Адитивне виробництво, також відоме як 3D-друк, продовжувало розвиватися протягом майже 35 років з моменту його комерційного використання.Аерокосмічна, автомобільна, оборонна, енергетична, транспортна, медична, стоматологічна та споживча промисловість використовують адитивне виробництво для широкого спектру застосувань.
З таким широким впровадженням стає зрозуміло, що адитивне виробництво не є універсальним рішенням.Відповідно до термінологічного стандарту ISO/ASTM 52900 майже всі комерційні системи адитивного виробництва належать до однієї з семи категорій процесів.До них відносяться екструзія матеріалу (MEX), фотополімеризація у ванні (VPP), сплавлення порошкового шару (PBF), напилення зв’язуючого матеріалу (BJT), напилення матеріалу (MJT), спрямоване осадження енергії (DED) і ламінування листів (SHL).Тут вони відсортовані за популярністю на основі одиничних продажів.
Все більше професіоналів галузі, включаючи інженерів і менеджерів, дізнаються, коли адитивне виробництво може допомогти покращити продукт або процес, а коли ні.Історично основні ініціативи щодо впровадження адитивного виробництва виходили від інженерів, які мають досвід роботи з цією технологією.Керівництво бачить більше прикладів того, як адитивне виробництво може підвищити продуктивність, скоротити час виконання робіт і створити нові можливості для бізнесу.АМ не замінить більшість традиційних форм виробництва, але стане частиною арсеналу підприємця щодо розробки продукту та можливостей виробництва.
Адитивне виробництво має широкий спектр застосувань, від мікрофлюідики до великомасштабного будівництва.Переваги АМ залежать від галузі, застосування та необхідної продуктивності.Організації повинні мати вагомі причини для впровадження АМ, незалежно від варіанту використання.Найбільш поширеними є концептуальне моделювання, перевірка дизайну та перевірка придатності та функціональності.Все більше і більше компаній використовують його для створення інструментів і програм для масового виробництва, включаючи розробку продуктів на замовлення.
Для аерокосмічного застосування вага є основним фактором.За даними Центру космічних польотів Маршалла НАСА, виведення на орбіту Землі корисного вантажу вагою 0,45 кг коштує близько 10 000 доларів.Зменшення ваги супутників може заощадити на витратах на запуск.На зображенні, що додається, зображено металеву АМ-деталь Swissto12, яка об’єднує кілька хвилеводів в одну частину.З AM вага зменшується до менше 0,08 кг.
Адитивне виробництво використовується в усьому ланцюжку створення вартості в енергетичній промисловості.Для деяких компаній комерційне обґрунтування використання АМ полягає в швидкому повторенні проектів для створення найкращого продукту за найкоротший проміжок часу.У нафтовій і газовій промисловості пошкоджені деталі або вузли можуть коштувати тисячі доларів або більше у вигляді втрати продуктивності за годину.Використання АМ для відновлення операцій може бути особливо привабливим.
Великий виробник систем DED MX3D випустив прототип інструменту для ремонту труб.За даними компанії, пошкодження трубопроводу може коштувати від 100 000 до 1 000 000 євро (113 157-1 131 570 доларів США) на день.Пристосування, показане на наступній сторінці, використовує деталь з ЧПК як раму та використовує DED для зварювання окружності труби.AM забезпечує високу швидкість осадження з мінімальними відходами, а ЧПК забезпечує необхідну точність.
У 2021 році на нафтовій платформі TotalEnergies у Північному морі встановили надруковану на 3D-принтері обсадну трубу для води.Водяні сорочки є критично важливим елементом, який використовується для контролю вилучення вуглеводнів у свердловинах, що будуються.У цьому випадку переваги використання адитивного виробництва полягають у скороченні часу виготовлення та зниженні викидів на 45% у порівнянні з традиційними кованими водяними сорочками.
Іншим бізнес-кейсом для адитивного виробництва є скорочення дорогого інструменту.Phone Scope розробила цифрові адаптери для пристроїв, які підключають камеру телефону до телескопа чи мікроскопа.Щороку випускаються нові телефони, що вимагає від компаній випуску нової лінії адаптерів.Використовуючи AM, компанія може заощадити гроші на дорогих інструментах, які потрібно замінити, коли випускаються нові телефони.
Як і з будь-яким іншим процесом або технологією, адитивне виробництво не слід використовувати, оскільки воно вважається новим або іншим.Це робиться для покращення розробки продукту та/або процесів виробництва.Це має додати цінності.Приклади інших бізнес-кейсів включають спеціальні продукти та масове налаштування, складну функціональність, інтегровані частини, менший матеріал і вагу, а також покращену продуктивність.
Щоб AM міг реалізувати свій потенціал зростання, потрібно вирішити проблеми.Для більшості виробничих застосувань процес має бути надійним і відтворюваним.Подальші методи автоматизації видалення матеріалу деталей і опор і постобробки допоможуть.Автоматизація також підвищує продуктивність і знижує вартість деталі.
Однією з сфер найбільшого інтересу є автоматизація постобробки, наприклад видалення порошку та фінішна обробка.Автоматизуючи процес масового виробництва додатків, одну і ту ж технологію можна повторювати тисячі разів.Проблема полягає в тому, що конкретні методи автоматизації можуть відрізнятися залежно від типу деталі, розміру, матеріалу та процесу.Наприклад, дообробка автоматизованих зубних коронок сильно відрізняється від обробки деталей ракетних двигунів, хоча обидві можуть бути виготовлені з металу.
Оскільки частини оптимізовані для AM, часто додаються більш розширені функції та внутрішні канали.Для PBF основною метою є видалення 100% порошку.Солукон виготовляє автоматичні системи видалення порошку.Компанія розробила технологію Smart Powder Recovery (SRP), яка обертає та вібрує металеві частини, які все ще прикріплені до робочої пластини.Обертання та вібрація контролюються моделлю CAD деталі.Завдяки точному переміщенню та струшуванню частин уловлений порошок тече майже як рідина.Ця автоматизація зменшує ручну працю та може підвищити надійність і відтворюваність видалення порошку.
Проблеми та обмеження ручного видалення порошку можуть обмежити життєздатність використання АМ для масового виробництва, навіть у невеликих кількостях.Системи видалення металевого порошку Solukon можуть працювати в інертній атмосфері та збирати невикористаний порошок для повторного використання в машинах AM.Компанія Solukon провела опитування клієнтів і опублікувала дослідження в грудні 2021 року, яке показало, що двома найбільшими проблемами є професійна гігієна та відтворюваність.
Ручне видалення порошку зі смол PBF може зайняти багато часу.Такі компанії, як DyeMansion і PostProcess Technologies, створюють системи постобробки для автоматичного видалення порошку.Багато деталей для адитивного виробництва можна завантажити в систему, яка перевертає та викидає середовище для видалення надлишку порошку.HP має власну систему, яка видаляє порошок із робочої камери Jet Fusion 5200 за 20 хвилин.Система зберігає нерозплавлений порошок в окремому контейнері для повторного використання або переробки для інших цілей.
Компанії можуть отримати вигоду від автоматизації, якщо її можна застосувати до більшості етапів постобробки.DyeMansion пропонує системи для видалення порошку, підготовки поверхні та фарбування.Система PowerFuse S завантажує деталі, пропарює гладкі деталі та вивантажує їх.Компанія надає стелаж з нержавіючої сталі для підвішування деталей, який виготовляється своїми руками.Система PowerFuse S може створювати поверхню, схожу на форму для лиття під тиском.
Найбільша проблема, яка стоїть перед галуззю, полягає в розумінні реальних можливостей, які може запропонувати автоматизація.Якщо необхідно виготовити мільйон полімерних деталей, найкращим рішенням можуть бути традиційні процеси лиття або формування, хоча це залежить від деталі.AM часто доступний для першого виробничого циклу в інструментальному виробництві та тестуванні.Завдяки автоматизованій постобробці можна надійно та відтворювано виготовляти тисячі деталей за допомогою АМ, але це залежить від деталей і може вимагати спеціального рішення.
AM не має нічого спільного з промисловістю.Багато організацій представляють цікаві результати досліджень і розробок, які можуть привести до належного функціонування продуктів і послуг.В аерокосмічній промисловості Relativity Space виробляє одну з найбільших систем виробництва металевих добавок, використовуючи власну технологію DED, яку компанія сподівається використовувати для виробництва більшості її ракет.Його ракета Terran 1 може доставити на низьку навколоземну орбіту корисний вантаж вагою 1250 кг.Relativity планує запустити тестову ракету в середині 2022 року і вже планує більшу багаторазову ракету під назвою Terran R.
Ракети Terran 1 і R від Relativity Space — це інноваційний спосіб переосмислити те, як можуть виглядати майбутні космічні польоти.Дизайн і оптимізація для адитивного виробництва викликали інтерес до цієї розробки.У компанії стверджують, що цей метод дозволяє зменшити кількість деталей у 100 разів порівняно з традиційними ракетами.Компанія також стверджує, що може виробляти ракети із сировини протягом 60 днів.Це чудовий приклад об’єднання багатьох частин в одну та значного спрощення ланцюжка поставок.
У стоматологічній промисловості адитивне виробництво використовується для виготовлення коронок, мостів, хірургічних шаблонів для свердління, часткових протезів і елайнерів.Align Technology і SmileDirectClub використовують 3D-друк для виготовлення деталей для термоформування прозорих пластикових елайнерів.Компанія Align Technology, виробник продукції під брендом Invisalign, використовує багато систем фотополімеризації у ваннах 3D Systems.У 2021 році компанія заявила, що пролікувала понад 10 мільйонів пацієнтів, оскільки отримала схвалення FDA у 1998 році. Якщо типове лікування пацієнта складається з 10 елайнерів, що є низькою оцінкою, компанія виготовила 100 мільйонів або більше деталей AM.Частини зі скловолокна важко переробити, оскільки вони термореактивні.SmileDirectClub використовує систему HP Multi Jet Fusion (MJF) для виробництва термопластичних деталей, які можна переробити для інших застосувань.
Історично компанія VPP не була в змозі виробляти тонкі, прозорі деталі з властивостями міцності для використання в якості ортодонтичних пристроїв.У 2021 році LuxCreo та Graphy випустили можливе рішення.Станом на лютий Graphy має схвалення FDA для прямого 3D-друку стоматологічних приладів.Якщо ви друкуєте їх безпосередньо, наскрізний процес вважається коротшим, простішим і потенційно дешевшим.
Першою розробкою, яка привернула багато уваги ЗМІ, було використання 3D-друку для масштабних будівельних робіт, таких як житло.Часто стіни будинку друкують методом екструзії.Усі інші частини будинку були виготовлені з використанням традиційних методів і матеріалів, включаючи підлоги, стелі, дахи, сходи, двері, вікна, прилади, шафи та стільниці.3D-друковані стіни можуть збільшити витрати на встановлення електрики, освітлення, сантехніки, повітропроводів і вентиляційних отворів для опалення та кондиціонування повітря.Внутрішню та зовнішню обробку бетонної стіни складніше, ніж з традиційним дизайном стіни.Модернізація будинку за допомогою 3D-друкованих стін також є важливим питанням.
Дослідники з національної лабораторії Оук-Рідж вивчають, як зберігати енергію в 3D-друкованих стінах.Вставивши труби в стіну під час будівництва, вода може протікати через неї для опалення та охолодження. Цей науково-дослідний проект цікавий та інноваційний, але все ще перебуває на ранній стадії розробки. Цей науково-дослідний проект цікавий та інноваційний, але все ще перебуває на ранній стадії розробки.Цей дослідницький проект є цікавим та інноваційним, але все ще перебуває на ранніх стадіях розробки.Цей дослідницький проект є цікавим та інноваційним, але все ще знаходиться на ранніх стадіях розробки.
Більшість із нас ще не знайомі з економікою 3D-друку будівельних частин чи інших великих об’єктів.Технологія була використана для виготовлення деяких містків, навісів, паркових лавок, а також елементів декору для будівель і зовнішнього середовища.Вважається, що переваги адитивного виробництва в малих масштабах (від кількох сантиметрів до кількох метрів) стосуються і великомасштабного 3D-друку.Основні переваги використання адитивного виробництва включають створення складних форм і елементів, зменшення кількості деталей, зменшення матеріалу та ваги, а також підвищення продуктивності.Якщо АМ не додає цінності, його корисність слід поставити під сумнів.
У жовтні 2021 року Stratasys придбала решту 55% ​​акцій Xaar 3D, дочірньої компанії британського виробника промислових струменевих принтерів Xaar.Технологія полімерного PBF від Stratasys під назвою Selective Absorbion Fusion базується на струменевих друкуючих головках Xaar.Машина Stratasys H350 конкурує з системою HP MJF.
Купівля Desktop Metal була вражаючою.У лютому 2021 року компанія придбала Envisiontec, давнього виробника систем промислового адитивного виробництва.У травні 2021 року компанія придбала Adaptive3D, розробника гнучких полімерів VPP.У липні 2021 року Desktop Metal придбала компанію Aerosint, розробника процесів повторного нанесення порошкового покриття з кількох матеріалів.Найбільше придбання відбулося в серпні, коли Desktop Metal придбала конкурента ExOne за 575 мільйонів доларів.
Придбання ExOne компанією Desktop Metal об’єднує двох відомих виробників металевих систем BJT.Загалом, технологія ще не досягла того рівня, про який багато хто вважає.Компанії продовжують вирішувати такі проблеми, як повторюваність, надійність і розуміння першопричини проблем у міру їх виникнення.Незважаючи на це, якщо проблеми будуть вирішені, технологія все ще зможе вийти на більші ринки.У липні 2021 року 3DEO, постачальник послуг, що використовує власну систему 3D-друку, заявив, що відправив мільйонну частину клієнтам.
Розробники програмного забезпечення та хмарних платформ відзначили значне зростання індустрії адитивного виробництва.Це особливо вірно для систем управління продуктивністю (MES), які відстежують ланцюг створення вартості AM.3D Systems погодилася придбати Oqton у вересні 2021 року за 180 мільйонів доларів.Заснована в 2017 році компанія Oqton пропонує хмарні рішення для покращення робочого процесу та підвищення ефективності AM.Materialize придбала Link3D у листопаді 2021 року за 33,5 мільйона доларів.Як і Oqton, хмарна платформа Link3D відстежує роботу та спрощує робочий процес AM.
Одним з останніх придбань у 2021 році є придбання Wohlers Associates компанією ASTM International.Разом вони працюють над тим, щоб використовувати бренд Wohlers для підтримки більш широкого впровадження AM у всьому світі.Через ASTM AM Center of Excellence Wohlers Associates продовжуватиме випуск звітів Wohlers та інших публікацій, а також надаватиме консультаційні послуги, аналіз ринку та навчання.
Індустрія виробництва добавок зросла, і багато галузей використовують цю технологію для широкого спектру застосувань.Але 3D-друк не замінить більшість інших форм виробництва.Замість цього він використовується для створення нових типів продуктів і бізнес-моделей.Організації використовують AM, щоб зменшити вагу деталей, скоротити час виконання робіт і вартість інструментів, а також покращити персоналізацію продукту та продуктивність.Очікується, що індустрія адитивного виробництва продовжить свою траєкторію зростання з появою нових компаній, продуктів, послуг, програм і випадків використання, часто з шаленою швидкістю.