Аддитивное производство против 3D -печати: понимание ключевых различий

Введение

В то время как часто используются взаимозаменяемо, 3D -печать и аддитивное производство не являются синонимом; Скорее, 3D -печать является конкретной формой более широкого промышленного процесса, известного как аддитивное производство.

Проще говоря, подумайте об этом таким образом: все 3D -принтеры занимаются аддитивным производством, но не все аддитивные производство осуществляется тем, что мы обычно называем 3D -принтером. Это все равно, что сказать, что все автомобили - это автомобили, но не все транспортные средства - это автомобили (у вас также есть грузовики, мотоциклы, автобусы и т. Д.).

Аналогичным образом, 3D -печать является популярным типом аддитивного производства, особенно известного своими доступностью и использованием в области прототипирования и личных проектов, но полный объем аддитивного производства выходит далеко за рамки этого.

Таблица для быстрого обзора:

Чтобы по -настоящему понять это различие, давайте сначала введите основополагающую концепцию 3D -печать.

Что такое 3D -печать?

По своей сути, 3D -печать это процесс создания трехмерных объектов из цифрового дизайна путем добавления слоя материала по слою. В отличие от традиционных методов производства подтракционного производства, которые удаляют материал из большего блока (например, обработка или резьба), 3D -печать создает объект с нуля. Этот «аддитивный» подход является фундаментальным для его работы.

Основной процесс обычно включает в себя:

1. Создание 3D -модели: Обычно это начинается с цифрового дизайна, часто создаваемого с использованием программного обеспечения для компьютерного дизайна (CAD) или сканирования существующего объекта.
2. Нарежьте модель: Цифровая 3D -модель затем «нарезается» специализированным программным обеспечением на сотни или тысячи тонких горизонтальных слоев.
3. Материальное осаждение: Затем 3D-принтер считывает эти срезы и точно откладывает или затвердевает слой материала за слоем в соответствии с поперечным сечением каждого среза, пока не будет образован весь объект.

Несколько общих технологий, лежащих в основе практики 3D -печати, каждая из которых подходит для различных материалов и применений:

• Моделирование осаждения слитого осаждения (FDM) / Изготовление FUSED FILAMENT (FFF): Это, пожалуй, самая известная технология, используемая во многих настольных 3D-принтерах. Он работает путем вытягивания термопластичной нити через нагретую насадку, плавив материал и осаждая его слой за слоем на платформу сборки.
• Стереолитография (SLA): В этом методе используется ультрафиолетовый лазер для лечения (Harden) жидкой фотополимерной смолы слоем. Лазер прослеживает поперечное сечение объекта в часе смолы, затвердевая его.
• Селективное лазерное спекание (SLS): SLS использует мощный лазер, чтобы избирательно объединить мелкие частицы полимерного порошка в твердую структуру. После того, как каждый слой затвердевает, над площадью строительства распространяется новый слой порошка.
• Цифровая обработка света (DLP): Подобно SLA, но использует экран цифрового проектора, чтобы пропустить весь слой изображения одновременно, быстро излечивая смолу.

Исторически, и все еще преимущественно, 3D -печать обнаружила свое основное применение в:

• Прототипирование: Быстро создание физических моделей дизайнов для тестирования и итерации перед массовым производством. Это значительно снижает циклы проектирования и затраты.
• Любители проектов и образования: Его растущая доступность сделала его популярной для личных проектов, создания пользовательских предметов и как ценный инструмент для изучения дизайна и техники в образовательных условиях.
• Пользовательские инструменты и приспособления: Производство индивидуальных инструментов или джиг для конкретных задач производства, часто по более низкой стоимости и более быстрого поворота, чем традиционные методы.

Хотя 3D-печать невероятно универсальна, 3D-печать часто подразумевает акцент на относительно меньшем масштабе, часто с пластмасс или смолами, а также с акцентом на итерацию дизайна, а не на критические детали конечного использования.

Установив, что влечет за собой 3D -печать, мы теперь можем поднять наше понимание до охватывающего термина: аддитивное производство

Что такое аддитивное производство?

В то время как 3D -печать часто приводит к тому, что настольные машины изготовляют пластиковые прототипы, аддитивное производство (AM) Определяет гораздо более широкий и более сложный промышленный процесс. Это формальный, признанный отрасли термин для технологического семейства, который строит объекты, добавляя материальный слой по слою, на основе трехмерной цифровой модели. Там, где 3D-печать может рассматриваться как доступный кончик айсберга, аддитивное производство представляет собой обширную, сложную и мощную массу под поверхностью, сфокусированной на создании высокопроизводительных, функциональных деталей конечного использования.

Аддитивное производство выходит за рамки простого прототипа, чтобы охватить широкий спектр промышленных приложений, где основное внимание уделяется надежному производству, строгому контролю качества и созданию деталей, которые могут противостоять требовательной эксплуатационной среде. Речь идет о инженерных решениях, а не только моделях. Эта более широкая концепция включает, но не ограничивается основными принципами строительства слоя за слоем.

Ключевым отличием для аддитивного производства является обширный диапазон материалов, которые он использует, которые часто разработаны для конкретных характеристик производительности, необходимых в требовательных отраслях:

• Металлы: Здесь я действительно сияет для промышленных применений. Такие технологии, как селективное лазерное плавление (SLM), плавление электронного луча (EBM) и направленное осаждение энергии (DED), используются для объединения порошкообразных металлов (например, титанового, алюминия, нержавеющей стали, никелевых сплавов) или металлической проволоки, создавая невероятно сильные и сложные металлические компоненты для аэросполы, автомобильной и медицинской промышленности.
• Высокопроизводительные полимеры: Помимо обычных пластмасс, AM использует передовые полимеры (например, Peek, Ultem, Nylon 12), которые обеспечивают превосходную механическую прочность, температурную стойкость и химическую инертность, подходящие для требования промышленного использования.
• Композиты: Аддитивное производство также может включать в себя усиливающие волокна (например, углеродное волокно или стекловолокно) в полимерные матрицы, чтобы создать легкие, но невероятно сильные композитные детали.
• Керамика: Специализированные процессы AM могут производить керамические компоненты, которые устойчивы к высоким температурам, износу и коррозии, полезными в аэрокосмических и биомедицинских полях.
• Песок: Для промышленного литья AM может печатать песчаные формы и ядер непосредственно из цифровых конструкций, что значительно ускоряет процесс литейного производства.

По сути, аддитивное производство заключается в превращении цифровых конструкций в функциональные, высококачественные и часто очень сложные физические продукты для прямого использования в различных отраслях, раздвигая границы того, что возможно в дизайне и производстве.

С четким пониманием обоих терминов мы можем теперь сформулировать ключевые различия, которые действительно отличают аддитивное производство от того, что обычно воспринимается как 3D -печать.

Ключевые различия между аддитивным производством и 3D -печати

В то время как 3D -печать является формой аддитивного производства, понимание их различия имеет жизненно важное значение для оценки полного объема и возможностей этих технологий. Различия в основном лежат в их масштабе, типичные применения, используемые материалы, а также точность и качество, ожидаемые от их результатов.

Масштаб и применение: от прототипирования до производства

• 3D -печать: Часто ассоциируется с меньшими операциями, 3D -печать широко используется для Быстрое прототипирование , образовательные цели, а также любители проектов. Его сила заключается в быстрого создания физических моделей для визуализации конструкций, тестовой формы и подгонки и эффективно итерации. Акцент обычно делается на скорость и доступность для концептуализации, а не на конечную производительность продукта.
• Аддитивное производство: Это относится к применению аддитивных технологий промышленного уровня. Это ориентировано на более масштабное производство функциональных, конечных частей и компонентов. Аддитивное производство облегчает прямое цифровое производство, массовую настройку и производство сложных геометрий, которые являются невозможными или невозмутимыми с традиционными методами. Основное внимание здесь уделяется надежной производительности, надежности и интеграции в цепочки поставок для конечных продуктов.

Используемые материалы: от пластика до сплавов производительности

• 3D -печать: Обычно используется более узкий ассортимент материалов, прежде всего термопластики (как PLA, ABS, PETG) и фотополимерные смолы Полем Эти материалы, как правило, легче обрабатывать, менее дорогие и идеально подходят для некритических деталей или визуальных прототипов, где высокая механическая прочность или конкретные сопротивления окружающей среде не имеют первостепенного количества.
• Аддитивное производство: Использует значительно более широкий и более продвинутый набор материалов, включая высокий уровень металлы (Например, титановые сплавы, никелевые суперсплавы, нержавеющая сталь), инженерия полимеры (например, Peek, Ultem), Advanced композиты и даже керамика Полем Эти материалы выбраны для их конкретных механических, тепловых и химических свойств, что позволяет создавать детали для требования применения в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности.

Точность и качество: от толерантности к сертификации

• 3D -печать: При улучшении, потребительская и начальная промышленная 3D-печать может иметь больше терпимости к ошибке или менее строгие требования для точности размерных и отделки поверхности. Основная цель часто состоит в том, чтобы быстро создать репрезентативную физическую модель, где могут быть небольшие недостатки.
• Аддитивное производство: Требование значительно более высокая точность, точность и контроль качества Для функциональных, конечных частей. Компоненты, произведенные с помощью аддитивного производства, часто требуют строгого тестирования, проверки материалов и приверженности отраслевым стандартам (например, аэрокосмические сертификаты, правила медицинского оборудования). Постобработки (такие как термическая обработка, обработка или отделка поверхности) также часто имеют решающее значение по производству аддитивного производства для достижения необходимых механических свойств и качества поверхности, добавляя к сложности и точности общего процесса.

Наиболее точный способ описания - это то, что 3D -печать - это подмножество аддитивного производства

Отношения: они одинаковы?

Нет, они не одинаковы, но они замысловано связаны. Наиболее точный способ понять взаимосвязь между 3D -печатью и аддитивным производством - это признать, что 3D -печать - это подмножество аддитивного производства .

Подумайте об этом, используя знакомую аналогию: Все квадраты - прямоугольники, но не все прямоугольники - это квадраты.

• A прямоугольник является более широкой категорией четырехсторонней с четырьмя прямыми углами.
• A квадрат это конкретный тип прямоугольника, где все четыре стороны равны по длине.

В том же духе:

• Аддитивное производство является всеобъемлющим, промышленным процессом строительства объектов слоя по слоям с использованием различных материалов и технологий для функциональных деталей конечного использования. Это более широкий "прямоугольник".
• 3D -печать является специфическим, часто более доступным и популярным методом в рамках аддитивного производства, обычно связанный с прототипированием, производством меньшего масштаба и более узким ассортиментом материалов (часто пластмассы). Это более конкретный «квадрат» в большем «прямоугольнике».

Поэтому, когда кто -то ссылается на 3D -печать, он описывает метод, который по своей сути выполняет аддитивное производство. Тем не менее, при обсуждении аддитивного производства, он охватывает гораздо более широкий спектр передовых технологий, материалов и приложений, которые выходят далеко за рамки того, что широкая общественность обычно ассоциирует с «3D -печати». Термин «аддитивное производство» подчеркивает промышленные намерения, точность и возможности производительности, которые имеют решающее значение для критических применений, в то время как «3D-печать» часто подчеркивает более обобщенную концепцию создания трехмерного слоя объектов за слоем.

Преимущества аддитивного производства

Аддитивное производство стало трансформирующей технологией, предлагая убедительные преимущества по сравнению с традиционными методами производства. Эти преимущества способствуют растущему внедрению во множестве отраслей, от аэрокосмической промышленности до здравоохранения.

Настройка и сложность

Одним из наиболее значительных преимуществ аддитивного производства является его беспрецедентная способность создавать Очень сложная геометрия и сложные внутренние структуры, которые невозможны или непомерно дороги для производства с обычными методами, такими как обработка или литья. Эта свобода дизайна позволяет инженерам:

• Оптимизируйте производительность части: Создайте легкие конструкции с внутренними решетками или соты, которые уменьшают использование материала без ущерба для прочности.
• Консолидировать сборки: Объедините несколько частей в один сложный компонент, сокращая время сборки, потенциальные точки отказа и общий вес.
• Адаптировать продукты к конкретным потребностям: Производите действительно индивидуальные продукты, от медицинских имплантатов для конкретных пациентов до индивидуальных инструментов для конкретного производственного процесса, без необходимости в новых формах или обширном переоснащении.

Уменьшенные отходы

В отличие от выявления производства, которое начинается с большего блока материала и удаляет избыток до тех пор, пока не будет достигнута желаемая форма (часто приводит к значительным отходам), аддитивное производство является по своей сути. материал-экономичный процесс .

• Рядом с чистой формой производство: Используется только материал, точно необходимый для детали, слой за слоем. Это значительно уменьшает материальные отходы, часто на 70-90% по сравнению с традиционными методами.
• Экологичный подход: Снижение потребления материала не только снижает затраты, но также способствует более устойчивой практике производства, согласуясь с глобальными усилиями по сохранению ресурсов и минимизированию воздействия на окружающую среду.

Скорость и эффективность

Аддитивное производство предлагает значительные преимущества с точки зрения производственных сроков, особенно для сложных или индивидуальных деталей.

• Более быстрое время производства: Для многих приложений, особенно прототипирования и производства партии с малым и средним, AM может производить детали гораздо быстрее, чем традиционные методы, которые требуют обширной настройки, инструментов или нескольких этапов обработки.
• Уменьшенное время заказа: Возможность перейти непосредственно от цифрового дизайна в физическую часть без необходимости в сложных инструментах или плесени резко сокращает время заказа от концепции до готового продукта. Эта гибкость позволяет компаниям быстрее реагировать на рыночные требования и ускорить циклы разработки продуктов.
• Производство по требованию: AM облегчает «печатные по запросу» возможности, снижая необходимость в больших запасах и обеспечивая локализованное производство, дальнейшее повышение эффективности и снижение логистических накладных расходов.

Применение аддитивного производства

Уникальные возможности аддитивного производства, особенно его способность создавать сложную геометрию, использовать высокопроизводительные материалы и облегчить настройку, привели к его преобразующему внедрению в широком спектре отраслей. Это больше не просто инструмент для прототипирования, а жизнеспособный метод создания критически важных и высокоспециализированных компонентов миссии.

Аэрокосмическая

Аэрокосмическая промышленность является значительным ранним усыновителем и бенефициаром аддитивного производства, обусловленного критической потребностью в легких, высокопроизводительных деталях, которые могут противостоять экстремальным условиям.

• Производство легких деталей для самолетов: AM позволяет создавать сложные внутренние структуры, такие как решетки, которые могут значительно снизить вес компонентов (например, скобки, воздушные протоки, структурные элементы) без ущерба для прочности. Легкие самолеты потребляют меньше топлива, что приводит к экономии эксплуатационных расходов и сокращению выбросов.
• Пользовательские компоненты двигателя: Аддитивное производство используется для производства сложных турбинных лезвий, топливных сотен и других деталей двигателя с оптимизированными каналами охлаждения и геометрией, которые невозможно достичь с помощью традиционных методов. Это повышает эффективность и производительность двигателя.
• Запасные детали по требованию: Способность печатать детали по требованию снижает необходимость в больших запасах и ускоряет процессы обслуживания и ремонта, особенно для старых самолетов, где могут быть редки обычные запасные части.

Здравоохранение

Аддитивное производство революционизирует здравоохранение, обеспечивая персонализированную медицину и инновационные медицинские устройства.

• Создание индивидуальных имплантатов и протезирования: Основываясь на специфическом анатомическом сканировании пациента, AM может производить индивидуальные хирургические гиды, черепные имплантаты, ортопедические имплантаты (например, замены бедра и колена) и протезные конечности, которые идеально соответствуют анатомии пациента, что приводит к улучшению посадки, комфорта и результатов.
• Биопринтирование тканей и органов: В то время как все еще в значительной степени в фазе исследования, биопринтинг использует «био-мыши», содержащие живые клетки для создания трехмерных структур, которые имитируют ткани человека и, в конечном итоге, потенциально органы. Это имеет огромное обещание для тестирования на наркотики, моделирования заболеваний и регенеративной медицины, хотя функциональная печать органов для трансплантации является долгосрочной целью.
• Хирургические модели: Хирурги могут использовать 3D -печатные анатомические модели, полученные из сканирования пациентов для планирования сложных процедур, повышения точности и сокращения хирургического времени.

Автомобиль

Автомобильный сектор использует аддитивное производство как для быстрой разработки, так и для производства специализированных компонентов.

• Создание пользовательских автомобильных деталей и инструментов: AM используется для производства специализированных транспортных средств с небольшим объемом, классического восстановления автомобилей и высоко настроенных компонентов для производительности автомобилей. Он также широко используется для печати джиг, приспособлений и других инструментов для производства, которые оптимизируют сборочные линии.
• Быстрое прототипирование новых дизайнов: Автомобильная промышленность в значительной степени опирается на 3D -печать для быстрого создания прототипов новых конструкций, от внутренних компонентов до деталей двигателя, ускорения циклов проектирования и тестирования новых автомобильных моделей.
• Оптимизированные компоненты для электромобилей (EV): По мере развития EVS AM исследуется для производства легких корпусов аккумулятора, оптимизированных систем охлаждения и специализированных моторных компонентов для повышения эффективности и диапазона.

Проблемы и ограничения

Несмотря на его революционный потенциал и многочисленные преимущества, аддитивное производство не без препятствий. Несколько проблем и ограничений в настоящее время влияют на его широкое распространение и эффективность в определенных приложениях. Понимание их имеет решающее значение для реалистичных ожиданий и для руководства будущим развитием в этой области.

Расходы

Первоначальные инвестиции и текущие эксплуатационные расходы, связанные с аддитивным производством, могут быть значимыми.

• Первоначальные инвестиции в оборудование могут быть высокими: Аддитивные машины промышленного уровня, особенно те, которые способны обрабатывать металлы или передовые полимеры, представляют собой существенные капитальные затраты. Это может быть препятствием для небольших компаний или для принятия AM для менее важных приложений.
• Материальные затраты могут быть значимыми: Специализированные порошки, филаменты или смолы, необходимые для AM, часто значительно дороже на килограмм, чем традиционные массовые материалы, используемые в обычных производственных процессах. Это особенно верно для высокопроизводительных металлических сплавов или индивидуальных полимеров.
• Эксплуатационные расходы: Потребление энергии для некоторых процессов, специализированные потребности в газе (например, аргон для печати металла), и необходимость в квалифицированных операторах также способствует общей стоимости.

Масштабируемость

В то время как AM превосходит настройку и производство с низким объемом, масштабирование для массового производства во многих случаях остается проблемой.

• Масштабирование производства может быть сложным: Слойный характер аддитивного производства часто приводит к более медленной скорости сборки по сравнению с большими традиционными процессами, такими как литье инъекционного литья или штамповка. Производство миллионов идентичных частей эффективно с AM может быть трудным и трудоемким.
• Соответствует большим объемам требования: Для потребительских товаров или автомобильных деталей, требующих миллионов единиц, традиционные методы производства часто по -прежнему имеют экономическое и скоростное преимущество. В настоящее время AM лучше подходит для сложных, индивидуальных или средних объема.
• Пост-обработка узких мест: Многие детали AM требуют значительной пост-обработки (например, удаление опорной структуры, термообработка, отделка поверхности, обработка) для достижения желаемых механических свойств и качества поверхности. Эти ручные или полуавтоматические шаги могут добавить время, стоимость и ограничить масштабируемость всего производственного рабочего процесса.

Свойства материала

Обеспечение последовательных и предсказуемых материалов в сдаче изготовленных деталях является постоянной областью исследований и разработок.

• Обеспечение последовательных свойств материала: Процесс построения слоя за слоем, быстрый нагрев и циклы охлаждения, а также потенциал для внутренних напряжений могут привести к анизотропным свойствам (свойствам, которые варьируются в зависимости от направления) или микроскопическим дефектам (например, пористости) внутри части. Это может повлиять на силу усталости, пластичность и общую надежность, особенно для критических применений.
• Ограничения при выборе материала: Хотя диапазон совместимых материалов растет, он все еще более ограничен по сравнению с традиционным производством. Не все материалы могут быть обработаны аддитивно, и достижение той же характеристики материала, что и общепринятые детали могут быть сложными для определенных сплавов или полимеров.
• Квалификация и сертификация: Для высокорегулируемых отраслей, таких как аэрокосмическая и медицинская, квалификационная и сертифицированная аддитивно изготовленные детали для соответствия строгим стандартам производительности и безопасности, является сложным, трудоемким и дорогостоящим процессом.

Будущие тенденции в производстве аддитивного

Аддитивное производство - это динамическое поле, постоянно развивающееся с быстрыми достижениями в области технологий, материаловедения и интеграции. Заглядывая в будущее, некоторые ключевые тенденции готовы к дальнейшему расширению своих возможностей и укрепите свою роль в качестве основного производственного процесса.

Достижения в материалах

Непрерывная разработка новых и улучшенных материалов имеет решающее значение для раскрытия полного потенциала AM для разнообразных приложений.

• Разработка новых материалов с улучшенными свойствами: Исследователи активно разрабатывают новые сплавы, высокопроизводительные полимеры и композитные материалы, специально оптимизированные для аддитивных процессов. Это включает в себя материалы с повышенным соотношением прочности к весу, лучшей устойчивостью к усталости, превосходным тепловым свойствам и повышенной биосовместимостью. Цель состоит в том, чтобы соответствовать или даже превзойти свойства общепринятых деталей.
• Использование наноматериалов в аддитивном производстве: Включение наночастиц и других наноматериалов в AM -процессы выполняет перспективу для создания деталей с беспрецедентными свойствами. Это может привести к материалам с возможностями самовосстановления, повышенной проводимостью или превосходной прочности, открывая двери для совершенно новых функциональных применений.
• Многоматериальная печать: Способность точно объединять различные материалы в пределах одного печати, создавая детали с различными свойствами в разных регионах, является значительной областью фокуса. Это может привести к компонентам с мягкими и жесткими участками, проводящими и изолирующими путями или интегрированными датчиками.

Автоматизация и ИИ

Интеграция автоматизации и искусственного интеллекта (ИИ) настроена на повышение эффективности, надежности и интеллекта рабочих процессов аддитивного производства.

• Интеграция ИИ для оптимизации процесса: Алгоритмы ИИ и машинного обучения разрабатываются для оптимизации каждого этапа процесса AM, от генерации дизайна (генеративный дизайн) до мониторинга процессов в реальном времени и контроля качества. ИИ может предсказать потенциальные сбои печати, предложить оптимальные параметры сборки и даже идентифицировать новые комбинации материалов.
• Автоматические рабочие процессы дизайна и производства: Автоматизация-это оптимизация предварительной обработки (например, автоматизированное размещение деталей, генерация поддержки), мониторинг на месте во время сборки и этапы постобработки (например, автоматизированное удаление поддержки, отделка поверхности). Это уменьшает ручное вмешательство, увеличивает пропускную способность и улучшает согласованность.
• Цифровые близнецы: Создание «цифровых близнецов» процессов и деталей аддитивного производства обеспечивает мониторинг в режиме реального времени, прогнозное обслуживание и моделирование производительности в различных условиях, дальнейшее повышение надежности и снижение циклов разработки.

Повышенное принятие

По мере того, как технология созревает и ее преимущества становятся более широко признанными, аддитивное производство намерено увидеть еще более широкое признание в различных отраслях.

• Более широкое принятие в различных отраслях: Помимо аэрокосмической и медицинской промышленности, такие как потребительские товары, энергия, строительство и даже продукты питания, изучают и внедряют AM для специализированных применений. Основное внимание смещается от нишевого использования к более интегрированным ролям в производственных цепях.
• Рост аддитивных производственных услуг: Распространение специализированных бюро обслуживания AM позволяет компаниям использовать технологию без значительных авансовых инвестиций в оборудование. Эти поставщики услуг предлагают опыт, широкий спектр материалов и производственные мощности, что делает AM более доступным.
• Децентрализованная устойчивость производства и цепочки поставок: Способность AM производить детали по требованию и ближе к точке потребностей может способствовать более устойчивым и локализованным цепочкам поставок, снижая зависимость от отдаленных производственных центров и смягчающих рисков, связанных с глобальными сбоями.
• Стандартизация и сертификация: По мере развития отрасли развитие более четких стандартов и сертификационных путей для процессов и материалов AM будет повысить уверенность и способствовать более широкому внедрению, особенно в высокорегулируемых секторах.