Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, продолжает развиваться уже почти 35 лет с момента его коммерческого использования.Аэрокосмическая, автомобильная, оборонная, энергетическая, транспортная, медицинская, стоматологическая и потребительская отрасли используют аддитивное производство для широкого спектра применений.
При таком широком распространении становится ясно, что аддитивное производство не является универсальным решением.Согласно терминологическому стандарту ISO/ASTM 52900, почти все коммерческие системы аддитивного производства попадают в одну из семи категорий процессов.К ним относятся экструзия материала (MEX), фотополимеризация в ванне (VPP), сплавление в порошковом слое (PBF), распыление связующего (BJT), распыление материала (MJT), осаждение направленной энергии (DED) и ламинирование листов (SHL).Здесь они отсортированы по популярности на основе объемов продаж.
Все большее число отраслевых специалистов, включая инженеров и менеджеров, узнают, когда аддитивное производство может помочь улучшить продукт или процесс, а когда нет.Исторически сложилось так, что основные инициативы по внедрению аддитивного производства исходили от инженеров, имеющих опыт работы с этой технологией.Руководство видит больше примеров того, как аддитивное производство может повысить производительность, сократить время выполнения заказа и создать новые возможности для бизнеса.AM не заменит большинство традиционных форм производства, но станет частью арсенала предпринимателя для разработки продуктов и производственных возможностей.
Аддитивное производство имеет широкий спектр применений, от микрофлюидики до крупномасштабного строительства.Преимущества AM зависят от отрасли, области применения и требуемой производительности.У организаций должны быть веские причины для внедрения AM, независимо от варианта использования.Наиболее распространенными являются концептуальное моделирование, проверка проекта и проверка пригодности и функциональности.Все больше и больше компаний используют его для создания инструментов и приложений для массового производства, включая разработку продуктов на заказ.
Для аэрокосмических приложений вес является основным фактором.По данным Центра космических полетов НАСА им. Маршалла, вывод полезной нагрузки весом 0,45 кг на околоземную орбиту стоит около 10 000 долларов.Уменьшение веса спутников может сэкономить на затратах на запуск.На прикрепленном изображении показана металлическая AM-деталь Swissto12, которая объединяет несколько волноводов в одну деталь.С AM вес снижается до менее 0,08 кг.
Аддитивное производство используется на протяжении всей цепочки создания стоимости в энергетической отрасли.Для некоторых компаний экономическое обоснование использования AM заключается в быстрой итерации проектов для создания наилучшего возможного продукта в кратчайшие сроки.В нефтегазовой отрасли поврежденные детали или узлы могут стоить тысячи долларов и более из-за потери производительности в час.Использование AM для восстановления операций может быть особенно привлекательным.
Крупный производитель систем DED MX3D выпустил прототип инструмента для ремонта труб.По данным компании, поврежденный трубопровод может стоить от 100 000 до 1 000 000 евро (113 157–1 131 570 долларов) в день.Приспособление, показанное на следующей странице, использует деталь с ЧПУ в качестве рамы и использует DED для сварки окружности трубы.AM обеспечивает высокую скорость наплавки с минимальными отходами, а CNC обеспечивает необходимую точность.
В 2021 году водяной корпус, напечатанный на 3D-принтере, был установлен на нефтяной платформе TotalEnergies в Северном море.Водяные рубашки являются важнейшим элементом, используемым для контроля добычи углеводородов в строящихся скважинах.В этом случае преимущества использования аддитивного производства заключаются в сокращении времени выполнения заказов и снижении выбросов на 45% по сравнению с традиционными коваными водяными рубашками.
Еще одним экономическим обоснованием аддитивного производства является сокращение использования дорогостоящего инструмента.Компания Phone Scope разработала адаптеры дигископинга для устройств, которые соединяют камеру вашего телефона с телескопом или микроскопом.Каждый год выпускаются новые телефоны, что требует от компаний выпуска новой линейки адаптеров.Используя AM, компания может сэкономить деньги на дорогостоящих инструментах, которые необходимо заменять при выпуске новых телефонов.
Как и в случае любого процесса или технологии, аддитивное производство не должно использоваться, поскольку оно считается новым или отличным от других.Это делается для улучшения разработки продукта и/или производственных процессов.Это должно повысить ценность.Примеры других бизнес-кейсов включают заказные продукты и массовую настройку, сложную функциональность, интегрированные детали, меньше материала и веса, а также улучшенную производительность.
Чтобы AM реализовала свой потенциал роста, необходимо решить проблемы.Для большинства производственных приложений процесс должен быть надежным и воспроизводимым.Помогут последующие методы автоматизации съема материала деталей и опор и постобработки.Автоматизация также повышает производительность и снижает стоимость одной детали.
Одной из областей, представляющих наибольший интерес, является автоматизация постобработки, например удаление порошка и финишная обработка.Автоматизируя процесс массового производства приложений, одну и ту же технологию можно повторять тысячи раз.Проблема в том, что конкретные методы автоматизации могут различаться в зависимости от типа детали, размера, материала и процесса.Например, постобработка автоматизированных зубных коронок сильно отличается от обработки деталей ракетных двигателей, хотя и те, и другие могут быть изготовлены из металла.
Поскольку детали оптимизированы для AM, часто добавляются более продвинутые функции и внутренние каналы.Для PBF основная цель — удалить 100% порошка.Solukon производит автоматические системы удаления порошка.Компания разработала технологию под названием Smart Powder Recovery (SRP), которая вращает и вибрирует металлические детали, которые все еще прикреплены к рабочей пластине.Вращение и вибрация контролируются CAD-моделью детали.При точном перемещении и встряхивании частей захваченный порошок течет почти как жидкость.Эта автоматизация сокращает объем ручного труда и может повысить надежность и воспроизводимость удаления порошка.
Проблемы и ограничения ручного удаления порошка могут ограничить жизнеспособность использования AM для массового производства, даже в небольших количествах.Системы удаления металлического порошка Solukon могут работать в инертной атмосфере и собирать неиспользованный порошок для повторного использования в машинах AM.Компания Solukon провела опрос клиентов и в декабре 2021 года опубликовала исследование, показывающее, что две самые большие проблемы — это гигиена труда и воспроизводимость результатов.
Ручное удаление порошка из структур смолы PBF может занять много времени.Такие компании, как DyeMansion и PostProcess Technologies, создают системы постобработки для автоматического удаления порошка.Многие детали аддитивного производства могут быть загружены в систему, которая переворачивает и выбрасывает среду для удаления излишков порошка.У HP есть собственная система, которая удаляет порошок из рабочей камеры Jet Fusion 5200 за 20 минут.Система хранит нерасплавленный порошок в отдельном контейнере для повторного использования или переработки для других целей.
Компании могут извлечь выгоду из автоматизации, если ее можно применить к большинству этапов постобработки.DyeMansion предлагает системы для удаления порошка, подготовки поверхности и окраски.Система PowerFuse S загружает детали, пропаривает гладкие детали и выгружает их.Компания предоставляет стеллаж из нержавеющей стали для подвешивания деталей, который делается своими руками.Система PowerFuse S может создавать поверхность, похожую на форму для литья под давлением.
Самой большой проблемой, стоящей перед отраслью, является понимание реальных возможностей, которые может предложить автоматизация.Если необходимо изготовить миллион полимерных деталей, лучшим решением могут быть традиционные процессы литья или формования, хотя это зависит от детали.AM часто доступен для первого производственного цикла при производстве и тестировании инструментов.Благодаря автоматизированной постобработке тысячи деталей могут быть изготовлены надежно и воспроизводимо с использованием AM, но это зависит от конкретной детали и может потребовать индивидуального решения.
AM не имеет ничего общего с промышленностью.Многие организации представляют интересные результаты исследований и разработок, которые могут привести к надлежащему функционированию продуктов и услуг.В аэрокосмической отрасли Relativity Space производит одну из крупнейших систем аддитивного производства металлов с использованием запатентованной технологии DED, которая, как надеется компания, будет использоваться для производства большинства ее ракет.Его ракета Terran 1 может доставлять на низкую околоземную орбиту полезную нагрузку массой 1250 кг.Relativity планирует запустить испытательную ракету в середине 2022 года и уже планирует создание более крупной многоразовой ракеты под названием Terran R.
Ракеты Terran 1 и R компании Relativity Space — это инновационный способ переосмыслить то, как могут выглядеть будущие космические полеты.Дизайн и оптимизация для аддитивного производства вызвали интерес к этой разработке.Компания утверждает, что этот метод позволяет сократить количество деталей в 100 раз по сравнению с традиционными ракетами.Компания также утверждает, что может производить ракеты из сырья в течение 60 дней.Это отличный пример объединения многих частей в одну и значительного упрощения цепочки поставок.
В стоматологической промышленности аддитивное производство используется для изготовления коронок, мостов, шаблонов для хирургического сверления, частичных протезов и элайнеров.Align Technology и SmileDirectClub используют 3D-печать для производства деталей для термоформования прозрачных пластиковых элайнеров.Компания Align Technology, производитель продукции под торговой маркой Invisalign, использует многие системы фотополимеризации в ваннах 3D Systems.В 2021 году компания заявила, что вылечила более 10 миллионов пациентов с тех пор, как получила одобрение FDA в 1998 году. Если лечение типичного пациента состоит из 10 элайнеров, что является низкой оценкой, компания произвела 100 миллионов или более деталей AM.Детали из FRP трудно перерабатывать, потому что они термореактивны.SmileDirectClub использует систему HP Multi Jet Fusion (MJF) для производства термопластичных деталей, которые можно перерабатывать для других целей.
Исторически VPP не могла производить тонкие прозрачные детали с прочностными характеристиками для использования в качестве ортодонтических аппаратов.В 2021 году LuxCreo и Graphy выпустили возможное решение.По состоянию на февраль Graphy имеет одобрение FDA на прямую 3D-печать стоматологических приспособлений.Если вы распечатываете их напрямую, сквозной процесс считается короче, проще и потенциально менее затратным.
Ранней разработкой, которая привлекла большое внимание средств массовой информации, было использование 3D-печати для крупномасштабных строительных приложений, таких как жилье.Часто стены дома печатают методом экструзии.Все остальные части дома были сделаны с использованием традиционных методов и материалов, включая полы, потолки, крыши, лестницы, двери, окна, технику, шкафы и столешницы.3D-печатные стены могут увеличить стоимость установки электричества, освещения, сантехники, воздуховодов и вентиляционных отверстий для отопления и кондиционирования воздуха.Отделка бетонной стены внутри и снаружи сложнее, чем при традиционном оформлении стен.Модернизация дома с помощью 3D-печатных стен также является важным фактором.
Исследователи из Ок-Риджской национальной лаборатории изучают, как накапливать энергию в стенах, напечатанных на 3D-принтере.Вставляя трубы в стену во время строительства, вода может протекать через нее для обогрева и охлаждения. Этот научно-исследовательский проект является интересным и инновационным, но он все еще находится на ранней стадии разработки. Этот научно-исследовательский проект является интересным и инновационным, но он все еще находится на ранней стадии разработки.Этот исследовательский проект является интересным и инновационным, но он все еще находится на ранней стадии разработки.Этот исследовательский проект является интересным и инновационным, но все еще находится на ранних стадиях разработки.
Большинство из нас еще не знакомы с экономическими аспектами 3D-печати деталей зданий или других крупных объектов.Эта технология была использована для изготовления некоторых мостов, навесов, парковых скамеек, декоративных элементов для зданий и внешней среды.Считается, что преимущества аддитивного производства в малых масштабах (от нескольких сантиметров до нескольких метров) применимы и к крупномасштабной 3D-печати.Основные преимущества использования аддитивного производства включают создание сложных форм и элементов, уменьшение количества деталей, уменьшение материала и веса, а также повышение производительности.Если AM не добавляет ценности, его полезность следует подвергнуть сомнению.
В октябре 2021 года Stratasys приобрела оставшиеся 55% акций Xaar 3D, дочерней компании британского производителя промышленных струйных принтеров Xaar.Технология полимерного PBF компании Stratasys, называемая Selective Absorbion Fusion, основана на струйных печатающих головках Xaar.Машина Stratasys H350 конкурирует с системой HP MJF.
Покупка Desktop Metal была впечатляющей.В феврале 2021 года компания приобрела Envisiontec, давнего производителя промышленных систем аддитивного производства.В мае 2021 года компания приобрела Adaptive3D, разработчика гибких полимеров VPP.В июле 2021 года Desktop Metal приобрела Aerosint, разработчика процессов повторного нанесения порошкового покрытия из нескольких материалов.Крупнейшее приобретение произошло в августе, когда Desktop Metal купила конкурента ExOne за 575 миллионов долларов.
Приобретение ExOne компанией Desktop Metal объединяет двух известных производителей металлических BJT-систем.В целом технология еще не достигла того уровня, на который многие полагают.Компании продолжают решать такие вопросы, как воспроизводимость, надежность и понимание первопричины проблем по мере их возникновения.Даже в этом случае, если проблемы будут решены, у технологии еще есть место для выхода на более крупные рынки.В июле 2021 года 3DEO, поставщик услуг, использующий запатентованную систему 3D-печати, заявил, что отгрузил клиентам миллионный экземпляр.
Разработчики программного обеспечения и облачных платформ добились значительного роста в индустрии аддитивного производства.Это особенно верно для систем управления эффективностью (MES), которые отслеживают цепочку создания стоимости AM.3D Systems согласилась приобрести Oqton в сентябре 2021 года за 180 миллионов долларов.Компания Oqton, основанная в 2017 году, предоставляет облачные решения для улучшения рабочего процесса и повышения эффективности AM.Materialise приобрела Link3D в ноябре 2021 года за 33,5 миллиона долларов.Как и Oqton, облачная платформа Link3D отслеживает работу и упрощает рабочий процесс AM.
Одним из последних приобретений в 2021 году является приобретение ASTM International компании Wohlers Associates.Вместе они работают над использованием бренда Wohlers для поддержки более широкого внедрения AM во всем мире.Через Центр передового опыта ASTM AM компания Wohlers Associates продолжит выпускать отчеты Wohlers и другие публикации, а также предоставлять консультационные услуги, анализ рынка и обучение.
Индустрия аддитивного производства достигла зрелости, и многие отрасли используют эту технологию для широкого спектра применений.Но 3D-печать не заменит большинство других форм производства.Вместо этого он используется для создания новых типов продуктов и бизнес-моделей.Организации используют AM, чтобы уменьшить вес деталей, сократить время выполнения заказа и стоимость инструментов, а также улучшить персонализацию и производительность продукта.Ожидается, что индустрия аддитивного производства продолжит траекторию роста с появлением новых компаний, продуктов, услуг, приложений и вариантов использования, часто с головокружительной скоростью.