Produkcja przyrostowa odgrywa coraz większą rolę w przemyśle wytwórczym i jest wykorzystywana głównie w produkcji narzędzi i budowie prototypów.

Produkcja przyrostowa: Definition and Explanation

Ten proces produkcyjny jest stosowany przede wszystkim w produkcji narzędzi (szybkie oprzyrządowanie), w wytwarzaniu produktów końcowych (szybkie wytwarzanie) oraz w produkcji prototypów (szybkie prototypowanie). Jak można sklasyfikować wytwarzanie addytywne w kontekście technologii wytwarzania? Technologie wytwarzania są ogólnie oparte na trzech filarach:

• Procesy subtrakcyjne (coś jest usuwane): frezowanie, toczenie itp.

• Procesy formatywne (materiał jest przeprojektowywany): Odlewanie, kucie, itp.

• Procesy addytywne (coś jest dodawane): Drukowanie 3D, itp.

Produkcja addytywna opisuje procesy, w których część, która ma zostać wyprodukowana, jest konstruowana przez dodanie materiału. Konstrukcja odbywa się w warstwach. Wiąże się to z następującymi dwoma aspektami:

1. Element składa się z różnych warstw. Zazwyczaj proces ten jest przeprowadzany od dołu do góry. Mówiąc prościej, wykorzystuje się tę samą zasadę, co przy budowie zamków z piasku: Nowa warstwa jest nakładana na platformę budowlaną w celu zbudowania wieży.

2. Różne procesy odbywają się wielokrotnie w warstwach (tj. jeden po drugim). Polega to na podawaniu materiału, topieniu (kształtowaniu) i wreszcie łączeniu z poprzednimi warstwami. Etapy te, zwane łańcuchem technologicznym, są takie same niezależnie od tego, jaka maszyna jest używana do wytwarzania addytywnego. Jedyną różnicą jest sposób, w jaki tworzone są poszczególne warstwy.

Produkcja addytywna umożliwia zatem tworzenie obiektów trójwymiarowych. Aby było to możliwe, maszyna wymaga najpierw specyfikacji projektu 3D („trójwymiarowy CAD”) części, która ma zostać wyprodukowana. Odpowiedni zestaw danych składa się z danych konturowych (długość x, wysokość y), liczby warstw (z) i grubości warstwy (dz). Zadaniem odpowiedniego programu komputerowego jest podzielenie modelu na odpowiednie warstwy. Następnie oprogramowanie przekazuje zestaw danych do maszyny w postaci instrukcji produkcyjnych, np. do drukarki do druku 3D z metalu.

How Does It Work?

W prawie każdym przypadku, produkcja addytywna a wykorzystuje złoże proszku. Oznacza to, że sproszkowany materiał jest podawany do złoża, gdzie jest dalej przetwarzany. W druku 3D z metalu, na przykład, metal (lub kilka metali) jest redukowany do proszku, zanim zostanie wprowadzony do komory i odbudowany. Istnieją cztery powszechne metody wytwarzania warstw z proszku:

• Selektywne spiekanie laserowe (SLS)

• Selektywne topienie laserowe (SLM)

• Elektroniczne topienie wiązką (EMD/ EBM)

• Binder Jetting

SLS: Spiekanie polega na ogrzewaniu materiałów pod ciśnieniem, ale nie do punktu ich stopienia. Technologia laserowa umożliwia tworzenie trójwymiarowych geometrii za pomocą podcięć. Zazwyczaj używa się do tego laserów CO2 lub laserów włóknowych.

SLM: Proszek jest podgrzewany przez wysokoenergetyczny laser włóknowy, a następnie schładzany. Kształt elementów jest tworzony przez ukierunkowane odchylenie wiązek laserowych. SLM jest stosowany coraz częściej niż SLS. Ponieważ nie jest stosowane ciśnienie, obiekty wykazują większą wytrzymałość, a zatem są bardziej trwałe. Proces ten jest często wykorzystywany do drukowania 3D metali.

EMD/ EBM: W zasadzie metoda ta jest podobna do SLM. Jednak w tym zastosowaniu wykorzystuje się wiązkę elektronów, a nie wiązkę laserową. Cały proces odbywa się w próżni. EMD jest szybsza niż SLM, ale mniej precyzyjna i ma mniejszą maksymalną objętość wydruku. Maszyny EMD mają średnią średnicę 350 mm i wysokość 380 mm. Maszyny SLM są dwa razy większe. EMD jest idealną technologią wytwarzania addytywnego wszędzie tam, gdzie małe części muszą być produkowane w dużych ilościach. Proces ten jest również często wykorzystywany do druku 3D z metalu.

Binder Jetting: Proszek jest selektywnie osadzany z płynnym środkiem wiążącym w celu utworzenia warstw. Ten proces ma tę zaletę, że pozwala na bardzo prostą konstrukcję w różnych kolorach.

Inne procesy wytwarzania

Te cztery rodzaje wytwarzania addytywnego mogą być uzupełnione lub zastąpione przez inne procesy. Dotyczy to na przykład:

• Stereolitografii: Jest to klasyczny przypadek wytwarzania addytywnego. Proces ten został już opracowany przez Chucka Hulla w 1983 roku. Obiekt jest stopniowo opuszczany do ciekłej kąpieli fotopolimerowej. Obróbka odbywa się za pomocą lasera.

• Fused Layer Modelling (FLM): Jest to zwykła procedura dla druku 3D (z tworzyw sztucznych). Jest to specjalny proces wytłaczania, w którym materiał jest „wyciskany” z dyszy do formy po schłodzeniu. Jak zwykle, wytłaczanie odbywa się w warstwach. W przemyśle motoryzacyjnym lub elektronicznym, na przykład, FLM często uzupełnia obiekty SLM. Druk 3D z metalu może być uzupełniony np. przez FLM.

Obszary zastosowań

Obszary zastosowań procesów wytwarzania addytywnego można podzielić na trzy kategorie. Zastosowania te są często mylnie utożsamiane z technologiami:

• Rapid Prototyping: Wytwarzanie addytywne jest stosowane w celu umożliwienia szybkiej budowy modelu. Na wczesnym etapie rozwoju produktu powinny być dostępne modele fizyczne. Szybkie prototypowanie pozwala na wytwarzanie tych modeli w sposób szczególnie niezawodny.

• Rapid Tooling: W Niemczech małe seryjne narzędzia do formowania wtryskowego i odlewania metali są zazwyczaj produkowane za pomocą druku 3D z metalu.

• Rapid Manufacturing: Polega na szybkim wytwarzaniu obiektów, które są wykorzystywane jako produkty końcowe lub komponenty. W przeciwieństwie do szybkiego prototypowania, nie generuje się modeli, lecz gotowe do użycia części.

Pros and Cons of Additive Manufacturing

Jakie są zalety wytwarzania addytywnego?

• Indywidualizacja

• Większa swoboda projektowania

• Szybkość

• Bez narzędzi i form

Jedną z najważniejszych zalet jest to, że obiekty można dowolnie dostosowywać do potrzeb. Na przykład, możliwe jest wytwarzanie ścian o różnej grubości, bardzo drobnych struktur lub bardzo małych wymiarów. Ponadto możliwe jest realizowanie złożonych geometrii przy użyciu druku 3D z metalu, które nie byłyby możliwe przy użyciu innych procesów produkcyjnych. Dotyczy to na przykład wgłębień, podcięć, kanałów z łukami lub nawisami. Dawniej projekt obiektu musiał odpowiadać ograniczeniom wynikającym z możliwości produkcyjnych. Ograniczenie to zostało w znacznym stopniu wyeliminowane przy produkcji addytywnej i dlatego jest to ogromna zaleta, szczególnie w przypadku druku 3D z metalu. Ponadto wytwarzanie addytywne obiektu trwa zwykle tylko kilka godzin, podczas gdy inne procesy produkcyjne zajmują dni lub tygodnie.

Wytwarzanie addytywne ma również następujące wady:

• Nieuniknione wykańczanie

• Ograniczona przydatność do przemysłowej produkcji masowej

Jeśli obiekt wymaga określonej jakości powierzchni, obróbka końcowa jest nieunikniona. To samo dotyczy sytuacji, gdy mają być zachowane pewne tolerancje. Nie ma jeszcze standardu w tym zakresie (ISO/ASTM 52195 może być jednak dalej rozwijany w odpowiedni sposób). Szczególnie w przypadku drukowania 3D z metalu, wykańczanie może być niezwykle czasochłonne.

Na przykład, drukowanie 3D z metalu zazwyczaj pozwala na jednoczesne wytwarzanie maksymalnie dwóch obiektów w jednej maszynie. Z drugiej strony, konwencjonalne metody wytwarzania pozwalają na produkcję znacznie większych ilości. Dla masowej produkcji przemysłowej, produkcja addytywna jest więc odpowiednia tylko w ograniczonym zakresie. Najlepszym tego przykładem jest produkcja motoryzacyjna: Teoretycznie cały pojazd mógłby zostać wyprodukowany za pomocą wytwarzania addytywnego. Ze względu na dużą liczbę komponentów byłoby to jednak o wiele za drogie. Z tego powodu większość komponentów jest nadal produkowana metodami konwencjonalnymi.

Równowaga kosztów

Kwestia inwestycji jest według ekspertów tematem kontrowersyjnym. Ponieważ zakres cenowy kosztów nabycia maszyny waha się od 15 euro do ponad 100.000 euro. W porównaniu z innymi maszynami, nie jest to szczególnie drogie. Jest tak również wtedy, gdy wliczone są koszty utrzymania. Szczególnie w technice medycznej produkcja addytywna oferuje zatem znaczną przewagę kosztową. Inaczej rzecz się ma w zastosowaniach przemysłowych. W tym obszarze, na przykład, druk 3D z metalu uzupełnia konwencjonalne systemy produkcyjne. Nie może ich jednak całkowicie zastąpić. Tutaj produkcja addytywna powoduje dodatkowe koszty.

Produkcja addytywna w przyszłości

Produkcja addytywna ma przed sobą wielką przyszłość. Firma SAMG podsumowała to w ten sposób: Obecny rozwój produkcji addytywnej już przekroczył prognozy zawarte w badaniach przeprowadzonych w poprzednich latach. Renomowane instytucje badawcze, takie jak ETH Zurich, są przekonane, że druk 3D z metalu będzie zyskiwał coraz większe znaczenie w budowie maszyn i produkcji narzędzi. Celem jest, aby produkcja addytywna stała się na tyle szybka i precyzyjna, aby nadawała się do produkcji seryjnej. Obecnie możliwości produkcji addytywnej wciąż konkurują z maszynami sterowanymi CNC, które wciąż lepiej nadają się do produkcji seryjnej. Długoterminowym celem jest, aby drukowanie 3D z metalu złożonych obiektów w przyszłości wyprzedziło CNC.

Przemysł kosmiczny i lotniczy jest odpowiedzialny za udane wykorzystanie druku 3D. W sektorze motoryzacyjnym, w szczególności części zamienne są produkowane przy użyciu dodatków. Tutaj znajdą Państwo dalsze informacje na temat zastosowania produkcji addytywnej w przeglądzie artykułów.

Ten artykuł został po raz pierwszy opublikowany przez MM International.