История возникновения аддитивных технологий
В 1983 году технолог одной калифорнийской компании сделал очень важное изобретение. Компания занималась производством смолы с ультрафиолетовым отверждением. Технолог Чарльз Халл, работая с фотополимером, изобрел первый в мире 3d-принтер. Фотополимер – это вещество, которое под воздействием УФО-облучения переходит из жидкого состояния в твердое. Халл написал программу на компьютере и запрограммировал свой электролитный аппарат для накладывания несколько сотен слоев фотополимера в определенном порядке.
Первое, что Халл напечатал своим трехмерным принтером, был пластиковый стакан. Запатентовал Чарльз Халл свое изобретение в 1986 году. Эта дата и есть началом технологии, которую этот технолог назвал «технологией быстрого прототипирования». Это название включает в себя изготовление объемной физической модели без использования станков.
3D-моделированием данный процесс назвали гораздо позже, в 1995 году. На данный момент термин «быстрое прототипирование» не используется, так как сейчас оно считается лишь частью аддитивных технологий.
Первыми заинтересованными клиентами стали автокомпании. Автомобилестроение всегда интересовалось любыми технологиями, которые могут ускорить, упростить, улучшить процесс изготовления деталей. Специально для машиностроения был разработан метод Quik Cast, при помощи которого удавалось быстро отливать из различных сплавов нужные детали, и времени на это уходило считанные дни. Так как другими методами изготовление одной детали занимало недели, а то и месяцы.
Канадец Джим Корр на протяжении 15 лет уже пользуется этим изобретением, делая все больше деталей к автомобилям. На сегодняшний день он уже имеет целый автомобиль Urbee, детали которого выращены с помощью трехмерной печати.
Термин «аддитивные технологии» произошел от слова «аддитивный», то есть тот, который получается путем прибавления. Это название обозначает строительство физического объекта (или детали) путем послойного прибавления и синтезирования, используя при этом компьютерные 3d-технологии, и исключая всякие чертежи. Этот процесс есть противоположным механообработке.
До принятия классификации аддитивных технологий их разделяли по таких различиях:
- методы формирования слоев;
- способы фиксации;
- способы подведения энергии для фиксирования;
- по применяемым стройматериалам;
- по технологиям лазерным, или не лазерным.
Механообработка – это механическое удаление (вычитание) из детали лишнего материала. В аддитивных технологиях пользуются «прибавлением», отходов нет или они совсем незначительные, что является большим плюсом.
Технология «методы формирование слоя» делится на два вида: Bed Deposition и Direct Deposition. Рассмотрим каждую в отдельности.
Осаждение на рабочую поверхность (Bed Deposition). На платформу (Bed) насыпается слой строительного порошка, разравнивается ножом или роликом. Определяется нужная толщина. Затем стройпорошок в нужных местах по сечению детали обрабатывается лазером. При этом сплавляются или склеиваются частички порошкового материала, что поддавались лазерной обработке, а остальная часть порошка остается не тронутой. После такого селекционного отверждения рабочая поверхность «Bed» передвигается на установленную величину шага строения вертикально. Все это повторяется до окончания строения детали.
Прямое осаждение (Direct Deposition). Иными словами, это значит, что энергия направляется и осаждается материал в конкретные точки, на место изготовления детали. В этом методе нет платформы «Bed», куда насыпается порошок, а строительный материал подается непосредственно в то место, где строится деталь и куда подается энергия для отверждения.
Разделение аддитивных технологий
Существует американская международная организация, которая занимается разработкой и изданием добровольных стандартов (American Society for Testing and Materials). Она разделила Аддитивные технологии на семь категорий:
- Экструзия материала (Material Extrusion). Через экструдер выдавливается строительный материал и послойно наносится на деталь, которая изготавливается.
- Разбрызгивание материала (Material Jetting). Строительный материал разбрызгивается послойно на деталь или наносится струйкой.
- Разбрызгивание связующего (Binder Jetting). Уже не стройматериал, а связующий материал разбрызгивается или послойно наносится струйкой.
- Листовое ламинирование (Sheet Lamination). Листовые строительные материалы послойно наносятся на изделие.
- Фотополимеризация в ванной (Vat Photopolymerization). В емкости послойно отверждаются фотополимеризуемые смолы.
- Сплавление порошка (Powder Bed Fusion). Сначала формируется слой, затем в нем расплавляется или спекается материал, используемый для построения.
- Осаждение направленной энергией (Directed Energy Deposition). Стройматериал подается прямо в то место, куда идет подача энергии.
К категории Material Extrusion относятся две технологии: MJS и FDM.
- MJS (Multiphase Jet Solidification). Экструдер, что подогревается, подает смесь для строения, состоящую из пластификатора и металлического порошка в пастообразном виде на место изготовления детали. Затем сырую «green» - модель для выпекания размещают в печи.
- FDM (Fused Deposition Modeling). К экструдеру подводится полимерная нить, она расплавляется и ложится на место сечения будущей модели.
Material Jetting также имеет две технологии. В обеих технологиях используются по два материала. Один для построения изделия, другой для поддержки нависающих частей. Как строительный материал используется фотополимерная смола, а как поддерживающий материал - полимер, что смывается горячей водой после окончания строения детали. Различие в том, что в одном методе еще используют фрезерную головку принтера для механической обработки модели, для удаления излишков моделирующих и поддерживающих материалов.
Обе технологии чаще используются в стоматологии и в ювелирном производстве, где используют восковые модели будущих изделий.
- Binder Jetting есть струйной технологией. На рабочую поверхность впрыскивается связующий реагент вместо строительного материала. Так получаются синтез-формы из песка или литейные модели.
- Sheet Lamination. Для построения изделия берется фольга, бумага либо полимерная пленка. Пласты свариваются ультразвуком, излишки удаляются фрезой.
- Vat Photopolymerization. В качестве стройматериала используются полимерные жидкие смолы.
- Powder Bed Fusion. Для производства применяются тепловые элементы: ТЭН, лазер, электронные лучи.
- Directed Energy Deposition. Предполагается одновременное использование стройматериала и тепловой энергии.
Развитие аддитивных технологий
С каждым годом употребление АМ-технологий увеличивается в геометрической прогрессии. В машиностроении «выращивание» деталей из металла стало очень популярным. Такие детали отличаются легкостью, прочностью. Еще одной немаловажной положительной чертой является скорость изготовления. Поэтому они становятся все больше востребованными. Объемы потребления таких изделий возрастают.
Создаются новые модели принтеров, которые перестают быть роскошью, а становятся необходимостью, тем более они все время удешевляются. Трехмерные принтеры уже могут себе позволить приобрести не только производства, но и любители для дома. Принялось решение разделить терминологию. И теперь, если говорят о 3d-принтерах, значит это «любительские», а если звучит АМ (Additive Manufacturing), то речь идет о профессиональных индустриальных аппаратах.
Стоимость таких агрегатов разная. Цена зависит от многих факторов, например, берется во внимание производительность, точность и способность создать маленькие фрагменты изделия, стоимость стройматериалов, квалификационные требования для обслуживания аппарата и многие другие критерии.
Аддитивные технологии совершенствуются изо дня в день, выходят на новые уровни, позволяющие «выращивать» все более сложные изделия точнее, быстрее, дешевле.
