Прогресът на адитивното производство

МашиниТенденцииСпециален брой: Иновации в машиностроенето • 08.09.2022

  • Секторът е в процес на непрекъсната рационализация като производителите на оригинално оборудване за АП активно говорят за възможностите и ограниченията на технологията, а крайните потребители натрупват все по-голям опит

  • Макар технологичната зрялост на АП да е демонстрирана в няколко конкретни отрасъла, отделните компании се затрудняват с внедряването му в индустриален мащаб

  • През последните години са разработени множество нови материали за АП, което е широко приветствано от индустрията, тъй като доскоро липсата на налични материали беше сред основните бариери за внедряване на технологията

В продължение на повече от десетилетие се наблюдават цикли на широка популярност на темата за адитивното производство (АП). Въпреки че не всички предсказания и прогнози стават реалност, индустриализацията на АП преминава през различни вълни, все пак достигайки среден годишен темп на растеж от 20%. Като цяло секторът е в процес на непрекъсната рационализация като производителите на оригинално оборудване за АП активно говорят за възможностите и ограниченията на технологията, а крайните потребители натрупват все по-голям опит.

Наскоро потенциалът АП да има значителна роля в бъдещето на производството отново бе подчертан в контекста на пандемията от COVID-19. Когато целият свят застина и здравните системи не можеха да се справят с главоломно растящото търсене на продукти от критично значение като консумативи за вземане на назални проби и компоненти за апарати за командно дишане, секторът на АП имаше възможността да се намеси бързо и да подпомогне веригите на доставка. По този начин тези, които дотогава отхвърляха технологията или като прекалено скъпа, или като прекалено незряла, за да бъде наистина полезна в индустриален мащаб, започнаха отново да проявяват интерес към възможностите на АП и как то би могло да бъде използвано за осигуряване на по-висока надеждност, гъвкавост и адаптируемост на производствените системи към бъдещи кризи.

 

Настоящи и бъдещи предизвикателства

Макар технологичната зрялост на АП да е демонстрирана в няколко конкретни сектора, отделните компании се затрудняват с внедряването му в индустриален мащаб. Повечето от тях подценяват степента, до която внедряването е преди всичко процес на обучение, обхващащ цялата верига за създаване на стойност и изискващ специфичен експертен опит, който трябва да бъде натрупан. По време на този процес множество различни предизвикателства могат да възпрепятстват напредъка и успеха на внедряването. Сред тях са пречки, свързани с технологията, организацията и екосистемата, в която работят производствените компании.

Днес и в обозримо бъдеще производствените разходи за детайлите, изработени чрез АП, са основното препятствие пред внедряването на технологията. Някои експерти подчертават, че това не се отнася само до разходите за машината и материалите, но представата за липса на якост и качество също оказва значително влияние върху разходите. Сложните геометрии на адитивно произведените детайли, малките размери на партидите и други специфични особености на АП затрудняват последващата обработка и автоматизирането на производството. В резултат последващата обработка държи съществен дял от общите разходи за един детайл.

Липсата на дефинирани стандарти в строго регулирани области като аерокосмическата, железопътната, автомобилостроителната и медицинската индустрия забавя ръста на пазара на АП. Стандартизацията е пречка, тъй като за внедряването на АП е необходимо компаниите да изяснят несигурностите, да гарантират отговорност и да преминат процеси на одобрение. В този контекст сертификацията на адитивно произведените детайли и квалифицирането на продукцията се смятат за ключови предизвикателства за следващите 10 години.

АП често се описва като дигитален процес. Специфични сценарии за дигитално производство като масовата персонализация например изискват ефективна дигитална основа. Специалистите обаче смятат, че прекъсването на веригата от дигитални процеси продължава да е предизвикателство, чието разрешаване ще отнеме още време. Свързването на софтуера от един доставчик с този на следващия по веригата от процеси все още не се осъществява, което води до появата на междинни етапи и намаляване на качеството. Освен това генерираната в продължение на веригата от процеси информация невинаги е достъпна и позволява споделяне.
Друг проблем според експертите е, че компаниите се нуждаят от високо ниво на ноу-хау, за да разработят подходящи приложения и да внедрят АП в бизнеса си. В дългосрочен план очакванията са значимостта на този проблем да намалее след 5 до 10 години. Това ще е възможно благодарение на непрекъснатото усъвършенстване на знанията и уменията в рамките на индустрията, както и на навлизащите в работната сила студенти, специализирали в областта на АП.

 

Възможности

Въпреки че на пръв поглед споменатите предизвикателства и пречки може да са обезкуражаващи, редица успешни внедрявания на АП подчертават факта, че като цяло възможностите, които създава технологията, многократно компенсират ограниченията и недостатъците й.
Макар по своята същност да е производствен процес, АП в много отношения е по-скоро технологична платформа. Поради цифровия си характер АП е съвместимо с широка гама от други технологии в контекста на Индустрия 4.0, например основано на данни проектиране, изкуствен интелект и дигитални вериги на доставка. Тази уникална функционалност е възможна благодарение най-вече на дигиталната нишка, преминаваща през веригата от процеси в рамките на АП. По време на целия жизнен цикъл на един продукт (проектиране, производство, верига на доставка, валидиране, употреба, край на експлоатационния срок) могат да бъдат събирани данни с цел подобряване на производителността, ефективността и разходите на едно АП приложение.

През последните години са разработени множество нови материали за АП, което е широко приветствано от индустрията, тъй като доскоро липсата на налични материали беше сред основните бариери за внедряване на технологията. Създаването на нови материали специално за АП доведе до значителни ползи, например понижени разходи, повишена производителност и нови приложения.
Освен свободата на проектиране, уникалните характеристики на веригата на доставка за АП са сред основните мотивиращи фактори за внедряване на технологията. Това включва например възможността за производство на продукти в единични партиди, без това да води до съществено увеличаване на разходите, както и възможността за децентрализирано производство в близост до точката на експлоатация. Както се видя в началото на пандемията от COVID-19, АП може да спомогне за създаване на по-надеждни и гъвкави вериги на доставка, способни да функционират, когато конвенционалното производство е затруднено.

 

Нови материали

В областта на инструментите вече се наблюдава бърз преход към 3D принтиране, което води до повишаване на адаптируемостта и експлоатационната достъпност на линиите за асемблиране и подобряване на ергономичността за работниците, които допреди това са използвали по-тежки метални инструменти, матрици и детайли. С композитни материали, включващи Найлон 12 (PA12) и въглеродни нишки, с помощта на АП необходимите инструменти могат да се изработят на момента и на място. Друг материал, набиращ популярност, е PA11, който е устойчив найлонов материал, получен от рициново масло. В много отношения механичните му свойства превъзхождат тези на PA12, което до прави идеален за 3D принтиране на резервни части за производствено оборудване и други приложения в областта на медицината или електронната индустрия.

В продължение на много години АП се прилага в автомобилостроенето предимно за прототипиране на части, тъй като материалите не бяха издръжливи и дълготрайни. С напредъка в областта на дълготрайните термопластични материали, днес 3D принтирането може да ускори производствените процеси и да елиминира проблеми във веригата на доставка, същевременно понижавайки разходите за части като корпуси на странични огледала и монтажни скоби.
Полипропиленът например, термопластичен полимер, е популярен прахообразен материал, използван в автомобилостроенето заради гъвкавостта си за формиране на различни детайли. Със своята температурна устойчивост и дълготрайност, полипропиленът се използва за туби за бензин, автомобилни брони и други компоненти за превозни средства. В допълнение, тъй като той е материал с ниска плътност, производителите на автомобили могат да изработват части със същите или по-добри физични характеристики, но по-леки и с по-малко материал. Доскоро полипропиленът беше предизвикателство за 3D принтерите, но благодарение на напредъка в технологиите с прахово легло ситуацията се променя. Според доклада за пазара на адитивно производство на AMPower, употребата на полипропилен в индустриалното АП ще нарасне от 171 т през 2021 г. до 719 т през 2026 г.

С разширяващите се възможности на материалите за 3D печат, ползите за аерокосмическата индустрия са съществени предвид характера на производството в сектора – малък обем продукция с висока стойност. Полиетерният материал ULTEM 9085 например позволява на потребителите да разработват качествени детайли за интериора на самолети, като колички за напитки, странични панели, санитарни възли и др. Той отговаря на ключови критерии по отношение на запалимост, отделяне на дим и токсичност и се отличава с дълготрайни физични свойства. В действителност в повечето от пътническите самолети днес има адитивно произведени детайли, изработени именно от този материал.

По-нов материал за FDM 3D печат е Antero 840CN03, полукристален термопластичен материал с отлични експлоатационни характеристики. Той е силно устойчив на топлина и умора и запазва коравината си в широк температурен диапазон. Този материал е подходящ за изработката на табла, корпуси, капаци и въздуховоди за отоплителни и охладителни инсталации. Химичната му устойчивост дава възможност материалът да бъде използван в ситуации, в които ULTEM не е подходящ, като може да осигури и защита срещу електрически разряд в случаите, в които статичното електричество може да бъде проблем. Водещи компании в аерокосмическия сектор, както и в железопътната индустрия, започват да сертифицират употребата му.

Въпреки че все още не са широко разпространени в аерокосмическия отрасъл, фотополимерните смоли търпят бързо развитие, като те могат да бъдат ценни при по-големи обеми продукция и когато е необходимо по-високо ниво на прецизност. LOCTITE 3955 е смола, подходяща както за аерокосмически, така и за железопътни приложения, например за електрически съединители. Много от тези смоли могат бързо да бъдат формулирани за много специфични индустриални приложения.
Индустрията вижда необходимостта и стойността на адитивното производство в множество различни сектори. През изминалите две години, показали неустойчивостта на традиционните вериги на доставка, 75% от заемащите ръководни постове отчитат значителни нарушения заради пандемията, благодарение на което ползите и подобренията, свързани с АП, отново влязоха във фокус.

С разрастващото се сътрудничество между компаниите, произвеждащи материали, и тези, предлагащи 3D принтери, секторът на АП е готов да посрещне търсенето за пълномащабно производство чрез осигуряването на по-функционални дизайни и по-ниски разходи. В бъдеще може би ще е възможно да се смесват и принтират персонализирани материали в зависимост от геометрията за изработката на един-единствен детайл. Например да е възможно да се добавят още въглеродни нишки в зоните на детайла, където е необходима повече якост, докато други зони остават по-гъвкави. По този начин, комбинирайки нови материали с нови техники за 3D печат, могат да бъдат създадени нови части и приложения, които ще допринесат за развитието на адитивното производство.

 

Какво предстои

Може да се обобщи, че производителите все още не виждат ползите, които може да им донесе АП. Голяма част от инженерите по проектиране имат ограничени познания за възможностите на технологията или за това как да проектират за нея. Простото преминаване от конвенционалното към адитивното производство на един компонент рядко има предимства. Ползите се появяват, когато се използват уникалните възможности на АП, като комбинирането на множество функции в един-единствен компонент с цел да се редуцира общият брой части или да се елиминира необходимостта от последващи технологични стъпки.

Днес рисковете, свързани от внедряването на АП в индустриален мащаб, се поемат изцяло от крайния потребител. Тези бариери могат да затруднят в изключително голяма степен управлението на бизнес, включващ директно производство чрез технологии за 3D печат. Преодоляването им е предизвикателство за целия сектор. Производителите на оборудване могат да направят още подобрения по отношение на скоростта, автоматизацията и интеграцията със съществуващите производствени системи, докато доставчиците на материали биха могли да разрешат проблемите около сертификацията, достъпността и разходите.

Не е нужно обаче амбициозните производители да чакат АП секторът да свърши цялата работа. Въпреки ограниченията, някои индустриални потребители постигат значителен прогрес в директното производство чрез адитивни технологии, развивайки знания и възможности, които ще им послужат добре с еволюирането на отрасъла.





ЕКСКЛУЗИВНО

Top