Аддитивные технологии

Эра аддитивного производства наступает

Сегодня мы воочию убеждаемся, как сбываются прогнозы по поводу того, что аддитивные технологии получат все большее распространение как в производственной сфере, так и в среде непрофессиональных пользователей. Практика компании «Солвер», более 15 лет работающей с аддитивными технологиями, подтверждает, что все больше заказчиков становятся обладателями 3D-принтеров различного класса – от самых простых и недорогих до наиболее продвинутых профессиональных. Все больше предприятий обращается к нам с заказами на изготовление как единичных изделий – прототипов или испытательных моделей, так и малых партий деталей из промышленных пластиков. Эра аддитивного производства действительно наступает.
23 марта 2015

Термин «аддитивное производство» обозначает технологии по созданию объектов за счет последовательного нанесения слоев материала. Модели, изготовленные аддитивным методом, могут применяться на любом этапе производства – как для изготовления опытных образцов (быстрое прототипирование), так и в качестве самих готовых изделий (быстрое производство).

аддитивные технологии

Конечно, традиционные методы производства, например, литье под давлением, могут обходиться дешевле при производстве крупных партий полимерных изделий, но аддитивные технологии обладают заметными преимуществами при мелко- и среднесерийном производстве. Они позволяют достичь более высокого темпа производства и гибкости при смене модельного ряда выпускаемой продукции, наряду с более высокой экономичностью в пересчете на единицу произведенного товара.

3D-печать позволяет создать трехмерную модель какого-либо изделия на компьютере и за считанное время получить полноценный физический объект, соответствующий заданным параметрам. Преимущества использования современных 3D-принтеров очевидны: снижение себестоимости изготовления продукции и сокращение сроков ее появления на рынке, моделирование элементов любой формы и сложности, быстрота и высокая точность изготовления, возможность использования различных моделирующих материалов. А постепенное снижение стоимости 3D-принтеров должно открыть новые перспективы для реализации разнообразных проектов с использованием трехмерной печати.

Непосредственно 3D-печать может занимать от нескольких минут до нескольких часов или дней в зависимости от размера и сложности модели. Промышленные модели установок зачастую могут сократить время до нескольких часов – это зависит от типа установки, а также размера и количества одновременно изготавливаемых моделей. Разрешение печати или высота наслаиваемого материала достаточны для большинства областей применения, а печать объектов с последующей локальной механической обработкой позволяет создавать модели повышенной точности.

аддитивные технологии

СОВРЕМЕННЫЕ АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

В настоящее время рынок 3D-печати представлен целым рядом различных методов аддитивного производства. Основные различия заключаются в способе нанесения слоев и в используемых расходных материалах. Некоторые методы основываются на плавке или размягчении материалов для создания слоев: сюда входит выборочное лазерное спекание (SLS), выборочное лазерное плавление (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), печать методом послойного наплавления (FDM или FFF). Другим направлением стало производство твердых моделей за счет полимеризации жидких материалов (фотополимеров), известное как стереолитография (SLA). В случае с ламинированием листовых материалов (LOM) тонкие слои материала подвергаются резке до нужного контура с последующим соединением в единое целое. В качестве материалов для LOM могут использоваться полимеры, бумага и металлы.

Многообещающе выглядит технология свободного пластического формования Plastic Freeforming (AKF) от авторитета в области создания термопластавтоматов – компании ARBURG. В этой технологии в качестве исходного материала можно использовать гранулированный пластик любых свойств, а формирование изделия происходит благодаря 5-осевой головке, наносящей пластик подобно тому, как украшают торты при помощи кулинарных шприцов.

аддитивные технологии

В настоящее время стало появляться множество гибридных технологий, которые «на своем борту» имеют как аддитивный модуль, так и субтрактивный (чаще всего оснащенный высокоскоростным фрезерным шпинделем). В итоге изделие сначала строится по слоям, а потом передается в модуль механообработки с ЧПУ. Из этого разряда интересной представляется технология ультразвукового аддитивного производства Ultrasonic Additive Manufacturing (UAM), разработанная компанией Solidica, которая позволяет объединять слои разнородных металлов под действием трения и последующей сварки, а после выполнять фрезерование баз или ответственных поверхностей. Одна из самых последних разработок – установка LUMEX Avance-25 от компании Matsuura, в которой используется технология гибридного производства пресс-форм путем спекания металла посредством лазера (Metal Laser Sintering Hybrid Manufacturing) с завершающим техпроцесс фрезерованием высокоскоростным шпинделем.

Методы аддитивного производства в сочетании с конструктивными особенностями некоторых принтеров предусматривают возможность использования нескольких материалов, а также разных цветов в течение одного производственного цикла, как, например, в некоторых топовых моделях 3D-принтеров PolyJet.

ТЕХНОЛОГИЯ POLYJET

Среди многообразия методов аддитивного производства особое место занимает построение моделей с использованием технологии PolyJet – 3D-печати фотополимерами – жидкими полимерами, отвердевающими при облучении УФ-светом. Сам принцип печати PolyJet был разработан израильской компанией Objet, с недавнего времени входящей в структуру компании Stratasys.

В процессе печати принтер считывает траекторию движения своих рабочих осей из специального файла, чаще всего полученного после расчета импортированного STL-файла. Печатающие головки распыляют тонкие слои фотополимера высотой 16-30 мкм на платформу рабочего стола до получения готового изделия. Каждая печатающая головка содержит в себе 192 печатных сопла с диаметром каждого всего 4 мкм. Для отверждения нанесенный слой сразу же засвечивается ультрафиолетовыми лампами, встроенными в головку. И так повторяется до тех пор, пока все слои не будут нанесены и отверждены. Гелеобразный опорный материал, используемый для поддержки компонентов при построении геометрически-сложных моделей, после их изготовления удаляется вручную или водой под давлением.

аддитивные технологии

Что касается параметра «разрешение принтера», здесь промышленные принтеры Objet являются рекордсменами, обеспечивая 1 600 DPI, что позволяет получать гладкие, аккуратные модели с высокой степенью детализации. Также можно печатать стенки моделей с минимальной толщиной 550 мкм.

Высокая скорость печати также является серьезным преимуществом технологии. В ряде случаев время построения сразу нескольких деталей будет таким же, как при изготовлении одной. Причем пользователь в программе может выбрать между высокой скоростью и высокой точностью построения.

Отличительной особенностью технологии PolyJet является возможность сочетания разных фотополимеров для получения композитных материалов с уникальными характеристиками так называемых «цифровых» полимеров, а также возможность печати сразу несколькими материалами, когда в изделии одновременно можно получать разные по свойствам элементы конструкции. Консистенция смол и время засветки тоже варьируются, поэтому при выборе принтера стоит учитывать и ассортимент совместимых материалов.

Также у компании Stratasys и принтеров Objet доступна, как мы уже отмечали ранее, палитра выбора цвета. Комбинирование материалов трех цветов позволяет получить практически любой цветовой оттенок и, как следствие, готовый объект с насыщенными цветами почти полиграфической палитры CMYK.

О МОДЕЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛАХ ПОДРОБНО

Хотя технология PolyJet существенно отличается от лазерной стереолитографии SLA, в качестве расходных материалов используются все те же фотополимерные смолы. Поскольку фотополимерные принтеры Stratasys в основном предназначены для профессионального и промышленного использования, компания разработала и предлагает собственную линейку модулирующих материалов. Их физические свойства после полимеризации отличаются в широких пределах, что позволяет достигать на готовом изделии различных тактильных ощущений. Доступны как твердые, так и эластичные варианты, в том числе прозрачные.

аддитивные технологии

Высокотемпературный фотополимер RGD525 после термической обработки готовых моделей выдерживает нагрев до 75-80°С. Это дает возможность использовать его для функционального прототипирования, например, патрубков и кранов для потоков горячей воды или воздуха. Комбинирование RGD525 с резиноподобными материалами позволяет создавать композиты с различной твердостью по Шору. Материал имеет белый цвет.

Прозрачные фотополимеры предназначены для имитации прозрачных термопластиков и могут применяться в комбинации с резиноподобными материалами для варьирования гибкости, а также с цветными материалами для получения различных полупрозрачных оттенков. Используются в принтерах линейки Connex.

  • RGD720 – универсальный фотополимер для имитации стандартных прозрачных термопластиков. Материал обладает достаточно высокой прочностью и позволяет создавать модели с гладкими поверхностями.
  • VeroClear RGD810 – прочный, прозрачный материал для имитации свойств органического стекла (PMMA).

Прочные непрозрачные фотополимеры представлены целым семейством фотополимеров для печати разноцветных непрозрачных моделей с высоким уровнем детализации. Наиболее применяемые из них: VeroWhitePlus RGD835 (белый), VeroGray RGD850 (серый), VeroBlue RGD840 (синий) и VeroBlackPlus GRD875 (черный). Кроме того, новейшие цветные принтеры Objet500 и Connex3 могут использовать специальный набор базовых цветов: VeroCyan (голубой), VeroMagenta (пурпурный), VeroYellow (желтый), VeroBlack (черный), VeroWhite (белый), что позволяет создавать сотни различных оттенков. При этом при построении одной модели может быть использовано до 75 цветов, а также различных по свойствам материалов. Необходимо отметить, что такой богатый выбор цветов и свойств моделирующих материалов при создании полностью функциональных прототипов не встречается ни в одном 3D-принтере других производителей.

аддитивные технологии

Фотополимеры для имитации полипропилена (PP) Stratasys предлагает два материала, имитирующих свойства полипропилена:

  • Durus RGD430 – материал, отличающийся хорошей ударной вязкостью и высокой прочностью на разрыв;
  • Endur RGD450 – улучшенная версия RGD430, отличающаяся высокой износоустойчивостью и возможностью создания идеально гладких поверхностей. Материал может быть использован для создания как функциональных прототипов, так и готовых изделий и безопасен в применении в офисных условиях (без специальной вентиляции). На данный момент материал имеет до 20 различных цветов для полной свободы творчества.

Резиноподобные фотополимеры. Семейство фотополимеров Tango предназначено для имитации свойств эластомеров с различными показателями прочности по Шору, на изгиб и удлинения на разрыв. Бывает серым (TangoGray FLX950), черным (TangoBlack FLX973), глубоким черным (TangoBlackPlus FLX980) и прозрачным (TangoPlus FLX930). Топовые принтеры Objet Connex дают возможность создавать цифровые материалы, используя комбинации VeroWhitePlus и TangoBlackPlus или Tango Plus. Различные сочетания материалов позволяют добиваться порядка девяти разных показателей твердости по Шору, а при использовании цветных материалов можно получать оттенки эластомеров, точно соответствующие цветам конечного изделия.

аддитивные технологии

Биосовместимые фотополимеры предназначены для применения в области медицины. Материал MED610 позволяет изготавливать изделия, требующие контакта с кожей пациента (до 30 дней) либо со слизистой (до 24 часов). Материал используется на принтерах серий Objet Eden и Objet Connex. Два материала FullCure630 (прозрачный) и FullCure655 (прозрачный розовый) применяются при изготовлении слуховых аппаратов.

Стоматологические фотополимеры компании Stratasys представлены тремя вариантами смол, используемых в стоматологическом протезировании:

  • VeroDent MED670 позволяет строить высоко детализированные модели с вертикальным разрешением до 16 микрон. Отличается высокой прочностью и износоустойчивостью;
  • VeroDentPlus MED690 аналогичен VeroDent MED670, но обладает более высокими показателями прочности и долговечности;
  • VeroGlaze MED620 – это непрозрачный белый акриловый материал, используемый в производстве зубных коронок.

Цифровой ABS-пластик (Digital ABS) получается смешиванием высокотемпературного RGD515 и RGD535 непосредственно во время печати. Готовый композитный материал имеет высокие показатели теплоустойчивости и прочности, во многом сравнимые с настоящим ABS-пластиком. Цифровой ABS2 имеет еще более высокие механические характеристики, позволяя создавать объекты с толщиной стенок в 1,2 мм. Оба композита могут быть получены с помощью принтеров семейства Objet Connex.

аддитивные технологии

К сожалению, стоимость расходных материалов в фотополимерной печати пока достаточно велика по сравнению с FDM/FFF технологией. Хотя сами принтеры уже стали вполне доступными, найти недорогие фотополимерные смолы еще достаточно сложно. Несомненно, распространение недорогих фотополимерных 3D-принтеров приведет к увеличению и объемов производства расходных материалов, а значит – к заметному снижению цен на них.

ЧТО МОЖЕМ ПРЕДЛОЖИТЬ В 3D-ПЕЧАТИ?

Хотя общая тенденция развития технологий трехмерной печати направлена в сторону максимального упрощения процессов для пользователей – до офисного уровня, вопросы оптимального выбора нужной модели, инсталляции, обеспечения необходимыми расходными материалами и грамотного сервисного обслуживания остаются уделом профессионалов, имеющих в этой области необходимые компетенции и опыт. Все это есть у специалистов компании «Солвер» – причем как в работе с собственными установками, так и с оборудованием, используемым нашими многочисленными заказчиками. Отметим, что наши компетенции и опыт подтверждены статусом «Золотого партнера» Stratasys.

Если вы решите стать владельцем оборудования этой марки, высококвалифицированная помощь в приобретении, в эксплуатации, гарантийном и послегарантийном обслуживании вам обеспечена. В нашей компании работает специализированное подразделение по аддитивному производству – DDM.Lab (www.ddmlab.ru), которое решает весь спектр вопросов, связанных с аддитивными технологиями и сканированием. В своей работе мы используем индивидуальный и комплексный подход в лучших традициях инженерного консалтинга «Солвера». Если же ваши потребности в прототипировании или быстром производстве изделий из пластиков пока невелики, мы можем изготавливать для вас модели и малые партии деталей на нашем оборудовании.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Сегодня на 3D-принтерах печатают уже многое, завтра будут печатать почти все, послезавтра – абсолютно все. И каждая отрасль промышленности, каждое применение на Земле или в космосе будет связано с аддитивными технологиями. Быть может, идеальный 3D-принтер будет разработан для каждого семейства материалов, а возможно, это будет универсальный, «печатающий-все-из-всего» принтер. Ну а сейчас аддитивные технологии уже стали неотъемлемой составляющей большинства современных производств в мире. Эра аддитивного производства действительно наступает.

Теги: