Aditīvā ražošana, kas pazīstama arī kā 3D drukāšana, kopš tās komerciālas izmantošanas ir turpinājusi attīstīties gandrīz 35 gadus. Aviācijas un kosmosa, autobūves, aizsardzības, enerģētikas, transporta, medicīnas, zobārstniecības un patēriņa rūpniecības nozarēs aditīvo ražošanu izmanto plašam pielietojumu klāstam.
Ņemot vērā tik plašu pieņemšanu, ir skaidrs, ka aditīvā ražošana nav viens universāls risinājums. Saskaņā ar ISO/ASTM 52900 terminoloģijas standartu gandrīz visas komerciālās aditīvās ražošanas sistēmas ietilpst vienā no septiņām procesu kategorijām. Tās ietver materiāla ekstrūziju (MEX), vannas fotopolimerizāciju (VPP), pulverveida kausēšanu (PBF), saistvielas izsmidzināšanu (BJT), materiāla izsmidzināšanu (MJT), virzītas enerģijas uzklāšanu (DED) un lokšņu laminēšanu (SHL). Šeit tās ir sakārtotas pēc popularitātes, pamatojoties uz vienību pārdošanas apjomiem.
Arvien vairāk nozares profesionāļu, tostarp inženieri un vadītāji, apgūst, kad aditīvā ražošana var palīdzēt uzlabot produktu vai procesu un kad nevar. Vēsturiski galvenās iniciatīvas aditīvās ražošanas ieviešanai ir nākušas no inženieriem, kuriem ir pieredze šajā tehnoloģijā. Vadība redz arvien vairāk piemēru tam, kā aditīvā ražošana var uzlabot produktivitāti, samazināt izpildes laikus un radīt jaunas biznesa iespējas. AM neaizstās lielāko daļu tradicionālo ražošanas veidu, bet gan kļūs par daļu no uzņēmēja produktu izstrādes un ražošanas spēju arsenāla.
Additīvajai ražošanai ir plašs pielietojumu klāsts, sākot no mikrofluidikas līdz liela mēroga būvniecībai. AM priekšrocības atšķiras atkarībā no nozares, pielietojuma un nepieciešamās veiktspējas. Organizācijām ir jābūt pamatotiem iemesliem AM ieviešanai neatkarīgi no lietošanas gadījuma. Visizplatītākās ir konceptuālā modelēšana, dizaina verifikācija, kā arī piemērotības un funkcionalitātes verifikācija. Arvien vairāk uzņēmumu to izmanto, lai izveidotu rīkus un lietojumprogrammas masveida ražošanai, tostarp pielāgotu produktu izstrādei.
Kosmosa un kosmosa lietojumprogrammās svars ir būtisks faktors. Saskaņā ar NASA Māršala Kosmosa lidojumu centra datiem, 0,45 kg smagas kravas nosūtīšana uz Zemes orbītu izmaksā aptuveni 10 000 ASV dolāru. Satelītu svara samazināšana var ietaupīt palaišanas izmaksas. Pievienotajā attēlā redzama Swissto12 metāla AM detaļa, kas apvieno vairākus viļņvadus vienā detaļā. Ar AM svars tiek samazināts līdz mazāk nekā 0,08 kg.
Aditīvā ražošana tiek izmantota visā enerģētikas nozares vērtību ķēdē. Dažiem uzņēmumiem aditīvās ražošanas izmantošanas biznesa pamatojums ir ātri atkārtot projektus, lai pēc iespējas īsākā laikā izveidotu vislabāko iespējamo produktu. Naftas un gāzes rūpniecībā bojātas detaļas vai mezgli var izmaksāt tūkstošiem dolāru vai vairāk zaudētas produktivitātes stundā. AM izmantošana darbības atjaunošanai var būt īpaši pievilcīga.
Lielākais DED sistēmu ražotājs MX3D ir izlaidis cauruļu remonta instrumenta prototipu. Saskaņā ar uzņēmuma datiem, bojāta cauruļvada izmaksas var būt no 100 000 līdz 1 000 000 eiro (113 157–1 131 570 ASV dolāru) dienā. Nākamajā lapā redzamajā armatūrā kā rāmi tiek izmantota CNC detaļa, un caurules perimetra metināšanai tiek izmantots DED. AM nodrošina augstu nogulsnēšanas ātrumu ar minimāliem atkritumiem, savukārt CNC nodrošina nepieciešamo precizitāti.
2021. gadā Ziemeļjūrā uz TotalEnergies naftas platformas tika uzstādīts 3D drukāts ūdens apvalks. Ūdens apvalki ir kritiski svarīgs elements, ko izmanto, lai kontrolētu ogļūdeņražu ieguvi būvniecības stadijā esošajās akās. Šajā gadījumā aditīvās ražošanas izmantošanas priekšrocības ir samazināts izpildes laiks un par 45% samazinātas emisijas salīdzinājumā ar tradicionālajiem kaltajiem ūdens apvalkiem.
Vēl viens biznesa gadījums aditīvajai ražošanai ir dārgu instrumentu samazināšana. Phone Scope ir izstrādājis digiskopēšanas adapterus ierīcēm, kas savieno tālruņa kameru ar teleskopu vai mikroskopu. Katru gadu tiek izlaisti jauni tālruņi, tāpēc uzņēmumiem ir jāizlaiž jauna adapteru līnija. Izmantojot aditīvo ražošanu, uzņēmums var ietaupīt naudu uz dārgiem instrumentiem, kas jānomaina, izlaižot jaunus tālruņus.
Tāpat kā ar jebkuru procesu vai tehnoloģiju, aditīvo ražošanu nevajadzētu izmantot, jo tā tiek uzskatīta par jaunu vai atšķirīgu. Tas ir paredzēts produktu izstrādes un/vai ražošanas procesu uzlabošanai. Tai vajadzētu pievienot vērtību. Citi biznesa gadījumu piemēri ir pielāgoti produkti un masveida pielāgošana, sarežģīta funkcionalitāte, integrētas detaļas, mazāks materiālu un svara patēriņš, kā arī uzlabota veiktspēja.
Lai aditīvā ražošana (AM) īstenotu savu izaugsmes potenciālu, ir jārisina problēmas. Lielākajā daļā ražošanas lietojumprogrammu procesam ir jābūt uzticamam un reproducējamam. Turpmākās detaļu un balstu materiāla noņemšanas un pēcapstrādes automatizācijas metodes palīdzēs. Automatizācija arī palielina produktivitāti un samazina detaļas izmaksas.
Viena no vislielāko interesi izraisošajām jomām ir pēcapstrādes automatizācija, piemēram, pulvera noņemšana un apdare. Automatizējot lietojumprogrammu masveida ražošanas procesu, vienu un to pašu tehnoloģiju var atkārtot tūkstošiem reižu. Problēma ir tā, ka specifiskās automatizācijas metodes var atšķirties atkarībā no detaļas veida, izmēra, materiāla un procesa. Piemēram, automatizētu zobu kroņu pēcapstrāde ļoti atšķiras no raķešdzinēju detaļu apstrādes, lai gan abas var būt izgatavotas no metāla.
Tā kā detaļas ir optimizētas additīvajai ražošanai (AM), bieži tiek pievienotas modernākas funkcijas un iekšējie kanāli. PBF galvenais mērķis ir noņemt 100% pulvera. Solukon ražo automātiskas pulvera noņemšanas sistēmas. Uzņēmums ir izstrādājis tehnoloģiju ar nosaukumu Smart Powder Recovery (SRP), kas rotē un vibrē metāla detaļas, kas joprojām ir piestiprinātas pie pamatnes. Rotāciju un vibrāciju kontrolē detaļas CAD modelis. Precīzi pārvietojot un kratot detaļas, uztvertais pulveris plūst gandrīz kā šķidrums. Šī automatizācija samazina manuālo darbu un var uzlabot pulvera noņemšanas uzticamību un reproducējamību.
Manuālas pulvera noņemšanas problēmas un ierobežojumi var ierobežot AM izmantošanas dzīvotspēju masveida ražošanā, pat nelielos daudzumos. Solukon metāla pulvera noņemšanas sistēmas var darboties inertā atmosfērā un savākt neizlietoto pulveri atkārtotai izmantošanai AM iekārtās. Solukon veica klientu aptauju un 2021. gada decembrī publicēja pētījumu, kas parādīja, ka divas lielākās bažas rada arodslimību un reproducējamība.
Manuāla pulvera noņemšana no PBF sveķu konstrukcijām var būt laikietilpīga. Tādi uzņēmumi kā DyeMansion un PostProcess Technologies izstrādā pēcapstrādes sistēmas, lai automātiski noņemtu pulveri. Daudzas aditīvās ražošanas detaļas var ievietot sistēmā, kas apgriež un izvada vidi, lai noņemtu lieko pulveri. HP ir sava sistēma, kas, kā apgalvots, noņem pulveri no Jet Fusion 5200 drukāšanas kameras 20 minūtēs. Sistēma uzglabā neizkausēto pulveri atsevišķā traukā atkārtotai izmantošanai vai pārstrādei citiem lietojumiem.
Uzņēmumi var gūt labumu no automatizācijas, ja to var piemērot lielākajai daļai pēcapstrādes posmu. DyeMansion piedāvā sistēmas pulvera noņemšanai, virsmas sagatavošanai un krāsošanai. PowerFuse S sistēma ielādē detaļas, tvaicē gludās detaļas un izkrauj tās. Uzņēmums nodrošina nerūsējošā tērauda statīvu detaļu pakarināšanai, kas tiek darīts ar rokām. PowerFuse S sistēma var radīt virsmu, kas līdzīga iesmidzināšanas veidnei.
Lielākais izaicinājums, ar ko saskaras nozare, ir izprast reālās iespējas, ko piedāvā automatizācija. Ja ir jāizgatavo miljons polimēru detaļu, tradicionālie liešanas vai formēšanas procesi var būt labākais risinājums, lai gan tas ir atkarīgs no detaļas. AM bieži vien ir pieejama pirmajai ražošanas reizei instrumentu ražošanā un testēšanā. Izmantojot automatizētu pēcapstrādi, tūkstošiem detaļu var uzticami un reproducējami saražot, izmantojot AM, taču tā ir specifiska konkrētai detaļai un var būt nepieciešams pielāgots risinājums.
AM nav nekāda sakara ar rūpniecību. Daudzas organizācijas piedāvā interesantus pētniecības un attīstības rezultātus, kas var nodrošināt produktu un pakalpojumu pareizu darbību. Aviācijas un kosmosa nozarē Relativity Space ražo vienu no lielākajām metālu aditīvo ražošanas sistēmām, izmantojot patentētu DED tehnoloģiju, kuru uzņēmums cer izmantot lielākās daļas raķešu ražošanā. Tās Terran 1 raķete var nogādāt 1250 kg smagu kravu zemajā Zemes orbītā. Relativity plāno palaist testa raķeti 2022. gada vidū un jau plāno lielāku, atkārtoti izmantojamu raķeti ar nosaukumu Terran R.
Relativity Space Terran 1 un R raķetes ir inovatīvs veids, kā pārdomāt nākotnes kosmosa lidojumus. Dizains un optimizācija aditīvajai ražošanai izraisīja interesi par šo izstrādi. Uzņēmums apgalvo, ka šī metode samazina detaļu skaitu 100 reizes salīdzinājumā ar tradicionālajām raķetēm. Uzņēmums arī apgalvo, ka var saražot raķetes no izejvielām 60 dienu laikā. Šis ir lielisks piemērs tam, kā apvienot daudzas detaļas vienā un ievērojami vienkāršot piegādes ķēdi.
Zobārstniecības nozarē aditīvo ražošanu izmanto kroņu, tiltu, ķirurģisko urbšanas veidņu, daļēju protēžu un izlīdzinātāju izgatavošanai. Align Technology un SmileDirectClub izmanto 3D drukāšanu, lai ražotu detaļas caurspīdīgu plastmasas izlīdzinātāju termoformēšanai. Align Technology, Invisalign zīmola produktu ražotājs, izmanto daudzas fotopolimerizācijas sistēmas 3D Systems vannās. 2021. gadā uzņēmums paziņoja, ka kopš FDA apstiprinājuma saņemšanas 1998. gadā tas ir ārstējis vairāk nekā 10 miljonus pacientu. Ja tipiska pacienta ārstēšana sastāv no 10 izlīdzinātājiem, kas ir zems aprēķins, uzņēmums ir saražojis 100 miljonus vai vairāk AM detaļu. FRP detaļas ir grūti pārstrādāt, jo tās ir termoreaktīvas. SmileDirectClub izmanto HP Multi Jet Fusion (MJF) sistēmu, lai ražotu termoplastiskas detaļas, kuras var pārstrādāt citiem lietojumiem.
Vēsturiski VPP nebija spējis ražot plānas, caurspīdīgas detaļas ar izturības īpašībām, ko izmantot kā ortodontiskās ierīces. 2021. gadā LuxCreo un Graphy izlaida iespējamu risinājumu. Kopš februāra Graphy ir saņēmis FDA apstiprinājumu zobārstniecības ierīču tiešai 3D drukāšanai. Ja tās drukājat tieši, viss process no sākuma līdz beigām tiek uzskatīts par īsāku, vienkāršāku un, iespējams, lētāku.
Agrīns sasniegums, kas piesaistīja lielu mediju uzmanību, bija 3D drukāšanas izmantošana liela mēroga būvniecības objektos, piemēram, mājokļu būvniecībā. Bieži vien mājas sienas tiek drukātas ar ekstrūzijas metodi. Visas pārējās mājas daļas tika izgatavotas, izmantojot tradicionālas metodes un materiālus, tostarp grīdas, griesti, jumti, kāpnes, durvis, logi, ierīces, skapji un darba virsmas. 3D drukātas sienas var palielināt elektrības, apgaismojuma, santehnikas, gaisa vadu un ventilācijas atveru uzstādīšanas izmaksas apkurei un gaisa kondicionēšanai. Betona sienas iekšējās un ārējās apdares veikšana ir sarežģītāka nekā ar tradicionālo sienu dizainu. Svarīgs apsvērums ir arī mājas modernizācija ar 3D drukātām sienām.
Oukridžas Nacionālās laboratorijas pētnieki pēta, kā uzglabāt enerģiju 3D drukātās sienās. Ievietojot caurules sienā būvniecības laikā, caur to var plūst ūdens, kas nodrošina gan sildīšanu, gan dzesēšanu. Šis pētniecības un attīstības projekts ir interesants un inovatīvs, taču tas joprojām ir agrīnā attīstības stadijā. Šis pētniecības un attīstības projekts ir interesants un inovatīvs, taču tas joprojām ir agrīnā attīstības stadijā.Šis pētniecības projekts ir interesants un inovatīvs, taču tas joprojām ir attīstības sākumposmā.Šis pētniecības projekts ir interesants un inovatīvs, taču tas joprojām ir agrīnā attīstības stadijā.
Lielākā daļa no mums vēl nav pazīstami ar ēku detaļu vai citu lielu objektu 3D drukāšanas ekonomiku. Šī tehnoloģija ir izmantota dažu tiltu, nojumju, parku soliņu un dekoratīvu elementu ražošanā ēkām un ārvidei. Tiek uzskatīts, ka aditīvās ražošanas priekšrocības mazos mērogos (no dažiem centimetriem līdz vairākiem metriem) attiecas arī uz liela mēroga 3D drukāšanu. Galvenās aditīvās ražošanas izmantošanas priekšrocības ir sarežģītu formu un elementu izveide, detaļu skaita samazināšana, materiālu un svara samazināšana, kā arī produktivitātes palielināšana. Ja aditīvā ražošana nepievieno vērtību, tās lietderība ir jāapšauba.
2021. gada oktobrī Stratasys iegādājās atlikušos 55 % akciju uzņēmumā Xaar 3D, kas ir Lielbritānijas rūpniecisko tintes printeru ražotāja Xaar meitasuzņēmums. Stratasys polimēru PBF tehnoloģija, ko sauc par selektīvās absorbcijas saplūšanu, ir balstīta uz Xaar tintes printeru drukas galviņām. Stratasys H350 iekārta konkurē ar HP MJF sistēmu.
Desktop Metal iegāde bija iespaidīga. 2021. gada februārī uzņēmums iegādājās Envisiontec, ilggadēju rūpniecisko aditīvo ražošanas sistēmu ražotāju. 2021. gada maijā uzņēmums iegādājās Adaptive3D, elastīgu VPP polimēru izstrādātāju. 2021. gada jūlijā Desktop Metal iegādājās Aerosint, daudzmateriālu pulverkrāsošanas pārklāšanas procesu izstrādātāju. Lielākais iegādes darījums notika augustā, kad Desktop Metal par 575 miljoniem ASV dolāru nopirka konkurentu ExOne.
Desktop Metal iegādātais ExOne apvieno divus atzītus metāla BJT sistēmu ražotājus. Kopumā tehnoloģija vēl nav sasniegusi tādu līmeni, kādu daudzi uzskata. Uzņēmumi turpina risināt tādus jautājumus kā atkārtojamība, uzticamība un problēmu pamatcēloņu izpratne, kad tās rodas. Pat ja problēmas tiks atrisinātas, tehnoloģijai joprojām ir iespēja sasniegt lielākus tirgus. 2021. gada jūlijā 3DEO, pakalpojumu sniedzējs, kas izmanto patentētu 3D drukas sistēmu, paziņoja, ka klientiem ir piegādājis vienu miljono eksemplāru.
Programmatūras un mākoņplatformu izstrādātāji ir novērojuši ievērojamu izaugsmi aditīvās ražošanas nozarē. Tas jo īpaši attiecas uz veiktspējas pārvaldības sistēmām (MES), kas izseko AM vērtību ķēdi. 3D Systems 2021. gada septembrī piekrita iegādāties Oqton par 180 miljoniem ASV dolāru. Oqton, kas dibināts 2017. gadā, nodrošina mākoņdatošanas risinājumus, lai uzlabotu darbplūsmu un AM efektivitāti. Materialize 2021. gada novembrī iegādājās Link3D par 33,5 miljoniem ASV dolāru. Tāpat kā Oqton, arī Link3D mākoņplatforma izseko darbu un vienkāršo AM darbplūsmu.
Viens no jaunākajiem 2021. gada iegādēm ir ASTM International iegādātais Wohlers Associates. Kopā viņi strādā, lai izmantotu Wohlers zīmolu, lai atbalstītu plašāku AM ieviešanu visā pasaulē. Izmantojot ASTM AM Izcilības centru, Wohlers Associates turpinās sagatavot Wohlers ziņojumus un citas publikācijas, kā arī sniegs konsultāciju pakalpojumus, tirgus analīzi un apmācības.
Aditīvā ražošanas nozare ir nobriedusi, un daudzas nozares izmanto šo tehnoloģiju plašam pielietojumu klāstam. Taču 3D drukāšana neaizstās lielāko daļu citu ražošanas veidu. Tā vietā to izmanto, lai radītu jaunus produktu veidus un biznesa modeļus. Organizācijas izmanto aditīvo ražošanu, lai samazinātu detaļu svaru, samazinātu izpildes laikus un instrumentu izmaksas, kā arī uzlabotu produktu personalizāciju un veiktspēju. Paredzams, ka aditīvās ražošanas nozare turpinās savu izaugsmes trajektoriju, parādoties jauniem uzņēmumiem, produktiem, pakalpojumiem, pielietojumiem un lietošanas gadījumiem, bieži vien ļoti strauji.