Adaptive Technologien in der Industrie. Additive Fertigung (AM). Additive Technologien in der Bildung

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Additive Technologien in der russischen Industrie

AF-Technologien sind ein wirksames Bindeglied in der modernen Produktion

Additive Technologien (AF - Additive Manufacturing), oder Layer-by-Layer-Synthesetechnologien, sind heute einer der sich am dynamischsten entwickelnden Bereiche der "digitalen" Produktion. Sie ermöglichen eine Größenordnung, die Forschung und Entwicklung sowie die Lösung produktionsvorbereitender Aufgaben zu beschleunigen und werden teilweise bereits aktiv für die Herstellung von Fertigprodukten eingesetzt.

In der jüngeren Vergangenheit, vor 10-15 Jahren, wurden additive Technologien vor allem in den traditionell technologisch fortschrittlichen Industrien eingesetzt – der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie sowie im Instrumentenbau und in der Medizin, wo das Zeit-Geld-Tandem seit jeher von Bedeutung war besondere Wichtigkeit.

Im Zeitalter einer innovativen Wirtschaft beträgt die Zeit, die für die Herstellung eines Produkts aufgewendet wird, der wichtigste Faktor den Erfolg oder Misserfolg des Unternehmens. Auch ein qualitativ hochwertiges Produkt kann nicht beansprucht werden, wenn der Markt zum Zeitpunkt der Veröffentlichung eines neuen Produkts bereits mit ähnlichen Produkten konkurrierender Unternehmen gesättigt ist. Daher setzen immer mehr Bereiche der Industrie AF-Technologien aktiv ein. Zunehmend werden sie von Forschungseinrichtungen, Architektur- und Designbüros, Designstudios und Einzelpersonen für Kreativität oder als Hobby verwendet. An vielen Hochschulen und Universitäten sind additive Maschinen, oder wie sie oft genannt werden, 3D-Drucker, ein fester Bestandteil des Ausbildungsprozesses für eine professionelle Ingenieurausbildung.

Es gibt viele Technologien, die als additiv bezeichnet werden können, sie haben eines gemeinsam: Das Modell wird durch Hinzufügen von Material (aus dem Englischen add - "add") aufgebaut, im Gegensatz zu traditionellen Technologien, bei denen die Erstellung eines Teils durch Entfernen erfolgt "überschüssiges Material.

Die klassische und genaueste Technologie ist SLA (von Stereolithography Apparatus) oder Stereolithographie, eine schichtweise Härtung von flüssigem Photopolymer mit einem Laser.

Es gibt viele Arten von Photopolymerzusammensetzungen, daher ist das Anwendungsspektrum von Prototypen, die durch SLA-Technologie erhalten wurden, sehr breit: Mock-ups und maßstabsgetreue Modelle für aerodynamische und hydrodynamische Tests, Gießerei- und Meistermodelle, Designmodelle und Prototypen, Funktionsmodelle usw.

Selektives Lasersintern – SLS-Technologie (Selective Laser Sintering), SelectiveLaserMelting) ist ein weiterer wichtiger Bereich der additiven Technologien.

Dabei handelt es sich bei dem Bau(Modell-)Material um rieselfähige, pulverförmige Materialien, und der Laser ist keine Lichtquelle wie bei SLA-Maschinen, sondern eine Wärmequelle, durch die die Pulverpartikel verschmolzen werden. Als Modellmaterialien werden eine Vielzahl von Polymer- und Metallpulvern verwendet.

Pulverförmiges Polyamid wird hauptsächlich für die Funktionsmodellierung, das Prototyping und die Herstellung von Steuerungsbaugruppen verwendet. Polystyrol wird zur Herstellung von Druckgussmodellen verwendet.

Eine separate Richtung ist das schichtweise Lasersintern (Fusieren) von Metall-Pulver-Zusammensetzungen. Die Entwicklung dieser Richtung der AF-Technologien hat die Entwicklung von Technologien zur Gewinnung von Metallpulvern angeregt. Die Nomenklatur der Metallzusammensetzungen umfasst heute eine breite Palette von Werkstoffen auf Basis von Ni und Co (CoCrMO, Inconel, NiCrMo), auf Basis von Fe (Werkzeugstähle: 18Ni300, H13; Edelstahl: 316L), auf Basis von Ti (Ti6-4 .) , CpTigr1) , basierend auf Al (AlSi10Mg, AlSi12). Es werden Pulver aus Bronzen, Sonderlegierungen sowie Edelmetallen hergestellt - hauptsächlich für den Bedarf der Zahnmedizin.

Aus Metallpulvern werden Formrohlinge, Spezialwerkzeuge, komplex gestaltete Originalteile, die durch Gießen oder maschinelle Bearbeitung nur schwer oder gar nicht zu erhalten sind, Implantate und Endoprothesen und vieles mehr „gezüchtet“. Schon heute ist es bei der Einzel- und Kleinserienfertigung oft wirtschaftlich sinnvoll, eine kleine Charge von Teilen auf einer SLS-Maschine zu „züchten“, anstatt Gießerei- oder Gesenkwerkzeuge herzustellen. In Kombination mit HIP (Hot Isostatic Pressing) und entsprechender Wärmebehandlung sind solche Teile nicht nur so gut wie Guss- oder Schmiedeprodukte, sondern übertreffen diese auch in der Festigkeit um 20–30%.

Sehr breite Perspektiven eröffnen sich für eine weitere additive Technologie – die Inkjet-Drucktechnologie – InkJet- oder PolyJet-Technologie. Diese Technologie beinhaltet das Auftragen eines Modellmaterials oder einer Bindemittelzusammensetzung unter Verwendung von Strahlköpfen. InkJet-Technologien sind für Gießereien von besonderem Interesse.

Sie ermöglichen es, die Gussformen, dh das "Negativ" des Teils, direkt zu "wachsen" und die Herstellungsstufen der Formausrüstung - des Meistermodells und des Gussmodells - auszuschließen. ExOne (und seine Tochtergesellschaft ProMetal GmbH) stellen Maschinen vom Typ S-Max her, die nicht als "Prototyping-Maschinen" positioniert sind, sondern als ganz "gewöhnliche" technologische Industrieanlagen, die in der allgemeinen technologischen Produktionskette nicht nur experimenteller, sondern auch auch Serienprodukte ... Fast alle Autofirmen der Welt haben solche Autos erworben. Es ist verständlich - mit ihrer Hilfe war es nicht um ein Vielfaches, aber um eine Größenordnung möglich, den Zeitaufwand für Forschung und Entwicklung an kritischen Stellen für Automobilbauer zu reduzieren - Gießereiteile: Motorblöcke und -köpfe, Achsen und Getriebe, Teile für deren Herstellung in einer traditionellen Pilotproduktion Monate vergingen, und unter Berücksichtigung der experimentellen Feinabstimmung und Produktionsvorbereitung - viele Monate. Nun kann der Konstrukteur seinen neuen Motor nicht sechs Monate später, sondern zwei Wochen nach Abschluss des technischen Projekts auf dem Prüfstand sehen.

Heutzutage gibt es in Russland viele Unternehmen, die Prototyping-Dienste anbieten, aber die meisten sind dies kleine Geschäfte mit einem oder zwei kostengünstigen 3D-Druckern, die einfache Teile wachsen lassen können. Dies liegt daran, dass High-Tech-Geräte, die in der Lage sind, hohe Qualität Produkte ist teuer und erfordert qualifiziertes, speziell geschultes Personal für die Bedienung und Wartung. Nicht jedes Unternehmen kann es sich leisten, denn für den Kauf muss klar sein, wie und wie effizient diese Ausrüstung verwendet wird, ob sie mit Arbeit belastet wird. Die Schwäche solcher Unternehmen ist die fehlende Komplexität bei der Lösung von Problemen. Bestenfalls beschränkt sich das Geschäft darauf, einen ziemlich einfachen Service zu bieten - einen Prototyp oder ein Modell auf die eine oder andere Weise herzustellen. Während AF-Technologien nicht nur und nicht so sehr ein 3D-Drucker sind, sondern ein wichtiger Teil der 3D-Umgebung, in der ein neues Produkt entsteht – von der Idee des Designers bis zur Umsetzung seiner Ideen in der Massenproduktion. Die Umgebung, in der Neues Produkt erstellt, "lebt", betrieben, repariert bis zur Fertigstellung " Lebenszyklus"von diesem Produkt.

Daher müssen Sie für die volle Nutzung der AF-Technologien diese Umgebung schaffen: Master 3D-Design und -Modellierung, CAE- und CAM-Technologien, Digitalisierungs- und Reengineering-Technologien, verwandte Technologien, einschließlich ganz traditioneller Technologien, die jedoch für eine 3D-Umgebung neu formatiert wurden. Darüber hinaus, es nicht in einer einzigen Universität oder einem großen Werk zu meistern – solche Branchen gibt es generell auf allen Ebenen – ist dies nicht einmal in einer separaten, beispielsweise Luftfahrt- oder Automobilindustrie. Dann wirken AF-Technologien nicht wie exotische Genüsse, sondern als ganz natürliches und effektives Bindeglied in der allgemeinen 3D-Umgebung von Kreation, Produktion und Produktlebenszyklus.

Es gibt auch große Unternehmen auf dem Markt mit High-Level-Equipment, die in der Regel ziemlich komplexe Produktionsprobleme lösen und ein breiteres Spektrum an nützlichen Dienstleistungen rund um das Prototyping anbieten, die in der Lage sind, von Anfang bis Ende Forschung und Entwicklung durchzuführen und die Qualität von in jeder Phase arbeiten. Zu diesen Unternehmen gehören FSUE "NAMI", AB "Universal", NPO "Salut", OJSC "NIAT" (Moskau), UMPO (Ufa), Wissenschaftliches Forschungsinstitut "Maschinenbautechnologien" (SPbSPU), OJSC "Tushinsky Maschinenbau Pflanze" und viele andere. Ein solch integrierter Ansatz ist jedoch nicht in der Macht jedes Unternehmens, insbesondere unter den Bedingungen einer gleichgültigen Haltung des Staates.

Generell bleibt die Situation mit der Einführung von AF-Technologien in der russischen Industrie äußerst ungünstig. Wissenschaftler, Ingenieure und Technologen fanden nicht die richtigen Worte, um den Staat auf einen gefährlichen Rückstand in der für die heimische Industrie unbedingt notwendigen Innovationssphäre aufmerksam zu machen. Sie fanden keine Argumente, um die Behörden von der Notwendigkeit zu überzeugen, ein nationales Programm zur Entwicklung additiver Technologien zu entwickeln, um eine heimische AF-Maschinenindustrie zu schaffen. Russland nimmt praktisch nicht an internationalen Organisationen teil, die einen erheblichen Einfluss auf die Entwicklung von AF-Technologien in der Welt haben.

Die Schlüsselprobleme bei der Implementierung von AF-Technologien sind in erster Linie das Personal, das bekanntlich alles löst; 3D-Maschinen selbst, hochwertige AF-Geräte, die nicht gekauft und ohne gezielte Unterstützung der Regierung in der einen oder anderen Form (die übrigens in der überwiegenden Mehrheit der Fälle im Ausland erfolgt) nicht hergestellt werden können; Materialien sind ein eigenständiges und komplexes Problem interdisziplinärer Natur, dessen Lösung wiederum ganz von der Qualität des staatlichen Prozessmanagements abhängt. Dies sind überwältigende Aufgaben für eine bestimmte Branche. Ein Problem, das nur gelöst werden kann, wenn ein zielgerichtetes Zusammenwirken von Hochschule, Wissenschaft und Industriewissenschaft besteht.

Die in Freiburg (bei Dresden) Ende der 1990er Jahre während der Renaissance der Ostgebiete errichtete Gießerei ACTech ist ein hervorragendes Beispiel für die „Marktintervention“ des Staates bei der Lösung komplexer technologischer Probleme. Die Anlage ist für unsere Verhältnisse recht klein - nur 6.500 qm. Meter Gesamtfläche, mit einer Nadel gebaut, auf freiem Feld und mit den modernsten ausgestattet technologische Ausrüstung, deren Hauptmerkmal AF-Maschinen zur Anzucht von Sandformen (von EOS, München) waren. Das war vielleicht das erste Beispiel integrierter Ansatz- die Anlage wurde ausgestattet moderne Ausrüstung für echtes Arbeiten in einer 3D-Umgebung: AF-Maschinen, Messgeräte, CNC-Maschinen, Schmelz-, Gießerei- und Wärmeanlagen. Derzeit arbeiten dort rund 230 Mitarbeiter, davon 80 % Ingenieure und Führungskräfte. Heute ist sie eine der bekanntesten Fabriken mit Weltruf, deren Kunden fast alle führenden Automobilunternehmen in Deutschland, viele europäische und amerikanische Luftfahrtunternehmen sind. Es genügt, eine 3D-Datei des zukünftigen Produkts an die Fabrik zu senden und die Aufgabenstellung zu beschreiben: Material, Menge, gewünschte Produktionszeit und was Sie erhalten möchten - ein Gussteil oder ein fertig bearbeitetes Teil, davon hängt die Lieferzeit ab - ab 7 Tage bis 8 Wochen. Bemerkenswert ist, dass ca. 20% der Bestellungen Einzelteile sind, ca. 40% Bestellungen von 2-5 Teilen. Fast die Hälfte der Gussteile sind Gusseisen; etwa ein Drittel ist Aluminium; der Rest ist Stahl und andere Legierungen. Die Spezialisten des Werks kooperieren aktiv mit Herstellern von AF-Geräten, forschen gemeinsam mit Universitäten, auch das Werk ist erfolgreich. Handelsunternehmen, und ein Testfeld für neue technologische Verfahren.

Lebenszyklus eines neuen Produkts.
Die Arbeit wurde für ZAO NPO "Turbotekhnika" durchgeführt

Der Markt für additive Technologien in Russland entwickelt sich, aber dies geschieht sehr langsam, denn um diese Technologien auf das richtige Niveau zu bringen, ist staatliche Unterstützung erforderlich. Bei gebührender Aufmerksamkeit für die Implementierung von AF-Technologien können sie die Reaktionsgeschwindigkeit auf Marktanforderungen erheblich erhöhen und Wirtschaftlichkeit viele Branchen.

Kirill Kazmirchuk, stellvertretender Direktor des Forschungsinstituts "Engineering Technologies", SPbSPU
Vyacheslav Dovbysh, Leiter des Labors für Vakuumguss von Metallen und Polymeren, Forschungsinstitut "NAMI"

Fotos und Materialien der Autoren

Wie Sie wissen, gibt es mehrere Methoden des 3D-Drucks, die jedoch alle Derivate der additiven Fertigungstechnologie sind. Egal welchen 3D-Drucker Sie verwenden, der Aufbau des Werkstücks erfolgt durch das schichtweise Hinzufügen von Rohstoffen. Obwohl der Begriff Additive Manufacturing von einheimischen Ingenieuren nur sehr selten verwendet wird, haben schichtweise Synthesetechnologien die moderne Industrie tatsächlich beschäftigt.

Ein Ausflug in die Vergangenheit der Additiven Fertigung

Die digitale Fertigung hat ihre Anwendung in der Medizin, Raumfahrt, Fertigung gefunden Endprodukte und Prototypenbau. Obwohl der 3D-Druck weithin als eine der wichtigsten Entdeckungen des 21. Jahrhunderts gilt, tauchten additive Technologien in Wirklichkeit einige Jahrzehnte früher auf.

Die Branche wurde von Charles Hull, dem Gründer von 3D Systems, Pionierarbeit geleistet. 1986 baute der Ingenieur den weltweit ersten stereolithografischen 3D-Drucker und machte damit die digitale Technologie zu einem großen Sprung nach vorne. Ungefähr zur gleichen Zeit brachte Scott Crump, der spätere Gründer von Stratasys, die weltweit erste FDM-Maschine auf den Markt. Seitdem begann der 3D-Druckmarkt schnell zu wachsen und sich mit neuen Modellen einzigartiger Druckgeräte zu füllen.

Zunächst entwickelten sich sowohl SLA- als auch FDM-Technologien Seite an Seite ausschließlich in Richtung industrielle Produktion 1995 war jedoch ein Wendepunkt reif, der additive Fertigungsverfahren allgemein verfügbar machte. Die Studenten des Massachusetts Institute of Technology, Jim Bradt und Tim Anderson, haben die Schicht-für-Schicht-Technologie in das Gehäuse eines herkömmlichen Desktop-Druckers integriert. So wurde die Z Corporation gegründet, die seit langem als führend im Bereich des 3D-Drucks im Haushalt gilt.

Additive Fertigungstechnologie – Das Zeitalter der Innovation

AF-Technologien sind heutzutage allgegenwärtig: Forschungsorganisationen verwenden sie, um einzigartige Materialien und Stoffe herzustellen, Industriegiganten verwenden 3D-Drucker, um das Prototyping neuer Produkte zu beschleunigen, Architektur- und Designfirmen haben im 3D-Druck endloses Baupotenzial gefunden, während Designstudios buchstäblich eingeatmet haben neues Leben dank additiver Maschinen in das Designgeschäft ein.

Die genaueste Additivtechnologie ist die Stereolithographie - ein Verfahren zur schrittweisen Schicht-für-Schicht-Laserhärtung eines flüssigen Photopolymers. SLA-Drucker werden hauptsächlich für Prototyping, Mock-ups und hochpräzise Designkomponenten mit hohem Detailgrad verwendet.

Das selektive Lasersintern entstand ursprünglich als verbessertes Verfahren zum Härten von flüssigem Photopolymer. Die SLS-Technologie ermöglicht die Verwendung von pulverförmigen Materialien als Tinte. Moderne SLS-Drucker sind in der Lage, Keramikton, Metallpulver, Zement und komplexe Polymere zu verarbeiten.

Die Gießereiindustrie hat kürzlich PolyJet-Maschinen mit klassischer AF-Technologie eingeführt. Sie sind mit schnell abbindenden Inkjet-Druckköpfen ausgestattet. Heute sind InkJet-3D-Drucker nicht weit verbreitet, aber es ist möglich, dass der 3D-Tintenstrahldruck in einigen Jahren so weit verbreitet ist wie klassische Druckgeräte. ExOne war mit seiner S-Max-Prototyping-Maschine Vorreiter in dieser Branche.

Am günstigsten sind nach wie vor FDM-Drucker – Geräte, die durch schichtweise geschmolzenes Filament dreidimensionale Objekte erzeugen. Die gebräuchlichsten Drucker dieser Art sind Maschinen, die mit geschmolzenem Filament drucken. Sie können mit einem oder mehreren Druckköpfen mit einem Heizelement im Inneren ausgestattet werden.

Die meisten Additivdrucker auf Kunststoffbasis können nur einfarbige Formen herstellen, aber in letzter Zeit sind auf dem 3D-Druckmarkt Maschinen erschienen, die mehrere Arten von Filamenten gleichzeitig verwenden. Mit dieser Innovation können Sie farbige Objekte erstellen.

Perspektiven der AF-Technologie

Momentan ist der 3D-Druck-Markt noch lange nicht übersättigt. Branchenanalysten sind sich einig, dass additive Technologien eine glänzende Zukunft haben. Schon heute erhalten Forschungszentren, die AF-Entwicklungen unterschätzen, riesige Finanzspritzen von Verteidigungskomplex und medizinischen staatlichen Einrichtungen, was keine Zweifel an der Richtigkeit von Expertenprognosen aufkommen lässt!

Die additive Technologie ist ein relativ junges, aber sehr beliebtes Phänomen. Der Name dieser Technologie leitet sich vom englischen Begriff Additive Manufacturing ab, was wörtlich „Produktion durch Addition“ bedeutet. Additive Technologie bezeichnet ein Herstellungsverfahren durch schichtweisen Aufbau von Rohstoffen.

Das bekannteste Beispiel für die Anwendung additiver Technologien sind beliebte 3D-Drucker. Alle Typen dieser Vorrichtungen arbeiten unter Verwendung der Schicht-für-Schicht-Synthesetechnologie.

Additive Fertigungstechnologien haben in vielen Branchen einen revolutionären Durchbruch erzielt – Medizin, Bauwesen, Maschinenbau, Ingenieurwesen, Design.

Ein Ausflug in die Geschichte

Die 3D-Drucktechnologie gilt als die wichtigste Entdeckung des 21. Jahrhunderts, aber die Geschichte dieser innovativen Geräte reicht bis ins 20. Jahrhundert zurück. Erfinder der Technologie und Begründer einer neuen Branche war der Ingenieur Charles Hull, Gründer und Inhaber von 3D-Systems.

1986 baute Charles den ersten stereolithographischen 3D-Drucker. Ungefähr zur gleichen Zeit entwickelte ein anderer Ingenieur, Scott Trump, die erste FDM-Maschine ihrer Klasse. Diese beiden bahnbrechenden Erfindungen markierten den Beginn der explosiven Entwicklung des 3D-Druckmarktes.

Neue Entwicklungsstufe

Der nächste Schritt in der Evolution des 3D-Drucks war die Einführung der Schicht-für-Schicht-Synthesetechnologie in den Körper eines herkömmlichen Desktop-3D-Druckers, die von den MIT-Studenten Tim Anderson und Jimmy Bradt durchgeführt wurde. Anschließend gründeten sie die Z Corporation, einen langjährigen Branchenführer.

Moderne additive Technologien

Heutzutage durchlaufen additive Technologien eine Phase starker Entwicklung und weit verbreiteter Popularität.

Historisch gesehen ist die Stereolithographie die allererste und genaueste additive Technologie. Dies ist ein Verfahren zum stufenweisen Aushärten eines Polymers unter Verwendung eines Lasers. Diese Technologie wird im Prototyping, bei der Herstellung von Layouts und Designelementen mit hohem Detaillierungsgrad eingesetzt.

Selektives Lasersintern ist ein innovatives Verfahren zur Verfestigung von flüssigem Photopolymer. Mit dieser Technologie können Sie mit Zement, Keramikton, komplexen Polymeren und Metallpulver arbeiten.

Am beliebtesten im alltäglichen Sinne sind FDM-Drucker, die Objekte nachbilden, indem sie Kunststofffilamente schichten. Früher konnten Drucker Objekte in einem Farbschema erstellen, aber jetzt gibt es Geräte auf dem Markt, die verschiedene Arten von farbigen Kunststofffilamenten verwenden.

Zentrum für additive Technologien

Auf dem russischen Markt gibt es ein junges Unternehmen, das sich auf den Einsatz additiver Technologien spezialisiert hat. JSC "Center for Additive Technologies" arbeitet an der Schnittstelle von Design-, Engineering- und Berechnungskompetenzen, Optimierung technischer Lösungen und Produktion.

Das Unternehmen verfügt über eine große Flotte von industriellen 3D-Druckern der weltweit führenden Hersteller: MK Technology GmbH, EOS GmbH, 3D Systems, Stratasys, Envisiontec.

Die Hauptrichtung der Arbeit des Zentrums ist die Zusammenarbeit mit Unternehmen, um neue Produkte und einzigartige Technologien zu entwickeln und zu verkaufen. Das Zentrum ist auch auf die Entwicklung und Herstellung von tragbaren Desktop-3D-Druckern und -Scannern spezialisiert. Diese 3D-Geräte sind in der Lage, Prototyping-Technologien in der häuslichen Umgebung zu verkörpern und sind ideal für einen ersten Einblick in additive Technologien und die Grundlagen des 3D-Drucks.

Additive Technologien im Maschinenbau

Additive Technologien werden in der Automobilindustrie aktiv eingesetzt. Das Team des amerikanischen Ingenieurs Jim Korr, Gründer von Kor Ecologic, arbeitet seit über 15 Jahren am Urbee-Projekt, dem ersten Prototyp eines 3D-Autos. Es sollte gesagt werden, dass nur die Karosserie und einige Details auf dem Drucker gedruckt werden - der Rahmen des Autos ist aus Metall.

Dieses Auto entwickelt eine niedrige Höchstgeschwindigkeit von 112 Kilometern, hat aber aufgrund der Konstruktion der Karosserie einen geringen Luftwiderstand und kann mit einem Elektromotor etwa 65 Kilometer fahren.

Additive Technologie kommt auch im Prototyp des amerikanischen Unternehmens Local Motors zum Einsatz, das seine Elektroautos für die Serienfertigung vorbereitet. Die Prototypen des Unternehmens verfügen über ein modernes Design, eine große Gangreserve und künstliche Intelligenz.

Additive Technologien: Anwendung

In der modernen Welt werden additive Technologien in vielen Branchen eingesetzt und können potenziell in jeder eingesetzt werden. Weltweite Boulevardblätter schockieren regelmäßig die Nachrichten darüber, wie eine Waffe, ein menschliches Organ, Kleidung, ein Haus, ein Auto auf einem 3D-Drucker gedruckt wurden.

Das Entwicklungspotenzial dieser Technologien ist wirklich hoch und kann die Entwicklung des wissenschaftlichen und technologischen Fortschritts um eine Größenordnung beschleunigen – wissenschaftliche Labore stellen mit 3D-Druckern innovative Materialien und Stoffe her. Der Einsatz additiver Technologien in der Industrie ermöglicht es Herstellern, das Prototyping neuer Designs zu beschleunigen und den Weg von der Idee bis zur Umsetzung zu verkürzen. Architektur und Baugewerbe versuchen, das Potenzial additiver Technologien zu 100 % zu nutzen. Das Designgeschäft durchläuft dank der additiven Fertigung eine neue Entwicklungsphase.

Die Aussichten für die Entwicklung der Branche sind äußerst günstig. Finanzanalysten sagen dem 3D-Druckmarkt ein explosives Wachstum voraus. F&E-Zentren, die sich mit additiver Entwicklung befassen, werden vom Verteidigungskomplex und medizinischen staatlichen Einrichtungen finanziert

Unter den Technologien, die aufgrund der Errungenschaften des wissenschaftlichen Fortschritts ständig im menschlichen Leben auftauchen, gibt es solche, die als "Additive" bezeichnet werden. Diese Definition stammt von dem entlehnten Wort "Additivity" oder genauer von dem englischen Ausdruck "Additive Manufacturing" (abgekürzt - AF), was wörtlich übersetzt "Added Production" bedeutet. Was ist das also und wie kann diese Art von Technologie heute für die Gesellschaft nützlich sein?

Die Essenz

Additive Technologien sind ein Zweig der digitalen Industrie und sind ein Verfahren zur Herstellung von Produkten und verschiedenen Produkten, bei denen die Schichten eines Objekts durch den Einsatz von Computergeräten für den 3D-Druck aufgebaut werden. Welche Materialien füllen sie? In der Regel sind dies Wachs-, Metall- und Gipspulver, Polystyrol (ein farbloses und glasartiges Polymer, das Kunststoff ähnelt), Polyamide (Kunststoffe), flüssige Photopolymere (Rohlinge, die unter dem Einfluss von Lichtstrahlen, meistens ultravioletten Strahlen aushärten) usw.

Entstehung: wie es war

Die Geschichte der additiven Geräte begann 1986, als ein Vertreter von Ultraviolet Products namens Charles Hull (jetzt Executive Vice President und Chief Executive Officer) technischer Direktor eigene Organisation "3D Systems") den weltweit ersten stereolithografischen Drucker für den dreidimensionalen Druck entwickelt. Der Mechanismus wurde in erster Linie entwickelt, um den US-Verteidigungskomplex rechtzeitig zu versorgen. Hull machte darauf aufmerksam, dass es viel Zeit und Mühe kostet, Einzelteile zu erstellen und diese dann zusammenzubauen. Daher beschloss er, nicht nur auf ultraviolette Strahlung zurückzugreifen, sondern seine Pläne auch so rational wie möglich auszuführen. Also legte der Mann zunächst mehrere tausend Schichten Plastik übereinander und fixierte sie erst dann mit einer UV-Behandlung.

Später verließ Charles die bankrotte UVP-Firma, wollte aber nicht aufhören, seine eigene Idee zu entwickeln – er ließ sich 1983 eine technische Erfindung patentieren und gründete persönlich das Unternehmen, das dann zu einem echten Konzern heranwuchs. Heute ist "3D Systems" einer der Hauptakteure auf dem Markt für Drucker, Produkte und Software zur Erstellung volumetrischer Produkte.

Spätere Entwicklung additiver Technologien dank Kommilitonen des Massachusetts Institute of Technology. 1993 entschieden sich Jim Bradt und Tim Anderson, die bestehenden Entwicklungen mit eigenen Ideen qualitativ zu ergänzen und nahmen und modifizierten daher einen herkömmlichen 2D-Drucker zu einem Gerät für den 3D-Druck. In dem modernisierten Gerät wurden keine Papierblätter verwendet, sondern eine spezielle flüssige Zusammensetzung ähnlich einem Leim, die über dünne Schichten des Hauptfüllers (Polymer-, Metall- oder Gipspulver) gesprüht und ausgehärtet wurde. Bradt und Anderson machten AF weltweit bekannt, weil sie sie beliebter und vielseitiger machten. 1995 organisierten Freunde ihre eigene Organisation "Z Corporation", deren Erfolg von "3D Systems" nicht unbemerkt blieb - 2012 erwarb sie ein kleineres, aber nicht weniger vielversprechendes Unternehmen, und ihre hochmodernen Projekte erschienen unter ein gemeinsames Logo.

Zweck und Anwendung

All dies bedeutete nur eines – den Einstieg in eine neue Ära, eine qualitative Veränderung in vielen Produktionsbereichen und Vereinfachung organisatorische Prozesse! In der Automobilindustrie beispielsweise hat sich das Prototyping-Stadium deutlich beschleunigt, da fast alle Komponenten, seien es leistungsstarke Motoren oder gewöhnliche Knöpfe und Hebel, mit dem vollständigen oder teilweisen Einsatz der 3D-Drucktechnologie hergestellt wurden.

Darüber hinaus begannen die Unternehmen erheblich zu sparen, da die Produktion jetzt:

• nicht mehr eine solche Vielfalt an Werkzeugen wie zuvor erforderlich;
• unter Aufsicht einer geringeren Zahl von Mitarbeitern durchgeführt werden könnte. Tatsächlich reichen 1-2 Ingenieure für die korrekte Erstellung eines Teils. Von ihnen wird vor allem ein vollständiges und umfassendes Wissen in Technik und Konstruktion verlangt. technische Strukturen, sowie ein Verständnis der Besonderheiten beim Arbeiten mit AF-Einstellungen.

Ähnliche Drucker werden aktiv eingesetzt ... in der Medizin! Es mag unmöglich erscheinen, aber auch heute noch werden dreidimensionale Produkte als Ersatz- und Rekonstruktionselemente verwendet, beispielsweise in der Kiefer- und Gesichtschirurgie. Im März 2018 wurde in Manchester eine Klinik eröffnet, die sich auf die Herstellung von Stäben, Prothesen und Platten auf 3D-Druckern spezialisiert hat, die mit Kunststoff- oder Metallmischungen gefüllt werden. Obwohl es das Krankenhaus allein 42.000 US-Dollar kostete, den PolyJet zu installieren, schätzt das Management, dass sich die Investition in ein eigenes 3D-Drucklabor schneller auszahlt als der ständige Einsatz von Zwischenhändlern. Klinikpersonal prognostiziert, dass in 5 Jahren solche Zentren in medizinischen und Rehabilitationseinrichtungen obligatorisch sein werden, insbesondere wenn sie sich mit onkologischen, orthopädischen, neurologischen und rheumatologischen Erkrankungen befassen.

Interessante Tatsache! AF wird auch zur Herstellung von künstlichen Gliedmaßen verwendet.

Das 2017 in der jordanischen Hauptstadt gestartete Pilotprogramm nimmt nicht nur weiter Fahrt auf, sondern zeigt auch positive Ergebnisse. In Amman werden Menschen behandelt, die vor den Feindseligkeiten in Syrien, im Jemen und im Irak geflohen sind. So bekamen bereits 5 Freiwillige "gedruckte" Prothesen, die sie erstens viel billiger als übliche kosteten (ca. 20 US-Dollar gegenüber Hunderten von Dollar) und zweitens unter Berücksichtigung individueller Eigenschaften und Körperparameter hergestellt wurden.

Additive Technologien erobern auch andere Bereiche: Architektur, Flugzeugbau, Herstellung von Sportgeräten und Waren für Kinder ... Der Anwendungsbereich erweitert sich, und Arbeitskräfte und Gehaltserhöhungen.

Mehr über einige Arten von AT

Es erübrigt sich zu erwähnen, wie im Einzelfall ein voluminöses Produkt entsteht. Die beliebtesten Methoden in der additiven Fertigung sind:

1. Fused Deposition Modeling, FDM - Modellierung durch schichtweise Abscheidung. Das Objekt ist nach den in Software mathematisches digitales Modell aus einem speziellen Kunststofffaden (Angelschnur), der bis zu einer bestimmten Temperatur schmilzt und dadurch flexibel genug wird, um die gewünschte Form anzunehmen. Hilfsstrukturen werden manuell oder durch Auflösen in einer speziellen Flüssigkeit entfernt und das fertige Produkt entweder in gedruckter Form belassen oder nachbearbeitet (Lackieren, Polieren, Schleifen, Kleben etc.). Die produzierten Teile sind immer anders gute Eigenschaften wie Verschleißfestigkeit und Hitzebeständigkeit.

1. ColorJetPrinting, CJP. Die Essenz dieser fortschrittlichen Technologie liegt in der Verwendung eines Verbundpulvers auf Basis von Gips und Kunststoff, das nicht nur schichtweise verklebt, sondern auch in den meisten Fällen eingefärbt wird verschiedene Farben Palette CMYK mit bis zu 390.000 Farbtönen! Bisher bietet nur CJP Farbdruck an. Darüber hinaus ermöglicht dieser AT auch die Reproduktion verschiedener Texturen auf der Oberfläche von Produkten in hochauflösend... Trotz der durchschnittlichen Festigkeit und leichten Rauheit der Endprodukte wird ColorJetPrinting, das sich durch niedrige Kosten auszeichnet, aktiv zur Erstellung von Architekturmodellen, Miniaturfiguren von Menschen, Präsentationsmustern und anderen visuellen Objekten verwendet.

1. SelectiveLaserStering, SLS - Selektives Lasersintern. Hier werden pulverförmige Materialien (Kunststoffe und Polyamide) mit einem Laserstrahl gesintert. Dieses Verfahren eignet sich gleichzeitig für große Industrieprodukte sowie für Objekte mit komplexer Geometrie und detaillierter Struktur sowie für Chargen, die in einem Druckvorgang hergestellt werden. Die SLS-Technologie wird oft mit SelectiveLaserMelting oder SLM verwechselt. Der Unterschied zwischen ihnen liegt darin, dass im ersten Fall die Verschmelzung teilweise ist und nur auf der Oberfläche der Partikel stattfindet, während im zweiten Fall ein fester Monolith entsteht.

Konferenzen in Russland

Der nationale AT-Markt in Russland ist noch unterentwickelt. Das Potenzial der Sphäre wird aufgrund von Personalmangel, Materialmangel und fehlender staatlicher Unterstützung nicht erschlossen.

Dennoch versuchen einige Institutionen auf eigene Faust, die Bekanntschaft der russischen Gesellschaft mit den fortgeschrittenen Errungenschaften von AF zu fördern. Eine dieser Organisationen ist das Allrussische Forschungsinstitut für Luftfahrtmaterialien (VIAM), dessen Vertreter jährlich thematische Konferenzen zu additiven Technologien organisieren. In- und ausländische Wissenschaftler und Industriearbeiter, die daran interessiert sind, traditionelle Produktionsformen durch innovative Methoden zu ersetzen, berichten. In diesem Jahr war die Veranstaltung, die am 30. März stattfand, die 4. in Folge. Teilnehmer, die Voranträge gestellt hatten, konnten an der Konferenz teilnehmen, die unter dem Motto „Gegenwart und Zukunft“ stand.

Additive Technologien werden aktiv in der Energietechnik, im Instrumentenbau, in der Luftfahrtindustrie, in der Raumfahrtindustrie eingesetzt, wo ein hoher Bedarf an Produkten mit komplexer Geometrie besteht.Viele Unternehmen in Russland haben sich bereits mit additiven Technologien vertraut gemacht. Wir machen Sie darauf aufmerksam Material aus dem Almanach Manufacturing Management, das mehrere Beispiele für die effektive Umsetzung des 3D-Drucks beschreibt.

Additive Technologien haben die Möglichkeit eröffnet, Teile beliebiger Komplexität und Geometrie ohne technologische Einschränkungen herzustellen. Die Teilegeometrie kann in der Konstruktions- und Testphase geändert werden.

Die Vorbereitung der Dateien für den Druck erfolgt auf Computern mit Standardsoftware, STL-Dateien werden für die Arbeit akzeptiert. Es ist heute ein weit verbreitetes 3D-Objektspeicherformat für stereolithographische 3D-Drucker. Die Investitionen in das Projekt beliefen sich auf etwa 60 Millionen Rubel.

Alexander Zdanewich, IT-Direktor der NPK United Wagon Company: „Additive Drucktechnologien schreiten voran und werden höchstwahrscheinlich in naher Zukunft das Gesicht einer Reihe von Branchen verändern. Dies gilt vor allem für Unternehmen, die Stückgüter für einen bestimmten Auftrag herstellen. Bei der Massenproduktion ist die Situation komplizierter, obwohl in diesem Bereich bereits verschiedene Arten von 3D-Druckern im Einsatz sind.

Es gibt viele Massensynthesetechnologien. Einer der vielversprechendsten für die industrielle Umsetzung ist. Der Prozess kann in zwei Phasen unterteilt werden. Zunächst wird eine Konstruktionsschicht in Form eines flüssigen Photopolymers gebildet, die gleichmäßig über die Oberfläche der Arbeitsplattform verteilt ist. Anschließend werden die Abschnitte dieser Schicht entsprechend dem aktuellen Abschnitt des am Computer erstellten 3D-Modells selektiv ausgehärtet.

Angewandt auf die Bahntechnik diese Technologie kann in der Vorbereitungsphase der Gießerei verwendet werden, insbesondere bei der Herstellung einer Reihe von Gießereiausrüstungen. Der gleiche Werkzeugsatz, der für jeden Guss einzigartig ist, wird für Tausende von Produktionszyklen der entsprechenden Gussformen verwendet.

Die Qualität des Endprodukts hängt direkt von der Genauigkeit aller Parameter ab, die von den Konstrukteuren während der Herstellung des Werkzeugsatzes bereitgestellt wurden. Die traditionelle Herstellung eines Werkzeugsatzes durch mechanische Bearbeitung von Materialien (Metall, Kunststoff, manchmal Holz) ist sehr arbeits- und zeitaufwendig (manchmal bis zu mehreren Monaten) und fehleranfällig.

Andere Komponenten und Baugruppen können in die "gedruckten" Modelle eingebaut werden. Der dreidimensionale Druck zahlt sich durch die hohe Geschwindigkeit des Prototypenbaus sowie durch „Nacharbeit auf dem Tisch“ direkt im WGC aus, was viel Zeit und Geld spart, anstatt maßstabsgetreue Muster in „Hardware“ herzustellen " in Produktion.

Wesentliche Arbeiten zur Weiterentwicklung additiver Technologien leisten Staatskorporation "Rosatom"... Die Geschäftsführung ist zuversichtlich, dass der Landeskonzern schon bald über alle Komponenten der „digitalen Produktion“ verfügen wird – von der Entwicklung von Materialien, Geräten, Technologien bis hin zur Herstellung von Produkten. Die Industrie setzt ein Programm zu additiven Technologien um, das aus den Unterabschnitten besteht: Technologie, Rohstoffe, Ausrüstung, Standardisierung. Drei Institute beschäftigen sich am Rosatom mit der Entwicklung von Technologien zur Herstellung von Metallpulvern für den 3D-Druck: Giredmet, VNIIKhT, VNIINM. Gleichzeitig wird an der Erstellung gearbeitet Prototyp 3D-Drucker für den 3D-Druck von Metall- und Verbundprodukten. Rosatom plant, bis Ende 2017 ein Muster vorzustellen.

Der dreidimensionale Druck zahlt sich durch die hohe Geschwindigkeit des Prototypenbaus sowie durch „Nacharbeit auf dem Tisch“ direkt im WGC aus, was viel Zeit und Geld spart, anstatt maßstabsgetreue Muster in „Hardware“ herzustellen " in Produktion.

„Bis Anfang 2018 müssen wir den gesamten Kreislauf der additiven Technologien innerhalb von Rosatom schließen. Wir brauchen ein weiteres Jahr, um unser eigenes Pilotmuster der Installation zu starten, und ungefähr dasselbe - um eine Einigung mit allen Parteien zu erzielen, die die verwendete Regulierungskomponente sicherstellen “, sagte Alexey Dub.

In der Struktur von Rosatom werden additive Technologien bei der Kraftstoffgesellschaft TVEL entwickelt, die aktiv mit dem an der UrFU eingerichteten regionalen Ingenieurzentrum zusammenarbeitet und an der Entwicklung eines russischen 3D-Druckers arbeitet. Die Pulvermetallurgie ist für das Ural Electrochemical Combine und seine Unternehmen keine Neuheit. Im Werk elektrochemischer Konverter wurden Pulver beispielsweise bei der Herstellung von Filtern für die Gasdiffusion von Uran bei der Isotopentrennung sowie für Lote und Oberflächenspritzungen verwendet.

Im Wissenschafts- und Bildungszentrum "Moderne Produktionstechnologien" der Polytechnischen Universität Tomsk

Einer der Pioniere im Bereich Laserdrucker ist das Wissenschafts- und Bildungszentrum "Modern Manufacturing Technologies" Polytechnische Universität Tomsk... Es ist mit einem Elektronenstrahl-Fusionsdrucker (Elektronenstrahl) ausgestattet, Laserdrucker, Drucker, die mit verstärkten Verbundwerkstoffen drucken, sowie ein Ultraschall-Tomograph, der hier "an der Maschine" zerstörungsfreie Prüfungen von Fertigprodukten durchführt. Die Spezialisten des Zentrums stellen AM-Geräte her, entwickeln Software dafür und wollen über das „Labor“ hinausgehen.

Im TPU Additive Technologies Center ist der gesamte Produktionszyklus aufgebaut – von der Idee bis zur Umsetzung des fertigen Produkts. Es ist möglich, Teile für die Haut von Raumfahrzeugen, Implantate für die kraniofaziale Chirurgie, Produkte mit komplexen Formen für und vieles mehr herzustellen und zu testen sowie neue digitale Installationen zu erstellen, beispielsweise zum Drucken von Instrumenten auf der ISS. „Mit Hilfe unserer einzigartigen Technologien können wir Importersatzprodukte herstellen, die um ein Vielfaches billiger sind als importierte Gegenstücke, während die Qualität nicht schlechter ist“, sagte der Direktor des Zentrums Wassili Fedorow.

Auch die Entwicklung additiver Technologien unterliegt Einschränkungen.

• Erstens die hohen Kosten für Technologie (Ausrüstung und Material), aber im Laufe der Technologieentwicklung sinkt der Preis allmählich.
• Zweitens fehlt es an qualifiziertem Personal, das die Technik kennt.
• Drittens werfen unzureichende Entwicklung und fehlende messtechnische Unterstützung Bedenken bei der Herstellung von Teilen mit hoher Bedeutung auf.
• AM-Prozesse (Additive Manufacturing) sind noch nicht in die Fertigungstechnologie von Produkten integriert.„Es ist klar, dass kein verantwortungsbewusster Designer einen Teil in ein verantwortungsvolles Produkt einbaut, ohne zu wissen, wie lange es hält“, kommentierte Alexey Dub.
• Eine wichtige Aufgabe ist die Entwicklung eines Systems zur Zertifizierung und Standardisierung von Additivprodukten, technologischen Prozessen, Pulvern und Zusammensetzungen. Um diese Probleme anzugehen, hat sich Rosstandart gegründet technischer Ausschuss, die an der Erstellung regulatorischer Dokumentationen im Bereich der additiven Technologien arbeitet.

Der 3D-Druck beginnt sich auf der ganzen Welt zu verbreiten, und Russland sollte in diesem Bereich nicht hinterherhinken. Der Einsatz dieser Technologien ermöglicht es Ihnen, die Kosten des Produkts zu senken, das Design und die Produktion zu beschleunigen.

- Leiter des Ministeriums für Industrie und Handel Denis Manturov

Abschluss

Die Popularität wächst stetig. Obwohl das Gesamtvolumen des Weltmarktes relativ klein ist (ca. 6 Milliarden US-Dollar), können die jährlichen Wachstumsraten beeindruckend sein - im Durchschnitt 20-30%. Die Rolle additiver Technologien in der Industrie ist jedoch noch immer uneinig: Die einen sagen, dass die Einführung von 3D-Druckverfahren zum Niedergang der Branche im traditionellen Sinne führen wird, andere - dass dreidimensionale Drucker nur noch einer werden der Elemente von Produktionsschemata. Doch trotz aller bestehenden Meinungsverschiedenheiten lässt sich das große Versprechen additiver Technologien in der Branche nicht leugnen.

Das direkte Wachstum von Produkten mit komplexen Geometrien und aus spezifischen Materialien erweist sich aus wirtschaftlicher Sicht als sehr profitabel. Das spart Material, Zeit und reduziert das Fehlerrisiko. 3D-Drucker sind kein „teures Spielzeug“ mehr, sondern nehmen heute einen festen Platz unter den Schlüsseltechnologien ein