Процессы аддитивного производства



Аддитивное производство на сегодняшний день занимает свою нишу в машиностроительном производстве. В статье анализируются возможности аддитивного производства, его этапы, стадии и процессы.

Ключевые слова: аддитивное производство, проектирование, моделирование, обработка, техническое обслуживание.

Аддитивное производство (АП) включает в себя ряд этапов для переноса от виртуального описания в системах автоматизированного проектирования (САПР) к производству изделия на физическом уровне. Степень использования АП переменяется в зависимости от конкретного вида детали. Для производства небольших, относительно не сложных изделий АП применяется лишь для выстраивания визуализационных моделей, в то время как наиболее крупные, более сложные объекты, для проектирования которых нужна объемная проектная документация, включают АП на многочисленных этапах и итерациях в течение всего процесса производства. Кроме того, на ранних стадиях процесса проектирования детали могут понадобиться просто заготовки, в этом случае используют АП из-за скорости, с которой они могут быть изготовлены. На более поздних фазах процесса изделиям требуется финальная обработка и доводка (в том числе шлифование, подготовка поверхности и покраска) перед применением, здесь АП полезны для создания сложных форм без надобности подбора специальных инструментов. Большинство таких процессов в разной степени включают восемь этапов:

1. Проектирование в среде САПР.
2. Преобразование в STL-файлы.
3. Перенос STL-файла в машину АП и настройка данных файлов.
4. Настройка машины.
5. Изготовление.
6. Извлечение изделия.
7. Последующая обработка.
8. Применение.

Проектирование в среде САПР. Производство любых деталей с применением АП необходимо начинать с создания интерактивной модели с использованиям специального программного обеспечения, которое целиком характеризует геометрическую форму и размеры внешней поверхности изделия. Это может включать применение фактически любого профессионального программного обеспечения САПР для твердотельного моделирования, но в любом случае на выходе нужно получить трехмерное представление твердого тела или его поверхности. Оборудование для обратного инжиниринга (например, лазерного и оптического сканирования) также может понадобиться для конструирования этого представления [1].

Преобразование в STL-файлы. Почти каждая машина АП принимает формат STL (Stereo Lithography) файлов, которые стали шаблоном де-факто, и в настоящее время почти каждая САПР может выводить такие файлы в этом формате. В таких файлах изложены внешние замкнутые поверхности первоначальной САПР-модели, они сформировывают основу для расчета слоев.

Перенос STL-файла в машину АП и манипулирование этими файлами. STL-файл с описанием изделия передается в машину АП. Здесь производятся некоторые общие манипуляции с файлом — исправление размеров, позиционирование и ориентация для изготовления изделия.

Настройка машины. Перед началом изготовления машину АП нужно верно настроить. В установках требуются показатели и критерии производства, например пределы применения материала, источник энергии, толщина слоя, тайминги и т. д. [2]

Изготовление. Изготовление детали представляет собой большей частью автоматизированный процесс, поэтому машина способна осуществлять его практически без контроля оператора. Нужен только фрагментарный мониторинг работы машины в некоторых случаях, чтобы не произошло ошибки, например завершился материал для печати, отказал источник питания или программное обеспечение и т. д.

Извлечение изделия. После окончания производства нужно извлечь изделие. Для этого иногда требуется провести некие настройки с машиной, в которую встроены блокировки безопасности, чтобы обеспечить, например, уменьшение температуры или отсутствие интенсивно передвигающихся частей.

Последующая обработка. После извлечения изделия из машины может потребоваться его дополнительная очистка перед использованием. На этом этапе изделия еще могут не набрать нужную прочность или в них остаются вспомогательные поверхности, которые должны быть удалены. Таким образом, на эти работы часто требуются время и тщательная ручная обработка опытным оператором [3].

Применение. В некоторых случаях детали уже могут быть готовы к использованию. В других случаях требуется дополнительная обработка перед эксплуатацией. Например, могут потребоваться грунтовка и покраска для создания нужной текстуры поверхности и финишной обработки. Обработка может быть трудоемкой и длительной, если требования к конечному продукту очень высоки. Также по техническим условиям на изделие отдельные детали должны быть собраны вместе с другими механическими или электронными компонентами, чтобы сформировать конечную модель или продукт.

После рассмотрения многочисленных этапов процесса АП становится понятно, что многие машины АП требуют тщательного технического обслуживания. Во многих машинах встроены хрупкие лазерные или печатные устройства, которые нужно внимательно контролировать. Их нельзя эксплуатировать в грязной или шумной обстановке. Несмотря на то что машины, как правило, предназначены для работы без участия и контроля оператора, техническое обслуживание должно включать в себя регулярные проверки, кроме того, перечень работ по техническому обслуживанию может различаться в зависимости от применяемой технологии АП. Важно также отметить, что процессы АП выходят за пределы имеющихся стандартов на большинство материалов и технологий. Тем не менее многие производители машин АП рекомендуют и предоставляют тестовые шаблоны, которые можно использовать для проверки работы машин в допустимых пределах [4].

Применение. В некоторых случаях детали уже могут быть готовы к применению. В иных случаях требуется вспомогательная обработка перед эксплуатацией. Например, могут потребоваться грунтовка и покраска для создания необходимой текстуры поверхности и финишной обработки. Обработка может быть трудоемкой и длительной, если требования к конечному продукту очень высоки. Также по техническим условиям на изделие отдельные детали должны быть собраны вместе с другими механическими или цифровыми компонентами, чтобы преобразовать конечную модель или продукт.

После анализа многочисленных этапов процесса АП становится ясно, что многие машины АП требуют всестороннего технического обслуживания. Во многих машинах вмонтированы хрупкие лазерные или печатные устройства, которые нужно пристально контролировать. Их нельзя использовать в грязной или шумной обстановке. Несмотря на то что машины, как правило, предназначены для работы без участия и контроля оператора, техническое обслуживание должно включать в себя постоянные проверки, кроме того, список работ по техническому обслуживанию может различаться в зависимости от используемой технологии АП. Важно также отметить, что процессы АП выходят за пределы имеющихся стандартов на большинство материалов и технологий. Тем не менее многие производители машин АП рекомендуют и предоставляют тестовые шаблоны, которые можно применить для проверки работы машин в допустимых пределах.

Кроме технического обслуживания оборудования, бережного отношения требуют и применяемые материалы. Сырье, используемое в некоторых процессах АП имеет ограниченный срок годности, также для некоторых материалов требуется хранение в определенных условиях, которые предотвращают нежелательные химические реакции. Нужно избегать воздействия влаги, света, загрязнений материалов. В большинстве процессов используются материалы, которые могут быть повторно использованы для изготовления других деталей. Тем не менее, для повторного использования есть ограничения, поскольку в результате может произойти ухудшение свойств, поэтому нужно соблюдать процедуры для поддержания постоянного качества материала в ходе многократного использования.

Литература:

1. 3D Systems. Stereolithography and selective laser sintering machines. http://www.3dsystems.com (дата обращения 24.10.2022)
2. Stucker BE, Janaki Ram GD Layer-based additive manufacturing technologies. In: Groza J et al (ets) CRC materials processing handbook. CRC, Boca Raton, 2007. pp. 26.1–26.31
3. Гибсон Я., Розен Д., Стакер Б. Технологии аддитивного производства. Трехмерная печать, быстрое прототипирование и прямое цифровое производство, М.: ТЕХНОСФЕРА, 2020. — 648 с.
4. Стрельцов Р. В. Применение систем автоматизированного проектирования в процессе подготовки специалистов служб технического обеспечения / Развитие высшего образования: теория и практика: материалы Всероссийской научно-практической конференции (25 марта 2022 года). — Омск: ОАБИИ, 2022. С. 219–223