Аддитивное производство

1.

Аддитивное производство
Болгов Григорий 9.3

2.

Аддитивное производство
• Аддитивный технологический процесс — это процесс изготовления
деталей, который основан на создании физического объекта по
электронной модели путем добавления материала, как правило, слой
за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства
(механической обработки) и традиционного формообразующего
производства (литья, штамповки)[1].
• В нетехническом контексте вместо понятия «аддитивное
производство» часто используется его синонимы: «трёхмерная
печать» или «3D-печать» (англ. 3D printing), в частности этот термин
ассоциируют с 3D-принтерами, используемых не в промышленных
целях[2], например, трёхмерные принтеры на базе
процесса экструзии материала имеют спрос у частных лиц,
приобретающих эти машины для домашнего применения[3].

3.

Терминология
• Широкое употребление понятие «аддитивное производство» получило не сразу, а все из-за того, что длительное время не
существовало стандартов по терминологии для таких технологий производства. Ситуация кардинально изменилась в
2009 году, когда международное американское общество по испытанию материалов (англ. ASTM International) издала
стандарт ASTM F2792[4], посвященный терминологии в области аддитивного производства. В этом документе термин
«additive manufacturing» впервые принят стандартным и рекомендуется к дальнейшему применению взамен других
понятий, аналогичных или похожих по своему содержанию. Принятия стандарта ASTM F2792 привело к тому, что после
2009 года зафиксирован резкий рост употребления термина «аддитивное производство» в англоязычной литературе[5].
• В англоязычной литературе существуют и другие понятия, употребляемые для обозначения процесса аддитивного
производства, например до 2009 года уже существовали такие понятия как: additive fabrication, additive processes, additive
techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing, solid freeform fabrication, freeform fabrication, rapid tooling, rapid
manufacturing, direct digital manufacturing, additive manufacturing и three-dimensional (3-D) printing[2][4][6].
• В дальнейшем за стандартизацию терминологии взялась международная организация по стандартизации (ИСО). Впервые
эта организация опубликовала свой проект стандарта по терминологии в октябре 2014 года под кодовым названием ISO
17296-1[7]. Подготовлен этот проект был при сотрудничестве комитета F42 международной организации ASTM, что нашло
свое отражение на содержании этого стандарта. Члены комиссии этой организации решили утвердить в качестве понятия,
обобщающего множество аддитивных технологических процессов, тот же термин «additive manufacturing». В качестве
международного стандарта ISO 17296-1 был принят в 2015 году, но под другим названием «ISO/ASTM 52900:2015»[8].
Первое издание этого нового стандарта отменило и заменило стандарт ASTM F2792[9].
• В Российской Федерации в 2017 году федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии утвержден
национальный стандарт ГОСТ Р 57558-2017, посвященный терминам и определениям для аддитивных технологических
процессов[1]. Отечественный национальный стандарт по своему содержанию идентичен ISO/ASTM 52900:2015 и в нём
русскоязычный термин «аддитивное производство» принят эквивалентным англоязычному термину «additive
manufacturing».

4.

История
• В начале 1980-х начали развиваться новые методы производства деталей,
основанные не на удалении материала как традиционные технологии
механической обработки, а на послойном изготовлении изделия по трехмерной
модели, полученной в САПР, за счет добавления материала в виде пластиковых,
керамических, металлических порошков и их связки термическим, диффузионным
или клеевым методом[10][11][12]. Группа этих технологий на западе получила
название «аддитивное производство» (англ. Additive Manufacturing). За три
десятилетия технология перешла от изготовления бумажных и пластиковых
прототипов к непосредственному получению готовых функциональных
изделий[10][11][12][13]. К настоящему времени технология позволяет получать
металлические и неметаллические прототипы и функциональные изделия, которые
не требуют механической пост-обработки[10][11][12][14].
• Технологии аддитивного производства совершили значительный рывок благодаря
быстрому совершенствованию электронной вычислительной техники и
программного обеспечения. Величина современного рынка аддитивного
производства — около 1,3 млрд долларов[15], включая производство специального
оборудования и оказание услуг в соотношении ориентировочно 1/1.

5.

Технологии аддитивного производства
• Среди применений аддитивных технологий наиболее
востребовано производство функциональных изделий для нужд
наиболее заинтересованных отраслей промышленности таких как
авиакосмическая отрасль, автомобиле- и машиностроение, ВПК,
медицина в части протезирования, то есть там, где существует
острая потребность в изготовлении высокоточных изделий и их
прототипов в кратчайшие сроки[17].
• На момент 2021 года разработано несколько десятков
технологий[18], имеющих в своей основе процессы характерные
для аддитивного производства. Ниже приведены и описаны
несколько таких технологий.

6.

Технологии со струйным нанесением
связующего
• Метод печати изделий с помощью струйного нанесения связующего были разработаны в начале 1990х годов в Массачусетском технологическом институте. Изначально технология с таким способом
процесса печати была известна под названием "3D printing" (сокр. 3DP), но в последствии это понятие
стало трактоваться шире в отношении всех технологий аддитивного производства, а сейчас их обычно
называют "Binder Jetting" (сокр. BJ)[19]. Суть процесса заключается в нанесении связующего вещества
на порошковый слой с помощью струйной печатающей головки (англ. Inkjet printhead), тем самым
формируются поперечные сечения изделия слой от слоя.
• В настоящее время существует несколько технологий на базе этого процесса, которые нашли
промышленное применение:
• Three-dimensional printing или 3D printing (сокр. 3DP) – это аддитивный технологический процесс, при
котором продукт получают в результате склеивания частиц порошка путем выборочного нанесения
связующего вещества на поверхность каждого слоя порошковой подложки[20]. Технология разработана
Эммануэлем Саксом и его командой при Массачусетском технологическом институте в 1989 году[21].
• Color Jet Printing (сокр. CJP) – технология 3DP с функцией производства цветных деталей.
• Binder Jet 3D Printing – технология созданная на основе технологии 3DP, но предназначенная для
производства металлический деталей. Этот термин использует компания ExOne[22].

7.

Технологии с экструзией материала
• Отличительной чертой этих технологий является производство изделий
путем экструзии материала.
• Коммерческий успех получили несколько технологий на базе этого процесса:
• Fused Deposition Modeling (сокр. FDM) – это технология трёхмерной печати
пластмассовых изделий путём выборочного и послойного нанесения
расплавленного материала[11][18][19]. Существуют вариации 3D-принтеров как
с одной печатающей головкой, так и с двумя, где одна выдавливает на
платформу материал, формирующее изделие, а другая — материал
поддерживающий, не дающей печатающемуся изделию разрушится в
процессе печати. Разработана Скоттом Крампом в 1989 году, основателем
компании Stratasys[21].
• Fused Filament Fabrication (сокр. FFF) – аналог технологии FDM. Название
зародилось в сообществе RepRap, основанным Адрианом Боуером из
Университета Бата в 2004 году[21].

8.

Технологии с синтезом на подложке
Принцип печати, который заложен в эту группу технологий, изначально разработан Карлом Декардом при Техасском Университете в 1986 году[21]. Их отличительные
признаки:
для печати используются порошковые материалы;
послойное нанесение порошка на подложку;
консолидация (соединение) частиц порошка с помощью излучателя энергии.
Обычно в качестве излучателей энергии используют: лазеры и лучевые пушки.
Коммерческих успех получил следующих ряд технологий:
Selective Laser Sintering (сокр. SLS), также известная как селективное (выборочное) лазерное спекание[18] – это технология аддитивного производства изделий путём
выборочного и послойного сканирования лазерным излучением поверхности полимерного порошка. Разработана компанией EOS и её ключевые особенности:
не нужны поддерживающие структуры, т.к. с их функцией справляется сам порошок, из которого печатается изделие;
для процесса печати не обязательно нужна инертная среда.
Хотя и защитная (инертная) среда не обязательна для этой технологии, но рекомендуется, т.к. затормаживает деградацию свойств порошка в рабочей камере
аддитивной установки. Обычно в качестве инертного газа применяется азот.
Selective Laser Melting (сокр. SLM), также известная как селективное (выборочное) лазерное сплавление[18] – технология по своим ключевым особенностям очень
похожа на SLS, но её применяют для печати изделий из металла[21]. Важной отличительной особенностью является то, что обеспечивается такой процесс печати, когда
частицы металлического порошка полностью расплавляются для формирования изделия. Разработана технология компанией SLM Solutions.
Direct Metal Laser Sintering (сокр. DMLS), также известная как прямое лазерное спекание металлов[18] – технология предназначенная для производства изделий из
металлов. Похожа на технологию SLM, но после печати даёт пористые изделия[21].
Электронно-лучевое сплавление (англ. Electron Beam Melting, сокр. EBM) – технология, похожая на SLS/DMLS, только здесь объект формируется путём плавления
металлического порошка электронным лучом в вакууме[10][11][12].