Produkcja na wielką skalę?
Technologia przyrostowa to ogólny termin dla wszystkich technik wytwarzania, które tworzą obiekty fizyczne poprzez sukcesywne dodawanie materiału, zazwyczaj w sposób warstwowy. Technologie te różnią się od tradycyjnych metod, które albo usuwają materiał (obróbka), albo w jakiś sposób go kształtują (odlewanie i kucie). Oczywiście, termin “technologia przyrostowa” wiąże się z innym, który prawdopodobnie znasz: Druk 3D.
Chociaż terminy ” technologia przyrostowa ” i “druk trójwymiarowy” są często używane zamiennie, w rzeczywistości ten drugi jest tylko jednym z rodzajów pierwszego. Innymi słowy, ” technologia przyrostowa ” jest szerszym terminem, który jest częściej kojarzony z zastosowaniami przemysłowymi, w tym z seryjną produkcją komponentów.
“Druk 3D”, z drugiej strony, ma większe znaczenie dla konsumenta. Sama natura części wykonanych w tych dwóch technologiach jest inna: Podczas gdy druk 3D jest często wykorzystywany do produkcji figurek, dekoracji, a nawet małych części funkcjonalnych, w technologii przyrostowej powstają formy, komponenty i produkty użytkowe.
W tym artykule zajmiemy się wszystkimi siedmioma rodzajami technologii przyrostowej , które zostały skategoryzowane przez Międzynarodową Organizację Normalizacyjną (ISO/ASTM 52900):
Nie pogub się
W tym momencie możesz się zastanawiać, gdzie są wszystkie znane terminy takie jak FDM, SLA i DLP? Nie martw się – są one wciąż aktualne. Będą one omówione w kontekście szerszych zagadnień.
Fotopolimeryzacja
Fotopolimeryzacja , zwana również stereolitografią (SLA), jest procesem, w którym ciecz jest utwardzana przez źródło światła, zamieniając je w ciało stałe. Zjawisko to stało się znane pod nazwą polimeryzacji
SLA został opracowany na początku lat 80-tych przez Chucka Hull’a, założyciela 3D Systems, który następnie opatentował ten proces i wprowadził go na rynek w 1987 roku w maszynie SLA-1.
Jak to działa?
SLA wykorzystuje żywice , które utwardzają się pod wpływem światła UV. światło to jest wiązką laserową, która naświetla kształt każdej warstwy . Po czym platforma robocza zanurza się w żywicy aby utrwalić warstwę, a następnie proces ten powtarza się dla kolejnych warstw.
Po wydrukowaniu element musi zostać poddany dodatkowej obróbce w specjalnej komorze z dodatkowym promieniowaniem UV. Kiedy cała żywica jest w pełni utwardzona, łącznie z wewnętrznymi obszarami detalu, obiekt 3D jest gotowy do użycia.
Materiały
Żywice fotopolimerowe stosowane w procesie druku SLA są zazwyczaj oparte na żywicach epoksydowych lub akrylowych. Chociaż żywice epoksydowe wymagają więcej energii do krzepnięcia, są obecnie najczęściej stosowane w zastosowaniach przemysłowych ze względu na ich lepsze właściwości mechaniczne i termiczne. Żywice epoksydowe są również mniej podatne na kurczenie się podczas przetwarzania niż żywice na bazie akrylanów.
Z drugiej strony, żywice na bazie akrylu są bardzo wszechstronne, od bardzo wytrzymałych do elastycznych, przypominających gumę materiałów. Żywice te są również bardziej stabilne kolorystycznie, więc częściej są używane, gdy potrzebny jest konkretny kolor.
Zastosowania
W procesach SLA powstają bardzo szczegółowe i dokładne wymiarowo części. Istnieje nawet podproces zwany “mikrostereolitografią”, który obsługuje części w skali nanometrycznej i nie ma sobie równych pod względem precyzji z żadnym innym rodzajem technologii przyrostowej
Fotopolimeryzacja stosowana jest na wielu rynkach, ponieważ materiały są łatwo dostępne, a metoda ta jest przydatna do wytwarzania różnych produktów konsumenckich. Na przykład, producent aparatów słuchowych Sonova używa SLA do tworzenia produktów dostosowanych do indywidualnych potrzeb klientów. Przemysł obuwniczy, w tym Adidas i Nike, również wykorzystuje tę technologię do produkcji seryjnej.
Zaleta: Wysoka dokładność
Wady: wymagane podpory, długotrwały post processing
Materiały: Żywice fotoutwardzalne
Producenci/maszyny: Systemy 3D, ProX 800; Formlabs, Form3
Wytłaczanie materiałów
Wytłaczanie materiałów jest pojęciem ogólnym dla wszystkich technologii przyrostowych, w których materiał jest dozowany przez dyszę do formowania kształtów. Pierwszy proces wytłaczania materiałów przemysłowych został wynaleziony i opatentowany przez Scotta Crumpa w 1989 roku.
Crump jest współzałożycielem firmy Stratasys, która w 1991 r. wprowadziła technologie FDM, dzięki czemu stała się ona drugą metodą wytwarzania przyrostowego, która weszła na rynek.
Jak to działa?
Budulcem jest każdy kompozyt, który można przepchnąć przez dyszę. Proces ten polega na przepuszczeniu przez dyszę stopionego materiału który jest układany warstwa po warstwie na platformie roboczej aż do uzyskania konkretnego elementu
Materiały
Z technicznego punktu widzenia każdy materiał, który może być przepchnięty przez dyszę i zachować swój kształt, może być wykorzystany w procesach wytłaczania materiału, niezależnie od tego, czy jest on podgrzewany, czy nie. Dotyczy to takich materiałów, jak plastik, beton, glina, bioink, oraz jadalne materiały, takie jak czekolada.
Niewątpliwie najczęściej stosowanym materiałem do wytłaczania są czyste lub kompozytowe tworzywa termoplastyczne w postaci filamentu. W rzeczywistości większość tworzyw termoplastycznych nadaje się do tej technologii, od standardowych tworzyw przemysłowych, takich jak ABS i nylon, po bardziej zaawansowane technologicznie materiały, takie jak PEEK. Materiały kompozytowe, takie jak tworzywa sztuczne wypełnione metalem lub włóknem węglowym, są również alternatywą dla bardziej technicznych projektów.
Zastosowania
Wytłaczanie materiałów jest bardzo prostym procesem. Surowiec jest zazwyczaj łatwy w obróbce, a gotowy element zwykle nie wymaga wiele obróbki wtórnej, poza usuwaniem podpór. Stanowi to idealne środowisko do szybkiego tworzenia prototypów, co jest najbardziej powszechnym zastosowaniem w procesach przypominających FDM.
Istnieją dosłownie setki zastosowań przemysłowych dla procesów wytłaczania materiałów. Materiały bubulcowe mogą być wykonywane na maszynach do wytłaczania betonu, a tkanki i organy ludzkie zostały już stworzone przy użyciu nowych technik bioprintingu.
Wytłaczanie materiałów jest używane również przy produkcji armatury. Ze względu na stosunkowo niskie koszty materiałów, wiodące firmy motoryzacyjne, takie jak Volkswagen i BMW, również korzystają z tej technologii.
Zalety: Tani i prosty proces
Wady: Stosunkowo niska dokładność i prędkość
Surowce: Polimery i kompozyty
Producenci/maszyny: Stratasys, F900
Łączenie arkuszy
Jest to proces, w którym arkusze materiału są łączone ze sobą, warstwa po warstwie, tworząc obiekt 3D. Chociaż zasada działania tej technologii przyrostowej nie jest całkowicie nowa, pierwsza maszyna do łączenia arkuszy została wyprodukowana w 1991 roku przez firmę Helisys. Istnieją dwa główne rodzaje tej technologii, którym przyjrzymy się poniżej
Jak to działa?
Być może najpopularniejszą technologią łączenia arkuszy jest ultradźwiękowa produkcja przyrostowa (UAM). W tej technice arkusze blachy o temperaturze pokojowej są łączone ze sobą za pomocą fal ultradźwiękowych i nacisku mechanicznego.
Blachy są cięte laserowo lub poprzez frezowanie przed lub po klejeniu. W ten sposób powstaje przekrój poprzeczny każdej warstwy, który po ułożeniu razem tworzy model 3D. Części są polerowane w trakcie lub po zakończeniu procesu, aby uzyskać lepsze wykończenie.
Inną techniką jest LOM, która wykorzystuje powłokę klejącą do łączenia arkuszy materiału. Arkusze te są często podgrzewane przez wałek, który również dociska je do płyty konstrukcyjnej, aby poprawić ich przyczepność. Po zakończeniu procesu, gotowe elementy są wyciśągane z resztek materiału który je otacza. Część lub otaczające ją krawędzie są zazwyczaj tworzone za pomocą krzyżowania w celu ułatwienia ekstrakcji.
Materiały
Metale takie jak aluminium, miedź, stal nierdzewna i stopy tytanu są najbardziej odpowiednie dla UAM. Co ciekawe, proces ten pozwala na łączenie różnych metali
Dla LOM najpopularniejszym materiałem jest zwykły papier A4. Podprocesem tej technologii jest SDL, które umożliwia wykonywanie pełnokolorowych elementów
Zastosowania
Technologie łączenia arkuszy są stosunkowo przystępne cenowo w porównaniu z innymi technologiami przyrostowymi. UAM wymaga niskiego poziomu energii, ponieważ blachy nie są topione, a LOM wykorzystuje tanie materiały, które są bardzo łatwe w obsłudze. Obie techniki są również stosunkowo szybkie.
UAM zapewnia niezawodny sposób łączenia różnych metali, idealny do tworzenia nowych kombinacji materiałów. LOM jest zazwyczaj używana do szybkiego prototypowania, ponieważ nie może produkować części o skomplikowanej geometrii, którym brakuje dokładności wymiarowej. SDL może być ekonomiczną opcją dla pełnokolorowego prototypowania.
Zalety: Szybki, tani, łatwy w obsłudze
Wady: Niska wytrzymałość części (LOM), długa obróbka końcowa (UAM)
Surowce: Papier, plastik, metal
Producenci/maszyny: CleanGreen 3D, CG-1 Full-Colour (LOM); Fabrisonic, SonicLayer 1200 (UAM)
Spiekanie proszku
Z definicji procesy spiekania proszku wykorzystują źródło energii cieplnej do stapiania określonych obszarów sproszkowanego materiału. Obejmuje to kilka procesów komercyjnych, często wykorzystywanych do zastosowań przemysłowych.
Pierwszy wynaleziony proces syntezy proszku znany jest jako selektywne spiekanie laserowe (SLS), opracowany i opatentowany przez dr Carla Deckarda z Uniwersytetu Teksańskiego. W 1992 roku pierwsza maszyna SLS została wprowadzona na rynek przez DTM, firmę Dr. Deckarda, która obecnie należy do firmy 3D Systems.
Jak to działa?
Niezależnie od techniki, wszystkie procesy syntezy proszku zachodzą w komorze próżniowej. Komora jest wstępnie podgrzewana, a proces rozpoczyna się od rozprowadzenia cienkiej warstwy materiału proszkowego na platformie
.Następnie źródło energii termicznej selektywnie skanuje regiony złoża, aby połączyć proszek, tworząc cienką warstwę połączonego materiału. Po zakończeniu jednej warstwy, platforma przesuwa się w dół, a na wierzchu rozprowadza kolejną warstwę proszku.
Następna warstwa jest łączona z poprzednią, a proces jest powtarzany aż do utworzenia obiektu 3D. Niezwiązany proszek jest usuwany z części, a to co pozostało w komorze może być do pewnego stopnia ponownie wykorzystane.
Najczęstszym źródłem ciepła jest laser. Występuje on zarówno w SLS jak i w selektywnym topieniu laserowym (SLM). Technologia wiązki elektronów (EBM) jest również skuteczną alternatywą dla lasera, osiągając wyższą temperaturę i będąc w stanie lepiej przetwarzać materiały takie jak stopy tytanu.
Materiały
Bardzo szeroka gama materiałów może być wykorzystana w tej technologii, od tworzyw sztucznych takich jak nylon po różne metale takie jak stal nierdzewna, aluminium i stopy tytanu. Materiały ceramiczne mogą być również przetwarzane poprzez dodanie kilku dodatkowych kroków do głównego procesu.
W zależności od materiału, proszek może zostać stopiony przez spiekanie, proces metalurgiczny, w którym materiał jest tylko częściowo stopiony. Tak jest w przypadku SLS i innego procesu zwanego selektywnym spiekiem cieplnym (SHS). W przypadku pozostałych technik, proszek jest całkowicie topiony do momentu, w którym łączy się z sobą i z poprzednimi warstwami.
Zastosowania
Speikanie proszku jest jedną z niewielu technik produkcji dodatków, która jest intensywnie wykorzystywana do produkcji części. Właściwości mechaniczne części metalowych wytwarzanych w procesach SLM i EBM są porównywalne do tych uzyskiwanych tradycyjnymi metodami produkcji, takimi jak obróbka skrawaniem i odlewanie. Podczas gdy post-processing jest bardzo często wymagany, branże takie jak medyczna i lotnicza już teraz regularnie korzystają z tych technologii.
Podaje się, że nowe silniki Boeinga 777X zawierają po około 300 dodatkowych komponentów, a wszystkie są wykonane metodą fuzji proszkowej. Obejmuje to części, które nie mogą być wyprodukowane żadną inną techniką, jak na przykład tzw. indukcyjny silnik odrzutowy.
Zalety: Szeroka gama materiałów i dobre właściwości mechaniczne
Wady: Kosztowne materiały
Surowce: Tworzywa sztuczne, metal, ceramika
Producenci/maszyny: SLM Solutions, SLM 280; GE Additive, Arcam Spectra L; EOS, Formiga P110
Zlepianie proszku
W procesie zlepiania proszku wykorzystuje się dwa rodzaje materiału: bazę proszkową do jego budowy oraz płynny środek wiążący. Produkcja rozpoczyna się podobnie jak w przypadku spiekania proszku, przy czym wałek niwelacyjny rozprowadza cienką warstwę materiału proszkowego na platformie konstrukcyjnej. Głowica drukująca, bardzo podobna do tradycyjnej głowicy atramentowej, porusza się poziomo i rozpyla środek wiążący na określone obszary warstwy proszku.
Ciekłe spoiwo powoduje reakcję chemiczną, a materiał proszkowy łączy się z pierwszą warstwą. Następnie opuszcza się platformę roboczą, aby można było rozprowadzić nową cienką warstwę proszku. Proces ten powtarza się z kolejnymi warstwami wiążącymi się razem, aż do powstania całego obiektu.
Po zakończeniu procesu drukowania produkt musi zostać poddany czynnościom post-procesowym w celu zwiększenia jego wytrzymałości. Przyjrzymy się temu lepiej w dalszej części artykułu
Materiały
Zlapianie proszku jest stosowane do elementów ceramicznych, metalowych, a nawet piaskowych. Niezależnie od materiału, wszystkie przedmioty wymagają obróbki :
Utwardzanie i spiekanie: Wiąże się to z zastosowaniem ciepła, zwykle w kontrolowanym środowisku, takim jak piec, w celu efektywnego połączenia cząsteczek.
Spiekanie: W procesie tym środek wiążący jest spalany, pozostawiając część dość porowatą.
Wypełnienie: Aby zmniejszyć porowatość i zwiększyć gęstość, części są infiltrowane za pomocą różnych materiałów, które wypełniają te puste przestrzenie.
Zastosowanie
W procesie łączenia lepiszczem wytwarza się części metalowe po niższych kosztach niż w przypadku innych technologii, takich jak spiekanie proszku. Ponadto, ponieważ proszek metalowy nie topi się w trakcie procesu, eliminuje się problemy związane z naprężeniami szczątkowymi.
Ponieważ środek wiążący może być barwiony, części niemetalowe mogą być produkowane w szerokiej gamie kolorystycznej, co sprawia, że proces ten jest szczególnie odpowiedni do prototypowania wysokiej jakości. Dzieje się tak w przypadku procesu ColorJet Printing (CJP) . Materiały te są również szeroko stosowane do produkcji form piaskowych i wzorów odlewniczych.
Zalety: Kolorowe części, tańsze wykonanie z metalu
Wady: Wysoki czas i koszty procesu
Surowce: Tworzywa sztuczne, metal, ceramika
Producenci/maszyny: ExOne, X1 160Pro i S-Print
Natrysk materiałem
Natrysk materiałem jest procesem, w którym krople materiału budowlanego są selektywnie osadzane i utwardzane, tworząc element.
Pierwsze skomercjalizowane systemy zostały wyprodukowane przez Solidscape w 1994 roku. Maszyny te produkowały części woskowe za pomocą technologii znanej dzisiaj jako “drop on demand” (DOD). W 1998 roku został opatentowany nowy proces tej technologii o nazwie PolyJet. Został on opracowany przez Objet, izraelską firmę, która obecnie jest częścią Stratasys.
Jak to działa?
Technologię można opisać jako połączenie druku atramentowego 2D i SLA. Proces rozpoczyna się od podgrzania materiału-żywicy fotoreaktywnej, w celu uzyskania odpowiedniej lepkości. Następnie jedna lub więcej głowic drukujących porusza się poziomo i wystrzeliwuje setki mikrokropelek materiału na platformę , w sposób ciągły lub kropla po kropli.
Kropelki te tworzą warstwę, która ulega scaleniu poprzez chłodzenie, utwardzanie promieniami UV lub odparowanie ciekłej części materiału za pomocą lasera na podczerwień. Następnie platforma przesuwa się w dół, aby można było osadzić kolejną warstwę materiału. Proces ten jest następnie powtarzany aż do momentu ukończenia elementu.
Materiały
Być może jedna z głównych zalet technologii natryskiwania jest związana z używanymi materiałami. Każda głowica drukująca może przechowywać inny, co pozwala na jednoczesne użycie części z wielu materiałów i wielokolorowych. Oznacza to, że różne obszary jednej części mogą być wykonane z różnych materiałów lub kolorów.
Najpopularniejszymi materiałamii do natryskiwania są polimery w postaci ciekłych żywic. Żywice fotoutwardzalne UV podczas natryskiwania materiałów mają tę zaletę, że wytwarzają już całkowicie utwardzone części, co pozwala uniknąć dodatkowych etapów obróbki końcowej. Chociaż jest to mniej powszechne, można również wykorzystać metale.
Zastosowania
Oprócz możliwości druku wielomateriałowych części, metoda ta jest być może najszybszą i najdokładniejszą technologią przyrostową. Może ona również zapewnić bardzo gładkie wykończenie powierzchni i produkować bardzo duże części bez utraty dokładności wymiarowej.
Wysoka dokładność sprawia, że proces ten nadaje się również do produkcji narzędzi i form wtryskowych.
Zalety: Bardzo wysoka dokładność, szybki proces, gładkie wykończenia
Wady: Wysoki koszt wyposażenia
Surowce: Polimery, woski
Producenci/maszyny: Stratasys Object500 Connex3; HP, Jet Fusion 4200
Skoncentrowane źródło energii
Technologie Directed Energy Deposition (DED) polegają na topieniu materiałów w trakcie ich odkładania. Jest to złożony proces produkcyjny, który jest często wykorzystywany do napraw i konserwacji.
Istnieje wiele różnych procesów, które należą do tej kategorii, takich jak produkcja światła ukierunkowanego (DLF), bezpośrednie osadzanie metali (DMD) oraz najpopularniejsze, laserowo sterowane kształtowanie siatki (LENS).
Ta ostatnia była pierwszą technologią DED, opracowaną przez Sandia National Laboratories w latach 1994-1997. W tym czasie uznawano ją za mającą znaczenie zarówno komercyjne, jak i militarne.
Jak to działa
Aby stopić materiały razem, potrzebne jest intensywnie skoncentrowane źródło energii, zwykle laser. Laser jest montowanyna ramieniu wieloosiowym, co pozwala na swobodę ruchów niespotykaną w innych technologiach przyrostowych.
Materiał jest przepychany przez dyszę, a następnie włączany i poddawany działaniu skupionej wiązki energii, topiąc się i osadzając jednocześnie. Proces ten jest nieco podobny do wytłaczania materiału, ale wymaga znacznie więcej energii i może być wykonywany w wielu kierunkach.
Materiały
Materiały do procesów DED mają postać linki lub proszku.
W zależności od procesu, w DED mogą być stosowane tworzywa sztuczne i ceramiczne, ale metale są zdecydowanie najbardziej popularnym materiałem.
Dla metali, DED obsługuje szeroki zakres, w tym tytan, Inconel (), miedź, aluminium i stal nierdzewną. Warto zauważyć, że materiał do tych procesów jest znacznie tańszy niż w przypadku proszków metalowych stosowanych w stapianiu proszków.
Zastosowania
Technologia ta jest znana z tego, że zapewnia wysoką wydajność osadzania materiału, dzięki czemu proces produkcji jest szybki. Części produkowane przez DED wymagają ograniczonej obróbki wtórnej i wykazują właściwości mechaniczne porównywalne (lub lepsze niż w przypadku metali odlewanych lub kutych).
Proces LENS umożliwia na prawienie części, których nie sposób naprawić tradycyjnymi metodami. Dzieje się tak, ponieważ procesy DED mogą dodawać materiał do uszkodzonych obszarów w różnych kierunkach. W rzeczywistości, procesy te są często stosowane w hybrydowych maszynach produkcyjnych, gdzie stosowane są zarówno metody dodawania, jak i odejmowania.
Zalety: Elastyczny i szybki proces, efektywny materiałowo
Wady: Wysoki koszt wyposażenia
Surowce: Tworzywa sztuczne, metal, ceramika
Producenci/maszyny: DMG Mori, LASERTEC 65; Mazak, INTEGREX i-400 AM
Źródło: https://all3dp.com
