Ощущая жар
Возможность создавать сложные геометрические формы и внутренние элементы заставила многих поверить в то, что аддитивное производство изменит природу передового производства. Но по мере того, как промышленность переходит от изготовления только лишь прототипов к производству готовых изделий, необходимо преодолеть множество трудностей.
Аддитивное производство (AM) восходит к 1980-м годам, когда на рынке появилось первое программное обеспечение с компьютерной графикой и стало возможным разрабатывать трехмерные модели на компьютере. Ученые и изобретатели нашли способ воплотить модели в реальность, так родилась трехмерная печать. Решение оставалось неизменным почти 40 лет: Изделие создается слой за слоем из расплавленного материала.
Уже много лет трехмерная печать была, в основном, быстрым способом производства полимерных прототипов. Однако за прошлые два десятилетия было разработано несколько аддитивных процессов на основе металла, которые стали широко доступными для крупносерийного производства изделий.
Аддитивное производство обеспечивает множество уникальных преимуществ, таких как непревзойденная свобода проектирования, быстрый переход от проектирования к готовому изделию при минимальных отходах материалов. Компоненты, которые еще несколько лет назад были невозможны, теперь могут быть изготовлены в соответствии с высокими стандартами с использованием широкого спектра металлических порошков.
Повышенный спрос на качество
Todd Palmer, professor of engineering science and mechanics and materials science and engineering at Pennsylvania State University, United States.«Тем не менее переход к производству готовых металлических деталей открывает новые сложности для аддитивного производства», — говорит Тодд Палмер (Todd Palmer), профессор в сфере технических наук, механики и материаловедения, инженерии в Университете штата Пенсильвании, США.
«При переходе от прототипирования к производству растет спрос на качество и требования к производству деталей, буквально на порядок», — объясняет Палмер. «Это действительно сложно — делать что-то одним и тем же способом снова и снова. Благодаря процессу AM и сложности методологии послойного нанесения обработки технологические циклы станут намного меньше, чем те, которые используются в более традиционных процессах обработки. Такие меньшие циклы и более быстрые циклические изменения температуры создают серьезные проблемы с качеством, особенно в свете увеличения объемов продукции».
Чтобы получить такое же качество изделий, как и в традиционных — субтрактивных — производственных процессах, необходима последующая термообработка вне зависимости от аддитивного метода производства.
«Потребность в термообработке в первую очередь связана с материалами, а для сплавов, используемых в аддитивном производстве с металлами, требуется некоторая термообработка после завершения процесса», — говорит Палмер. «Без нее невозможно достичь желаемой микроструктуры и заданных свойств».
Повторяемость возможна с термообработкой
«С точки зрения качества роль термообработки может быть связана с повторяемостью процесса и меньшим разбросом параметров», — объясняет Палмер. « Узкие диапазоны свойств привлекательны для проектировщиков, поскольку их уверенность растет, а коэффициенты безопасности, необходимые для свойств материала, могут быть уменьшены с большей точностью».
«Получение одинаковых высококачественных деталей очень важно, если аддитивное производство планируется вывести на уровень крупных масштабов и изделий большого размера», — утверждает он. «Аддитивное производство изначально разрабатывалось как инструмент прототипирования и только для мелкосерийного изготовления нестандартных деталей. Крупносерийное производство еще только развивается. Будет сложно поддерживать уровень высокого качества».
По словам Палмера, много усилий уходит на контроль и мониторинг процессов, а также на разработку инструментов для обнаружения дефектов формы в полученных деталях. Однако для более широкого распространения аддитивного производства, по его мнению, больше внимания следует уделять исследованию материалов.
«Нам следует сосредоточить свои силы именно на материалах», — утверждает он. «Сегодня мы используем для аддитивного производства те же сплавы, что и для традиционных процессов. Проблема в том, что мы плавим эти сплавы лазером и ожидаем, что они будут вести себя привычным образом. Однако это не так. В аддитивном процессе вы одновременно производите материал и изделие. В результате получаются более глубокие, симбиотические отношения между проектированием, обработкой, структурой и получаемыми свойствами материала, чем в традиционных системах».
Палмер говорит, что перспективные решения заключаются в разработке интегрированных подходов к проектированию, которые позволят конструкторам рассматривать как материалы, так и параметры обработки как переменные, которые можно регулировать для получения изделий оптимальной конструкции.
