ЛЕК Устр и действ / Устройство и действие Л-16
.pdf
«Устройство и действие
лазерных систем»
Лекция 16:
Аддитивные технологии
Аддитивные технологии
Additive Fabrication (AF) или Additive Manufacturing (AM) – принятые в англоязычной технической лексике термины, обозначающие аддитивный, т. е. «добавлением»», метод получения изделия (в противоположность традиционным методам механообработки путем «вычитания» материала из массива заготовки). Они употребляются наряду со словосочетанием Rapid Prototyping (или RPтехнологии) – Быстрое Прототипирование, но имеют более общее значение, точнее отражающее современное положение. Можно сказать, что Rapid Prototyping в современном понимании является частью AF-технологий, «отвечающей» за собственно прототипирование методами послойного синтеза. AF- или AM-технологии охватывают все области синтезирования изделий, будь то прототип, опытный образец или серийное изделие. Несмотря на то что о 3D-принтерах стали активно говорить только в последние годы, история развития трехмерной печати насчитывает около 30 лет: первое применение было зафиксировано в 1980-х годах. Родоначальником аддитивных технологий принято считать Чарльза Халла, который в 1986 году запатентовал такой способ, как стереолитография. В этом же году американец основал компанию 3D Systems и разработал первый 3D-принтер Stereolithography Apparatus. А в 1988 году, усовершенствовав прежнюю модель, компания начала первое серийное производство 3D-принтеров SLA-250. Второй вехой развития 3D-печати стало открытие в 1988 году технологии послойного наплавления FDМ Скоттом Крампом и основание им же компании Stratasys.
Изначально термина «3D-печать» не существовало, и инновационные технологии назывались «Быстрое Прототипирование» Новый термин появился в 1995 году благодаря двум студентам Массачусетского технологического института – Джиму Бредту и Тиму Андерсону. Они придумали перестроить работу обычного струйного принтера так, чтобы он делал объемное изобра жение в специальной емкости, после чего запатентовали идею и
открыли компанию Z Corporation. Эта технология, в основе которой лежит послойное склеивание порошка, до сих пор используется для промышленного моделирования.
В начале XXI века произошел значительный рост продаж, что Чарльз Халл - отец современной 3D-печати привело к резкому падению стоимости устройств. В 2012 году объем мирового рынка 3D-принтеров и сопутствующих сервисов достиг $2,2млрд., показав рост на 29% по сравнению с 2011 годом.
Аддитивные технологии в РКТ
Аддитивные технологии
Фактически, 3D-печать является полной противоположностью таких традиционных методов механического производства и обработки, как фрезеровка или резка, где формирование облика изделия происходит за счет удаления лишнего материала (т.н. «субтрактивное производство»). В производстве, особенно машинной обработке, термин «субтрактивные» подразумевает более традиционные методы и является ретронимом, придуманным в последние годы для разграничения
традиционных способов и новых аддитивных методов. Хотя традиционное производство использует по сути «аддитивные» методы на протяжении веков (такие, как склепка, сварка и привинчивание), в них отсутствует трехмерная информационная технологическая составляющая. Машинная же обработка (производство деталей точной формы), как правило, основывается на субтрактивных методах - опиловке, фрезеровании, сверлении и шлифовании.
3D-модели создаются методом ручного компьютерного графического дизайна или за счет 3Dсканирования. Ручное моделирование, или подготовка геометрических данных для со-здания трехмерной компьютерной графики, несколько напоминает скульптуру. 3D-сканирование – это автоматический сбор и анализ данных реального объекта, а именно формы, цвета и других характеристик, с последующим преобразованием в цифровую трехмерную модель.
И ручное и автоматическое создание 3D-печатных моделей может вызвать трудности у среднего пользователя. В связи с этим в последние годы получили распространение 3D-печатные торговые площадки. Среди наиболее популярных примеров такие сервисы, как Shapeways, и Thingiverse
3D-сканер MakerBot
←Digitizer
Цифровая модель →
Аддитивные технологии в РКТ
Аддитивные технологии в РКТ
Аддитивные технологии
Способов нанесения существует два: струйный и лазерный. К струйному способу относятся такие технологии, как моделирование методом наплавления (Fused deposition modeling) и Polyjet, а к лазерному – послойное ламинирование (Laminated object manufacturing), селективное лазерное плавление (Selective laser melting), селективное лазерное спекание (Selective laser sintering), лазерная наплавка металла (Laser metal deposition) и лазерная стереолитография (Laser stereolithography).
Аддитивные технологии
Во время печати принтер считывает 3D-печатный файл (как правило, в формате STL), со-держащий данные трехмерной модели, и наносит последовательные слои жидкого, порошкообразного, бумажного или листового материала, выстраивая трехмерную модель из серии поперечных сечений. Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям в CAD-модели, соединяются или сплавляются вместе для создания объекта заданной формы. Основным преимуществом данного метода является возможность создания геометрических форм практически неограниченной сложности. «Разрешение» принтера подразумевает
толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах («микронах»). Типичная Толщина слоя составляет 100мкм (250 DPI), хотя некоторые устройства вроде
Objet Connex и 3D Systems ProJet способ ны печатать слоями толщиной от 16мкм (1 600 DPI). Разрешение по осям X и Y схоже с показателями обычных двухмерных лазерных принтеров. Типичный
размер частиц составляет около 50-100мкм (от 510 до 250 DPI) в диаметре.
Хотя разрешение принтеров вполне достаточно для большинства проектов, печать объектов со слегка превышенными измерениями и
последующей субтрактивной механической обработкой высокоточными инструментами позволяет создавать модели повышенной точности. Примерами устройств с подобным комбинированным
Аддитивные технологии
Метод |
Технология |
Используемые материалы |
|
Экструзионный |
Моделирование методом послойного |
Термопластики (такие как полилактид |
|
|
наплавления (FDM или FFF) |
(PLA), акрилонитрилбутадиенстирол |
|
|
|
(ABS) и др.) |
|
Проволочный |
Производство произвольных форм |
Практически любые металлические |
|
|
электронно-лучевой плавкой (EBFȝ) |
сплавы |
|
Порошковый |
Прямое лазерное спекание металлов |
Практически любые металлические |
|
|
(DMLS) |
сплавы |
|
|
|
|
|
|
Электронно-лучевая плавка (EBM) |
Титановые сплавы |
|
|
|
|
|
|
Выборочная лазерная плавка (SLM) |
Титановые сплавы, кобальт-хромовые |
|
|
|
сплавы, нержавеющая сталь, алюминий |
|
|
|
|
|
|
Выборочное тепловое спекание (SHS) |
Порошковые термопластики |
|
|
|
|
|
|
Выборочное лазерное спекание (SLS) |
Термопластики, металлические порошки, |
|
|
|
керамические порошки |
|
Струйный |
Струйная трехмерная печать(3DP) |
Гипс, пластики, металлические порошки, |
|
|
|
песчаные смеси |
|
Ламинирование |
Изготовление объектов методом |
Бумага, металлическая фольга, |
|
|
ламинирования (LOM) |
пластиковая пленка |
|
|
|
|
|
Полимеризация |
Стереолитография (SLA) |
Фотополимеры |
|
|
|
|
|
|
Цифровая светодиодная проекция |
Фотополимеры |
|
|
(DLP) |
|
|
|
|
|
|
Аддитивные технологии
3D-принтеры варьируются от простейших самодельных устройств для печати пластиком до дорогих промышленных установок, работающих с металлами