Fabricația aditivă, cunoscută și sub denumirea de imprimare 3D, a continuat să evolueze timp de aproape 35 de ani de la utilizarea sa comercială. Industriile aerospațială, auto, de apărare, energetică, de transport, medicală, stomatologică și de consum utilizează fabricația aditivă pentru o gamă largă de aplicații.
Având în vedere adoptarea pe scară largă, este clar că fabricația aditivă nu este o soluție universală. Conform standardului terminologic ISO/ASTM 52900, aproape toate sistemele comerciale de fabricație aditivă se încadrează într-una din cele șapte categorii de procese. Acestea includ extrudarea materialelor (MEX), fotopolimerizarea în baie (VPP), fuziunea în pat de pulbere (PBF), pulverizarea liantului (BJT), pulverizarea materialelor (MJT), depunerea de energie direcționată (DED) și laminarea foilor (SHL). Aici sunt sortate în funcție de popularitate, pe baza vânzărilor unitare.
Un număr tot mai mare de profesioniști din industrie, inclusiv ingineri și manageri, învață când fabricația aditivă poate ajuta la îmbunătățirea unui produs sau proces și când nu. Din punct de vedere istoric, inițiativele majore de implementare a fabricației aditive au venit de la ingineri cu experiență în această tehnologie. Managementul vede mai multe exemple despre cum fabricația aditivă poate îmbunătăți productivitatea, reduce timpii de livrare și crea noi oportunități de afaceri. Fabricația aditivă nu va înlocui majoritatea formelor tradiționale de fabricație, ci va deveni parte a arsenalului antreprenorului de dezvoltare a produselor și capacități de fabricație.
Fabricația aditivă are o gamă largă de aplicații, de la microfluidică la construcții la scară largă. Beneficiile fabricației aditive variază în funcție de industrie, aplicație și performanța necesară. Organizațiile trebuie să aibă motive întemeiate pentru implementarea fabricației aditive, indiferent de cazul de utilizare. Cele mai frecvente sunt modelarea conceptuală, verificarea designului și verificarea adecvării și funcționalității. Tot mai multe companii o utilizează pentru a crea instrumente și aplicații pentru producția de masă, inclusiv dezvoltarea de produse personalizate.
Pentru aplicațiile aerospațiale, greutatea este un factor major. Plasarea unei sarcini utile de 0,45 kg pe orbita Pământului costă aproximativ 10.000 de dolari, potrivit Centrului Marshall pentru Zboruri Spațiale al NASA. Reducerea greutății sateliților poate economisi costurile de lansare. Imaginea atașată prezintă o piesă metalică de fabricație aditivă Swissto12 care combină mai multe ghiduri de undă într-o singură piesă. Cu fabricația aditivă, greutatea este redusă la mai puțin de 0,08 kg.
Fabricația aditivă este utilizată pe tot parcursul lanțului valoric din industria energetică. Pentru unele companii, argumentul economic pentru utilizarea producției aditive este de a itera rapid proiectele pentru a crea cel mai bun produs posibil în cel mai scurt timp. În industria petrolului și gazelor, piesele sau ansamblurile deteriorate pot costa mii de dolari sau mai mult în pierderi de productivitate pe oră. Utilizarea producției aditive pentru restabilirea operațiunilor poate fi deosebit de atractivă.
Un important producător de sisteme DED, MX3D, a lansat un prototip de instrument pentru repararea țevilor. O conductă deteriorată poate costa între 100.000 și 1.000.000 de euro (113.157 - 1.131.570 de dolari) pe zi, potrivit companiei. Dispozitivul prezentat pe pagina următoare folosește o piesă CNC drept cadru și folosește DED pentru a suda circumferința țevii. AM oferă rate ridicate de depunere cu deșeuri minime, în timp ce CNC oferă precizia necesară.
În 2021, o carcasă de apă imprimată 3D a fost instalată pe o platformă petrolieră TotalEnergies din Marea Nordului. Jachetele de apă sunt un element critic utilizat pentru a controla recuperarea hidrocarburilor în sondele aflate în construcție. În acest caz, beneficiile utilizării fabricației aditive sunt reducerea timpilor de livrare și reducerea emisiilor cu 45% în comparație cu jachetele de apă forjate tradiționale.
O altă justificare pentru fabricația aditivă este reducerea sculelor costisitoare. Phone Scope a dezvoltat adaptoare de digiscoping pentru dispozitive care conectează camera telefonului la un telescop sau microscop. În fiecare an apar telefoane noi, ceea ce obligă companiile să lanseze o nouă linie de adaptoare. Prin utilizarea fabricației aditive, o companie poate economisi bani la sculele costisitoare care trebuie înlocuite atunci când apar telefoane noi.
Ca în cazul oricărui proces sau tehnologie, fabricația aditivă nu ar trebui utilizată, deoarece este considerată nouă sau diferită. Acest lucru are scopul de a îmbunătăți dezvoltarea produsului și/sau procesele de fabricație. Ar trebui să adauge valoare. Exemple de alte studii de afaceri includ produse personalizate și personalizare în masă, funcționalități complexe, piese integrate, mai puține materiale și greutate și performanțe îmbunătățite.
Pentru ca fabricarea adăugată (AM) să își atingă potențialul de creștere, este nevoie de abordarea unor provocări. Pentru majoritatea aplicațiilor de fabricație, procesul trebuie să fie fiabil și reproductibil. Metodele ulterioare de automatizare a îndepărtării materialului din piese și suporturi, precum și a post-procesării, vor fi de ajutor. Automatizarea crește, de asemenea, productivitatea și reduce costul per piesă.
Una dintre domeniile de cel mai mare interes este automatizarea post-procesării, cum ar fi îndepărtarea și finisarea pulberii. Prin automatizarea procesului de producție în masă a aplicațiilor, aceeași tehnologie poate fi repetată de mii de ori. Problema este că metodele specifice de automatizare pot varia în funcție de tipul, dimensiunea, materialul și procesul piesei. De exemplu, post-procesarea coroanelor dentare automate este foarte diferită de procesarea pieselor motoarelor de rachetă, deși ambele pot fi fabricate din metal.
Deoarece piesele sunt optimizate pentru AM, adesea se adaugă funcții mai avansate și canale interne. Pentru PBF, obiectivul principal este de a îndepărta 100% din pulbere. Solukon produce sisteme automate de îndepărtare a pulberii. Compania a dezvoltat o tehnologie numită Smart Powder Recovery (SRP) care rotește și vibrează piesele metalice care sunt încă atașate la placa de fabricație. Rotația și vibrația sunt controlate de modelul CAD al piesei. Prin mișcarea și agitarea precisă a pieselor, pulberea captată curge aproape ca un lichid. Această automatizare reduce munca manuală și poate îmbunătăți fiabilitatea și reproductibilitatea îndepărtării pulberii.
Problemele și limitările îndepărtării manuale a pulberii pot limita viabilitatea utilizării adaosului suplimentar (AM) pentru producția de masă, chiar și în cantități mici. Sistemele Solukon de îndepărtare a pulberii metalice pot funcționa într-o atmosferă inertă și pot colecta pulberea neutilizată pentru reutilizare în mașinile AM. Solukon a realizat un sondaj în rândul clienților și a publicat un studiu în decembrie 2021, care arată că cele mai mari două preocupări sunt sănătatea ocupațională și reproductibilitatea.
Îndepărtarea manuală a pulberii din structurile de rășină PBF poate consuma mult timp. Companii precum DyeMansion și PostProcess Technologies construiesc sisteme de post-procesare pentru a îndepărta automat pulberea. Multe piese de fabricație aditivă pot fi încărcate într-un sistem care inversează și ejectează mediul pentru a îndepărta excesul de pulbere. HP are propriul sistem despre care se spune că îndepărtează pulberea din camera de fabricație a Jet Fusion 5200 în 20 de minute. Sistemul stochează pulberea netopită într-un recipient separat pentru reutilizare sau reciclare în alte aplicații.
Companiile pot beneficia de automatizare dacă aceasta poate fi aplicată la majoritatea etapelor de post-procesare. DyeMansion oferă sisteme pentru îndepărtarea pulberii, pregătirea suprafeței și vopsire. Sistemul PowerFuse S încarcă piesele, aburiază piesele netede și le descarcă. Compania oferă un suport din oțel inoxidabil pentru agățarea pieselor, lucru realizat manual. Sistemul PowerFuse S poate produce o suprafață similară cu o matriță de injecție.
Cea mai mare provocare cu care se confruntă industria este înțelegerea oportunităților reale pe care le oferă automatizarea. Dacă trebuie fabricate un milion de piese din polimeri, procesele tradiționale de turnare sau modelare pot fi cea mai bună soluție, deși acest lucru depinde de piesă. Fabricarea adăugată (AM) este adesea disponibilă pentru prima serie de producție în producția și testarea sculelor. Prin post-procesare automatizată, mii de piese pot fi produse în mod fiabil și reproductibil folosind AM, dar aceasta este specifică fiecărei piese și poate necesita o soluție personalizată.
Fabricarea aditivă (FA) nu are nicio legătură cu industria. Multe organizații prezintă rezultate interesante de cercetare și dezvoltare care pot duce la funcționarea corectă a produselor și serviciilor. În industria aerospațială, Relativity Space produce unul dintre cele mai mari sisteme de fabricație aditivă metalică folosind tehnologie DED proprietară, pe care compania speră să o utilizeze pentru fabricarea majorității rachetelor sale. Racheta sa Terran 1 poate livra o sarcină utilă de 1.250 kg pe orbita joasă a Pământului. Relativity intenționează să lanseze o rachetă de testare la mijlocul anului 2022 și deja planifică o rachetă reutilizabilă mai mare, numită Terran R.
Rachetele Terran 1 și R de la Relativity Space reprezintă o modalitate inovatoare de a reimagina cum ar putea arăta zborurile spațiale din viitor. Designul și optimizarea pentru fabricația aditivă au stârnit interesul pentru această dezvoltare. Compania susține că această metodă reduce numărul de piese de 100 de ori în comparație cu rachetele tradiționale. De asemenea, compania susține că poate produce rachete din materii prime în termen de 60 de zile. Acesta este un exemplu excelent de combinare a mai multor piese într-una singură și de simplificare considerabilă a lanțului de aprovizionare.
În industria dentară, fabricația aditivă este utilizată pentru a realiza coroane, punți, șabloane chirurgicale de găurire, proteze parțiale și alignere. Align Technology și SmileDirectClub utilizează imprimarea 3D pentru a produce piese pentru termoformarea alignerelor din plastic transparent. Align Technology, producătorul produselor marca Invisalign, utilizează multe dintre sistemele de fotopolimerizare din băile 3D Systems. În 2021, compania a declarat că a tratat peste 10 milioane de pacienți de când a primit aprobarea FDA în 1998. Dacă tratamentul unui pacient tipic constă în 10 alignere, ceea ce reprezintă o estimare scăzută, compania a produs 100 de milioane sau mai multe piese AM. Piesele FRP sunt dificil de reciclat deoarece sunt termorezistente. SmileDirectClub utilizează sistemul HP Multi Jet Fusion (MJF) pentru a produce piese termoplastice care pot fi reciclate pentru alte aplicații.
Din punct de vedere istoric, VPP nu a reușit să producă piese subțiri și transparente cu proprietăți de rezistență pentru a fi utilizate ca aparate ortodontice. În 2021, LuxCreo și Graphy au lansat o posibilă soluție. Începând cu februarie, Graphy are aprobarea FDA pentru imprimarea 3D directă a aparatelor dentare. Dacă le imprimați direct, procesul complet este considerat mai scurt, mai ușor și potențial mai puțin costisitor.
O dezvoltare timpurie care a primit multă atenție din partea mass-media a fost utilizarea imprimării 3D pentru aplicații de construcție la scară largă, cum ar fi locuințele. Adesea, pereții casei sunt imprimați prin extrudare. Toate celelalte părți ale casei au fost realizate folosind metode și materiale tradiționale, inclusiv podele, tavane, acoperișuri, scări, uși, ferestre, electrocasnice, dulapuri și blaturi. Pereții imprimați 3D pot crește costul instalării energiei electrice, iluminatului, instalațiilor sanitare, conductelor și gurilor de ventilație pentru încălzire și aer condiționat. Finisarea interiorului și exteriorului unui perete de beton este mai dificilă decât în ​​cazul unui design tradițional de perete. Modernizarea unei case cu pereți imprimați 3D este, de asemenea, o considerație importantă.
Cercetătorii de la Laboratorul Național Oak Ridge studiază modul de stocare a energiei în pereți imprimați 3D. Prin introducerea unor țevi în perete în timpul construcției, apa poate curge prin acesta pentru încălzire și răcire. Acest proiect de cercetare și dezvoltare este interesant și inovator, dar se află încă într-un stadiu incipient de dezvoltare. Acest proiect de cercetare și dezvoltare este interesant și inovator, dar se află încă într-un stadiu incipient de dezvoltare.Acest proiect de cercetare este interesant și inovator, dar se află încă în stadii incipiente de dezvoltare.Acest proiect de cercetare este interesant și inovator, dar se află încă în stadii incipiente de dezvoltare.
Majoritatea dintre noi nu suntem încă familiarizați cu aspectele economice ale imprimării 3D a pieselor de construcții sau a altor obiecte mari. Tehnologia a fost utilizată pentru a produce unele poduri, copertine, bănci de parc și elemente decorative pentru clădiri și mediul exterior. Se crede că avantajele fabricației aditive la scară mică (de la câțiva centimetri la câțiva metri) se aplică și imprimării 3D la scară largă. Principalele beneficii ale utilizării fabricației aditive includ crearea de forme și caracteristici complexe, reducerea numărului de piese, reducerea materialelor și a greutății și creșterea productivității. Dacă fabricația aditivă nu adaugă valoare, utilitatea sa ar trebui pusă sub semnul întrebării.
În octombrie 2021, Stratasys a achiziționat restul de 55% din acțiunile Xaar 3D, o filială a producătorului britanic de imprimante industriale cu jet de cerneală Xaar. Tehnologia PBF polimerică a Stratasys, numită Selective Absorbtion Fusion, se bazează pe capetele de imprimare cu jet de cerneală Xaar. Mașina Stratasys H350 concurează cu sistemul HP MJF.
Achiziționarea Desktop Metal a fost impresionantă. În februarie 2021, compania a achiziționat Envisiontec, un producător cu experiență îndelungată de sisteme industriale de fabricație aditivă. În mai 2021, compania a achiziționat Adaptive3D, un dezvoltator de polimeri flexibili VPP. În iulie 2021, Desktop Metal a achiziționat Aerosint, un dezvoltator de procese de reacoperire cu acoperire pulbere multi-materială. Cea mai mare achiziție a avut loc în august, când Desktop Metal a cumpărat concurentul ExOne pentru 575 de milioane de dolari.
Achiziția ExOne de către Desktop Metal reunește doi producători renumiți de sisteme BJT metalice. În general, tehnologia nu a atins încă nivelul pe care mulți îl consideră. Companiile continuă să abordeze probleme precum repetabilitatea, fiabilitatea și înțelegerea cauzei principale a problemelor pe măsură ce apar. Chiar și așa, dacă problemele sunt rezolvate, există încă loc pentru ca tehnologia să ajungă pe piețe mai mari. În iulie 2021, 3DEO, un furnizor de servicii care utilizează un sistem de imprimare 3D proprietar, a declarat că a livrat a milionul către clienți.
Dezvoltatorii de software și platforme cloud au înregistrat o creștere semnificativă în industria producției aditive. Acest lucru este valabil mai ales pentru sistemele de management al performanței (MES) care urmăresc lanțul valoric al producției aditive. 3D Systems a convenit să achiziționeze Oqton în septembrie 2021 pentru 180 de milioane de dolari. Fondată în 2017, Oqton oferă soluții bazate pe cloud pentru a îmbunătăți fluxul de lucru și a îmbunătăți eficiența producției aditive. Materialize a achiziționat Link3D în noiembrie 2021 pentru 33,5 milioane de dolari. La fel ca Oqton, platforma cloud a Link3D urmărește munca și simplifică fluxul de lucru al producției aditive.
Una dintre cele mai recente achiziții din 2021 este achiziția Wohlers Associates de către ASTM International. Împreună, acestea lucrează pentru a valorifica marca Wohlers pentru a sprijini adoptarea pe scară largă a AM la nivel mondial. Prin intermediul Centrului de Excelență ASTM AM, Wohlers Associates va continua să producă rapoarte Wohlers și alte publicații, precum și să ofere servicii de consultanță, analize de piață și instruire.
Industria de fabricație aditivă s-a maturizat și multe industrii utilizează tehnologia pentru o gamă largă de aplicații. Însă imprimarea 3D nu va înlocui majoritatea celorlalte forme de fabricație. În schimb, este utilizată pentru a crea noi tipuri de produse și modele de afaceri. Organizațiile folosesc fabricația aditivă pentru a reduce greutatea pieselor, a reduce timpii de livrare și costurile sculelor și a îmbunătăți personalizarea și performanța produselor. Se așteaptă ca industria de fabricație aditivă să își continue traiectoria de creștere, odată cu apariția de noi companii, produse, servicii, aplicații și cazuri de utilizare, adesea cu o viteză amețitoare.