Spis treści:
Produkcja addytywna (AM), znana również jako druk 3D, to proces tworzenia złożonych struktur warstwa po warstwie. Umożliwia szybkie i oszczędzające zasoby konstruowanie geometrii, które wcześniej można było wizualizować jedynie jako modele 3D, a zatem stanowi alternatywę dla tradycyjnych procesów subtraktywnych. Chociaż technologia AM będzie odgrywać kluczową rolę w Przemyśle 5.0, musi ona radzić sobie ze znacznymi odchyleniami produkcyjnymi, takimi jak wysoka chropowatość powierzchni, porowatość, efekty skurczu i wady przyczepności warstw. Jednym ze sposobów ich przezwyciężenia jest kontrola procesu, w której kluczową rolę odgrywa analiza termiczna. Ze względu na złożony i dynamiczny proces produkcyjny, dokładna znajomość właściwości termicznych, takich jak przewodność cieplna, pojemność cieplna i stabilność termiczna materiału, ma kluczowe znaczenie dla pomyślnego i bezbłędnego przetwarzania.
Najważniejsze procesy wytwarzania przyrostowego
Przepływ pracy AM rozpoczyna się od cyfrowego modelu 3D opartego na CAD, który jest zwykle dalej przetwarzany w formacie danych stereolitograficznych stl. Model ten jest dzielony na warstwy, które drukarka 3D tworzy jedna po drugiej przy użyciu różnych technik, w tym
- Stapianie w złożu proszku (PBF): Techniki takie jak selektywne stapianie laserowe (SLM) i stapianie wiązką elektronów (EBM) stapiają sproszkowane materiały w stałe warstwy.
- Wytłaczanie materiału (ME): Na przykład modelowanie osadzania topionego (FDM), w którym włókna termoplastyczne są topione i nakładane warstwa po warstwie.
- Binder Jetting (BJ): Ciekłe spoiwo łączy warstwy sproszkowanego materiału.
- Strumieniowanie materiału: kropelki ciekłego materiału są utwardzane warstwa po warstwie.
- Fotopolimeryzacja (PP): Stereolitografia (SLA) Żywica fotopolimerowa jest utwardzana za pomocą źródła światła.
- Laminowanie arkuszy (SL): Cienkie warstwy materiału (np. metalu lub papieru) są cięte i sklejane lub spawane ze sobą.
Metody te różnią się pod względem szybkości, kompatybilności materiałowej i zastosowania, dzięki czemu są odpowiednie dla różnych branż i przypadków użycia.
Właściwości termiczne i ich znaczenie dla AM
Właściwości termiczne materiałów mają kluczowe znaczenie dla powodzenia procesów AM. Na przykład przewodność cieplna i pojemność materiału proszkowego mają bezpośredni wpływ na pobór energii w procesach laserowych, takich jak SLM. Znajomość zależności właściwości termicznych od temperatury umożliwia odpowiednie zarządzanie termiczne i lepszą kontrolę nad pulą stopu, a tym samym lepsze zarządzanie defektami. Nowoczesne techniki analizy termicznej umożliwiają precyzyjną charakterystykę materiału w warunkach procesu i pomagają producentom wybrać odpowiednie materiały i zoptymalizować parametry procesu.
Materiały w produkcji addytywnej
AM nadaje się do szerokiej gamy materiałów, w tym:
- Polimery: Typowymi przedstawicielami są PLA (ME), PA12 (PBF), żywica epoksydowa (PP), PMMA (BJ), ciekłe fotopolimery (MJ), PVC (SL).
- Metale: Stopy metali wykonane z aluminium, medycznie kompatybilne stopy tytanu, takie jak Ti64 i stal nierdzewna, są wykorzystywane w przemyśle i przemyśle lotniczym.
- Ceramika: Materiały takie jak dwutlenek cyrkonu i tlenek glinu są idealne do komponentów bioaktywnych i wysokotemperaturowych.
- Biomateriały: hydrożele i kolagen torują drogę do przełomowych zastosowań medycznych.
- Kompozyty: Nowoczesne polimery wzmacniane włóknami stają się coraz bardziej popularne w zastosowaniach konstrukcyjnych.
Do tej pory wysoki stopień swobody procesu dodatków był ograniczony przez ograniczoną dostępność materiałów. Wprowadzając wypełniacze i dodatki, podejmowane są próby ciągłego rozszerzania asortymentu produktów i opracowywania nowych zastosowań, które wymagają dalszych analiz termicznych czasami nowych mieszanek materiałów.
Zastosowania międzybranżowe
Wszechstronność AM rozciąga się na wszystkie branże, od lotnictwa i motoryzacji po opiekę zdrowotną i budownictwo. Na przykład:
- Lotnictwo i kosmonautyka: Lekkie, złożone geometrie zwiększają oszczędność paliwa i wydajność.
- Opieka zdrowotna: Spersonalizowane implanty i protezy poprawiają wyniki pacjentów.
- Budownictwo: Druk 3D betonu na dużą skalę rewolucjonizuje zrównoważone praktyki budowlane.
Analiza termiczna zapewnia, że aplikacje te spełniają rygorystyczne wymagania, takie jak praca w ekstremalnych temperaturach lub pod obciążeniem mechanicznym.
Zalety i potencjał na przyszłość
AM oferuje kilka zalet w porównaniu z tradycyjną produkcją:
- Złożone geometrie: Umożliwia tworzenie skomplikowanych projektów, których nie można osiągnąć konwencjonalnymi metodami.
- Szybkie prototypowanie: szybkie tworzenie prototypów z modeli 3D
- Wydajność materiałowa: Zmniejsza ilość odpadów dzięki wykorzystaniu tylko wymaganego materiału.
- Personalizacja: Umożliwia tworzenie rozwiązań dostosowanych do indywidualnych potrzeb, zwłaszcza w sektorze opieki zdrowotnej.
- Efektywność kosztowa dla małych serii: Efektywność kosztowa dla produkcji małych serii.
Przyszłe postępy w nauce o materiałach i automatyzacji procesów, takie jak optymalizacja wspierana przez sztuczną inteligencję, wykorzystają potencjał AM i sprawią, że proces produkcyjny będzie odpowiedni dla Przemysłu 5.0. Analiza termiczna jako proces wstępny i końcowy pozostanie kamieniem węgielnym i wniesie istotny wkład w rozwój nowych materiałów i procesów.
Perspektywy naukowe
Ostatnie badania podkreślają integrację modelowania komputerowego i analizy termicznej [7] w celu symulacji i przewidywania dystrybucji ciepła w czasie rzeczywistym przy użyciu cyfrowych bliźniaków w celu optymalizacji kontroli procesu i zużycia energii. Stała integracja analizy termicznej z procesem produkcyjnym jako metody pomiarowej in-situ lub in-process stanowi znaczący krok w dalszym rozwoju zrozumienia procesu.
- https://mitsloan.mit.edu/ideas-made-to-matter/additive-manufacturing-explained
- https://2onelab.com/de/lernen/blog/was-ist-additive-fertigung/
- https://www.3ddruck-transmit.de
- https://www.ingenieur.de/technik/fachbereiche/3d-druck/was-ist-additive-fertigung-definition-anwendung-potenzial/
- https://additive.industrie.de/werkstoffe-fuer-die-additive-fertigung/
- https://www.haw-landshut.de/aktuelles/beitrag/additive-fertigung-zu-studieren-waere-mein-traum
- https://www.materials.fraunhofer.de/de/strategische-initativen/materialien-fuer-die-additive-fertigung-.html
- https://www.chemietechnik.de/energie-utilities/materialien-fuer-die-additive-fertigung-im-ueberblick-393.html
- https://boehl-kunststofftechnik.com/additive-fertigung
- https://www.iph-hannover.de/de/dienstleistungen/fertigungsverfahren/additive-fertigung/
