Аддитивные технологии: Революция в современном производстве
Аддитивные технологии, более известные как 3D-печать, активно меняют облик современной промышленности, предоставляя предприятиям новые возможности для оптимизации и ускорения производственных процессов. Аддитивные технологии означают создание предметов добавлением друг на друга отдельных слоёв специально подобранного материала. Аддитивные технологии - способ создания предметов, когда они постепенно строятся из отдельных слоев материала, добавляемых друг на друга. Другое название - трехмерная печать. Впервые трёхмерная печать была апробирована в 1986 году.
Аддитивные технологии - это совокупность технологий, которые создают 3D-объект, добавляя материал способом "слой-на-слой". Таким способом изготавливаются объекты из металла, пластика, бетона и даже человеческой кожи.
История аддитивного производства началась с появления первого 3D-принтера, сконструированного Чарльзом Халлом в 1983 году. Устройство было способно напечатать небольшой пластиковый стакан путем последовательного добавления слоев материала с помощью ультрафиолетового излучения.Термин «аддитивные технологии» и «3D-печать» часто используются взаимозаменяемо.
Развитие промышленного производства в современном мире не может обойтись без применения новых технологий. Их использование - не модный тренд, а необходимость, так как только так можно обеспечить выпуск относительно не дорогой, качественной и надежной продукции. Новые технологии могут внести существенные улучшения даже в традиционное производство. Именно это свойственно для аддитивных технологий.
В последние годы многие отрасли промышленности в полной мере оценили преимущества аддитивных технологий и эффективно внедряют их в производственный процесс. Все больше предприятий по всему миру, занятых в аэрокосмическом, автомобильном, машиностроительном, нефтегазовом секторах, в медицине и ювелирном деле, извлекают выгоду из поразительных возможностей, которые открывают новые перспективные методы. Аддитивные технологии без преувеличения считают инновационным прорывом, новым мировым трендом. Эксперты видят в 3D-технологиях серьезный потенциал для российского рынка.
Аддитивные технологии позволяют создавать сложные геометрические формы и интегрированные функциональные элементы, которые невозможны или крайне трудны для реализации с помощью традиционных методов. Это открывает новые горизонты, позволяет разрабатывать продукцию с улучшенными характеристиками и функциональностью.
Рассмотрим основные методы аддитивного производства:
- Метод послойного наплавления (FDM)
- Фотополимеризация (SLA, DLP)
- Электронно-лучевая плавка (EBM)
- Выборочное лазерное спекание (SLS) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
- Листовое ламинирование (LOM)
- Струйная трехмерная печать (3DP)
В статье представлена краткая характеристика методов аддитивного производства: экструзионного, стереолитогра-фического, порошкового, ламинирования и струйного. Проведён обзор литературных источников, освещающих применение аддитивного производства в медицине.
Применение аддитивных технологий в различных отраслях
Технологический прогресс способствует производству множества полезных вещей для быта, здоровья и безопасности человека. Например, аддитивные технологии в авиастроении помогают создавать более высокоэкономичный и легкий по весу авиатранспорт, при этом его аэродинамические свойства сохраняются в полном объеме. Это стало возможным в результате применения принципов строения костей птичьего крыла в проектировании крыльев самолета.
3D-технологии становятся все более актуальными и активно применяются в авиационной промышленности в тех случаях, когда традиционные методы оказываются менее быстрыми и эффективными либо вообще не применимы. Экспозиция МАКС-2019 свидетельствует, что ассортимент деталей, создаваемых по SLM-технологии, становится шире. 3D-печать металлическими порошками активно используется в аэрокосмической отрасли для изготовления прототипов, деталей двигателей, оснастки, производстве спутников. Ее применение позволяет производителю удешевить продукцию, повысить ее эксплуатационные характеристики, а также значительно сократить время изготовления отдельных изделий.
Автомобильная промышленность: 3D-печать ускоряет разработку прототипов и снижает затраты на тестирование. Современные аддитивные технологии могут использоваться не только для объёмной печати неметаллических изделий, но и производства металлопродукции, пластика и углеволокна для машиностроения. С помощью послойного формирования материальных объектов удаётся получать элементы практически любой геометрии. Если ранее зубчатые компоненты планетарной механической передачи изготавливались только на фрезерном станке, то сегодня применение аддитивных технологий позволяет решать эту задачу с использованием 3D-принтера. Одно из основных достоинств заключается в полной автоматизации процесса.
Судостроение - отрасль, которую принято считать консервативной, однако и она неизбежно вступает в мир 3D. Аддитивные технологии позволяют снизить себестоимость продукта, уменьшить расходы, сэкономить время производства и, в конечном итоге, увеличить доходы предприятия. Владельцы бизнеса, технологи, конструкторы, инженеры-судостроители осознают, что многие традиционные методы устарели и препятствуют воплощению передовых проектов. 3D-технологии диктуют потребность в кардинальных переменах, которые заставят пересмотреть существующие стандарты, нормативы, требования к безопасности и экологии. Что касается 3D-печати, то она способна произвести в судостроении настоящую революцию. Сейчас на 3D-принтерах печатаются небольшие детали, прототипы, выполняется ремонт деталей. В перспективе они смогут решить такую насущную проблему, как транспортировка и хранение запчастей. Неисправную деталь можно будет просто отсканировать и напечатать прямо на борту корабля, а материалы для печати будут храниться на судне в компактном виде.
В 2016 г. для медицины стал прорывом благодаря аддитивным 3d технологиям. Качество медицинских услуг возросло в разы.
Аддитивные технологии в настоящее время все шире используются в медицине для создания протезов и ортезов, макетов органов и тканей, а также в фармации для производства персонифицированных лекарственных средств.
Ортопедические устройства: с появлением аддитивного производства позвоночник, коленные и бедренные суставы, на которые оказывается наибольшая нагрузка и которые чаще всего требуют интенсивной терапии и даже замены, стали предметом для активных исследований.
Протезы: протезы конечностей уже завоевали определенную популярность, однако на их изготовление уходит много времени, потому что все их детали нужно изготавливать по отдельности. Теперь с помощью 3D-печати можно одним махом изготовить целый протез, причем подогнать его под индивидуальные параметры пациента.
Биопечать: олицетворение одной из самых блестящих разработок человечества на сегодняшний день. Это будущее трансплантологии. Искусственное создание живых тканей и органов на основе живых клеток с использованием 3D-клеток в качестве основы для 3D-печати. Исследования показали, что 3D-печать искусственных органов может происходить в их собственных стволовых клетках in vitro, вызывая дифференцировку живых клеток в качестве сырья, прямую печать живых органов или тканей in vitro или in vivo. Эта замена, в некоторой степени, решает проблему дефицита донора трансплантата.
Моделирование коронок и мостовидных протезов: традиционные методы с использованием литья, воска и длительных доработок уходят в прошлое. Многочисленные ручные операции требуют массу времени, высокой квалификации и в итоге не гарантируют необходимую точность. Применимая для этих задач аддитивная технология проста, точна, удобна в использовании, позволяет значительно сократить время подготовки и изготовления, и, кроме того значительно удобней для хранения и работы с данными, обеспечивая стопроцентную повторяемость изготовления стоматологических изделий (что важно в случае их поломки или утери). Полученные модели максимально соответствуют форме и положению в полости рта. А быстрое цифровое производство позволит оперативно подобрать необходимые параметры и геометрию будущих протезов, а самое главное, в точности с представлением хирурга и ожиданиями пациента.
Литьевые модели частичных съемных пластинчатых протезов: этот процесс, один из самых технически сложных в зубном протезировании, становится с использованием 3D-печати более легким, предсказуемым и в какой-то мере даже обыденным.
Аддитивные технологии, позволяющие синтезировать различные по сложности объемные объекты, становятся все более востребованными в самых разных отраслях, в том числе в строительстве. За последние четыре года в этой сфере произошел настоящий прорыв, люди научились печатать на 3D-принтерах сначала отдельные стены, потом гаражи и малоэтажные здания, а затем и более масштабные проекты. Стремительное развитие в области 3D-печати бетоном началось в 2014 году, когда шанхайская компания WinSun построила таким образом десять малоэтажных домов всего за 24 часа, а затем напечатала и пятиэтажное здание.
Аддитивное производство зданий и различных сооружений существенно сокращает время застройки. На сегодняшний день речь не идет о полном переходе на аддитивные технологии, пока они способны эффективно дополнять классические процессы или заменять их на каком-то определенном участке цикла.
Быстрота изготовления: сложные детали, которые могли бы изготавливаться месяцы традиционными методами, могут быть сделаны за несколько часов с помощью 3D-печати.
Примеры применения:
- Медицина: аддитивные технологии применяются для создания протезов, сердечных клапанов, искусственных органов и других медицинских изделий.
- Строительство: технология строительной 3D-печати уже используется для возведения зданий и сооружений в США, Саудовской Аравии, Мексике, Франции, России, ОАЭ.
Кронштейн для скейтборда разработан с помощью программного обеспечения, поддерживающего применение генеративного дизайна. С помощью аддитивной технологии, кронштейн создан универсальным, что позволяет ему сохранять свойства вне зависимости от веса пользователя и позы катания. Конструкция сохраняет жёсткость и способна выдерживать сильные ударные и вибро-нагрузки. Кронштейн изготовлен из нержавеющей стали по технологии лазерного спекания КОМРО и установлен на стальном валу.
Современная обувная промышленность развивается стремительными темпами и применение аддитивных технологий осваивается самыми именитыми производителями. Уникальные возможности по созданию обуви открываются благодаря применению систем генеративного дизайна.
Традиционное производство малых партий или индивидуальных компонентов часто нерентабельно из-за высоких затрат на создание форм и оснастки.
Авиационная и аэрокосмическая промышленность: Аддитивные технологии позволяют уменьшить компонентов, сохранив их прочность.
Медицинская промышленность: 3D-печать помогает создавать индивидуальные импланты и протез, повышая качество медицинского обслуживания.
Энергетика: Аддитивные технологии позволяют изготавливать лопатки турбин с оптимизированной геометрией, которую сложно и дорого получить с помощью традиционных методов литья или механической обработки.
Хотя оборудование для аддитивных технологий дорогое, его использование приводит к экономии времени и материалов. Работа с 3D моделями невозможна без высокоточного оборудования и качественных исходных материалов. Для готового изделия это означает преимущество, а вот для стоимости - недостаток. Наиболее прогрессивная технология (которая ещё находится в стадии апробации и усовершенствования) - прямое лазерное спекание материалов (DMLS).
Хороший пример использования 3D-технологий в металлургии - создание литейных форм. Классический метод производства требует модели из дерева или пластика, а затем изготовления формы из металла. Это требует много времени, физических сил, материалов и финансов. Развитие аддитивных технологий в металлургии позволяет увеличивать количество изготавливаемых деталей и их качество. Искусственный интеллект может быть использован для создания инструментов для обработки металла: шаблоны для сварки, пресс-формы для штамповки и т. д.
Однако, несмотря на все свои преимущества, аддитивные технологии ещё не достигли уровня универсальности, который позволил бы им окончательно заменить традиционные методы производства. В процессе 3D-печати, особенно при использовании технологии лазерного спекания порошковых металлов, возникают сильные температурные градиенты, что вызывает внутренние остаточные напряжения. Однако все эти недостатки позволяет скомпенсировать численное моделирование. Для того чтобы получить качественное готовое изделие, необходимо правильно настроить параметры печати.
Численное моделирование процесса 3D-печати позволяет предсказать поведение материала при различных условиях и параметрах печати. Это важно для контроля напряжений и деформаций, которые могут привести к дефектам или искажениям конечного изделия. В качестве инструмента моделирования процесса 3D-печати используется специализированное программное обеспечение Ansys Additive Manufacturing. С использованием данного программного комплекса возможно моделирование поведения различных материалов в процессе 3D-печати.
Часто на практике возникает необходимость оптимизации конструкции. Например, в гоночных болидах снижение массы поворотного кулака снижает общую массу конструкции болида, величину сил инерции подвески, и, как следствие, повышает управляемость. Топологическая оптимизация представляет собой методы оптимизации формы конструкции, в результате которых получается оптимальное распределение материала в ограниченной области с учетом заданных нагрузок, граничных условий, геометрических, прочностных и иных ограничений. Использование топологической оптимизации может привести к существенной модернизации конструкции, например, уменьшить массу конструкции, при этом сохранив прочность и жесткость. Как правило, результатом топологической оптимизации является сложная, уникальная, органическая форма конструкции.
Рассмотрим задачу моделирования процесса 3D-печати поворотного кулака автомобиля. Поворотные кулаки изготавливаются из алюминия, титана стали и всевозможных сплавов. После проведения расчёта напряжённо-деформированного состояния производится топологическая оптимизация исходной модели поворотного кулака, а затем производится поверочный статический расчет с исходными нагрузками и граничными условиями. Далее производится моделирование процесса 3D-печати. Расчёты производится в два этапа. Сначала производится расчёт температурного поля во всей рабочей области детали. В рамках решения задачи строится конечно-элементная модель. Таким образом, была проведена симуляция этапов аддитивного производства на примере геометрии поворотного кулака, смоделирован процесс послойной печати для детали. В результате, получены поля распределения температур, остаточных напряжений и деформаций. В процессе печати коробления материала (т.е. изменения формы и размеров детали под влиянием внутренних напряжений) не возникает.
Аддитивные технологии продолжают развиваться, и их роль в промышленности становится все более значимой. Они не только ускоряют и удешевляют производственные процессы, но и открывают новые возможности для проектирования, кастомизации и экологически чистого производства.
Для наглядности приведем таблицу с основными областями применения аддитивных технологий:
| Отрасль | Примеры применения |
|---|---|
| Авиационная и аэрокосмическая | Прототипы, детали двигателей, оснастка, производство спутников |
| Автомобильная | Прототипы, инструменты для обработки металла, шаблоны для сварки, пресс-формы для штамповки |
| Судостроение | Небольшие детали, прототипы, ремонт деталей, запчасти |
| Медицина | Протезы, ортезы, макеты органов и тканей, импланты, коронки, зубные мосты |
| Строительство | Отдельные стены, гаражи, малоэтажные здания, элементы конструкций |
| Энергетика | Лопатки турбин с оптимизированной геометрией |
| Обувная промышленность | Создание уникальной обуви с применением систем генеративного дизайна |
Основные методы 3D-печати в фармации:
- Метод послойного наплавления (FDM)
- Струйная трехмерная печать (3DP)
В заключение, можно сказать, что аддитивные технологии представляют собой мощный инструмент для инноваций и оптимизации в различных отраслях промышленности, медицине и строительстве. Их дальнейшее развитие и внедрение обещает еще больше возможностей для создания уникальных продуктов и решений.
