Мосты, блоки и чашки для кофе. Что может делать 3D-печать?

Ученые из Краковского исследовательского центра ABB рассказывают о трехмерных ученых, печати бетона, демонстрационном мосту в Нидерландах и зубных имплантатах.

Почему серьезные ученые занимаются такой тривиальной темой, как 3D-печать? Ведь сегодня каждый желающий может пойти в магазин и купить 3D-принтер за 1500 злотых.

Томаш Новак: К сожалению, стоимость принтеров, используемых в промышленных целях, определенно выше, даже до миллиона евро. Тем не менее, не цена на оборудование является причиной нашего интереса к 3D-печати, а огромные технологические изменения, вызванные дополнительным производством. Мы ищем новые приложения для 3D-печати и пытаемся расширить ассортимент доступных материалов, потому что сейчас их количество ограничено.

Роберт Секула: В течение многих лет основной проблемой с инкрементальными технологиями была относительно низкая механическая прочность печатных элементов. В стереолитографии, используемой в то время, использовались очень хрупкие смолы, в то время как порошковые технологии предлагали структуры с высоким уровнем пористости и, следовательно, нестабильные. Тем не менее, был достигнут огромный прогресс. Всего несколько лет назад пространственная печать использовалась только для быстрого создания прототипов и визуализации, а сегодня мы имеем дело с полноценными промышленными технологиями. Наша задача - использовать его оптимально.

Лукаш Матисяк: Наиболее важные преимущества инкрементальных технологий включают возможность изготовления очень сложных деталей, благодаря которым мы упрощаем проектирование и сборку всей команды. Мы просто производим одну многофункциональную деталь вместо сборки нескольких более простых элементов. Поскольку форма детали больше не является ограничением, мы можем оптимизировать ее и, таким образом, «похудеть». Однако проблема заключается в стоимости технологии. Поэтому, как ученые, мы также ищем способы снижения себестоимости продукции.

TN: В более традиционных методах производства, которые иногда называют переработкой отходов, мы брали кусок материала и с помощью различных форм энергии мы удаляли ненужный объем, который является наиболее распространенным ... мы производили чипы. В настоящее время конечный продукт «построен», слой за слоем. Отсюда и название «инкрементная технология» или «аддитивное производство». И поскольку мы больше не производим чипы, мы можем упомянуть и другие преимущества: отсутствие отходов, возможность производить даже отдельные куски, более эффективное производство.

То есть мы говорим о совершенно новой технологии?

О.М .: Не совсем. Начало технологии восходит к 1960-м и 1970-м годам, когда появились первые идеи использования пространственной печати в производственном процессе. В то время были созданы прототипы принтеров, а первые коммерческие решения начали работать в середине 1980-х годов.

RS: В то время появились первые патенты, которые надолго остановили развитие этой технологии. Однако последние 15 лет были очень динамичными как с точки зрения новых технологий печати, так и машин и приложений.

TN: сегодня у нас есть два различных пути развития: коммерческие, то есть профессиональные промышленные машины, работающие с высокой эффективностью и точностью, и домашний путь, т.е. настольное оборудование. Разделение на рынке оборудования началось в 2004 году, когда сотрудник одного из британских университетов решил построить дешевый принтер, который будет печатать элементы для создания другого принтера, а именно знаменитого RepRap (самовоспроизводящиеся машины). Через три года прототип RepRap 0.2 произвел первые части самого себя. Это было стимулятором снижения затрат и увеличения доступности оборудования для среднего любителя.

М.М .: И это, пожалуй, главное преимущество технологии 3D-печати с инженерной точки зрения. Относительно простая технология производства дает практически неограниченные возможности дизайна. Сложность продукта перестает иметь значение. Дизайнер может предложить форму, которая будет наиболее оптимальной с точки зрения распределения механических сил или электромагнитного поля, поэтому используйте материал только там, где это необходимо.

РС: Возможность упрощения сборки также важна. Например, в реактивном двигателе для самолета с 800 частями была создана команда, у которой только дюжина или около того этих частей. Это огромная экономия и минимизация риска допустить ошибку на этапе сборки компонента.

Вы взяли с собой гаджет. Что это?

TN: рука промышленного робота, которая была изготовлена ​​по инкрементной технологии. Он имеет ту же функцию, что и оригинал, но вдвое легче, потому что можно было отделить области, которые не важны с точки зрения механики, и использовать там меньше материала.

Это полностью функционально? Это похоже на игрушку.

ТН: Он может работать с нагрузкой, хотя это всего лишь пластик, поэтому он гораздо более тонкий, но точно такой же рычаг можно напечатать из алюминия или титана, и тогда он будет полноценным.

Вы сказали что-то, что выходит за рамки моего понимания мира. Как вы можете печатать с титаном? Печать с помощью лазера или чернил ...

TN: Эти названия на самом деле немного сбивают с толку, потому что процесс печати на металле больше подходит для микросварки или старой технологии набивки. Взяв сварочную проволоку и налив ее на плоскую поверхность, мы оставляем след на материале, такой путь, и если мы делаем это сотни раз, то будет создан слой. Хотя к термину «сварочная проволока» следует относиться очень условно.

RS: Обычно этот исходный материал, алюминий или титан, находится в форме порошка с соответствующим размером зерна. Используя лазер, мы расплавляем его и получаем возможность нанесения последующих слоев.

О.М .: У нас есть как минимум десять дополнительных технологий, и они используют совершенно разные процессы, а не просто лазер. Например, мы распыляем связующее в жидкой форме и под воздействием источника тепла материал отверждается. Промышленность - это крупные сооружения, которые прослужат долгие годы.

Что было крупнейшим в мире по технологии 3D печати?

РС: Стальной мост. Он был основан в прошлом году в Нидерландах и был построен роботами ABB.

ТН: Мост полностью функционален и доступен для движения, только он не был действительно дешевле традиционного. Это «демонстративно», потому что мы продемонстрировали возможности современных технологий и роботов АББ.

РС: Речь шла о том, чтобы доказать, что большие и прочные конструкции можно напечатать сегодня.

TN: Кроме того, это было сообщение о том, что вы можете построить большую структуру практически без людей, потому что эти запрограммированные роботы сформировали часть моста, после чего они продвинулись дальше, чтобы постепенно построить следующий эпизод.

И так, практически, в деловой реальности кто-то уже использовал промышленно-пространственную печать?

М.М.: Основными пользователями дополнительных технологий являются энергетическая промышленность (лопатки турбин, теплообменники, насосы, клапаны), автомобильная и авиационная промышленность (элементы двигателя, особенно системы питания, всевозможные опоры и арматурные конструкции, элементы подвески, декоративные аксессуары), и медицина (имплантаты, специализированные хирургические инструменты). Но и строительная индустрия. Бетонная печать - довольно интересная тема ...

... бетонная печать?

TN: Печать здания с использованием раствора с соответствующими параметрами и обеспечение его контролируемыми соплами. Таким образом, вся структура создается в соответствии с компьютерной моделью. Здание может иметь любую форму, при проектировании необходимо учитывать только распределение сил и устойчивость конструкции. По словам Гауди, изобретателя причудливой архитектуры в Барселоне, в природе нет прямых линий. Поэтому наши дома не нужно комбинировать с кубическими блоками. А пространственная печать делает это возможным. Сегодня каждый может быть таким гауди.

О.М .: Фактически, процесс печати бетона мало чем отличается от обычного «кул», который поступает на стройплощадку. Разница в том, что мы не используем опалубку, материал наносится слой за слоем, и благодаря соответствующим параметрам он сразу связывается. Много интересных проектов также создано в области песочной печати. Это также технология, с которой мы имеем дело в исследовательском центре в Кракове.

С песка? Я просто остыл на бетоне ...

M.М .: Отпечатки с песком довольно часто используются в литье металлов в качестве формы, например, при изготовлении корпусов двигателей, коробок передач, элементов насосов или ... колоколов.

РС: Однажды на основе деревянного сердечника была создана литейная форма, которую формовщики покрыли песочной массой. После отверждения массы, разделения формы и удаления сердцевины была создана полость, в которую заливался жидкий металл. Однако сам процесс формования является трудоемким и имеет много технологических ограничений. В настоящее время песочная форма уже может быть изготовлена ​​автоматически в технологии 3D-печати.

TN: В более общем смысле инкрементные технологии могут использоваться для создания конечного продукта или для создания инструмента, который будет создавать этот продукт. Форма из песка - это всего лишь инструмент, и его преимущество в том, что мы не ограничиваем материал, потому что мы можем залить любой металлический сплав в форму.

Какая отрасль в настоящее время использует больше всего дополнительных технологий?

TN: Что может испытать нас быстрее всего, так это контакт с зубными и протезными услугами. Все чаще мосты, коронки и зубные имплантаты производятся по этой технологии. Стоматолог с помощью сканера загружает компьютерную модель зубов, на основе которой зубной техник печатает необходимый «элемент». Техника позволяет точно подогнать новый зуб, и в то же время значительно снижает расход дорогостоящего материала.

РС: Существует совершенно новое направление развития - распечатка лекарств. Зная состояние, возраст и вес пациента, врач сможет подготовить таблетку, точно подобранную к потребностям конкретного человека.

М.М .: Но радикальные перемены в бизнесе могут также привести к 3D-печати в логистике. В будущем может случиться так, что в каждом критическом месте будет устройство для печати, а необходимые модели будут доступны для загрузки из центральной библиотеки.

RS: С точки зрения ABB, это можно использовать, например, для печати запасных частей. Тогда отпадет необходимость вести инвентаризацию «на всякий случай», а также необходимость срочной транспортировки из другой части света.

Однако вся сфера программного обеспечения остается. Ведь цифровая модель элемента должна быть подготовлена ​​перед печатью. Это сложная часть процесса?

М.М .: Программное обеспечение способно быстро предлагать и предлагать решения, например, реквизиты или усовершенствования. Однако реальной проблемой является сам производственный процесс, поскольку до сих пор нет инструментов для прогнозирования физического процесса печати.

TN: это важно, потому что процесс создает анизотропные структуры. При построении изделия слой за слоем, мы заставляем готовый элемент иметь разные свойства по направлению печати и другие по высоте.

RS: Значение - это также температура и время, и их изменчивость приводит к изменению свойств материала и образованию нежелательных напряжений и деформаций. Это еще одна проблема, которую мы пытаемся решить как ABB. Мы ищем возможности для моделирования процесса печати, чтобы обнаружить потенциальные недостатки конечного продукта на цифровой стадии.

Как будет развиваться технология 3D-печати? Будет ли это в экономике навсегда?

М.М .: 3D печать пришла навсегда. В случае промышленного производства мы будем иметь дело с увеличением ассортимента доступных материалов и технологий, снижением их цен и повышением эффективности печатающих устройств.

ТН: Что касается индивидуального покупателя, то, похоже, основной тенденцией будет персонализация, то есть изготовление продуктов по индивидуальным заказам с учетом конкретных потребностей покупателя. Например, каждый сможет напечатать идеально подобранные вставки для обуви или конверт с часами вашего любимого цвета и формы. В случае гаджетов, мы говорим о продуктах, которые подчеркивают нашу индивидуальность и стиль, то есть эмблемы в автомобиле, дополнительные элементы обивки, персонализированные аксессуары.

А «менее тяжелая» отрасль?

РС: Компании, предлагающие промышленную пластиковую пространственную печать, начинают конкурировать с компаниями, предлагающими традиционные методы впрыска: технологии, ориентированные на скорость и массовое производство. Все больше и больше говорят о печатной электронике.

В чем проблема этой технологии сегодня?

РС: В нашем случае самым большим препятствием, вероятно, является стоимость материала. Я мог бы согласиться с тем, что процесс будет длиться три дня, если материал будет стоить несколько, а не несколько десятков или даже несколько сотен евро за килограмм.

М.М.М.: Однако нынешние проблемы не являются барьером, который остановит развитие этой технологии. Слишком много компаний с огромным потенциалом вовлечены в этот рынок. Цены на материалы и оборудование уже падают, и это будет способствовать дальнейшему развитию 3D-печати. В следующий раз мы встретимся за чашечкой кофе в печатных чашках ...

Он говорил: Славомир Долецкий

Статья взята из журнала Сегодня 1/2018

• доктор хаб. Eng. Томаш Новак , научный сотрудник исследовательского центра ABB в Кракове, специалист в области механики и производства.
• доктор хаб. Eng. Роберт Секула , научный сотрудник исследовательского центра ABB в Кракове, специалист в области обработки полимерных материалов.
• Доктор Инь. Лукаш Матисяк , научный сотрудник исследовательского центра ABB в Кракове, специалист в области инкрементальных методов и моделирования тепловых и проточных процессов.

Похожие

Комментарии