Аддитивные технологии

История и классификация аддитивных технологий

1. История появления аддитивных технологий

История аддитивного производства насчитывает 150 лет, уходя корнями в такие области, как фотоскульптура и топография .

Фотоскульптура (Photosculpture) была предложена François Willème в 1890 г. Суть ее состояла в следующем: вокруг объекта или субъекта располагали фотокамеры, на которые и производили одномоментное фотографирование. Затем каждое изображение проецировали на полупрозрачный экран, и оператор с помощью пантографа обрисовывал контур. Пантограф был связан с режущим инструментом, который удалял модельный материал – глину – в соответствии с профилем текущего контура.

Для уменьшения трудоемкости процесса Carlo Baese в 1904 г. предложил использовать фоточувствительный желатин, который при обработке водой расширялся в зависимости от степени засветки – экспозиции.

Способ изготовления топографических макетов – 3-х мерных карт поверхности местности был предложен Josef E. Blanther в 1890 г. Суть метода заключалась в следующем: из тонких восковых пластин по контурным линиям топографической карты вырезались фрагменты, соответствующие воображаемому горизонтальному сечению объекта, затем эти пластины укладывались друг на друга в определенном порядке и склеивались. Получался «послойный синтез» холма или оврага. После этого поверх полученных фигур накладывали бумагу и формировали макет отдельного элемента ландшафта, который затем уже в «бумажном» виде располагали в соответствии с исходной картой.

В 1935 г. Isao Morioka предложил способ, сочетающий в себе топографию и фотоскульптуру. Этот способ предполагал использование структурированного света (сочетание черных и белых полос) для создания топографической «карты» объекта – набора контуров. Контуры вырезались из листового материала, укладывались в определенном порядке, так формировался трехмерный образ объекта. Или же, как и у François Willème, контуры могли быть спроецированы на экран для дальнейшего создания трехмерного образа с помощью режущего инструмента.

У истоков современного аддитивного производства, одним из наиболее известных методов которого служит стереолитография (SL, от англ, stereolithography), стоит подход, предложенный в 1951 г. Otto Munz. Система Munz использовала поршневой механизм для последовательной избирательной засветки и отвердевания фотополимера по сечениям сканируемого объекта.

В 1977 г. Wyn Kelly Swainson предложил способ получения трехмерных объектов посредством отверждения фоточувствительного полимера в точке пересечения двух лазерных лучей. Примерно в это же время начинают появляться технологии послойного синтеза из порошковых материалов.

Способ формирования тонкого слоя порошкового материала путем нанесения его на плоскую платформу был предложен в 1981 г. R.F. Housholder. После нанесения слоя порошкового материала производилось разравнивание его до определенной величины с последующим спеканием.

В том же году появились результаты работы Hideo Kodama с первых функциональных систем фотополимеризации с помощью ультрафиолетовой (УФ) лампы и лазера. В 1982 г. A.J. Herbert опубликовал работу по созданию трехмерных моделей с помощью X-Y-плоттера, УФ-лампы и системы зеркал.

Процесс патентования новых технических решений по AF-технологиям приобрел лавинообразный характер.

В середине 1980-х гг. Charles W. Hull (Чарлз Халл) экспериментировал с УФ-отверждаемыми материалами, подвергая их лазерному сканированию, которое аналогично системе, применяемой в лазерных принтерах. Он обнаружил, что можно производить твердые полимерные структуры. Путем отвержения последующего слоя над предыдущим слоем ему удалось изготовить трехмерный твердый объект.

В 1986 г. Charles W. Hull предложил способ послойного синтеза с использованием ультрафиолетового излучения, сфокусированного на тонкий слой фотополимерной смолы. Он же и ввел в оборот термин «стереолитография».

Именно патент Чарлза Халла признан наиболее влиятельной работой, поскольку она привлекла к созданию компании 3D Systems – компании, первой приступившей к коммерческой деятельности в области послойного синтеза (1986 г.).

В 1984 г. почти одновременно были поданы патенты в Европе (Франции), США и Азии (Япония). В первые годы большинство новаторских и коммерчески успешных систем разрабатывались в США. Такие компании, как Stratasys, 3D system и ZCorp, возглавили этот прорыв. Но и за пределами США также появилось множество новых компаний.

Примерно в то же время были разработаны методы аддитивного производства с использованием нагрева лазерным и электронным лучом. Эти методы были внедрены в производство в 1990-х гг., позволив использовать аддитивные технологии для изготовления металлических объектов .

Карл Декарт получил патент в 1989 г., он изобрел технологию избирательного (селективного) лазерного спекания (SLS). В этом же году на имя Скотта Крампа, соучредителя компании Stratasys Inc., была зарегистрирована заявка на выдачу патента на технологию послойного наплавления (FDM). Крамп получил патент в 1992 г., сегодня эта технология широко применяется в простых бытовых моделях 3D принтеров.

Но далеко не все разработки 3D технологий проводились в США. Ханс Лангер основал в 1989 г. в Германии компанию EOS GmbH, выпустившую первый 3D принтер «Stereos» в 1990 г. Компания занялась развитием технологии лазерного спекания, включая прямое лазерное спекание металлов (DMLS) .

Практическое применение эта идея нашла в LOM-технологии Lamination Object Manufacturing – послойном ламинировании или склеивании тонких листовых материалов, толщина листов при этом составляет 0,051-0,25 мм .

В 1979 г. профессор Nakagawa из Токийского университета предложил использовать эту технологию для быстрого изготовления пресс-форм, в частности, со сложной геометрией охлаждающих каналов.

Согласно отчету Королевской инженерной академии наук Великобритании за 2013 г., скачок в развитие технологий АП произошел в 2009 г., когда истек срок действия одного из ключевых патентов. Этот патент касался метода изготовления объектов путем послойной наплавки (FDM, fused deposition modeling) и описывал выдавливание (экструзию) пластиковой нити, формирующей готовую деталь, с поддерживающей структурой из дополнительных материалов.

Истечение срока действия патента сделало возможным радикальное (вплоть до 90%) снижение цен на системы 3D -печати. Это не только открыло рынок 3D-печати для широкого круга потребителей, но и заставило многих производителей и инвесторов пересмотреть свое отношения к АП и связанным с ним возможностям, проблемам и рискам.

Представители авиационно-космической промышленности, автомобилестроения, и даже архитекторы и строители увидели в АП перспективный инструмент для решения своих задач.

С этого момента началась новая эпоха в индустрии – эпоха AF-технологий.

2. Классификация аддитивных технологий

Аддитивное производство (от англ. additive manufacturing) представляет собой класс перспективных технологий кастомизированного производства деталей сложной формы по трехмерной компьютерной модели путем последовательного нанесения материала (как правило, послойного) – в противоположность так называемому вычитающему производству .

Компании, производящие оборудование для изготовления изделий аддитивными методами, по-разному называют свои технологии . В литературе присутствует неопределённость по поводу наименования различных технологий.

Американская организация ASTM International (American Society for Testing and Materials), занимающаяся разработкой технических стандартов для широкого спектра материалов, изделий, систем и услуг, рекомендует два основных термина – Additive Fabrication (AF), Additive Manufacturing (AM), а также «легитимные» синонимы – additive processes, additive techniques, additive layer manufacturing, layer manufacturing и freeform fabrication, которые русскоязычном варианте могут быть корректно переведены как «аддитивные технологии» (АТ), «аддитивное производство» (АП), а также технологии послойного синтеза.

На сегодняшний день устоявшейся классификации аддитивных технологий не существует. Различные авторы подразделяют АТ в зависимости от:

  • применяемых строительных или модельных материалов (жидкие, сыпучие, полимерные, металлопорошковые и т.д.);
  • наличия или отсутствия лазера;
  • методов подвода энергии для фиксации слоя построения (с помощью теплового воздействия, облучения ультрафиолетовым или видимым светом, посредством связующего состава и т.д.);
  • методов формирования слоя.

ASTM F2792 (США) классифицирует аддитивные технологии, разделяя их на 7 категорий (табл. 1) :

  1. Material extrusion – выдавливание материала;
  2. Material Jetting – разбрызгивание материала, струйные технологии;
  3. Binder jetting – разбрызгивание связующего;
  4. Sheet lamination – соединение листовых материалов;
  5. Vat photopolymerization – фотополимеризация в ванне;
  6. Powder bed fusion – расплавление материала в заранее сформированном слое;
  7. Directed energy deposition – прямой подвод энергии непосредственно в место построения.

В работе приводится классификация процессов аддитивного производства в зависимости от состояния материала: жидкого, порошкообразного и твердого (табл. 2).

Жидкостные процессы включают в себя:

  • стереолитографию (Stereolithography),
  • изготовление объектов путем послойной наплавки (Fused Deposition Modeling) и
  • струйную печать (Inkjet Printing).

Порошковые материалы используют в таких технологиях как:

  • 3D-печать,
  • селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering),
  • прямое лазерное спекание металлов (Direct Metal Laser Sintering),
  • селективную лазерную плавку (Selective Laser Melting),
  • электронно-лучевую плавку (Electron Beam Melting),
  • прямое нанесение металлов (Direct Metal Deposition) и
  • точное лазерное формование (Laser Engineered Net Shaping).

Таблица 1

Классификация аддитивных технологий согласно стандарту ASTM F2792

ГруппаТехнологияИсходный материалИсточник энергииОсобенности
Material ExtrusionFused Deposition Modeling (FDM)Термопластики, керамические суспензии, металлические пастыТермическая энергияНевысокая стоимость установок; использование нескольких материалов;

ограниченная точность;

невысокое качество поверхности

Contour Crafting
Material JettingPolyjet/Inkjet PrintingФотополимеры, воскТермическая энергия/фотоотверждениеПечать из различных материалов; высокое качество поверхности
Binder JettingIndirect Inkjet Printing (Binder 3DP)Полимерные порошки, керамические порошки, металлические порошкиТермическая энергияНеобходимость пропитки изделий после их построения; широкий выбор материалов; высокая пористость изделий
Sheet LaminationLaminated Object Manufacturing (LOM)Металлические листы, полимерные пленки, керамические лентыЛазерный лучВысокое качество поверхности; необходимость удаления остатков материала
Vat Photopoly-merizationStereolithography (SLA)Фотополимеры, керамики (оксиды Al, Zr, пьезокерамики)Ультрафиолетовый лазерВысокая скорость построения; высокая точность изготовления;

высокая стоимость исходных материалов

Powder Bed FusionSelective Laser Sintering (SLS)Полиамиды, полимерыЛазерный лучВысокая точность изготовления;

высокая плотность изделий; необходимость использования поддержек

Direct Metal Laser Sintering (DMLS)Металлические и керамические порошки
Selective Laser Melting (SLM)
Electron Beam Melting (EBM)Электронный луч
Directed Energy DepositionLaser Engineered Net Shaping (LENS)

Electron Beam Welding (EBW)

Металлические порошки и проволокиЛазерный луч, электронный лучВозможность ремонта изделий; создание функционально-градиентных изделий;

низкое качество поверхности

Таблица 2

Классификация процессов аддитивного производства (АП) по состоянию используемого материала

Состояние материалаПроцессМатериалы
ЖидкоеСтереолитография (SL)Полимеры
Изготовление объектов путем послойной наплавки (FDM)
Струйная печать (IJP)
Порошкообразное3D-печать (3DP)Полимеры, металлы, керамика
Селективное лазерное спекание (SLS)
Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)
Селективная лазерная плавка (SLM)
Электронно-лучевая плавка (ЕВМ)Металлы
Прямое нанесение металлов (DMD)
Точное лазерное формование (LENS)
ТвердоеПослойное изготовление объектов из листового материала (LOM) – листыПолимеры, металлы, керамика и композиционные материалы
Произвольное экструзионное формование(EFF) – проволока

Твердотельные процессы включают в себя послойное изготовление объектов из листового материала (Laminated Object Modeling) и произвольное экструзионное формование (Extrusion Free Formation).

В работе отмечается многообразие методов аддитивного производства в зависимости от технологий, материалов, оборудования, программного обеспечения и, конечно, конструкции, массы и габаритов детали, и приводится следующая классификация методов АП:

  • экструзионный (на основе технологии послойного наплавления, по международной классификации FDM или FFF);
  • проволочный (производство произвольных форм методом электронно-лучевой плавки (EBF3Electron Beam Freeform Fabrication));
  • порошковый (с применением технологий лазерного спекания (DMLS, SLS); электронно-лучевой плавки (лазерная наплавка (SLM); струйной трехмерной печати (3DP); применяемые материалы − гипс, пластик, металлические порошки, песчаные смеси);
  • ламинирование (LOM);
  • полимеризация (используемые методы – стереолитография (SLA), цифровая светодиодная проекция (DLP)).

По способу нанесения материала аддитивные технологии классифицируют на струйные и лазерные способы.

К струйному способу относятся такие технологии, как моделирование методом наплавления (Fused deposition modeling) и Polyjet.

Американское общество по испытанию материалов (ASTM International) делит технологии струйной трёхмерной печати на две категории: Material jetting – разбрызгивание материала и Binder jetting – разбрызгивание связующего.

В первом случае через сопла подаётся непосредственно сам строительный материал, который после нанесения отвердевает. Во втором – на тонкий слой гипсового, полимерного или металлического порошка разбрызгивается клеящее вещество. Технология 3DP в своем изначальном виде представляла именно второй способ.

К лазерному способу относят послойное ламинирование (Laminated object manufacturing), селективное лазерное плавление (Selective laser melting), селективное лазерное спекание (Selective laser sintering), директивное лазерное спекание (DMLS), лазерная наплавка металла (Laser metal deposition) и лазерная стереолитография (Laser stereolithography), изготовление расслоенных продуктов (LOM) и другие.

Комплексный метод классификации предложил Pham, использовавший двумерную классификацию (табл. 3) .

Таблица 3

Классификация технологий послойного синтеза, предложенная Pham

МатериалыОдномерный проходДвухмерный проходМассив одномерных проходовДвумерный проход
Жидкий полимерSLA (3D Sys)Двойной луч SLA (3D Sys)ObjectEnvisiontech

MicroTEC

Дискретные частицыSLA (3D Sys), LST (EOS), LENS, Phenix, SDMLST (EOS)3D печатьDPS
Расплавленный материалFDM, SolidscapeTermoJet
Твердые листовые материалыSolido

PLT (KIRA)

Одномерный проход относится к способу, с помощью которого слои построены. В первых технологиях использовался один точечный источник для сканирования по поверхности основного материала. В последующих системах количество источников увеличилось, чтобы повысить производительность, что стало возможным благодаря технологии осаждения капель, например устройства, которое можно встроить в виде одномерного массива разбрызгивающих сопел.

В комплексном методе классификации Pham использовал четыре отдельных классификации материалов :

  • жидкий полимер;
  • частицы порошка;
  • расплавленный материал;
  • ламинированные листовые материалы.

Аддитивные технологии прямого изготовления изделий из металлов и сплавов (табл. 4) разделяют на две большие группы: Powder Bed Fusion (PBF) и Directed Energy Deposition (DED) .

Таблица 4

Классификация АП для производства металлических деталей

КлассификацияТерминологияМатериал
Powder bed fusionDirect metal laser sintering (DMLS)Металлический порошок
Electron beam melting (EBM)
Selective laser sintering (SLS)
Selective laser melting (SLM)
Directed energy depositionElectron beam freeform fabrication (EBF3)Металлический порошок, металлический провод
Laser engineered net shaping (LENS)
Laser consolidation (LC)
Directed light fabrication (DLF)
Wire and arc additive manufacturing (WAAM)
Binder jettingPowder bed and inkjet 3D printing (3DP)Металлический порошок
Sheet laminationLaminated object manufacturing (LOM)Металлический слоистый материал
Ultrasonic consolidation (UC)Металлическая фольга

Процессы плавления порошков на подложке – платформе в сформированном слое (PBF) были одними из первых коммерциализированных технологий АП, из которых первой на рынок было выпущена технология селективного лазерного спекания (SLS – selective laser sintering), разработанная в Университете штата Техас в Остине. Все остальные процессы PBF модифицируют этот базовый подход тем или иным способом, чтобы повысить производительность машин, включить в обработку различные материалы и/или избежать патентных совпадений с уже известными методиками АП.

Наиболее распространенными источниками тепла для технологий PBF являются лазеры. Оборудование PBF, в котором используются лазеры, называется машинами для лазерного спекания (LS – laser sintering). Машины для лазерного спекания полимерных порошков и лазерного спекания металлических порошков значительно отличаются друг от друга.

В настоящее время наиболее распространенным материалом, используемым в процессах PBF, является полиамид, термопластичный полимер, широко известный нейлон. В дополнение к чистым (беспримесным) полимерам в технологии PBF применяются полимеры с наполнителями, которые повышают их физико-механические свойства. Например, добавка стекла значительно повышает жесткость материала, но также снижает его пластичность по сравнению с полиамидными материалами без наполнителей. EOS GmbH предлагает в качестве наполнителей полиамидных материалов алюминиевые частицы, углеродное волокно и стеклянные наполнители своей собственной разработки.

С помощью технологий PBF можно производить и металлические изделия, используя любой металл, который можно расплавить.

В PBF-технологиях сначала формируется слой строительного материала, а затем происходит обработка этого слоя (лазером, электронным лучом, и иными способами) (рис. 1).

Пошагово технология построения выглядит следующим образом:

  • специальное программное обеспечение разбивает трехмерную компьютерную модель на слои определенной толщины;
  • на основную плиту наносится слой порошка при помощи специального подвижного блока;
  • лазерный луч сканирует поверхность по траектории в соответствии с созданным ранее слоем модели.
Схематичное изображение установки, работающей по принципу PBF-технологии
Рис. 1. Схематичное изображение установки, работающей по принципу PBF-технологии

Этот процесс повторяется от слоя к слою до тех пор до полного построения модели.

В технологии спекания порошка расходными материалами могут быть как пластик, так и металл. Здесь используется лазер, спекающий заданную форму в заранее нанесенном слое порошка. Технология применяется для изготовления функциональных узлов и деталей со сложной геометрией .

К группе PBF-технологий относятся DMLS (Direct metal laser sintering), EBM (Electron beam melting), SLS (Selective laser sintering) и SLM (Selective laser melting).

В DED-технологиях формирование слоя производится путем подачи строительного материала непосредственно в зону расплавления (рис. 2) .

Принципиальная схема формирования слоя по DED-технологии
Рис. 2. Принципиальная схема формирования слоя по DED-технологии

Принцип данной технологии заключается в изготовлении изделий путем подачи металлического порошка в оплавляемую область заготовки. Основной рабочий орган машин – это сопловой аппарат для коаксиальной наплавки, представляющая собой агрегат, в котором расположены система фокусировки лазера, система охлаждения, система подачи материала, а также возможны элементы системы управления (датчики, видеокамеры и т.д.). В зависимости от сочетания параметров построения детали коэффициент использования материала может варьироваться от 0,2 до 0,9 (т.е. от 20 до 90 % материала, поступившего через сопловые отверстия системы подачи, фактически формируют деталь ).

Последовательность изготовления изделия данным методом выглядит следующим образом:

  • с помощью программного обеспечения создаются оптимальные траектории движения напыляющей головы для получения качественной детали. Параметры лазерного излучения и подачи порошкового материала подбираются в соответствии с типом используемого материала, конфигурации изделия и т.д.;
  • напыляющая головка перемещается в точку начала напыления;
  • подача порошка начинается через форсунки, которые создают поток порошка, сходящийся в некоторой точке, отдалённой от самой головки;
  • из центра головки исходит лазерное излучение, проходящее через точку схождения потоков металлического порошка;
  • лазерный луч расплавляет поверхность подложки, на которую происходит напыление, образуя небольшую ванну расплава. Порошок, доставляемый в эту область, попадает в жидкий металл;
  • после затвердевания ванны расплава образуется дорожка нанесённого металла.

Управление параметрами наносимой дорожки может производиться как вручную, так и через данные САПР-системы. Напыление, как правило, происходит в инертной атмосфере аргона, в которой контролируется содержание кислорода. Требования по содержанию кислорода варьируются в зависимости от типа используемого материала. Этот метод, также как и метод PBF, позволяет изготавливать изделия с особой микроструктурой, образующейся благодаря высоким скоростям затвердевания металла.

Материалы, полученные с помощью газопорошковой наплавки, обладают высокими механическими свойствами. Подбор оптимальных параметров процесса позволяет получать сплошную структуру материала, а использование систем контроля процесса наплавки снижает вероятность образования дефектов и повышает точность процесса. Процесс использует множество материалов, таких как, сплавы на основе железа, титана, никеля, алюминия и др. В технологии DED обычно используется лазер, мощностью до нескольких киловатт и больший, по сравнению с селективным лазерным плавлением, диаметр пятна, что обеспечивает высокую скорость изготовления деталей .

Технологии, использующие непосредственную подачу исходного материала в область расплава заготовки, используются как для создания новых изделий, так и для ремонта уже существующих. В отличие от технологий, предусматривающих выращивание изделия в толще порошка, такие технологии обладают большей производительностью, позволяют получать функционально-градиентные изделия (изделия из нескольких материалов, либо с плавным переходом), но имеют ограничения при изготовлении тонких стенок и сложности геометрии изделий. Также, качество поверхности у технологий с непосредственной подачей материала оказывается ниже (табл. 5).

Процесс позволяет изготавливать изделия из нескольких материалов, элементы которого изготовлены из различных материалов. Также существует возможность изготавливать функционально-градиентные изделия с плавным переходом состава материала от одного элемента к другому или осуществлять «in-situ» синтез сплавов. Технология позволяет производить ремонт, модификацию, восстановление и добавление элементов к существующим деталям различных геометрий.

К этой группе технологий относятся Direct Metal Deposition (DMD), Laser Engineered Net-Shaping (LENS), Laser Metal Deposition (LMD) и др.

Компании, использующие лазер, по-разному называет свои технологии, хотя, по технической сути, они родственны. Технологии и некоторые производители установок, в которых в качестве строительного материала используется металлический порошок, приведены в табл. 6.

Таблица 5

Сравнительные характеристики технологий

Характеристика/процессPBFDED
Зона построенияОграниченаБольшая и изменяемая
Размер луча0,05-0,1 мм2-4 мм
Толщина слоя100-100 мкм500-1000 мкм
Скорость построенияНевысокая, 1-5 см3Высокая, 16-320 см3
Поверхность построенияхорошая, шероховатость Ra=5-12 мкм,

Rz=20-40 мкм

Грубая, шероховатость Ra=20-50 мкм,

Rz=150-300 мкм, в зависимости от размера луча

Остаточные напряженияВысокиеВысокие
Термическая обработкаТермическая обработка для снятия напряжений, горячее изостатическое прессованиеТермическая обработка для снятия напряжений, горячее изостатическое прессование
Химический составНезначительное выгорание элементовНезначительное выгорание элементов
Возможности построенияВозможность построения со сложной геометрией с очень высоким разрешением. Возможность построения полых каналов.Относительно простая геометрия с небольшим разрешением. Ограничения при построении полых каналов.
Ремонт/восстановлениеВозможно только в ограниченных случаях (необходима горизонтальная поверхность)Возможно; способен добавлять металл на любые поверхности.
Добавление металла на имеющиеся детали (наплавка)ОграниченоВозможно; в зависимости от размеров возможна внутренняя наплавка
Построение функционально-градиентных материаловОграниченоВозможно
Мелкодисперсная структура, высокие механические свойстваДаДа
In-situ синтез сплавовДаДа

Таблица 6

Производители оборудования для аддитивного производства 

Категории АТНазвание технологииПроизводитель
Powder Bed Fusion (PBF)Laser Melting (LM)Renishaw Inc.
Selective Laser Melting (SLM)SLM Solutions GmbH
Laser CUSINGConcept Laser GmbH
Electron Beam Melting (EBM)Arcam AB
Direct Metal Printing (DMP)3D Systems Corp. (бывшая Phenix Systems)
Direct Metal Laser Sintering (DMLS)EOS GmbH
Directed Energy Deposition (DED)Direct Metal Deposition (DMD)DM3D Technology LLC (ранее POM Group)
Laser Engineered Net Shaping (LENS)Optomec Inc.
Direct Manufacturing (DM)Sciaky Inc.

 

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *