Технология без граници – 3D печат с пластмаса и метал

Начало > Машини > Статии > Специален брой: Производство на детайли от метал и пластмаса > 15.06.2023

  • Преходът към 3D печат ще позволи на бизнесите да реализират малосерийно производство на детайли, което дава възможност за по-често пускане на нови продукти на пазара

  • 3D печатът се развива и разраства по-бързо от повечето други технологии заради начина, по който може да повлияе на производствените процеси и да помогне на бизнесите да функционират на по-високо ниво

  • Възможността предприятията да потвърдят дизайн преди пускането му в масово производство може да спомогне за премахване на риска от допускане на грешки, похабяване на материали и финансови средства

 

Производствената индустрия непрекъснато търси нови и иновативни технологии и може да се каже, че през последните години 3D печатът е на предна линия. Напредъкът в развитието на технологията на 3D принтиране, оборудването и материалите доведе до понижаване на разходите, което допринася за превръщането й в целесъобразна опция за обща употреба в производството.

Традиционното производство трябва да се справи с вечно нарастващите потребности на света, но то има някои ограничения. Именно тук може да се намеси 3D печатът, който предлага редица вълнуващи и уникални предимства.

 

За малки и големи производствени обеми

Преходът към 3D печат ще позволи на бизнесите да реализират малосерийно производство на детайли, което дава възможност за по-често пускане на нови продукти на пазара. Продуктовите екипи ще могат да работят отвъд реалностите на своето въображение и определено отвъд ограниченията на традиционните производствени методи. 3D печатът предлага възможност за гъвкав развоен процес за физическите детайли и има способността да ускори производството и да скъси времето, необходимо за пускането им на пазара.

Няма съмнение, че 3D принтирането е много по-напред от конвенционалните методи, когато става дума за производството на първите няколкостотин детайла. Но дали технологията е подходяща за производство в голям мащаб?

3D печатът се развива и разраства по-бързо от повечето други технологии заради начина, по който може да повлияе на производствените процеси и да помогне на бизнесите да функционират на по-високо ниво. Производствена линия за 3D принтиране дава възможност за по-лесно внасяне на промени, отколкото производствена линия за традиционно производство, което прави технологията целесъобразна поради редица причини.

Цялата производствена линия може да бъде настроена и адаптирана за скоростта на принтиране. Следователно извършването на подобрения в оборудването, регулирането на скоростта на печат и дори смяната на продукта могат да бъдат реализирани почти мигновено. За сравнение, при конвенционалните методи внасянето на промени и повторното стартиране на производството могат да отнемат няколко седмици или месеца.

Неизбежно възможностите, които носи 3D принтирането, и начинът, по който технологията еволюира, ще позволят на бизнесите да внедрят този нов начин за производство на детайли и е вероятно това внедряване да продължи да се разраства и в бъдеще.

 

Какви са предимствата

Традиционните производствени методи са изключително скъпи, докато процесът на 3D печат прави изработката на детайли по-евтина и по-достъпна. За разлика от традиционното производство, при което може да се наложи много различни служители да работят с няколко машини или е необходима производствена линия, за да се асемблира продуктът, при 3D принтирането това се елиминира. Всеки 3D принтер изисква оператор да стартира машината, преди да започне автоматизиран процес на изработка на заредения дизайн. Следователно, когато се използва 3D печат за производство, разходите за труд са значително по-ниски, тъй като няма нужда от квалифицирани оператори, които да формират част от процеса.

Възможността предприятията да потвърдят дизайн преди пускането му в масово производство може да спомогне за премахване на риска от допускане на грешки, похабяване на материали и финансови средства. Изработването на продукти с 3D печат може да допринесе за повишаване на увереността, особено когато се отчете, че един 3D прототип е по-лесен за редизайн и промяна от всичко, което е създадено по традиционен метод.

Що се отнася до разходите за настройка, компаниите не трябва да произвеждат толкова много продукция, за да ги оправдаят. Традиционните методи често разчитат на ефективността на масовото производство и изискват голям брой работници за асемблиране на продукта, докато при 3D печата са нужни единствено машината и материалът.

3D принтерите не се нуждаят от преоборудване между производствените серии. Скоростта, с която един 3D принтер може да печата, може да се счита за по-ниска от тази на традиционната поточна линия. Въпреки това, когато се вземат предвид проблемите с машините, които могат да спрат производството изцяло, и човешката грешка, при традиционното производство има повече рискове нещо да се обърка.
3D принтирането дава възможност за по-бързо развитие на идеи. В някои случаи може да е възможно 3D концепции да бъдат проектирани и отпечатани в рамките на един и същи ден. Това може да помогне на компаниите да намалят времето за производство от месеци на дни, като същевременно гарантират, че остават пред своите конкуренти.

В продължение на много години стандартните производствени техники ограничаваха дизайна на продукти. Благодарение на множеството вече направени и предстоящи подобрения обаче, 3D производственият процес може да създаде безкрайни възможности. Някога трудни за реализация геометрии, като отвори, които променят посоката си, или квадратни вътрешни кухини, вече са възможни и по-лесни за изпълнение.

Тъй като 3D принтирането е относително нова технология, която набира скорост, цената на материалите може да е все още висока. Гамата от материали обаче се разширява, което дава възможност за понижаване на цените с времето. В сравнение с традиционните методи, общите разходи са много по-ниски. Производственият процес може да доведе до генерирането на големи количества отпадъци, особено когато става дума за конвенционално производство. Тук 3D печатът може да преобразува отпадъците благодарение на по-ефективния начин на използване на ресурси в процеса. 3D принтерът използва само материала, необходим за създаването на детайла. За сравнение, при леенето под налягане например често се изисква използването на допълнително количество материал за запълване на формата. В повечето случаи 3D печатът генерира по-малки количества отпадъци, отколкото традиционното производство.

Много индустрии изискват бизнесите да съхраняват детайлите, които трябва да продадат. Това означава, че е необходимо значително по размер складово пространство за съхранение на продукти, които могат да се задържат по стелажите с месеци или дори години, а това струва скъпо. Чрез използването на 3D принтиране за производството на детайли тези разходи могат да бъдат намалени, като се редуцира големината на необходимото складово пространство. 3D печатът позволява продуктите да бъдат произвеждани, докато биват продавани. Това означава, че няма да има свръхпроизводство и разходите за съхранение ще спаднат.

 

Пластмаса или метал

Напоследък 3D принтирането с метал е много популярна тема. Металните детайли, произведени чрез технологията, все по-често се използват за компоненти на самолетни двигатели, медицински импланти и други впечатляващи приложения. Реалността обаче е, че повечето 3D принтирани детайли са пластмасови, а не метални.

При металното принтиране, като директното метално лазерно синтероване (DMLS), се използва прахообразна метална сплав като суровинен материал. Тъй като получените по този метод детайли се използват във високоспециализирани приложения, където прецизността и издръжливостта са от критично значение за функционирането на самолета или медицинското устройство например, материалите трябва да отговарят на стандарти за високо качество. Материалите за 3D печат с метал трябва да бъдат проследими по партида и сплав, за да се постигнат строгите спецификации за производство. Това контрастира с материалите за 3D печат с пластмаса, които обикновено не са обект на толкова стриктни стандарти за качество, поради факта, че произведените с тях детайли се използват предимно за прототипиране.

Разходите за материалите за 3D печат с пластмаса и метал също се различават съществено. Като тегло прахообразният метал за 3D принтиране е по-скъп отколкото заготовките, използвани при механичната обработка, и със сигурност е по-скъп и от пластмасите. Прахообразният метал струва скъпо заради начина, по който се произвежда – чрез процес на газова пулверизация.

Цените на пластмасовите материали за 3D печат варират значително в зависимост от машините и суровината, но повечето стандартни материали като ABS и найлон, както и много фотополимерни смоли могат да са много по-евтини от металите. Поради по-ниските цени пластмасите често са много по-изгодни, което, от своя страна, води до висока наличност от различни конкуриращи се източници. За разлика от това, производителите на метални материали за 3D принтиране са по-малко на брой и развиват дейност далеч един от друг.

На 3D принтерите често се гледа като на по-малки настолни машини, които са с големината на микровълнова печка и произвеждат детайлите в открито пространство. Това наистина е така, когато става дума за настолни 3D принтери, при които материалите не претърпяват съществени промени при експозиция на кислород. Металите обаче редовно корозират или оксидират. И тъй като микросферите, използвани за 3D печат с метал, имат голяма повърхностна площ и не съдържат много материал, преждевременното окисление може да повлияе върху способността на материала за съединяване и принтираният детайл да стане чуплив.

Поради това 3D принтерите за метал са по-сложни в сравнение с машините за 3D печат с пластмаса и изискват газонепропусклива затворена зона, както и специализирани средства за съхранение, пресяване и боравене с прахообразната суровина, гарантиращи, че тя няма да бъде изложена на въздуха. За да се предотвратят проблеми с качеството, 3D принтерите за метал обикновено се захранват в инертна среда. Например за стомани типично се използва азот, а за алуминий и титанови сплави – аргон.

При 3D печата с метал се използва лазер, за да се генерира достатъчно топлина за селективното стапяне на металния прах с цел създаването на плътен детайл. DMLS технологията изисква високоватов лазер за създаването на микрозаваръчни шевове на всеки слой. За стопяването на метала е необходима много топлина. По-меките метали се топят при 600°C, а за по-твърдите горната граница на температурния диапазон може да надхвърли 1000°C. При 3D принтирането с пластмаса повечето точки на топене са между 100 и 200°C, което прави принтерите по-достъпни за потребителите и позволява и на любители, и на компании да създават бързи прототипи. Екструдерните глави с големината на юмрук са пример за това от какво се нуждаят 3D принтерите за пластмаса, за да стопят подаваната нишка и да създадат форма. DMLS платформите изискват лазери, които поотделно струват десетки хиляди евро и се нуждаят от периферно оборудване като чилъри с течно охлаждане, за да се предотврати прегряване. Цялата тази инфраструктура, необходима за DMLS принтерите, създава по-високо препятствие за масово приложение в сравнение с принтерите за пластмаса.

Топлината също води до натрупване на напрежение в детайлите, докато те се изработват в 3D принтера. За повечето процеси е необходима опорна структура, която да придържа детайла неподвижен, докато се формира, и която се отстранява след принтиране. Отпечатаната опорна структура е жизненоважна за създаването на издадени елементи, при които материалът трябва да се “носи във въздуха” над основата на детайла. Опорните структури за 3D печат с метал са изработени от същия метал като детайла и трябва да са достатъчно здрави, за да издържат частта, докато тя е подложена на екстремно топлинно натоварване и се намира в напрегнато състояние по време на производство. Напрежението, което се формира в 3D принтираните метални детайли, може да бъде достатъчно силно, за да разкъса опорните структури на детайли с голяма дебелина, поради което може да е необходимо допълнително количество материал, за да се поддържа детайлът неподвижен. В действителност много метални детайли не се отстраняват от опорната си основа докато не преминат процес на отгряване, за да се предотврати изкривяване на формата им.

След термична обработка за елиминиране на напрежението от металните принтирани детайли, металните опорни структури могат да бъдат премахнати. При пластмасите това понякога може да се осъществи просто чрез потапяне на детайла във вана, в която материалът на опората да се разтвори. В най-лошия случай може да е необходимо да се използват клещи и щанци, за да се изреже опорният материал. При металите последващата обработка изисква употребата на обработващи центри и дори нишкови електроерозийни машини. Поради тази причина притежанието или използването на 3D принтер за метал може да означава, че ще е необходим достъп и до цех за металообработка. Пластмасите не се нуждаят от подобно оборудване или експертен опит, което е още една предпоставка за по-широкото им разпространение.


Вижте още от Машини


Ключови думи: 3D печат, 3D принтиране, адитивно производство



Редактор на статията:

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

ДИЛЯНА ЙОРДАНОВА

Отговорен редактор

• Завършва специалност "Инженерна екология" в Химикотехнологичен и металургичен университет;


• Заема длъжността "Отговорен редактор" в издателство TLL Media от 2020 г.;

• Разполага с над 10 години опит в създаването на съдържание и писането на научни статии.

Контакт в LinkedIn


Top