Области знаний
Партнёрские проектыМатериалы БРЭСпецпроектыСтать автором
Настроить видСменить языкИнформация
О РУВИКИ
Найти статью

Аддитивные технологии

Pause
ИИ-обзор статьи
Аддитивное производство (3D-печать) — процесс изготовления физических объектов по электронной модели путем последовательного добавления материала, как правило, слой за слоем.
Стандартизация термина аддитивного производства
В 2009 году стандарт ASTM F2792 впервые закрепил термин «additive manufacturing» как стандартное понятие, заменив множество синонимов. Позже его утвердили международный стандарт ISO/ASTM 52900:2015 и российский ГОСТ Р 57558-2017, эквивалентный ему.
Развитие от прототипов к функциональным изделиям
Методы послойного производства появились в начале 1980-х. За три десятилетия технология перешла от бумажных и пластиковых прототипов к готовым функциональным деталям, не требующим пост-обработки; объём рынка — около 1,3 млрд долларов.
Семь категорий аддитивных процессов
В соответствии со стандартом выделяют: струйное нанесение связующего (склеивание порошка), прямой подвод энергии (сплавление), экструзию материала (подача через сопло), струйное нанесение (капли), синтез на подложке (спекание), листовую ламинацию (соединение листов) и фотополимеризацию в ванне (отверждение светом). Каждая категория соответствует способу соединения материала.
Экструзионная печать: FDM и FFF
Технологии экструзионной печати формируют изделие послойным нанесением расплавленного пластика. FDM, разработанная Скоттом Крампом в 1989 году, применяет одну или две головки, вторая наносит поддерживающий материал; FFF — аналог, название которого появилось в сообществе RepRap.
Лазерное и электронно-лучевое сплавление порошка
Технологии SLS, SLM, DMLS и EBM сплавляют послойно наносимый порошок лазером или электронным лучом. SLS спекает полимер без поддержек, SLM полностью плавит металл, DMLS даёт пористые изделия, EBM работает в вакууме.
Лазерная стереолитография и ламинирование
Стереолитография формирует объект из фотополимера, затвердевающего лазером; SLA-DLP засвечивает слой целиком. Ламинирование склеивает плёнки с вырезанием контуров.
Ультразвуковая левитация и осевая литография
Ультразвуковая левитация томских учёных собирает объекты из частиц в воздухе. Компьютерная осевая литография использует томографию для фотополимеризации.

Экспертиза РАН

Logo-ran.pngLogo-ran-black.png
Проводится экспертиза
Российской академией наук
Подробнее
Times2.svg

Экспертиза РАН

Arrow-Right.png
Logo-ran.png
Проводится экспертиза
Российской академией наук
Подробнее

Аддитивное производство или аддитивный технологический процесс (англ. additive manufacturing) — 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 в непромышленных целях[2], например, трёхмерные принтеры на базе процесса экструзии материала имеют спрос у частных лиц, приобретающих эти машины для домашнего применения [3].

Общие сведения
Что важно знать
Аддитивные технологии
Продукция обрабатываемое изделие[d] и трёхмерный объект[d]
Противоположно Обработка резанием

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».

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.

Описание аддитивных технологических процессов

В настоящее время принцип аддитивного производства относят к большому разнообразию производственных процессов.

Классификация и их описание

По международному стандарту, как и по отечественному, процессы приятно делить на семь основных категорий по типу применяемого в них процесса[1][2]:

  1. Струйное нанесение связующего (англ. binder jetting) — процесс аддитивного производства, в котором порошковые материалы соединяются выборочным нанесением жидкого связующего.
  2. Прямой подвод энергии и материала (англ. directed energy deposition) — процесс аддитивного производства, в котором энергия от внешнего источника энергии используется для соединения материалов путем их сплавления в процессе нанесения.
  3. Экструзия материала (англ. material extrusion) — процесс аддитивного производства, в котором материал выборочно подается через сопло или жиклер.
  4. Струйное нанесение материала (англ. material jetting) — процесс аддитивного производства, в котором изготовление объекта осуществляют нанесением капель строительного материала.
  5. Синтез на подложке (англ. powder bed fusion) — процесс аддитивного производства, в котором энергия от внешнего источника используется для избирательного спекания/сплавления предварительно нанесенного слоя порошкового материала.
  6. Листовая ламинация (англ. sheet lamination) — процесс аддитивного производства, в котором изготовление детали осуществляется послойным соединением листовых материалов.
  7. Фотополимеризация в ванне (англ. vat photopolymerization) — процесс аддитивного производства, в котором жидкий фотополимер выборочно отверждается (полимеризуется) в ванне световым излучением.

Процесс синтеза на подложке

Известны несколько способов соединения частиц порошка с помощью лазера, которые можно классифицировать по типу механизма консолидации (соединения)[16]:

  1. Твёрдофазное спекание (англ. Solid State Sintering) — представляет собой процесс консолидации частиц порошкового материала путём диффузии их атомов при температуре ниже плавления материала.
  2. Жидкофазное спекание (англ. Liquid Phase Sintering) или неполное плавление, оплавление (англ. partial melting) — процесс соединения частиц порошка путём не полного плавления порошкового материала. Характерная черта изделий, получаемых таким способом, высокая пористость их структуры материала. Способов осуществления процесса несколько и они зависят от качеств порошкового материала, например:
    • если порошок однородный, то через оплавление поверхности его частиц материала;
    • если порошок с бимодальным распределением частиц, то обеспечивают такие параметры процесса, когда плавятся только мелкие частицы, в то время как более крупные остаются твердыми;
    • если порошок двух компонентный, т.е. состоит из конструкционных и связующих частиц, то у последнего обязательно должна быть более низкая температуру плавления, т.к. соединение частиц, в таком случаем, осуществляют через плавление связующего;
    • если порошок многокомпонентный, то связующих частиц может быть несколько и формирование изделия осуществляется через их плавление;
    • если на частицы порошка нанесена оболочка, то обязательно с более низкой температурой плавления, чему у сердцевины, тогда частицы порошка соединяют через оплавления этой оболочки;
  3. Полное плавление (англ. full melting) — процесс консолидации частиц порошка, подразумевающий их полное плавление. Характерной чертой изделий, полученных таких способой, низкая пористость структуры их материала.
  4. Химически индуцированное связывание (англ. chemical induced binding) — процесс консолидации частиц порошка путём стимулирования в материале химических реакций.

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.

Технологии со струйным нанесение связующего

Метод печати изделий с помощью струйного нанесения связующего были разработаны в начале 1990-х 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 порошковом 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].

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].

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. В 2026 году российские учёные (НИТУ МИСИС, ИЯИ РАН, НИЦ «Курчатовский институт», Московский политех) применили метод для создания вольфрамовой противорассеивающей решётки для рентгеновских аппаратов. Новая геометрия каналов и тонкие перегородки позволили улучшить качество снимков и снизить лучевую нагрузку на пациентов[23][24].

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].

3D-принтер

Подробнее
3D-принтер

Отдельные технологии

Лазерная стереолитография (laser stereolithography, SLA) — объект формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ртутных ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего объект погружается в фотополимер на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя[10][11][12]. Также существует вариация данной технологии — SLA-DLP, в которой вместо лазера используется DLP-проектор (в этом случае слой формируется сразу целиком, что позволяет ускорить процесс печати).
Замечание: Для принтеров с высокой разрешающей способностью, используют следующую схему: источник излучения размещают внизу (под прозрачным резервуаром с фотополимером), который формирует в зазоре между дном резервуара и предыдущим слоем (или если это первый слой — между дном резервуара и платформой) текущий слой разрабатываемого объекта, после чего платформа с объектом поднимается на толщину одного слоя.

Крупногабаритная 3D-печать деталей из тугоплавких металлов по технологии EBAM компании Sciaky[25].

Изготовление объектов с использованием ламинирования — объект формируется послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких плёнок рабочего материала с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущего инструмента) соответствующих контуров на каждом слое. За счёт отсутствия пустот данная технология не нуждается в поддерживающих структурах «висящих в воздухе» элементов разрабатываемого объекта, однако удаление лишнего материала (обычно его разделяют на мелкие кусочки) в некоторых ситуациях может вызывать затруднения[10][11][12].

Технология 3D-печати на основе ультразвуковой левитации, позволяющая создавать из подвешенных в воздухе раскаленных частиц трехмерные объекты заданной формы, была создана учёными из Томского государственного университета, рабочий прототип такого фаббера ожидается в 2020 г.[26].

Компьютерная осевая литография — метод 3D-печати, основанный на компьютерной томографии для создания объектов из фотоотверждаемой смолы.

Примечания

  1. ↑ 1 2 3 ГОСТ Р 57558-2017. Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения. Дата обращения: 11 апреля 2023.
  2. ↑ 1 2 3 ISO/ASTM 52900:2021. Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary (англ.). Дата обращения: 11 апреля 2023.
  3. ↑ Токарев Борис Евгеньевич. Анализ рынка 3D-принтеров: состояние и перспективы // Практический маркетинг. — 2014. — Вып. 3 (205). — С. 3–10. — ISSN 2071-3762.
  4. ↑ 1 2 ASTM F2792-12a Standard Terminology for Additive Manufacturing Technologies // ASTM International. — 2015.
  5. ↑ Google Books Ngram Viewer (англ.). books.google.com. Дата обращения: 12 апреля 2023.
  6. ↑ David L. Bourell, Joseph J. Beaman, Terry Wohlers. History and Evolution of Additive Manufacturing (англ.) // Additive Manufacturing Processes / David L. Bourell, William Frazier, Howard Kuhn, Mohsen Seifi. — ASM International, 2020-06-15. — P. 11–18. — ISBN 978-1-62708-290-7. — doi:10.31399/asm.hb.v24.a0006548.
  7. ↑ ISO/DIS 17296-1:2014(E) Additive manufacturing — General principles — Part 1: Terminology. - International Organization for Standardization. International Organization for Standardization.
  8. ↑ ISO DIS 17296-1. IHS Markit Standards Store by S&P Global. Дата обращения: 12 апреля 2023.
  9. ↑ ISO/ASTM 52900:2015. Additive manufacturing — General principles — Fundamentals and vocabulary
  10. ↑ 1 2 3 4 5 6 Слюсар, В. И. Фаббер-технологии : сам себе конструктор и фабрикант // Конструктор : журн. — 2002. — № 1. — С. 5−7.
  11. ↑ 1 2 3 4 5 6 7 Слюсар, В. И. Фаббер-технологии : Новое средство трехмерного моделирования // Электроника : журн. — 2003. — № 5.
  12. ↑ 1 2 3 4 5 6 Слюсар, В. И. Фабрика в каждый дом // Вокруг света : журн. — 2008. — № 1 (2808) (январь). — С. 96−102.
  13. ↑ Григорьев, С. Н. Перспективы развития инновационного аддитивного производства в России и за рубежом / С. Н. Григорьев, И. Ю. Смуров // Инновации : журн. — 2013. — Т. 10, № 180. — С. 76—82. — ISSN 2071−3010.
  14. ↑ Волосова, Марина. Высокоэффективные технологии обработки / Марина Волосова, Андрей Маслов, Анна Окунькова … [и др.]. — М. : Машиностроение, 2014. — 256 с. — ISBN 978-5-94275-756-4.
  15. ↑ About the Report (англ.). Wohlers Associates. Дата обращения: 25 сентября 2018. Архивировано 25 сентября 2018 года.
  16. ↑ J.-P. Kruth, G. Levy, F. Klocke, T.H.C. Childs. Consolidation phenomena in laser and powder-bed based layered manufacturing (англ.) // CIRP Annals. — 2007. — Vol. 56, iss. 2. — P. 730–759. — doi:10.1016/j.cirp.2007.10.004.
  17. ↑ Смуров, И. Ю. Экспериментальное аддитивное прямое производство с помощью лазера / И. Ю. Смуров, И. А. Мовчан, И. А. Ядройцев … [и др.] // Вестник МГТУ «Станкин» : журн. — 2012. — № 2 (20). — ISSN 2072-3172.
  18. ↑ 1 2 3 4 5 Трубашевский Д. Б. Аддитивные зарисовки, или Решения для тех, кто не хочет продолжать терять деньги. — Воронеж: Умное производство, 2021. — 203 с. : ил., цв. ил. ; 23 см. с. — (Легкий старт). — ISBN 978-5-600-02999-6.
  19. ↑ 1 2 Ian Gibson, David Rosen, Brent Stucker, Mahyar Khorasani. Additive Manufacturing Technologies. — Cham: Springer International Publishing, 2021. — ISBN 978-3-030-56126-0, 978-3-030-56127-7.
  20. ↑ M. N. Islam, Samuel Sacks. An experimental investigation into the dimensional error of powder-binder three-dimensional printing (англ.) // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. — 2016-02. — Vol. 82, iss. 5-8. — P. 1371–1380. — ISSN 1433-3015 0268-3768, 1433-3015. — doi:10.1007/s00170-015-7482-7.
  21. ↑ 1 2 3 4 5 6 Mariano Jiménez, Luis Romero, Iris A. Domínguez, María del Mar Espinosa, Manuel Domínguez. Additive Manufacturing Technologies: An Overview about 3D Printing Methods and Future Prospects (англ.) // Complexity. — 2019-02-19. — Vol. 2019. — P. 1–30. — ISSN 1099-0526 1076-2787, 1099-0526. — doi:10.1155/2019/9656938.
  22. ↑ What is binder jetting? (англ.). www.exone.com. Дата обращения: 13 апреля 2023.
  23. ↑ Новый фильтр для рентген-аппаратов. CNews (31 августа 2026). Дата обращения: 31 августа 2026.
  24. ↑ Создана вольфрамовая решетка для улучшения рентгеновских снимков. Новости Mail.ru. Дата обращения: 31 августа 2026.
  25. ↑ Крупногабаритная 3D-печать металлами по технологии EBAM компании Sciaky. 3D Today (20 января 2015). Дата обращения: 14 сентября 2019. Архивировано 21 января 2019 года.
  26. ↑ Томские физики создали новый тип 3D-принтеров на основе ультразвуковой левитации. Известия (7 мая 2019). Дата обращения: 14 сентября 2019. Архивировано 20 августа 2019 года.

Ссылки

  • Само не вырастет (Что такое аддитивные технологии? Когда они отправят в историю современные заводы?) // РГ, 30.06.2021

Категории

Pause