Аддитивные технологии. Применение и работа. Особенности

Среди современных подходов к изготовлению определенных предметов и вещей особо выделяются аддитивные технологии (АТ), позволяющие быстро и качественно решить поставленную задачу. Новые методики – это способ изготовления трехмерных объектов путем их последовательной сборки из нескольких простых материалов. В этом качестве могут использоваться, например, не только металлы, бетон или пластики, но также жидкости и органические компоненты.

Суть понятия «аддитивные технологии» и их разновидности

Такие методы предполагают изготовление трехмерных объектов, для чего применяются современные 3D-принтеры. Их название произошло от английского «add», что буквально означает «добавлять». Этот термин принято считать синонимом понятия «3D-печать». В зависимости от того, какая задача ставится перед исполнителем – они подразделяются на три вида.

В первом случае – это производство шаблонов («Rapid Patterns»), используемых в дальнейшем для изготовления конечного продукта. Аддитивные технологии этого типа нередко применяются в ювелирной практике.

Вторая разновидность АТ – изготовление пресс-форм («Rapid Tooling»), которые в дальнейшем востребованы при формовке и литье изделий. Третий подход – это прямое цифровое производство, предполагающее использование аддитивных методик.

Краткий исторический экскурс

Сначала появился термин «3D-печать», который чаще всего использовался по отношению к недорогим домашним принтерам. Понятие «аддитивные технологии» оформилось немного позже; оно в основном касалось объектов промышленного производства. Таким образом, история новой методики началась с появления на мировых рынках первого 3D-принтера.

Его сконструировал американский специалист Ч. Халл в 1983 году. Он изобрел оригинальное устройство, с помощью которого удалось напечатать пластиковый стаканчик. Изобретатель применил совершенно новый подход, состоящий в послойном наложении компонентов изделия с последующим воздействием на них УФ излучения.

Ч. Халл назвал свой способ изготовления различных изделий «стереолитографией» и представил миру первый образец оборудования для ее реализации. Считается, что изобретение американского инженера по значимости сравнимо с появлением конвейера для сборки автомобилей на фабриках Г. Форда. По мнению специалистов того времени 3D-печать открывала для мировой экономики практически безграничные возможности.

Этапы создания аддитивных изделий

В промышленном производстве процесс изготовления 3D-изделий включает в себя несколько этапов, количество которых варьируется в зависимости от используемых методик и материалов. Основные стадии разработки это:

3D-моделирование (на этом этапе подготавливается эскиз изделия).
Создание уменьшенной копии на основе дешевого материала (из пластика, например).
Печать самого изделия после всесторонней «обкатки» модели.

На последнем этапе согласно подготовленному эскизу на принтере формируется само изделие путем послойного нанесения отдельных рабочих компонентов. Последние представляют собой жидкости, порошки или листовые заготовки, из которых необходимая вещь изготавливается буквально за считанные часы.

Чем аддитивные технологии отличаются от обычного производства

В сравнении с привычным для многих людей порядком производства вещей и деталей, новые методики обладают следующими преимуществами:

Высокая скорость изготовления.
Безотходность производства.
Отсутствие стыковочных швов и спаек.

Традиционные методики производства не позволяют изготовить деталь за короткий промежуток времени. Объясняется это большим объемом подготовительных работ и необходимостью доработки заготовки механическими способами.

Безотходность производства основывается на двух особенностях, отличающих аддитивные технологии от других методов изготовления изделий. Во-первых, при обычном производстве нередки случаи брака, как правило, идущего в отходы. Во-вторых, при 3D-печати исключается образование отрезков или излишков материала. А забракованная деталь превращается в порошкообразную массу, повторно используемую при проведении 3D операций.

В отличие от традиционной производственной практики за счет использования аддитивных технологий удается получить изделия без швов и стыков. Их невозможно создать с применением традиционных сварочных технологий и штамповки.

В качестве примера 3D-печати на фото небольшой ажурный шарик из титана, изготовить который традиционными методами просто невозможно. В нем отсутствуют стыкуемые части и швы. Помимо этого он отличается замечательным механическим свойством – упругостью.

Additivnye tekhnologii 2

Распространенные методы изготовления 3D-изделий

Среди известных подходов к созданию объектов аддитивными методами выделяются следующие:

Лазерная объемная литография.
Послойное наплавление.
Выборочное лазерное плавление.

Литография лазером – одна из первых методик, при использовании которых модели изготавливаются на основе жидких смол. Этот метод широко применяется в ювелирном деле, когда требуется «напечатать» сложное украшение с уникальным дизайном. Послойное наплавление считается наиболее простой и самой распространенной у специалистов технологией. Эта разновидность аддитивных методик поддерживается практически всеми программами, разработанными специально для 3D проектирования.

При ее реализации трехмерное изделие или деталь как бы «выращиваются» из предварительно нагретой синтетической нити. По этой технологии, как правило, работают недорогие домашние 3D-принтеры.

Селективное лазерное плавление относится к наиболее известным методикам с использованием металлического сырья. Последнее представлено стальными, титановыми или алюминиевыми порошками, из которых изготавливаются детали машин и современных двигательных агрегатов. На фото изображен винт, изготовленный из порошкового компонента с помощью 3D-принтера.

Additivnye tekhnologii 3

Области применения

Аддитивные технологии оказались востребованными в самых различных областях человеческой деятельности. Среди сфер их применения выделяются промышленное производство, медицина, строительство, а также изготовление различных деталей и вещей повседневного спроса.

Промышленное производство

Еще в прошлом веке (в 1989 году) специалистами компании «BMW» был освоен такой метод печати. Уже к 2018 году это предприятие открыло Центр аддитивного производства и приступило к изготовлению элементов шасси для классических автомобилей.

Сегодня многие другие компании производят автомобили, частично изготовленные с применением аддитивных методов. Так, первый в мире «напечатанный» на 3D-принтере мини электрокар «LSEV» появился в Италии, где был изготовлен специалистами компании «XEV». Время, затраченное на его «сборку», измерялось промежутками от 3 до 12 месяцев. При этом вес агрегата, развивающего скорость до 70 км/час, составил 450 кг. Детали высокого качества, получающиеся в результат применения аддитивных методов, востребованы также в авиационной и космической отрасли. Работниками концерна «Boeing», например, уже освоен выпуск около 20 000 деталей для выпускаемых ими самолетов (все они производятся с применением АТ).

Специалисты компания «Siemens Power» считают, что именно аддитивные технологии позволили им достичь значительных успехов в производстве электрооборудования. За счет использования метода 3D-печати им удавалось получить прототипы нужных изделий значительно быстрее, чем раньше. Причем это совмещалось с высокой эффективностью производства и низкой себестоимостью готовой продукции.

Медицинская отрасль

Еще в 2008 году с помощью аддитивных технологий был создан первый цельный 3D-протез конечности. Сегодня методы объемной литографии широко используются для изготовления следующих важных органов человека и их частей:

Искусственные челюсти.
Сердечные клапаны.
Элементы суставов.
Детали слуховых аппаратов.

В ближайшей перспективе учеными и инженерами предполагается освоить печатание по 3D-технологиям органов на основе человеческой ткани.

Частное строительство

В последние годы во многих странах мира, включая США, Мексику, Саудовскую Аравию, ОАЭ, Францию и Россию все чаще появляются дома, возведенные методом 3D-печати. Специальные строительные принтеры создают или небольшие коттеджи, или элементы сооружений, которые потом собираются на месте в целое здание.

Аддитивные технологии позволяют возводить небольшие по размерам постройки очень быстро и дешево. В крупнейшем городе ОАЭ Дубае уже существует напечатанное здание муниципалитета с общей площадью порядка 600 кв. метров. Первая жилая постройка в России была напечатана на 3D-принтере в 2017 году.

Создание простых вещей в домашних условиях

Возможность приобретать 3D-принтеры в личное пользование позволило многим людям заниматься изготовлением простейших поделок в домашних условиях. Приобретенные ими приборы чаще всего работают с применением простейшего метода «расплавленной нити». При этом они совместимы с известными программами проектирования, благодаря чему можно подготовить эскиз самому или скачать его в Интернете.

В заключение отметим, что в нашей стране среди разновидностей 3D-технологий предпочтение отдается динамическому напылению и методам прямой лазерной наплавки.