Производство многих вещей, даже в эпоху, когда мы окружены невероятными инновациями, которые мы принимаем как должное сегодня (электроника, автомобили, самолеты), требует много времени, денег и планирования. Команды конструкторов и инженеров разрабатывают детали, применяя существующие технологии для их производства на том оборудовании, которое можно увидеть в заводских цехах, и которое превращает сырье в готовые детали. Когда возникает необходимость изготовить металлическую деталь, большинство производителей по всему миру начинают с заготовки в виде прутка или листового материала. Затем квалифицированные рабочие используют субтрактивные станки для удаления лишнего объема материала путем точения, фрезерования, сверления и т.п, пока не будет достигнута окончательная форма. Далее, эти обработанные металлические детали доставляются заказчикам по всему миру, где из них собирается конечный продукт. Эта традиционная система производства металлических деталей полна проблем и компромисов. Связано это с тем, что почти все традиционные технологии обработки имеют свои особенности и ограничения : - в геометрии деталей, которые необходимо изготовить - времени, необходимому для их производства - стоимости преобразования сырья в желаемый объект. Часто, из-за этих ограничений, инженерам приходится изготавливать множество элементов по отдельности, а затем сваривать, склеивать или собирать их в конечное изделие. Это происходит просто потому, что конструкции многих деталей технологически не могут быть изготовлены как единое целое с помощью обычных методов. Существенным недостатком традиционных субтрактивных технологий изготовления деталей также является то, что в результате процесса обработки образуется большое количество отходов, которые необходимо перерабатывать или выбрасывать на свалки. Считается, что в аэрокосмической промышленности около 90 процентов материала, закупаемого для изготовления металлических деталей, уходит в отходы после операций резки, точения, фрезеровки и шлифовки, необходимых для получения конечной детали в требуемых размерах. По весу, после всех процессов обработки металлический материал в конструкции самолета составляет около 10 % от первоначально приобретенного, а остальная часть отправляется в отходы. И хотя большинство производителей стремятся минимизировать затраты, перерабатывая отходы, работа с ними является неотъемлемой частью традиционного производственного подхода и значительно увеличивает производственные расходы. К сожалению, эти технологические ограничения сдерживают всех. Дизайнеры, инженеры, производители и потребители ежедневно сталкиваются с этими ограничениями. Традиционное изготовление деталей сложной конструкции из более мелких компонентов часто приводит к неоптимальности характеристик конечного продукта, добавляя ненужный вес и меняя его свойства. Такой традиционный подход в производстве металлических деталей различного целевого назначения не позволяет миру создавать более инновационные и безопасные продукты. Кроме того, такие производственные технологии часто ограничивают целесообразность изготовления продукции в непосредственной близости от места ее использования. Это связано с тем, что традиционные технологии требуют значительных инвестиций в оборудование и централизованного размещения производственных площадей, что может приводить к проблемам в цепочке поставок, которые могут стать критичными. И, как это показала пандемия COVID-19, может привести к ситуации, когда то, что необходимо, не будет доступно в тот момент, когда это больше всего нужно. Несомненно, настало время модернизировать глобальную систему изготовления металлических деталей с помощью аддитивных технологий их производства.
«Аддитивное производство» или „Аdditivemanufacturing, абб. AМ“ - это официальный промышленный термин (ASTM F2792). Корни этого нового подхода уходят в 1980-е годы, и после десятилетий развития АМ наконец-то готова претерпеть революционные изменения благодаря технологии струйной обработки связующим. Крупные и мелкие компании из различных отраслей промышленности по всему миру уже начали осознавать преимущества струйной обработки связующими при изготовлении не только конечных металлических деталей, а и в более эффективном производстве инструментов и оборудования традиционных субтрактивных технологий.
Одна из множества технологий аддитивного производства, называемая технологией струйной обработки связующим (Binder Jetting , абб. BJ) или 3-d печати связующим, является ключом к более эффективному производству деталей из металлов . Струйная обработка связующим позволяет с высокой скоростью изготавливать металлические детали без использования лазеров или иных инструментов, которые являются дорогостоящими и , в основном, затрачивают существенно большее количество времени на изготовления деталей. Вместо этого , при струйной обработке связующим используется промышленная печатающая головка со множеством сопел , позволяющая через них быстро наносить связующее вещество на тонкий слои из частиц металлического порошка, песка, керамики или композитных материалов. Этот скоростной процесс повторяется слой за слоем, формируя деталь по высоте , пока форма объекта не будет создана в соответствии с ее цифровой моделью из файла CAD-дизайна. Процесс струйной печати с использованием связующего вещества очень похож на простую печать чернилами на бумаге , где каждый «лист» представляет собой очень тонкий слой порошка, обычно толщиной 30-200 микрон (мкм), а «чернила» - это связующее вещество (специально разработанного химического состава) , которое наносится печатающей головкой на этот слой и взаимодействует с используемым металлическим или иными порошками. Для металлов такой процесс создает «зеленую» деталь из связанного металлического порошка, который затем отверждается или высушивается в печи. Затем напечатанные детали отделяются от слоя порошка (процесс известен как «обеспыливание») и очищаются перед окончательным спеканием в высокотемпературной печи, где частицы сплавляются в плотную, поддающуюся точной обработке металлическую деталь.
Стадия окончательного спекания не является чем-то новым в мире металлообработки. Фактически, она идентична процессу производства металлических деталей с использованием металлических порошков и связующих веществ на рынках литья металлов под давлением (MIM) и прессового спекания (PM) применяемому уже на протяжении более 40 лет. В этих процессах металлический порошок со связующим веществом либо впрыскивается в форму, либо штампуется в форме с помощью пресса и извлекается для окончательного спекания. Эти процессы надежно используются в электронной, медицинской и автомобильной промышленности уже более 40 лет. Основное отличие струйной печати на связующем от MIM или PM заключается в том, что металлические детали, изготовленные с помощью 3D-принтеров, не требуют пресс-формы, что обеспечивает большую свободу проектирования. Сегодня металлические детали, изготовленные методом струйной обработки связующим, имеют лучшую конечную плотность, чем после штамповки или спекания, и, в зависимости от конкретного материала, равную или превосходящую плотность деталей, изготовленных методом MIM. Кроме того, поскольку детали, изготовленные с помощью технологии струйной обработки связующим, обычно плотнее, чем гравитационные отливки или отливки под низким давлением, детали, то их можно обрабатывать на станках с ЧПУ, как обычные металлические детали.
Раскладывание порошка
Устройство для нанесения порошка
(раскладчик) вначале раскладывает его тонким слоем на поверхность рабочей
платформы в камере построения.
Нанесение жидкого связующего вещества
Промышленные струйные печатающие головки,
движущиеся вместе с порталом на котором они установлены, скрепляют частицы в
необходимых местах путем выборочного нанесения связующего вещества на слой
порошка. Тип связующего зависит от вида используемого
порошкового материала.
Опускание и повторная раскладка
После нанесения связующего рабочая платформа
опускается для раскладывания следующего слоя порошка. Повторная раскладка -
важный этап в печати связующим, так как порошок должен наноситься точно,
компактно и непрерывно для производства высококачественных и точных деталей.
Независимо от того, каких размеров используются частицы, плотная раскладка
порошка является важным фактором для успешного нанесения связующего. Повторение слоев
После
завершения раскладывания очередного слоя порошка на рабочую платформу
начинается выборочное нанесение связующего на этот слой. Эта последовательность
повторного раскладывания порошка и
нанесения связующего повторяется до тех пор, пока деталь не будет готова.
Высокая скорость печати слоя
3D-принтеры,используя возможности печатающей
струйной головки со множеством сопел для нанесения связующих веществ, могут
печатать полный слой за очень короткое время. Это одно из главных преимуществ
струйной печати перед другими методами аддитивного производства.
Завершение печати
Когда задание печати завершено, деталь можно
удалить из камеры построения. В зависимости от материала, используемого в
качестве связующего, могут потребоваться дополнительные этапы отверждения и
постобработки. Металлические детали обычно требуют закалки и спекания.
Дальнейшая обработка зависит от области
применения и конкретного материала.
Технология Binder Jetting (струйная обработка связующим) открывает новые горизонты применения 3D-печати, особенно в машиностроении. Этот метод позволяет изготавливать детали сложной геометрии, снижая их вес и решая сложные инженерные задачи. Одним из главных преимуществ струйной обработки связующим является высокая эффективность использования материала. В процессе печати применяется только необходимое количество порошка, а оставшийся несвязанный порошок можно перерабатывать и использовать до 16 раз, что позволяет достигать общей эффективности расхода материала до 96%. Струйная обработка связующим обладает также значительным преимуществом, которое вряд ли могут предложить другие аддитивные технологии. Она позволяет наладить массовое производство со скоростью и стоимостью, сопоставимыми с традиционными технологиями производства. Эта технология становится ключом к созданию децентрализованных экосистем металлобработки и машиностроения, что позволяет выпускать продукцию ближе к месту потребления, снижая затраты на логистику и повышая производительность. Более того, это решение помогает минимизировать отходы первичных материалов и перейти к цифровой модели хранения запасов первичных материалов. что повышает гибкость и эффективность производства. Binder Jetting предлагает уникальные возможности для масштабного производства металлических деталей, сочетая в себе высокую производительность, низкие затраты и минимизацию отходов. Этот метод становится все более популярным, открывая новые возможности для развития современных производственных экосистем Сегодня все больше компаний используют технологию Binder Jetting в массовом производстве. Например, немецкие автопроизводители успешно применяют этот метод для изготовления литейных форм из песка при производстве элементов двигателей автомобилей. Уже более 20 лет литейная промышленность использует струйную обработку связующим для серийного производства песчаных форм и стержней, что доказывает надежность и эффективность этой технологии.
Чтобы понять, как струйное нанесение связующего позволяет реализовать концепцию массового производства и почему другие методы 3D-печати металлов не полностью справляются с этой задачей, необходимо глубже вникнуть в экосистему 3D-печати металлических деталей . В целом, аддитивное производство - это процесс создания объекта, обычно непосредственно из данных 3D-модели, по одному слою за раз; оно противоположно субтрактивному производству, при котором детали вырезаются из большего количества материала, чем требуется в конечном итоге. Однако существует множество способов послойной 3D-печати металлических деталей, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. ASTM классифицирует процесс AM для металлов - тип 3D-печати, возникший в середине 1990-х годов, - на шесть категорий. Наиболее развитыми методами, представленными на рынке в настоящее время, являются экструзия материалов, лазерное плавление в порошковом слое, напыление связующего и направленное осаждение энергии. Однако постоянно разрабатываются новые методы металлического AM, происходит объединение категорий или создаются совершенно новые подходы в рамках известных категорий. Сегодня многие из наиболее развитых методов 3D-печати отлично подходят для изготовления единичных прототипов или даже массового производства. Но в целом большинство из них слишком затратные по времени. Для быстрого и экономически эффективного массового производства тысяч или миллионов деталей 3D-печать занимает слишком много времени и, следовательно, является слишком дорогостоящей. Основная причина заключается в том, что в большинстве этих методов 3D-печати используется одна точка (обычно сопло или лазер) для послойного построения детали. Даже в случае применения нескольких лазеров в одной аддитивной установке, она все равно не сравнится по скорости со струйной обработкой связующим.
В большинстве технологий 3D-печати металлических деталей используется одна точка, например сопло или лазер, или (что более затратно ) несколько отдельных точек. Технология же струйного нанесения связующего с перемещающимся порталом с печатающими головками со множеством сопел - один из немногих методов аддитивного производства металлических деталей, который позволяет быстро заполнять слой, печатая по всей площади. И это позволяет повысить скорость печати и снизить затраты, что очень важно при переходе от прототипирования и мелкосерийного изготовления деталей к их крупносерийному производству. Технология струйной печати позволяет быстрее создавать детали с помощью относительно доступных промышленных струйных принтеров, которые быстро создают все слои детали за один проход при более низкой, часто комнатной температуре, вплоть до окончательного процесса спекания. Это дает преимущества по сравнению с лазерными процессами, где деталь по сути расплавляется и охлаждается в процессе сборки, и требует дополнительных соображений относительно этапов последующей обработки и микроструктуры В то время как многие технологии 3D-печати позволяют создавать монолитные сложные детали, решающие сложные задачи (например, снижение веса автомобильных деталей), нанесение связующего - одна из немногих технологий, которая может обеспечить такие решения в массовом производстве и сделать его доступным. Таким образом, нанесение связующего имеет потенциал для решения сложных инженерных задач, производства более экологичных продуктов в больших объемах и получения значительных выгод для общества. Технология Binder Jetting облегчает производство сложных металлических деталей и систем, особенно в больших объемах.
Хотя каждый процесс 3D-печати
имеет свои преимущества, струйная печать связующим - одно из немногих решений, которое можно использовать как для
изготовления единичных прототипов и деталей, так и для массового и серийного
производства.
Технология нанесения связующего также удивительно гибкая
в плане использования материалов.
Фактически, при правильном выборе связующего и параметров процесса можно
обрабатывать практически любой порошок. Сегодня каплеструйное нанесение связующего
позволяет производить детали из
широкого спектра металлов, различных видов
песка, металлокерамику, а также керамику и гипс.
Промышленные системы струйной печати
связующим могут использовать более 20 различных
сплавов металлов в следующих категориях :
- Алюминиевые сплавы
- Карбиды
- Медь + медные сплавы
- Никелевые сплавы
- Нитриды
- Оксиды
- Металлические сплавы
- Тугоплавкие металлы
- Нержавеющие стали
- Титановые
сплавы
- Инструментальные стали
Как уже говорилось, для
определенных типов материалов могут потребоваться определенные типы связующего и системы его подачи/транспортировки. Это зависит от
нескольких факторов, включая способы подачи и раскладки порошка, тип печатающей головки, способной
работать с конкретным химическим составом связующего. Для некоторых материалов,
например алюминиевых и титановых сплавов, требуются установки с инертной или контролируемой средой в камере построения.
Струйная обработка связующим
наилучшим образом оптимально подходит
для производства деталей, где имеют важное значение объемы производства,
сложная конфигурация и высокая детализация.
Технология Binder Jetting проявляет свои преимущества в таких областях как производство:
- металлических
деталей AM, которые:
уже изготовляются
на 3D-принтерах с использованием других аддитивных
технологий, таких как лазерное
порошковое наплавление или экструзия материалов, и которое стремится к более
доступному или массовому их производству
- деталей
конструктивно – сложных конфигураций:
изделий со
сложными внутренними каналами или пустотами для транспортирования газов,
жидкостей или полужидких веществ, например, используемые в нефтяной, газовой
или пищевой промышленности
- компонентов
теплообменников и электромобилей:
деталей,
передающих тепловую энергию или электричество, особенно в теплообменниках и
электромобилях
сложных сборочных узлов:
объединение нескольких сегментов конструкции в единую
монолитную деталь для увеличения производительности путем сокращения количества операций или для
снижения веса всей конструкции
- облегченных
деталей:
уменьшение веса деталей при сохранении способности
выдерживать необходимые нагрузки, которое недоступно для традиционных
технологий
- массово производимых изделий индивидуального дизайна:
таких, как
медицинские изделия и протезы, где
каждая итерация дизайна может быть адаптирована индивидуально под конкретного
пациента без значительных затрат
- деталей,
нуждающихся в снижение временных затрат на их изготовление в целях ускорения производственного цикла:
предметов
роскоши, элементов ремней, фурнитуры для сумок и т. п.
- деталей, производимые по технологии MIM:
Binder Jetting позволяет при потребности в
меньших объемах экономически эффективно изготовлять детали, производимые по
технологии MIM (Metal Injection Molding) с их стандартами размеров, а также
более крупные детали
