3D-печать как инструмент производства

Последние 10 лет в промышленности при разработке продукции наблюдается живой интерес к приложениям быстрого прототипирования. Расширяя этот интерес на такие новые технологии, как 3D-печать, крупное производство открывает перед собой новые перспективы, которые могут преобразить его будущее. Эти пути намечаются при практическом испытании технологий 3D-печати, которая становится стратегическим методом для все большего числа промышленных предприятий. Результаты некоторых из таких испытаний придают промышленности уверенность в необходимости привлечения 3D-печати в качестве инструмента быстрого прототипирования.

Возможности стабильной работы с металлами, композитами и высококачественными полимерами при использовании технологии послойного синтеза дает промышленности уникальную возможность сделать что-то новое в области производства. В частности, за последние 5 лет по разным причинам на ряде производств особое внимание привлекли армированные волокнами полимеры и полимеры, устойчивые к высоким и экстремальным температурам, такие как PEEK (Рис. А). Некоторые из причин проявляемого интереса имеют непосредственно связаны с экономией энергии, с созданием легких конструкций, с термомеханическими качествами, биосовместимостью, химической инертностью и электрическими свойствами. Поэтому в фокусе интереса промышленности к аддитивным технологиям находятся именно материалы.

Полимеры, бесспорно, — единственный класс материалов, которые легко обрабатывать при относительно низком расходе энергии. Они сочетаются с различными другими материалами и применяются в инженерных и технологических приложениях, предъявляющих самые разные требования. Следовательно, нужно активно изучать технологичность полимерных материалов при использовании послойных технологий.

Рисунок А. 3D-печать деталей по технологии наплавления нити (Fused filament fabrication — FFF) из различных полимерных материалов

В основе быстрого прототипирования лежит идея производства функциональных деталей за минимально возможное время. Предоставляя свободу в изготовлении деталей сложной геометрии, быстрое прототипирование открывает путь к внедрению в производство массовой кастомизации. Поскольку, по сравнению с традиционными методами производства, такими как литье под давлением (Рисунок В), критическим моментом остается удельное время изготовления детали, технология 3D-печати, вне всякого сомнения, по сути своей предназначена для малосерийного производства или для производства деталей исключительно сложных форм.
 

Рисунок В. Сравнение рентабельности: Аддитивное и традиционное производство

Иными словами, теперь у нас есть рынок для предприятий, которые основываются на 3D-печати или аддитивных технологиях. Чтобы идти в ногу с требованиями к разработке инструментов, форм, штампов и опорных структур для практической инженерии, производители на рынке материалов расширяют свои портфолио, включая в них материалы для послойных технологий. Эти материалы более дорогие, чем, например, ABS, PLA или фотополимеры, традиционно использующиеся в 3D-печати для быстрого прототипирования. Эффективность этих материалов высока, но 3D-принтеры, которые могут вывести их на промышленный уровень, тоже заметно дороже, чем те, которые применяются для любительских задач или только для прототипирования.

Технологические требования к соответствующим материалам могут быть исключительно жесткими. Например, закрепившиеся в промышленности термопластики, такие как PEEK, непросты в обработке. Среди существующих технологий 3D-печати с PEEK могут работать только технологии наплавления нити (FFF) и селективного лазерного спекания (selective laser sintering – SLS). Эти методы весьма различны – при работе с материалом применяются разные физические эффекты, поэтому детали, напечатанные каждым из способов, будут различаться структурно, особенно на микроскопическом уровне, а значит, будут различаться и их механические свойства. Техническое или научное объяснение различия этих свойств нетривиально, однако его можно проследить по температурной нагрузке на PEEK во время лазерной обработки и во время расплавления и застывания при методе FFF. Подобные различия, особенно в свойствах конечных деталей, могут существенно повлиять на предпочтения рынка. 

3D-деталь из PEEK, напечатанная методом FFF

Прочность на растяжение образца из PEEK

Прочность на растяжение и деформацию деталей, изготовленных из PEEK по SLS и FFF.

Сегодня у нас есть доказательства того, что технология 3D-печати работает. С учетом этого факта, для технологии быстрого производства можно предсказать самое светлое будущее. Она хорошо вписывается в сюжет с экономными производственными линиями, короткими цепочками поставок, изменившейся логистикой и складированием. Технология быстрого производства, а также инструментарий, который ее поддерживает, вполне соответствуют научному направлению «производства по требованию», занимая достойное место в Индустрии 4.0.

Оригинал статьи: http://www.indmatec.com/en/indmatec-blog/3d-printing-as-a-manufacturing-tool