Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, продолжает развиваться уже почти 35 лет с момента его коммерческого использования. Аэрокосмическая, автомобильная, оборонная, энергетическая, транспортная, медицинская, стоматологическая и потребительская отрасли промышленности используют аддитивное производство для широкого спектра применений.
При таком широком распространении становится ясно, что аддитивное производство не является универсальным решением. Согласно стандарту терминологии ISO/ASTM 52900, почти все коммерческие системы аддитивного производства попадают в одну из семи категорий процессов. К ним относятся экструзия материалов (MEX), фотополимеризация в ванне (VPP), сплавление порошкового слоя (PBF), распыление связующего (BJT), распыление материала (MJT), направленное энергетическое осаждение (DED) и ламинирование листов (SHL). Здесь они отсортированы по популярности на основе количества проданных единиц.
Все большее число профессионалов отрасли, включая инженеров и менеджеров, узнают, когда аддитивное производство может помочь улучшить продукт или процесс, а когда нет. Исторически основные инициативы по внедрению аддитивного производства исходили от инженеров, имеющих опыт работы с этой технологией. Руководство видит больше примеров того, как аддитивное производство может повысить производительность, сократить сроки выполнения заказов и создать новые бизнес-возможности. AM не заменит большинство традиционных форм производства, но станет частью арсенала возможностей предпринимателя по разработке и производству продукции.
Аддитивное производство имеет широкий спектр применения: от микрофлюидики до крупномасштабного строительства. Преимущества AM различаются в зависимости от отрасли, области применения и требуемой производительности. Организации должны иметь веские причины для внедрения AM, независимо от варианта использования. Наиболее распространенными являются концептуальное моделирование, проверка конструкции, а также проверка пригодности и функциональности. Все больше компаний используют его для создания инструментов и приложений для массового производства, включая разработку индивидуальных продуктов.
Для аэрокосмических приложений вес является основным фактором. По данным Центра космических полетов имени Маршалла НАСА, вывод полезной нагрузки весом 0,45 кг на орбиту Земли стоит около 10 000 долларов. Уменьшение веса спутников может сэкономить на стоимости запуска. На приложенном изображении показана деталь Swissto12 из металла AM, которая объединяет несколько волноводов в одну деталь. С AM вес снижается до менее чем 0,08 кг.
Аддитивное производство используется на протяжении всей цепочки создания стоимости в энергетической отрасли. Для некоторых компаний бизнес-кейс использования AM заключается в быстрой итерации проектов для создания наилучшего продукта в кратчайшие сроки. В нефтегазовой отрасли поврежденные детали или узлы могут стоить тысячи долларов и более в виде потерянной производительности в час. Использование AM для восстановления операций может быть особенно привлекательным.
Крупный производитель систем DED MX3D выпустил прототип инструмента для ремонта труб. Поврежденный трубопровод может стоить от 100 000 до 1 000 000 евро (от 113 157 до 1 131 570 долларов США) в день, согласно данным компании. Приспособление, показанное на следующей странице, использует деталь с ЧПУ в качестве рамы и использует DED для сварки окружности трубы. AM обеспечивает высокую скорость наплавки с минимальными отходами, в то время как ЧПУ обеспечивает необходимую точность.
В 2021 году на нефтяной платформе TotalEnergies в Северном море была установлена ​​3D-печатная водяная оболочка. Водяные рубашки являются критически важным элементом, используемым для контроля добычи углеводородов в строящихся скважинах. В этом случае преимущества использования аддитивного производства заключаются в сокращении сроков выполнения заказа и снижении выбросов на 45% по сравнению с традиционными коваными водяными рубашками.
Еще одним бизнес-кейсом для аддитивного производства является сокращение дорогостоящего инструментария. Phone Scope разработала адаптеры для дигископинга для устройств, которые подключают камеру вашего телефона к телескопу или микроскопу. Новые телефоны выпускаются каждый год, что требует от компаний выпускать новую линейку адаптеров. Используя AM, компания может сэкономить деньги на дорогих инструментах, которые необходимо заменять при выпуске новых телефонов.
Как и любой процесс или технология, аддитивное производство не должно использоваться, поскольку оно считается новым или иным. Это делается для улучшения разработки продукта и/или производственных процессов. Оно должно добавлять ценность. Примерами других бизнес-кейсов являются индивидуальные продукты и массовая кастомизация, сложная функциональность, интегрированные детали, меньше материала и веса, а также улучшенная производительность.
Для того чтобы AM реализовала свой потенциал роста, необходимо решить проблемы. Для большинства производственных приложений процесс должен быть надежным и воспроизводимым. Помогут последующие методы автоматизации удаления материала деталей и опор, а также постобработки. Автоматизация также повышает производительность и снижает стоимость детали.
Одной из областей наибольшего интереса является автоматизация постобработки, например, удаление порошка и финишная обработка. Автоматизируя процесс массового производства приложений, одну и ту же технологию можно повторять тысячи раз. Проблема в том, что конкретные методы автоматизации могут различаться в зависимости от типа детали, размера, материала и процесса. Например, постобработка автоматизированных зубных коронок сильно отличается от обработки деталей ракетных двигателей, хотя и те, и другие могут быть изготовлены из металла.
Поскольку детали оптимизированы для AM, часто добавляются более продвинутые функции и внутренние каналы. Для PBF главной целью является удаление 100% порошка. Solukon производит автоматические системы удаления порошка. Компания разработала технологию под названием Smart Powder Recovery (SRP), которая вращает и вибрирует металлические детали, которые все еще прикреплены к рабочей пластине. Вращение и вибрация контролируются CAD-моделью детали. Благодаря точному перемещению и встряхиванию деталей захваченный порошок течет почти как жидкость. Такая автоматизация сокращает ручной труд и может повысить надежность и воспроизводимость удаления порошка.
Проблемы и ограничения ручного удаления порошка могут ограничить жизнеспособность использования AM для массового производства даже в небольших количествах. Системы удаления металлического порошка Solukon могут работать в инертной атмосфере и собирать неиспользованный порошок для повторного использования в машинах AM. Solukon провел опрос клиентов и опубликовал исследование в декабре 2021 года, показав, что две самые большие проблемы — это охрана труда и воспроизводимость.
Ручное удаление порошка из структур из смолы PBF может занять много времени. Такие компании, как DyeMansion и PostProcess Technologies, создают системы постобработки для автоматического удаления порошка. Многие детали аддитивного производства можно загрузить в систему, которая переворачивает и выталкивает среду для удаления излишков порошка. У HP есть собственная система, которая, как говорят, удаляет порошок из камеры построения Jet Fusion 5200 за 20 минут. Система хранит нерасплавленный порошок в отдельном контейнере для повторного использования или переработки для других применений.
Компании могут извлечь выгоду из автоматизации, если ее можно применить к большинству этапов постобработки. DyeMansion предлагает системы для удаления порошка, подготовки поверхности и покраски. Система PowerFuse S загружает детали, пропаривает гладкие детали и выгружает их. Компания предоставляет стойку из нержавеющей стали для подвешивания деталей, что делается вручную. Система PowerFuse S может производить поверхность, похожую на литьевую форму.
Самая большая проблема, с которой сталкивается отрасль, — это понимание реальных возможностей, которые может предложить автоматизация. Если необходимо изготовить миллион полимерных деталей, традиционные процессы литья или формовки могут быть наилучшим решением, хотя это зависит от детали. AM часто доступно для первого производственного цикла при производстве и тестировании инструментов. Благодаря автоматизированной постобработке тысячи деталей могут быть изготовлены надежно и воспроизводимо с использованием AM, но это зависит от детали и может потребовать индивидуального решения.
AM не имеет ничего общего с промышленностью. Многие организации представляют интересные результаты исследований и разработок, которые могут привести к надлежащему функционированию продуктов и услуг. В аэрокосмической отрасли Relativity Space производит одну из крупнейших систем аддитивного производства металлов с использованием запатентованной технологии DED, которая, как надеется компания, будет использоваться для производства большинства ее ракет. Ее ракета Terran 1 может доставлять полезную нагрузку массой 1250 кг на низкую околоземную орбиту. Relativity планирует запустить испытательную ракету в середине 2022 года и уже планирует более крупную многоразовую ракету под названием Terran R.
Ракеты Terran 1 и R компании Relativity Space — это инновационный способ переосмыслить то, как могут выглядеть будущие космические полеты. Проектирование и оптимизация для аддитивного производства вызвали интерес к этой разработке. Компания утверждает, что этот метод сокращает количество деталей в 100 раз по сравнению с традиционными ракетами. Компания также утверждает, что может производить ракеты из сырья в течение 60 дней. Это отличный пример объединения многих деталей в одну и значительного упрощения цепочки поставок.
В стоматологической отрасли аддитивное производство используется для изготовления коронок, мостов, хирургических шаблонов для сверления, частичных зубных протезов и элайнеров. Align Technology и SmileDirectClub используют 3D-печать для производства деталей для термоформовочных прозрачных пластиковых элайнеров. Align Technology, производитель фирменной продукции Invisalign, использует многие системы фотополимеризации в ваннах 3D Systems. В 2021 году компания заявила, что провела лечение более 10 миллионов пациентов с момента получения одобрения FDA в 1998 году. Если типичное лечение пациента состоит из 10 элайнеров, что является низкой оценкой, компания произвела 100 миллионов или более деталей AM. Детали из FRP трудно перерабатывать, поскольку они термореактивны. SmileDirectClub использует систему HP Multi Jet Fusion (MJF) для производства термопластичных деталей, которые можно перерабатывать для других применений.
Исторически VPP не могла производить тонкие, прозрачные детали с прочностными характеристиками для использования в качестве ортодонтических приспособлений. В 2021 году LuxCreo и Graphy выпустили возможное решение. По состоянию на февраль Graphy получила одобрение FDA на прямую 3D-печать стоматологических приспособлений. Если вы печатаете их напрямую, сквозной процесс считается более коротким, простым и потенциально менее затратным.
Ранней разработкой, которая привлекла много внимания СМИ, было использование 3D-печати для крупномасштабных строительных приложений, таких как жилье. Часто стены дома печатаются методом экструзии. Все остальные части дома были сделаны с использованием традиционных методов и материалов, включая полы, потолки, крыши, лестницы, двери, окна, бытовую технику, шкафы и столешницы. 3D-печатные стены могут увеличить стоимость установки электричества, освещения, сантехники, воздуховодов и вентиляционных отверстий для отопления и кондиционирования воздуха. Отделка внутренней и внешней части бетонной стены сложнее, чем при традиционном дизайне стен. Модернизация дома с помощью 3D-печатных стен также является важным соображением.
Исследователи из Национальной лаборатории Оук-Ридж изучают, как хранить энергию в стенах, напечатанных на 3D-принтере. Вставляя трубы в стену во время строительства, вода может течь через нее для отопления и охлаждения. Этот научно-исследовательский проект интересен и инновационен, но он все еще находится на ранней стадии разработки. Этот научно-исследовательский проект интересен и инновационен, но он все еще находится на ранней стадии разработки.Этот исследовательский проект интересен и инновационен, но он все еще находится на ранней стадии разработки.Этот исследовательский проект интересен и инновационен, но все еще находится на ранней стадии разработки.
Большинство из нас пока не знакомы с экономикой 3D-печати деталей зданий или других крупных объектов. Эта технология использовалась для производства некоторых мостов, навесов, парковых скамеек и декоративных элементов для зданий и внешней среды. Считается, что преимущества аддитивного производства в малых масштабах (от нескольких сантиметров до нескольких метров) применимы к крупномасштабной 3D-печати. ​​Основные преимущества использования аддитивного производства включают создание сложных форм и функций, сокращение количества деталей, уменьшение материала и веса, а также повышение производительности. Если AM не добавляет ценности, его полезность следует поставить под сомнение.
В октябре 2021 года Stratasys приобрела оставшиеся 55% акций Xaar 3D, дочерней компании британского производителя промышленных струйных принтеров Xaar. Полимерная технология PBF от Stratasys, называемая Selective Absorbion Fusion, основана на печатающих головках Xaar для струйных принтеров. Машина Stratasys H350 конкурирует с системой HP MJF.
Покупка Desktop Metal была впечатляющей. В феврале 2021 года компания приобрела Envisiontec, давнего производителя промышленных систем аддитивного производства. В мае 2021 года компания приобрела Adaptive3D, разработчика гибких полимеров VPP. В июле 2021 года Desktop Metal приобрела Aerosint, разработчика процессов повторного покрытия многокомпонентными порошковыми покрытиями. Крупнейшее приобретение произошло в августе, когда Desktop Metal купила конкурента ExOne за 575 миллионов долларов.
Приобретение ExOne компанией Desktop Metal объединяет двух известных производителей металлических систем BJT. В целом технология еще не достигла того уровня, на который многие полагают. Компании продолжают решать такие вопросы, как повторяемость, надежность и понимание первопричины проблем по мере их возникновения. Тем не менее, если проблемы будут решены, у технологии все еще есть возможности для выхода на более крупные рынки. В июле 2021 года 3DEO, поставщик услуг, использующий фирменную систему 3D-печати, заявил, что отгрузил клиентам миллионную партию.
Разработчики программного обеспечения и облачных платформ увидели значительный рост в отрасли аддитивного производства. Это особенно актуально для систем управления производительностью (MES), которые отслеживают цепочку создания стоимости AM. 3D Systems согласилась приобрести Oqton в сентябре 2021 года за 180 миллионов долларов. Основанная в 2017 году, Oqton предоставляет облачные решения для улучшения рабочего процесса и повышения эффективности AM. Materialize приобрела Link3D в ноябре 2021 года за 33,5 миллиона долларов. Как и Oqton, облачная платформа Link3D отслеживает работу и упрощает рабочий процесс AM.
Одним из последних приобретений в 2021 году стало приобретение компанией ASTM International компании Wohlers Associates. Вместе они работают над тем, чтобы использовать бренд Wohlers для поддержки более широкого внедрения AM во всем мире. Через Центр передового опыта ASTM AM компания Wohlers Associates продолжит выпускать отчеты и другие публикации Wohlers, а также предоставлять консультационные услуги, анализ рынка и обучение.
Индустрия аддитивного производства достигла зрелости, и многие отрасли используют эту технологию для широкого спектра применений. Но 3D-печать не заменит большинство других форм производства. Вместо этого она используется для создания новых типов продуктов и бизнес-моделей. Организации используют AM для уменьшения веса деталей, сокращения сроков выполнения заказов и затрат на инструменты, а также для улучшения персонализации и производительности продукции. Ожидается, что индустрия аддитивного производства продолжит свою траекторию роста с появлением новых компаний, продуктов, услуг, приложений и вариантов использования, часто с головокружительной скоростью.