3D принтиране в индустрията

МашиниСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 4, 2015

3D принтиране в индустрията

Настоящата статия, представяща технологиите за 3D принтиране в индустрията, продължава с представяне на някои от най-интересните оферти на българския пазар - 3D ПРИНТИРАНЕ В ПРОИЗВОДСТВОТО - ПРОДУКТИ И ДОСТАВЧИЦИ.

 

Pазглеждано доскоро само като инструмент за проектиране и тестване, 3D принтирането (познато още като адитивно производство) бързо се превърна в регулярна производствена операция в редица индустрии, включително военна, авиационна, автомобилостроене и производство на медицински изделия.

Въпреки че адитивният метод традиционно се прилага за продукция с малки обеми, чрез него могат да бъдат изработени и сложни продукти в големи серии. Методът позволява производството на олекотени, подсилени, персонализирани и дори предварително асемблирани продукти с по-малко производствени разходи от конвенционалните технологии.

Това се дължи на възможността при 3D принтиране прецизно да се контролира количеството подаван материал и начинът, по който се отлага материалът. Така чрез този метод могат да бъдат изработвани сложни структури, които конвенционалните производствени технологии не позволяват.

 

Друго предимство на адитивния метод е, че една и съща машина може да произведе множество коренно различни продукти. В традиционните производства линиите трябва да бъдат преоборудвани и пренастройвани при всяка смяна на продукта, което обикновено изисква средства и дълги прекъсвания на операциите.

Чрез възможностите на 3D принтирането вече не е трудно да си представим фабрика от бъдещето, която произвежда чаши, автомобилни компоненти и медицински изделия в едно и също помещение посредством 3D принтери.

Гъвкавите възможности за производство на широка гама изделия и фактът, че адитивният метод позволява принтирането да се извършва непосредствено преди стоката да бъде пласирана, както и там, където ще бъде използвана, води до сериозни промени в бизнес моделите и веригите на доставка. Много звена от тези вериги могат потенциално да бъдат елиминирани, включително дистрибуцията, складирането и търговията.

Променя се и икономиката на производството. То става все по-малко трудоемко, използва по-малко материали, генерира по-малко отпадъци и произвежда по-устойчиви продукти. В зависимост от използвания материал, продуктите, произведени чрез адитивен метод, могат да бъдат до 65% по-леки, но също толкова здрави като аналозите им, изработени чрез конвенционални методи.

Хардуерните решения за 3D принтиране еволюират заедно със самата технология. Сега 3D принтерите могат да изработват по-големи изделия и да постигат по-прецизно качество при по-високи скорости и с по-малко разходи. Заедно, всички тези предимства на адитивния метод създават предпоставки той да излезе от нишата, в която е позициониран, и да се превърне в реална алтернатива на конвенционалното производство за все по-голям набор от приложения.

С развитието на технологиите адитивният метод позволява все по-висока гъвкавост в производството, като позволява на компаниите да намаляват времетраенето на развойния период, да спестят от разходи за преоборудване и да улеснят производствените операции.

Същевременно е възможно изработването на все по-сложни форми и структури, които не са били рентабилни досега. В допълнение, адитивното производство позволява на компаниите да оптимизират използването на материали, като допускат все по-малко загуби в производствения процес.

Предимствата на 3D принтирането пред други методи и технологии могат да доведат до радикални промени в начина, по който се проектират, разработват и произвеждат широка гама от изделия в индустрията.

Приложения
Прототипирането е най-мащабното комерсиално приложение на 3D принтирането в наши дни, като статистиките сочат, че то съставлява около 70% от пазара. Тази технология позволява на проектантите (както и на клиентите им) да видят и изпробват както концепции, така и функционални обекти още в началото на цикъла на проектиране.

Това предотвратява скъпи промени по-късно в процеса, като пести средства и време на компаниите, които постоянно разработват и пускат на пазара нови продукти. Чрез бързо прототипиране производителите могат значително да съкратят периода на разработка. В някои индустрии 3D принтирането се е изместило от метод за изработка на прототипи до регулярна производствена технология, наречена директно цифрово производство (direct digital manufacturing).

Тази технология обикновено се прилага за малки серии и не изисква инструментална екипировка, като по този начин повишава гъвкавостта, адаптируемостта и времето до лансиране на пазара. Така държавите с голям интелектуален капитал, но с традиционно високи производствени разходи, отново да са в конкурентна позиция.

Технологии за 3D принтиране
Сред най-популярните технологии за 3D принтиране са многоструйното принтиране ( Polyjet ), стереолитографията (Stereolithography, SL), селективното лазерно синтероване (SLS – selective laser sintering), моделирането чрез наслагване (FDM – Fused Deposition Modeling) и директно метално лазерно синтероване (DMLS - Direct Metal Laser Sintering).
PolyJet технологията е базирана на високопрецизен процес на 3D принтиране.

Многоструйното принтиране е адитивна технология, като всеки слой е с дебелина от едва 16 микрометра, което го прави подходящ метод за изработване на презентационни или майсторски модели, както и на сложни полиуретанови отливки.

Процесът на многоструйно бързо прототипиране използва мастилено-струйна технология с висока резолюция в комбинация с UV-втвърдяващи се материали. Резултатът е икономично производство на изключително прецизни и точни физически прототипи.

Типичните приложения на метода включват производство на електронни компоненти и конектори, монтажни елементи за електрониката, презентационни модели, бутони, медицински изделия, фитинги, клапани и изделия със сложна вътрешна структура.

PolyJet технологията се използва и с инструментална екипировка (форми или матрици) в нискотемпературни приложения. Чрез нея се получават отлични отливки в матрици, които не изискват допълнителен метод за прецизиране на повърхностите.

Стереолитографията също използва фотополимери и ултравиолетови лампи, но тук фотополимерните смоли се държат във вана. UV-лъчите се насочват чрез динамични огледала, за да втвърдят определени зони от UV-втвърдяващата се смола. Едно от предимствата на стереолитографията е нейната скорост.

Чрез този метод функционални компоненти могат да бъдат произвеждани изключително бързо. Времето, необходимо за изработка на различните продукти обаче, варира според размера и сложността им и може да е от няколко минути до повече от ден.

При FDM технологията, процес на моделиране чрез наслагване, се екструдира загрят термопластичен материал слой по слой през прецизна дюза. С помощта на този метод могат да се изработват не само функционални прототипи, но и концептуални модели, както и готови продукти за крайна употреба.

Предимство на технологията е, че всички части и компоненти могат да бъдат изработени високоефективно, в големи размери и от инженерни термопластични материали, което е полезно за машинните инженери и производителите. Моделирането чрез наслагване е единствената адитивна технология, чрез която могат да се изработват изделия от производствен клас термопласти, които са с отлични механични, термични и химични характеристики.

FDM технологията е широко разпространена в наши дни в широк кръг от индустрии, като автомобилостроенето и дори хранително-вкусовата промишленост. Методът се използва за разработване на нови продукти, концептуални модели, прототипиране и дори като стандартна производствена технология. Тя се счита за лесен и екологосъобразен метод за производство на продукти. Най-сериозното постижение на моделирането чрез наслагване е възможността за изработване на обекти със сложна геометрия и множество кухини и отвори.

Селективното лазерно синтероване (SLS) е техника, която използва лазер като източник на енергия за формоване на твърди 3D обекти. За разлика от някои други адитивни методи за производство, като стереолитографията и моделирането чрез наслагване например, SLS технологията не изисква поддържащи структури, тъй като принтираният обект постоянно е обграден от несинтерован (неспечен) прахообразен материал.

Благодарение на широката гама от материали, които могат да бъдат използвани с този тип 3D принтер, технологията е много популярна за изработка на персонализирани продукти. Селективното лазерно синтероване може да бъде прилагано на всеки етап от цикъла по разработка на продукта, от производството на модели до функционални тестови части и компоненти и малки продуктови партиди и серии.

Директното метално лазерно синтероване (DMLS) е техника за адитивно производство, която използва лазер като източник на енергия, който синтерова (разтапя и слива) прахообразен материал (обикновено метал). Лазерът се насочва автоматично към точките, дефинирани от предварително проектиран 3D модел, като свързва материала и изработва твърда структура.

Методът е подобен на SLS техниката – базиран е на същата концепция, но се различава по техническите детайли. При селективното лазерно разтопяване (Selective laser melting, SLM) се използва сходен метод, но материалът напълно се разтопява, вместо да се синтерова.

Така готовото изделие е с различни характеристики (кристална структура, порьoзност и др.)
DMLS технологията се прилага за изработването на директни компоненти за редица индустрии, включително аеронавтика, стоматология и медицина, както и в други сектори, в които се използват малки до средни по размер сложни изделия. Сред приложенията на метода е и металообработката за изработването на инструментална екипировка, например сменяеми пластини и вложки.

Освен изброените технологии бързо набират популярност и SHS (селективно топлинно синтероване) и SDL (селективно отлагащо ламиниране). SHS е разновидност на SLS, но вместо лазер, който споява прахообразния материал, се използва термична глава (подобна на тази в 2D принтерите). Технологията се отличава с редица предимства като по-ниска цена на машината, по-лесно обслужване, способност да работи и в офис пространство, по-евтини консумативи, по-безопасна технология, неотсъпваща по качество на SLS, твърдят специалистите.

Другата интересна нова технология е SDL (selective deposition lamination - селективно отлагащо ламиниране). При нея принтерите произвеждат обекти, ламинирайки тънки листа материал един върху друг. Напречните сечения се изрязват от слоевете с нож или посредством лазерно рязане. Когато принтът е готов, моделът се вади от монолитния блок материал, в който е вграден. Нови подобрения на SDL технологията позволяват пълноцветното принтиране с използването на подобен подход като при 3DP технологията.

Използвани материали
Налице са все повече технологични достижения в областта на материалите, използвани за адитивно производство през последните 5-10 години. Днес 3D печатните технологии се използват за изработка на прототипи и крайни компоненти от стотици различни видове полимери и метали. Напредъкът в областта на адитивното производство, заедно с разработването на нови високотехнологични материали, значително е спомогнал за утвърждаването на техниките за 3D печат сред инженери, проектанти и производители.

При избора на материал за даден проект, включващ изработка на продукти посредством 3D принтиране, е необходимо да бъдат взети предвид приложението, функциите и дизайнът на продуктите. Достъпните за адитивно производство материали се различават по топлинната си деформация, химическа устойчивост и дълготрайност. Рентабилността на използването на който и да е материал до голяма степен зависи от спецификите на проекта и целевия жизнен цикъл на продукта.

Фотополимерните материали в 3D печата са течни смоли, които се втърдяват под въздействието на ултравиолетова светлина. Те се различават по цвят, прозрачност и еластичност. В адитивното производство две от широко разпространените технологии използват предимно фотополимерни материали – стереолитографията и многоструйното принтиране.

Прахообразни пластмаси. Найлоните, използвани в 3D принтирането, започват като прахообразни композити, които се нагряват с CO2 лазер и слой по слой се превръщат в плътни полиамидни конструкции. Найлоновите материали се предпочитат за дадени приложения поради специфичната им топлинна деформация, висока якост и отлични свойства на удължаване. Процесът не изисква спомагателни материали и чрез него могат да бъдат изработени сложни дизайни и геометрии.

Метали. 3D принтирането на метали включва подготовка на материала в прахообразно състояние. Металите на прах се нагряват и сливат чрез мощен лазер. Триизмерният печат на метални изделия е високоспецифичен метод, който изисква добре обучени инженери и екип за последваща обработка на изделията. Чрез него могат да бъдат изработени изключително сложни плътни детайли.

Адитивното производство на метални компоненти е алтернатива на заваръчните и металообработващи процеси и може да се използва за изработването на комплексни многокомпонентни изделия с една операция. Използваните за 3D принтиране метали са сходни с материалите, прилагани в космическия, транспортния, медицинския, нефтения и газов сектор. Те включват: неръждаема стомана 17-4PH, неръждаема стомана 316L, алуминий (AlSi10Mg), инконел 625, инконел 718, титан (Ti64) хром-кобалт (CoCrMo)5 и др.

Изделията, изработени от прахообразни метали, не се различават по здравина и конструктивни особености от продуктите, произведени от конвенционални лети метали.
Термопластите, използвани в триизмерния печат, са високоефективни инженерни материали, които проявяват много от свойствата на шприцваните пластмаси. В тази група се включват поликарбонат (PC), акрилонитрил бутадиен стирен (ABS), акрилонитрил стирен акрилат (ASA) и др. Тези материали типично се използват в технологията за моделиране чрез наслагване.

Прогнози за развитие
Адитивното производство притежава потенциал да промени начина, по който компаниите добавят стойност към продуктите и услугите си. Аутсорсингът в конвенционалното производство спомогна значително за това предприятията да се фокусират повече върху проектантските си екипи и възможности. В тази връзка, 3D принтирането би могло да намали разходите и сложността на редица производствени операции и да накара компаниите да търсят нови начини да диференцират продукцията си. Сред тях могат да са по-лесно поправими изделия (с по дълъг жизнен цикъл), персонализирани продукти и др.

Намаляването на зависимостта от инструментална екипировка, на която е базирано производството на големи обеми и партиди идентични изделия, създава възможност за компаниите да предлагат персонализирани или поръчкови дизайни на по-ниска цена на много по-широк кръг от клиенти.

Все повече такива оферти стават икономически жизнеспособни на глобалния пазар и предприятията са изправени пред необходимостта да определят най-привлекателните и рентабилните сред тях. Комбинацията от масова персонализация на продукти и нови възможности по отношение на дизайна вдига летвата за много компании и може да се окаже разрушителна за традиционните лидери в някои индустриални сегменти.

В дадени звена от веригата на добавената стойност приложението на адитивни технологии няма да бъде забелязано от клиентите, но вероятно ще окаже огромна полза за компанията. Ключово предизвикателство на традиционните афтърмаркет вериги на доставките например е управлението на съответните материални запаси от резервни части, особено за по-утвърдените, доказани продукти.

Възможността тези резервни части да бъдат произвеждани по заявка чрез 3D печат завинаги ще промени икономиката на афтърмаркет услугите и структурата на свързаните с тях индустрии. Малки локални подразделения с капацитет за адитивно производство биха могли напълно да заменят големите регионални складове.

Доставката на сервизни части може дори да бъде аутсорсната към малки производители с оборудване за 3D принтиране, локализирани около летища, болници или големи производствени бази, които биха могли да произвеждат резервните компоненти, необходими за поддръжка на системите, работещи в големите обекти.

Търговците на теория също биха могли да използват такава услуга и да позволяват на клиентите да персонализират различни продукти на място като играчки например. Този бизнес модел може да представлява верига на добавената стойност за производители, които притежават оборудване, дизайни и др.

Конкурентност на пазара
Множеството ползи от адитивния метод на производство се явяват предпоставка за възникването и установяването на нови типове компании на пазара, например такива, предлагащи технологии за намаляване на разходите за преоборудване и инструментална екипировка. Производства с капацитет за 3D печат биха могли да бъдат рентабилни дори и в малки серии и в нишови сегменти.

Директното производство на крайни продукти значително опростява работата на дизайнерите, чиито чертежи се пренасят директно от компютъра към 3D принтера. Утвърждават се нови бизнеси, които предлагат високо персонализирани или колаборативно проектирани продукти (от човек и машина).

Други се явяват платформа за производството и дистрибуцията на продукти, проектирани и продавани онлайн от самите потребители. Всички тези нови бизнес модели са базирани на променящите се изисквания на клиентите и пазара и изграждат връзки, които конвенционалните компании не биха могли да осъществят.

В началото тези бизнеси са нишови и разчитат на потребители, които са склонни да платят за единствен по рода си дизайн, сложна геометрия или бърза доставка. В дългосрочен план обаче те биха могли да трансформират индустрията така, че да изместят конкурентното предимство на продуктите от производителя, който притежава капацитета да произвежда големи партиди с ниски разходи, към дизайнера.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top