koncom 80. rokov minulého storočia. Priekopníkom v tejto oblasti je spoločnosť 3D Systems, ktorá v roku 1986 vyvinula prvý stereolitografický prístroj. Prvé laserové stroje - stereolitografia (SLA) a potom práškové (SLS-stroje) - boli veľmi drahé, výber materiálov pomerne úzky a až do polovice 90. rokov sa používali najmä vo výskumných a vývojových aktivitách spojených s obranou. priemyslu. V budúcnosti, po rozšírenom používaní digitálnych technológií v oblasti dizajnu, modelovania a obrábania, sa začali rýchlo rozvíjať 3D technológie. Pre 3D technológie sa v súčasnosti odporúča označenie Additive Manufacturing (AM). Podľa Wohlers Associates dosiahol globálny trh AM technológií v roku 2014 hodnotu približne 3 miliardy USD s priemernou mierou rastu 20 – 30 %. Predpokladá sa, že do roku 2020 môže objem trhu dosiahnuť 16 miliárd USD. Trh s aditívnymi technológiami sa rýchlo mení, dochádza k fúziám a akvizíciám automobilových spoločností, vznikajú nové centrá pre poskytovanie služieb v oblasti AM technológií, tieto centrá sa združujú do európskej a dnes už globálnej siete. 63% všetkých aditívovacích strojov na svete je vyrobených v USA. Najvýraznejšie zavádzanie AM technológií v takých odvetviach ako je letecký priemysel, stavba lodí, energetika, ale aj stomatológia a rekonštrukčná chirurgia. Hlavnými zákazníkmi a spotrebiteľmi produktov AM sú letecký a automobilový priemysel v USA a Európe. Tieto technológie priťahujú veľké priemyselné spoločnosti: Boeing, Mersedes, General Electric, Lockheed Martin, Mitsubishi, General Motors. Napríklad Boeing v posledných rokoch výrazne rozšíril portfólio AM dielov. Teraz sa týmto spôsobom vyrába viac ako 22 000 dielov z 300 položiek pre 10 typov vojenských a komerčných lietadiel vrátane Dreamlineru. Upustenie od výroby celokovového plechu v prospech spekacích práškov pri formovaní rámov mnohých modelov Boeing umožnilo spoločnosti prejsť na zásadne novú úroveň výroby. Podľa odborníkov General Electric sa o 10 rokov bude približne polovica dielov výkonových turbín a leteckých motorov vyrábať AM technológiami. Aditívne technológie sa aktívne využívajú v spotrebnej elektronike a medicíne vrátane zubného lekárstva. Podľa spoločnosti Arcam boli ich zariadenia použité na vytvorenie viac ako 30 000 titánových implantátov na rekonštrukciu bedrového kĺbu. Hlavný rozdiel medzi AM technológiami je v tom, že sa používajú na vytvorenie dielu vytváraním materiálu, na rozdiel od odstraňovania v prípade obrábania. Použitie aditívnych technológií umožňuje vyrábať diely s vlastnosťami, ktoré nie sú dostupné pre iné spôsoby spracovania (napríklad so zakrivenými otvormi alebo vnútornými dutinami). Vrstvený spôsob stavania dielu poskytuje úplne nové možnosti, napríklad výrobu dielcov, dielcov s materiálovými vlastnosťami, ktoré sa líšia hrúbkou (tzv. gradientové materiály), výrobu sieťových štruktúr, ktoré sa nedajú získať buď odlievaním alebo obrábaním. V leteckom a kozmickom priemysle sa otvárajú významné perspektívy pre 3D technológie. Je to spôsobené tým, že s ich pomocou bolo možné drasticky znížiť pomer hmotnosti materiálu potrebného na uvoľnenie dielu k hmotnosti finálneho dielu. U väčšiny dielov vyrobených tradičným spôsobom môže tento pomer dosiahnuť 20:1, pri použití aditívnych technológií je tento pomer v najhoršom prípade 2:1.

Ryža. 1. Selektívny laserový taviaci stroj SLM 280 od SLM Solutions (Nemecko)

Takmer všetky laserové spoločnosti majú rôzne názvy pre svoju technológiu. Robí sa to preto, aby sa odlíšili od konkurentov, ale technicky sú to všetky technológie selektívnej laserovej fúzie - technológie SLM. Tento názov je však mlčky priradený SLM Solutions. SLM Solutions (Nemecko) je jedným zo svetových lídrov v oblasti technológií laserovej syntézy. SLM Solutions aktívne spolupracuje s FILT. V dôsledku tejto spolupráce sa objavil SLM 280, doteraz „najpokročilejší“ stroj (obr. 1). Toto zariadenie sa vyznačuje prítomnosťou dvoch laserov: vonkajší obrys dielu a tenké steny sú spracované prvým laserom s výkonom 400 W, hlavné telo dielu je spracované druhým, výkonnejším laserom (1000 W). Kombinácia dvoch laserov rôzneho výkonu umožňuje vyrábať diely s hrúbkou jednotlivých úlomkov až do 0,3 mm. To dáva zariadeniu aj značné výhody: zvyšuje sa rýchlosť stavby dielca (až 5-krát), zlepšuje sa vnútorná štruktúra materiálu a čistota vonkajšieho povrchu.

Typy aditívnych technológií
Dva typy aditívnych technológií sa zásadne líšia, pokiaľ ide o spôsoby tvorby vrstiev. Technológia Bed Deposition zahŕňa vytvorenie vrstvy prášku v prvej fáze, po ktorej nasleduje selektívne (selektívne) spracovanie vytvorenej vrstvy laserom alebo iným spôsobom. Táto technológia pomerne presne zodpovedá pojmu „selektívna syntéza“ alebo „selektívne laserové spekanie“ (SLS – Selective Laser Sintering), ak je nástrojom „kalenie“ laser, ktorý je v tomto prípade na rozdiel od laserovej stereolitografie (technológia SLA) zdroj tepla, nie ultrafialové žiarenie. Druhým typom priameho ukladania je priame, alebo priame ukladanie materiálu, t. j. priamo do bodu, kde sa dodáva energia a kde sa práve buduje časť. Modely skupiny Bed Deposition sú na trhu najpočetnejšie zastúpené. Väčšina spoločností - výrobcov takýchto zariadení používa laser vo svojich strojoch ako zdroj energie na spájanie častíc kovovo-práškových kompozícií. Patria sem: Arcam (Švédsko), Concept Laser (Nemecko), EOS (Nemecko), Phenix Systems (Francúzsko), Realizes (Nemecko), Renishaw (Spojené kráľovstvo), SLM Solutions (Nemecko), Systems (USA). V roku 2012 do tejto skupiny patrili čínske spoločnosti Beijing Long Yuan Automated Fabrication Systems a Trump Precision Machinery. Do druhej skupiny strojov (Direct Deposition) patria zariadenia od spoločností POM Group, Optomec, Sciaky (USA), Irepa Laser (Francúzsko), InssTek (Južná Kórea). V Rusku neexistuje masová výroba AM strojov, ktoré ako materiál používajú kovové prášky. Zároveň sa množstvo organizácií zaoberá vývojom a tvorbou prototypov tohto typu prístroja. Napríklad JSC Elektromekhanika (región Tver) v spolupráci s FGBOU VPO MGTU STANKIN vyrobila automatizované 3D nastavenie na pestovanie presných titánových polotovarov zložitých dielov vo vákuu pomocou syntézy elektrónového lúča po vrstvách z jemne rozptýleného kovového prášku. TVEL as spolu s vedeckými organizáciami Uralskej pobočky Ruskej akadémie vied vyvíja a organizuje výrobu zariadení URAM-550 na selektívnu laserovú fúziu kovových práškov s veľkosťou pracovnej komory 500 × 500 × 500 mm. Rosatom v spolupráci s ministerstvom školstva a vedy plánuje vytvoriť prototyp 3D tlačiarne na výrobu kovových výrobkov na báze NPO TsNIITMASH. Špecialisti JSC "Národný inštitút leteckých technológií" vyvinuli niekoľko typov experimentálnych laserových inštalácií pre syntézu vrstiev po vrstvách. Vývojom zariadení na syntézu laserových vrstiev sa zaoberá aj Inštitút pre problémy laserových a informačných technológií (IPLIT).

Ryža. 2. Stroj X line 1000R AM od Concept Laser

Donedávna bol za najväčší AM stroj spoločnosti považovaný X line 1000R (obr. 2) so stavebnou plochou 630×400×500 mm. Bol vyvinutý v spolupráci s Fraunhofer Institute for Laser Technology (FILT) za účasti Daimler AG a na trh vstúpil v roku 2013. Prvý takýto stroj je inštalovaný v Daimler AG na pestovanie hliníkových automobilových komponentov. K tomuto modelu najnovšie pribudla modifikácia X line 2000R vybavená dvoma lasermi s výkonom 1000 W. Konštrukčná plocha sa zväčšila na 800×400×500 mm. Spoločnosť reagovala na potreby zákazníkov v leteckom a automobilovom priemysle zvýšením rýchlosti výroby stavebných produktov.

Ryža. 3. DMD IC106 od POM

POM (Precision Optical Manufacturing) je vývojár DMD technológie a držiteľ patentu na originálne technické riešenia laserových systémov a spätnoväzbových riadiacich systémov so súčasným riadením hlavných parametrov konštrukcie dielu v reálnom čase: objem dodávky materiálu, rýchlosť pohybu hlavy a laser výkon , ktoré zabezpečujú stabilitu a kvalitu pracovného toku (obr. 3). Táto technológia umožňuje paralelné alebo sekvenčné podávanie dvoch druhov materiálu s rôznymi fyzikálnymi a chemickými vlastnosťami a tým vytváranie bimetalických komponentov, ako sú formy na vstrekovanie plastov (meďové telo formy, pracovná časť z nástrojovej ocele), alebo špeciálne povlaky napr. vložky valcov, piestne krúžky, vačkové hriadele, sedlá ventilov.

Technológie na výrobu kovových práškov
V súčasnosti neexistujú žiadne všeobecné požiadavky na kompozície kovových práškov používaných v AM technológiách. Rôzne spoločnosti - výrobcovia AM-strojov predpisujú prácu s určitým zoznamom materiálov, zvyčajne dodávaných touto spoločnosťou. Všeobecnou požiadavkou na prášky pre AM stroje je guľovitý tvar častíc. Je to spôsobené potrebou kompaktného balenia v určitom objeme a zabezpečením „tekutosti“ práškovej kompozície v systémoch zásobovania materiálom s minimálnym odporom. Na trhu sú desiatky druhov rôzneho zloženia: od bežných konštrukčných ocelí až po žiaruvzdorné zliatiny a drahé kovy. Rozsah ich použitia je už teraz mimoriadne rôznorodý – od stomatológie až po šperkársky priemysel. Hlavnými technológiami získavania práškov pre AM stroje sú plynová atomizácia, vákuová atomizácia a odstredivá atomizácia. Podľa technológie plynovej atomizácie sa kov roztaví v taviacej komore (zvyčajne vo vákuu alebo v inertnej atmosfére) a potom sa kontrolovane naleje cez špeciálny atomizér, kde sa prúd tekutého kovu rozruší prúdom inertnej látky. plyn pod tlakom. V Európe sú tri spoločnosti - ALD (Holandsko), PSI - Phoenix Scientific Industries Ltd. (Veľká Británia) a Atomising Systems (Veľká Británia) – vyrábajú atomizéry ako komerčné produkty. Pri vákuovej atomizácii sa proces vyskytuje v dôsledku plynu rozpusteného v tavenine. Atomizér pozostáva z dvoch komôr – taviacej a rozprašovacej. V taviacej komore vzniká pretlak plynu (vodík, hélium, dusík), ktorý sa rozpúšťa v tavenine. Pri atomizácii kov pôsobením tlaku v taviacej komore stúpa do dýzového aparátu, ktorý prechádza do striekacej komory, kde vzniká vákuum. Výsledný pokles tlaku spôsobí, že rozpustený plyn sa dostane na povrch kvapiek taveniny a "vybuchne" kvapky zvnútra, pričom poskytne sférický tvar a jemnú štruktúru prášku. Technológie odstredivej atomizácie sú veľmi rôznorodé, ale najzaujímavejšie sú tie, ktoré umožňujú získať prášky najcennejších zliatin pre aditívne technológie - reaktívne a žiaruvzdorné kovy. Jediným limitujúcim faktorom vo vývoji aditívnych technológií sú vysoké náklady na spotrebný materiál (kovové prášky). V súčasnosti množstvo spoločností pracuje na zavedení menej nákladných technológií na výrobu práškov (vrátane titánu). Prelom v tomto smere povedie k výraznému zvýšeniu dopytu po 3D zariadeniach schopných reprodukovať kovové modely.




Ryža. 4. Atomizér EIGA 50 od ALD (Holandsko)

Svetovým lídrom vo výrobe zariadení na atomizáciu plynu je ALD (v súčasnosti súčasť AMG Advanced Metallurgical Group). Vo výrobnej linke má atomizéry pre laboratórne (objem téglika 1,0–2,0 l) aj priemyselné účely s kapacitou do 500 kg na taveninu a viac. ALD je tiež výrobcom atomizérov na výrobu práškových kompozícií technológiou EIGA - indukčné tavenie s atomizáciou inertným plynom. Základné modely EIGA 50 a EIGA 100 sa líšia veľkosťou použitej suroviny - tyče 50 a 100 mm, resp. Stroje EIGA (obr. 4) majú nízku rýchlosť striekania - asi 0,5 kg/s, umožňujú však nastriekanie pomerne veľkého množstva materiálu počas jednej tavby - od jednotiek až po desiatky kilogramov.

Ryža. 5. Inštalácia odstredivého rozprašovania taveniny LLC "Sferamet"

V Rusku existujú skúsenosti so získavaním práškových materiálov odstredivým nástrekom z konca tyčového materiálu roztaveného plazmovým oblúkom. Metóda bola vyvinutá v 70. rokoch minulého storočia vo VILS. V posledných rokoch sa táto metóda ďalej rozvíjala v práci spoločnosti Sferamet LLC (región Moskva). LLC "Sferamet" je vývojárom zariadení a technológií novej generácie na výrobu sférických granúl kovov a zliatin odstredivou atomizáciou taveniny. Východiskovým materiálom pre výrobu granúl na vyvinutom závode UCR-6 (obr. 5) sú odlievané valcové prírezy s priemerom 76–80 mm a dĺžkou 700 mm. Na tomto zariadení sa získali granuly s disperziou 50 μm.

Výroba kovových práškov pre aditívne technológie v Rusku
Intenzívne používanie aditívnych technológií v Rusku je obmedzené tak nedostatkom AM strojov, ako aj absenciou jemných kovových práškov. V súčasnosti ruské podniky používajú dovážané prášky dodávané hlavne spoločnosťami, ktoré vyrábajú rastliny. V Rusku neexistuje sériová výroba kovových práškov pre aditívne technológie. Federal State Unitary Enterprise "All-Russian Institute of Aviation Materials" (VIAM, Moskva) vyrába kovové práškové kompozície pre aditívne technológie v relatívne malých množstvách. V blízkej budúcnosti sa plánuje spustenie moderných priemyselných zariadení a komerčná výroba práškov. Podľa generálneho riaditeľa akademika VIAM E.N. Kablov, existujúca ruská flotila závodov na výrobu aditív potrebuje približne 20 ton práškov ročne. Podľa Infomine je tento objem nadhodnotený a celková kapacita trhu s práškami na prevádzkovanie zariadení aditívnych technológií v Rusku na začiatku roka 2016 nie je väčšia ako 6 až 7 ton. Množstvo ruských spoločností sa v súčasnosti zaoberá výrobou kovových práškov pre aditívne technológie. Podľa odborníkov sa už v roku 2016 môžu na domácom trhu objaviť certifikované komerčné kovové práškové kompozície rôznych akostí. V súčasnosti si VIAM samostatne zabezpečuje prášky, ale kapacita je malá (do 2 ton ročne). Pohyb VIAM smerom k výrobe práškov pre aditívne technológie sa začal organizáciou výroby spájok pre vysokoteplotné vákuové spájkovanie. Požiadavky na spájkovací prášok sú blízke požiadavkám na kompozície kovového prášku používané v aditívnych technológiách, vrátane kombinácie frakcií rôznych veľkostí. Od roku 2010 VIAM aktívne pracuje na vytvorení výroby jemných kovových práškov rozprašovaním taveniny inertným plynom na jednotke ERMIGA10/100VI. Boli vyvinuté a zvládnuté technológie na získanie práškov viac ako 10 druhov niklových a titánových spájok (10–200 µm). Začali sa sériové dodávky spájok do motorární. Prebiehajú práce na získavaní jemných práškov pre aditívne technológie. Prášky pre laserové naváranie LMD (40–80 µm) sú dodávané spoločnosti JSC Aviadvigatel, kde sa pracuje na vývoji technológií na naváranie ostňov krytov prírub HPT čepelí. Pracuje sa na získaní práškov na selektívne tavenie laserom (20–40, 10–50 µm).

Ryža. 6. Laserová fúzna jednotka M2 Cusing pre vrstvu po vrstve od Concept Laser

VIAM zakúpil v roku 2014 jednotku Concept Laser M2 Cusing na selektívnu laserovú fúziu kovových práškov (obr. 6), ktorá umožňuje získať diely takmer akejkoľvek zložitosti vnútornej štruktúry priamo z kovových práškov bez použitia nástrojov. Začal sa výskum v oblasti získavania dielov na celý cyklus, čo ešte urýchli zavádzanie aditívnych technológií do výroby. Taktiež vo FSUE VIAM, metódou vrstvenia laserovej fúzie na zariadení M2 Cusing spoločnosti Concept Laser, z prášku EP648-VI (VKh4L), výroba vírov pre motory 100-07, 100-08 , 100-09 sa začal. V rámci výskumu, ktorý si objednala Federálna vesmírna agentúra, boli vykonané práce, ktoré ukázali možnosť získania práškov (granúl) na báze niklu a titánu pre selektívnu laserovú fúziu.

Aditívne technológie v Rosatome: cyklus od práškov po aplikácie

Ryža. 7. Plán rozvoja aditívnych technológií spoločnosťou Rosatom

Dovoz zariadení pre aditívne technológie do Ruska
Rusko uspokojuje dopyt po 3D tlačiarňach na kovový prášok dovozom týchto produktov. Podľa Infomine Rusko v rokoch 2009-2015 doviezlo 29 strojov na výrobu kovových práškových prísad v hodnote približne 12 miliónov dolárov. Zároveň je typický trend rastu dovozných dodávok (obr. 10). Ako vidno, roky 2014 a 2015 sa vyznačovali najvyššou úrovňou dodávok vo výške viac ako 200-tisíc dolárov.

Ryža. 8. Atomizér ALD VIGA-2B

Vedecké centrum pre vedu o práškových materiáloch (NCPM) na Permskej výskumnej polytechnickej univerzite (PNRPU) zakúpilo v roku 2011 atomizér ALD VIGA-2B (obr. 8). V apríli 2014 bol spustený stroj AM. Jednotka je určená na výskum a výrobu malých experimentálnych dávok práškov. Umožňuje striekať všetky nežiaruvzdorné kovy a zliatiny s bodom topenia do 1700 °C. Podľa odborníkov z vedeckého centra sú prášky guľovité, ale heterogénne - s veľkosťou častíc 0,5 až 100 mikrónov.

Ryža. 9. Štruktúra dodávok 3D tlačiarní do Ruskej federácie od významných zahraničných výrobcov v rokoch 2009–2015, %