Адитивне виробництво, також відоме як 3D-друк, продовжує розвиватися вже майже 35 років з моменту його комерційного використання. Адитивне виробництво використовується в аерокосмічній, автомобільній, оборонній, енергетичній, транспортній, медичній, стоматологічній та споживчій галузях промисловості для широкого кола застосувань.
З таким широким поширенням стає зрозуміло, що адитивне виробництво не є універсальним рішенням. Згідно зі стандартом термінології ISO/ASTM 52900, майже всі комерційні системи адитивного виробництва належать до однієї з семи категорій процесів. До них належать екструзія матеріалу (MEX), фотополімеризація у ванні (VPP), наплавлення в порошковому шарі (PBF), напилення сполучних речовин (BJT), напилення матеріалу (MJT), спрямоване енергетичне осадження (DED) та ламінування листів (SHL). Тут вони відсортовані за популярністю на основі обсягу продажів.
Зростаюча кількість фахівців галузі, включаючи інженерів та менеджерів, вивчають, коли адитивне виробництво може допомогти покращити продукт або процес, а коли ні. Історично склалося так, що основні ініціативи щодо впровадження адитивного виробництва виходили від інженерів, які мають досвід роботи з цією технологією. Керівництво бачить більше прикладів того, як адитивне виробництво може підвищити продуктивність, скоротити терміни виконання замовлень та створити нові бізнес-можливості. Адитивне виробництво не замінить більшість традиційних форм виробництва, але стане частиною арсеналу підприємця з розробки продуктів та виробничих можливостей.
Адитивне виробництво має широкий спектр застосування, від мікрофлюїдики до великомасштабного будівництва. Переваги адитивного виробництва залежать від галузі, застосування та необхідної продуктивності. Організації повинні мати вагомі причини для впровадження адитивного виробництва, незалежно від випадку використання. Найпоширенішими є концептуальне моделювання, перевірка конструкції та перевірка придатності та функціональності. Все більше компаній використовують його для створення інструментів та додатків для масового виробництва, включаючи розробку виробів на замовлення.
Для аерокосмічних застосувань вага є важливим фактором. За даними Центру космічних польотів імені Маршалла NASA, виведення корисного вантажу вагою 0,45 кг на навколоземну орбіту коштує близько 10 000 доларів. Зменшення ваги супутників може заощадити на витратах на запуск. На доданому зображенні показано металеву деталь Swissto12 для AM, яка поєднує кілька хвилеводів в одну деталь. З AM вага зменшується до менш ніж 0,08 кг.
Адитивне виробництво використовується по всьому ланцюжку створення вартості в енергетичній галузі. Для деяких компаній бізнес-кейс використання адитивного виробництва полягає в швидкій ітерації проектів для створення найкращого можливого продукту за найкоротший проміжок часу. У нафтогазовій промисловості пошкоджені деталі або вузли можуть коштувати тисячі доларів або більше через втрачену продуктивність на годину. Використання адитивного виробництва для відновлення операцій може бути особливо привабливим.
Великий виробник систем DED MX3D випустив прототип інструменту для ремонту труб. За даними компанії, пошкоджений трубопровід може коштувати від 100 000 до 1 000 000 євро (113 157–1 131 570 доларів США) на день. Пристосування, показане на наступній сторінці, використовує деталь з ЧПК як раму та використовує DED для зварювання по колу труби. Адитивне аддитивне виробництво забезпечує високу швидкість наплавлення з мінімальними відходами, тоді як ЧПК забезпечує необхідну точність.
У 2021 році на нафтовій платформі TotalEnergies у Північному морі було встановлено водонадруковану обсадну колону. Водяні сорочки є критично важливим елементом, який використовується для контролю видобутку вуглеводнів у свердловинах, що будуються. У цьому випадку перевагами використання адитивного виробництва є скорочення термінів виконання робіт та зменшення викидів на 45% порівняно з традиційними кованими водяними сорочками.
Ще одним бізнес-кейсом для адитивного виробництва є зменшення використання дорогого інструментарію. Компанія Phone Scope розробила адаптери для дигіскопування пристроїв, які підключають камеру вашого телефону до телескопа або мікроскопа. Нові телефони випускаються щороку, що вимагає від компаній випускати нову лінійку адаптерів. Використовуючи адитивне виробництво, компанія може заощадити гроші на дорогих інструментах, які необхідно замінювати, коли виходять нові телефони.
Як і будь-який процес чи технологію, адитивне виробництво не слід використовувати, оскільки воно вважається новим або відмінним. Це робиться для покращення розробки продуктів та/або виробничих процесів. Воно повинно додавати цінності. Приклади інших бізнес-кейсів включають індивідуальні продукти та масову кастомізацію, складну функціональність, інтегровані деталі, меншу кількість матеріалів та ваги, а також покращену продуктивність.
Щоб аддитивне виробництво (AM) реалізувало свій потенціал зростання, необхідно вирішити певні проблеми. Для більшості виробничих застосувань процес має бути надійним та відтворюваним. Наступні методи автоматизації видалення матеріалу з деталей та опор, а також постобробки допоможуть у цьому. Автоматизація також підвищує продуктивність та знижує вартість однієї деталі.
Однією з найбільших галузей інтересу є автоматизація постобробки, така як видалення порошку та фінішна обробка. Автоматизуючи процес масового виробництва виробів, одну й ту саму технологію можна повторювати тисячі разів. Проблема полягає в тому, що конкретні методи автоматизації можуть відрізнятися залежно від типу деталі, розміру, матеріалу та процесу. Наприклад, постобробка автоматизованих зубних коронок дуже відрізняється від обробки деталей ракетного двигуна, хоча обидві можуть бути виготовлені з металу.
Оскільки деталі оптимізовані для адитивного виробництва (AM), часто додаються більш розширені функції та внутрішні канали. Для PBF головною метою є видалення 100% порошку. Solukon виробляє автоматичні системи видалення порошку. Компанія розробила технологію під назвою Smart Powder Recovery (SRP), яка обертає та вібрує металеві деталі, що все ще прикріплені до робочої плити. Обертання та вібрація контролюються CAD-моделлю деталі. Завдяки точному переміщенню та струшуванню деталей, захоплений порошок тече майже як рідина. Ця автоматизація зменшує ручну працю та може підвищити надійність та відтворюваність видалення порошку.
Проблеми та обмеження ручного видалення порошку можуть обмежити життєздатність використання адитивного виробництва (AM) для масового виробництва, навіть у невеликих кількостях. Системи видалення металевого порошку Solukon можуть працювати в інертній атмосфері та збирати невикористаний порошок для повторного використання в машинах для адитивного виробництва. Solukon провела опитування клієнтів та опублікувала дослідження у грудні 2021 року, яке показало, що двома найбільшими проблемами є гігієна праці та відтворюваність.
Ручне видалення порошку з конструкцій зі смоли PBF може зайняти багато часу. Такі компанії, як DyeMansion та PostProcess Technologies, створюють системи постобробки для автоматичного видалення порошку. Багато деталей адитивного виробництва можна завантажити в систему, яка перевертає та викидає середовище для видалення надлишків порошку. HP має власну систему, яка, як кажуть, видаляє порошок з камери Jet Fusion 5200 за 20 хвилин. Система зберігає нерозплавлений порошок в окремому контейнері для повторного використання або переробки для інших застосувань.
Компанії можуть отримати вигоду від автоматизації, якщо її можна застосувати до більшості етапів постобробки. DyeMansion пропонує системи для видалення порошку, підготовки поверхні та фарбування. Система PowerFuse S завантажує деталі, обробляє гладкі деталі парою та розвантажує їх. Компанія надає стійку з нержавіючої сталі для підвішування деталей, що робиться вручну. Система PowerFuse S може створювати поверхню, подібну до лиття під тиском.
Найбільшим викликом, що стоїть перед галуззю, є розуміння реальних можливостей, які пропонує автоматизація. Якщо потрібно виготовити мільйон полімерних деталей, традиційні процеси лиття або формування можуть бути найкращим рішенням, хоча це залежить від деталі. Адитивне виробництво (AM) часто доступне для першої виробничої серії у виробництві та випробуваннях інструментів. Завдяки автоматизованій постобробці, тисячі деталей можна надійно та відтворювано виготовити за допомогою AM, але це залежить від специфіки деталі та може вимагати індивідуального рішення.
Адитивне виробництво (AM) не має нічого спільного з промисловістю. Багато організацій представляють цікаві результати досліджень і розробок, які можуть призвести до належного функціонування продуктів і послуг. В аерокосмічній галузі Relativity Space виробляє одну з найбільших систем адитивного виробництва металів, використовуючи запатентовану технологію DED, яку компанія сподівається використовувати для виробництва більшості своїх ракет. Її ракета Terran 1 може доставляти корисне навантаження вагою 1250 кг на низьку навколоземну орбіту. Relativity планує запустити випробувальну ракету в середині 2022 року і вже планує створення більшої ракети багаторазового використання під назвою Terran R.
Ракети Terran 1 та R від Relativity Space – це інноваційний спосіб переосмислити те, як можуть виглядати космічні польоти майбутнього. Проектування та оптимізація для адитивного виробництва викликали інтерес до цієї розробки. Компанія стверджує, що цей метод зменшує кількість деталей у 100 разів порівняно з традиційними ракетами. Компанія також стверджує, що може виробляти ракети із сировини протягом 60 днів. Це чудовий приклад об'єднання багатьох деталей в одну та значного спрощення ланцюга поставок.
У стоматологічній галузі адитивне виробництво використовується для виготовлення коронок, мостів, шаблонів для хірургічного свердління, часткових зубних протезів та елайнерів. Align Technology та SmileDirectClub використовують 3D-друк для виробництва деталей для термоформування прозорих пластикових елайнерів. Align Technology, виробник продукції марки Invisalign, використовує багато систем фотополімеризації у ваннах 3D Systems. У 2021 році компанія заявила, що з моменту отримання схвалення FDA у 1998 році вона пролікувала понад 10 мільйонів пацієнтів. Якщо типове лікування пацієнта складається з 10 елайнерів, що є заниженою оцінкою, то компанія виробила 100 мільйонів або більше деталей адитивного виробництва. Деталі з армованого пластику (FRP) важко переробляти, оскільки вони термореактивні. SmileDirectClub використовує систему HP Multi Jet Fusion (MJF) для виробництва термопластичних деталей, які можна переробляти для інших застосувань.
Історично VPP не могла виробляти тонкі, прозорі деталі з міцними властивостями для використання як ортодонтичні апарати. У 2021 році LuxCreo та Graphy представили можливе рішення. Станом на лютий Graphy отримала схвалення FDA для прямого 3D-друку стоматологічних апаратів. Якщо друкувати їх безпосередньо, весь процес вважається коротшим, простішим і потенційно менш витратним.
Ранньою розробкою, яка отримала значну увагу ЗМІ, було використання 3D-друку для великомасштабного будівництва, такого як житло. Часто стіни будинку друкуються методом екструзії. Всі інші частини будинку, включаючи підлоги, стелі, дахи, сходи, двері, вікна, побутову техніку, шафи та стільниці, виготовлялися з використанням традиційних методів та матеріалів. Стіни, надруковані на 3D-принтері, можуть збільшити вартість встановлення електроенергії, освітлення, сантехніки, повітроводів та вентиляційних отворів для опалення та кондиціонування повітря. Оздоблення внутрішньої та зовнішньої частини бетонної стіни складніше, ніж традиційного дизайну стін. Модернізація будинку за допомогою стін, надрукованих на 3D-принтері, також є важливим фактором.
Дослідники з Оук-Ріджської національної лабораторії вивчають, як накопичувати енергію в стінах, надрукованих на 3D-принтері. Вставляючи труби в стіну під час будівництва, вода може проходити через неї для нагрівання та охолодження. Цей науково-дослідний проект є цікавим та інноваційним, але він все ще перебуває на ранній стадії розробки. Цей науково-дослідний проект є цікавим та інноваційним, але він все ще перебуває на ранній стадії розробки.Цей дослідницький проєкт цікавий та інноваційний, але він все ще перебуває на ранніх стадіях розробки.Цей дослідницький проєкт цікавий та інноваційний, але все ще перебуває на ранніх стадіях розробки.
Більшість із нас ще не знайома з економікою 3D-друку будівельних деталей чи інших великих об'єктів. Ця технологія використовувалася для виробництва деяких мостів, навісів, паркових лавок та декоративних елементів для будівель та зовнішнього середовища. Вважається, що переваги адитивного виробництва в малих масштабах (від кількох сантиметрів до кількох метрів) поширюються і на великомасштабний 3D-друк. Основні переваги використання адитивного виробництва включають створення складних форм та елементів, зменшення кількості деталей, зменшення матеріалу та ваги, а також підвищення продуктивності. Якщо адитивне виробництво не додає цінності, його корисність слід поставити під сумнів.
У жовтні 2021 року Stratasys придбала решту 55% ​​акцій Xaar 3D, дочірньої компанії британського виробника промислових струменевих принтерів Xaar. Технологія полімерного полібромованого напилення (PBF) від Stratasys, що називається Selective Absorbion Fusion, базується на струменевих друкуючих головках Xaar. Машина Stratasys H350 конкурує з системою HP MJF.
Купівля Desktop Metal була вражаючою. У лютому 2021 року компанія придбала Envisiontec, давнього виробника промислових систем адитивного виробництва. У травні 2021 року компанія придбала Adaptive3D, розробника гнучких полімерів VPP. У липні 2021 року Desktop Metal придбала Aerosint, розробника процесів повторного покриття порошковими покриттями для різних матеріалів. Найбільше придбання відбулося в серпні, коли Desktop Metal купила конкурента ExOne за 575 мільйонів доларів.
Придбання ExOne компанією Desktop Metal об'єднує двох відомих виробників металевих систем біполярного транзистора (BJT). Загалом, технологія ще не досягла того рівня, на який багато хто вважає. Компанії продовжують вирішувати такі питання, як повторюваність, надійність та розуміння першопричини проблем у міру їх виникнення. Навіть якщо проблеми будуть вирішені, технологія все ще матиме потенціал для вийти на ширші ринки. У липні 2021 року 3DEO, постачальник послуг, що використовує власну систему 3D-друку, заявив, що відвантажив клієнтам мільйонний пристрій.
Розробники програмного забезпечення та хмарних платформ спостерігають значне зростання в галузі адитивного виробництва. Це особливо стосується систем управління ефективністю (MES), які відстежують ланцюжок створення вартості адитивного виробництва. 3D Systems погодилася придбати Oqton у вересні 2021 року за 180 мільйонів доларів. Заснована у 2017 році, Oqton надає хмарні рішення для покращення робочого процесу та підвищення ефективності адитивного виробництва. Materialize придбала Link3D у листопаді 2021 року за 33,5 мільйона доларів. Як і Oqton, хмарна платформа Link3D відстежує роботу та спрощує робочий процес адитивного виробництва.
Одним із останніх придбань у 2021 році є придбання компанією ASTM International компанії Wohlers Associates. Разом вони працюють над використанням бренду Wohlers для підтримки ширшого впровадження адитивного виробництва в усьому світі. Через Центр передового досвіду ASTM AM, Wohlers Associates продовжуватиме випускати звіти Wohlers та інші публікації, а також надавати консультаційні послуги, аналіз ринку та навчання.
Індустрія адитивного виробництва дозріла, і багато галузей використовують цю технологію для широкого кола застосувань. Але 3D-друк не замінить більшість інших форм виробництва. Натомість він використовується для створення нових типів продуктів та бізнес-моделей. Організації використовують адитивне виробництво для зменшення ваги деталей, скорочення термінів виконання та витрат на інструменти, а також для покращення персоналізації та продуктивності продукції. Очікується, що індустрія адитивного виробництва продовжить свою траєкторію зростання з появою нових компаній, продуктів, послуг, застосувань та варіантів використання, часто з шаленою швидкістю.