Fabricare aditivă

Fabricarea aditivă (AM = Additive Manufacturing) se referă la o tehnică de fabricație care construiește o piesă 3D prin adăugarea de material strat cu strat (ASTM International (2009)). În AM, un model 3D este mai întâi proiectat și creat pe un sistem de proiectare asistată de computer sau de fabricație asistată de computer (CAD/CAM) (Sachs et al. 1991; Shea 1993), cum ar fi Rhino3D sau Solidworks. Modelul CAD este apoi convertit într-un fișier STL pentru procesare prin diferite procese AM (Sachs și colab. 1992) pentru a produce piesa fizică 3D independent, fără pași suplimentari de fabricație (Brown 1991). Stereolitografia (SL), modelarea prin depunere fuzionată (FDM = fused deposition modeling), sinterizarea/topirea selectivă cu laser (SLS/SLM), imprimarea 3D și topirea cu fascicul de electroni (EBM = electron beam melting) sunt exemple de procese AM populare (Chua et al. 2010).

Ideea de AM nu era nouă, așa cum se dovedește din fabricarea straturilor în structuri precum Marea Piramidă din Giza în Egipt, datând cu 3.800 de ani în urmă. Până în anii 1980, progresul tehnologiei a condus atât la dezvoltarea hardware-ului (capacități de calcul îmbunătățite, cum ar fi viteza de procesare, capacitatea de memorie), cât și a software-ului (sisteme CAD/CAM) pentru a procesa fișiere la rezoluție înaltă (mii de straturi într-o piesă mică) și date care erau considerate mari la acel moment. De atunci, AM a trecut prin mai mult de 30 de ani de dezvoltare, începând cu prototiparea rapidă (RP), urmată de scule rapide (RT) în anii 1990 și fabricarea rapidă (RM) din 2001 (Wohlers 2003). După cum se arată în Fig. 1, RM se suprapune RT deoarece fabricarea rapidă a sculelor funcționale este considerată RM, deși în aplicarea reală, funcționează într-adevăr ca o sculă de producție. Acest lucru va fi explicat în RM după introducerea RT. Însă, RP și RT rămân în mare măsură populare în domeniul AM în industrie astăzi, în timp ce dezvoltarea în RM continuă să avanseze și să se maturizeze (Wohlers 2005).

Prototipare rapidă

Inițial, AM era cunoscută ca prototipare rapidă (RP) în care piesele erau fabricate dintr-o gamă largă de nemetale, cum ar fi ceara, lemnul, fotopolimerii, polimerii termici și ceramica și metalele precum oțelurile. Aceste piese funcționează ca prototipuri și au fost utilizate în principal pentru dezvoltarea de produse, deoarece nu aveau proprietăți, cum ar fi limita de curgere (datorită procesului RP și limitării materialelor) și cu greu îndeplinesc cerințele aplicației reale. Rolurile pe care le joacă aceste prototipuri în procesul de dezvoltare a produsului au fost experimentarea, învățarea, testarea, verificarea, comunicarea, integrarea și planificarea (Chua și colab. 2010; Chua 1994), prin care prototipurile îi ajută pe inginerii de proiectare să se implice, să comunice și să interacționeze mai bine în procesele de gândire, planificare, experimentare și învățare, deoarece sunt capabili să se relaționeze cu produsul cu un prototip fizic. Prototipurile ajută, de asemenea, la dezvăluirea problemelor necunoscute și neprevăzute. De exemplu, în ingineria umană, un prototip exact de telefon mobil poate fi produs în câteva ore pentru a testa designul pentru confortul palmei pe baza ergonomiei umane (Kamrani și Nasr 2010).

Prototipurile pot fi, de asemenea, utilizate pentru sinteza și integrarea produsului pentru a testa și dovedi anumite concepte și idei legate de dezvoltarea produsului. În acest caz, mai multe piese RP pot fi produse separat și integrate pentru a testa proprietățile funcționale. În exemplul de telefon mobil, un prototip de capac de baterie poate fi produs ca o parte separată de carcasa principală a telefonului mobil pentru a testa dacă mecanismul de autoblocare interior funcționează conform intenției. În plus, aceste prototipuri pot suferi mai multe iterații de design pentru a ajunge la un design superior. Prin urmare, RP joacă un rol vital în reducerea timpului total petrecut pentru dezvoltarea produsului, îmbunătățind astfel designul și/sau caracteristicile unui produs și reducând timpul ciclului de dezvoltare a produsului de-a lungul anilor.

În ciuda faptului că reprezintă un rol important în dezvoltarea produsului, prototipurile sunt până la urmă nefuncționale și nu pot fi utilizate ca piesă/componentă finală într-un produs real. Acestea rămân în mare parte ca prototip sau componentă utilizată pentru teste experimentale/de aplicații și nu sunt utilizate pentru aplicații industriale în care piesele finale sunt produse prin producție convențională. Prin urmare, sculele rapide (RT) au fost dezvoltate și evoluate din RP pentru a acoperi acest decalaj de fabricație a pieselor finale pentru aplicațiile prevăzute. În RT, piesele produse de RP funcționează ca o sculă și sunt utilizate în principal ca matriță direct sau ca model pentru a produce indirect o matriță pentru producția convențională, cum ar fi turnarea în vid și cu modele fuzibile. Sunt posibile și matrițe cu complexitate ridicată. Prin urmare, RP afișează capabilități excelente de scule și producție odată cu dezvoltarea RT.

Scule rapide

RT sunt, în general, clasificate ca scule soft sau hard și directe sau indirecte, așa cum este ilustrat în Fig. 2. Gama largă de materiale implicate în scule include ceară, lemn, fotopolimeri, polimeri termici, metale (cum ar fi oțelurile pentru scule), ceramică (cum ar fi alumina și silice) și compozite. În general, majoritatea lucrărilor în RT au implicat scule soft, dar trecerea la scule hard (Pham și Dimov 2001) crește treptat de-a lungul anilor, deoarece pe măsură ce tehnologia AM avansează, sculele hard de turnare funcționale fiabile, cum ar fi matrițele cu canale de răcire conformă integrate, devin o realitate.

În sculele soft, mulajul produs direct sau indirect este distrus după o singură turnare sau este utilizat pentru o producție în loturi mici (Chua et al. 2010), cum ar fi producerea de prototipuri funcționale. Acest lucru se datorează faptului că în multe teste de aplicație, un prototip trebuie să prezinte anumite proprietăți funcționale necesare pentru o evaluare realistă. În schimb, mulajele produse în scule hard sunt de obicei realizate din oțeluri de scule, nisip silice sau compozite care sunt utilizate pentru producția de masă în volum mare și fabricarea efectivă a pieselor. De exemplu, mulajele din oțel pentru scule și mulajele de nisip siliciu pot fi produse direct cu tehnica SLM (Dimitrov și colab. 2010; Campanelli și colab. 2010) și respectiv SLS (Tang și colab. 2003; Wang și colab. 2003, 2002).
In soft tooling, the mold produced directly or indirectly is destroyed after a single cast or is used for a small batch production (Chua et al. 2010), such as producing functional prototypes. This is because in many application tests, a prototype must exhibit certain functional properties required for a realistic evaluation. In contrast, molds produced in hard tooling are usually made of tool steels, silica sand or composites that are used for high volume mass production and actual fabrication of parts. For example, tool steel molds and silica sand molds can be produced directly with the SLM (Dimitrov et al. 2010; Campanelli et al. 2010) and SLS (Tang et al. 2003; Wang et al. 2003, 2002) technique respectively.

În sculele indirecte, o piesă principală este mai întâi produsă în aproape toate cazurile în RT pentru a obține scula finală de turnare și necesită, în general, cel puțin o etapă intermediară. Pe de altă parte, sculele directe nu implică etape intermediare în timpul producției sculei. Piesele fabricate din aceste scule de turnare, fie soft sau hard, produse direct sau indirect, prezintă o calitate înaltă, o finisare fină și proprietăți superioare dacă nu sunt comparabile cu piesele fabricate din mulaje produse în mod convențional.
In indirect tooling, a master part is first produced in almost all the cases in RT in order to obtain the final molding tool and generally requires at least one intermediate step. On the other hand, direct tooling involves no intermediate steps during the production of the tool. Parts manufactured from these molding tools, either soft or hard, directly or indirectly produced, exhibit high quality, fine finishing and properties superior if not comparable to parts manufactured from conventionally produced molds.

Există mai multe beneficii aduse de RT, cele mai evidente fiind economiile de cost și timp. Pentru inginerul de producție, RT minimizează proiectarea, fabricarea și verificarea sculelor. Costurile fixe sunt mult reduse cu cheltuieli minime de asamblare, achiziție și stoc. În consecință, costurile cu forța de muncă și inspecția sunt reduse corespunzător. Costurile sunt reduse și mai mult, împreună cu flexibilitatea în producție în RT, deoarece mai puține stocuri sunt casate la modificările de proiectare, împreună cu investițiile mai mici necesare pentru producția de scule. Acest lucru este valabil mai ales în dinamica unei piețe competitive în care noi produse pot fi lansate rapid pentru a răspunde cerințelor în schimbare.
There are several benefits brought by RT with the most evident being cost and time savings. To the manufacturing engineer, RT minimizes design, manufacturing, and verification of tooling. Fixed costs are greatly reduced with minimal assembly, purchase, and inventory expenses. Consequently, labor and inspection costs are reduced accordingly. Costs are further reduced along with flexibility in manufacturing in RT because fewer inventories are scrapped upon design changes along with lower investment necessary for tool production. This is especially true in the dynamics of a competitive market where new products can be launched quickly to meet changing demands.

Pe lângă economiile de costuri, RT crește remarcabil profitul unei organizații. În primul rând, viteza de producție este crescută și acest lucru, la rândul său, reduce foarte mult timpul de producție, crește ciclurile de rulare și reduce timpul de lansare pe piață. Produsele noi pot fi testate din punct de vedere economic pentru a afla ce doresc clienții. Acest lucru plasează compania în prim-plan în introducerea de noi produse cu un avans avantajos în captarea cotei de piață.
Besides cost savings, RT remarkably increases the profit of an organization. Firstly, the speed of production is increased and this in turn greatly reduces production time, increases run cycles, and reduces the time to market. New products can be test-marketed economically to find out what customers want. This puts the company in the forefront in introducing new products with an advantageous lead in capturing market share.

În al doilea rând, RT promovează producția de produse de calitate. Datorită costurilor fixe scăzute și ușurinței de producere a sculei, piesele pot fi fabricate și testate în aplicații reale pentru a dezvălui defecte de proiectare neprevăzute. De asemenea, pot suferi mai multe iterații de proiectare în mod convenabil, fără a suporta costuri mari în comparație cu procedura de fabricație convențională. Acest lucru se face pentru a îmbunătăți în continuare designul, a minimiza materialul și pentru a optimiza raportul rezistență-greutate în componentele structurale înainte de a fi comercializate.
Secondly, RT promotes the production of quality products. Due to low fixed costs and the ease of producing the tool, parts can be manufactured and tested in actual applications to reveal unanticipated design flaws. They can also undergo several design iterations conveniently without incurring high costs compared to conventional manufacturing procedure. This is done to further improve design, minimize material, and optimize strength-to-weight ratio in structural components before it is marketed.

În al treilea rând, RT aduce personalizarea produselor datorită flexibilității în proiectarea sculelor și a capacității de a se adapta la specificațiile clienților. Cel mai important, producția de piese nu necesită un volum mare pentru a ajunge la pragul de rentabilitate. În acest aspect, caracteristicile funcționale sau estetice pot fi adaptate prompt și ușor pentru a satisface cerințele clienților. În plus, există mai puține constrângeri pentru proiectare și include anumite caracteristici funcționale sau estetice cu RT în timpul producției. Anterior, în producția convențională, combinarea mai multor caracteristici diferite într-o piesă ar putea să nu fie posibilă din cauza accesibilității slabe a sculei sau a capacității de fabricație scăzute. Însă, astfel de caracteristici pot fi acum integrate și fabricate ca o singură piesă cu RT.
Thirdly, RT brings about customization of products due to the flexibility in tool design and the ability to adapt to customer specifications. Most importantly, production of parts does not require high volume to breakeven. In this aspect, functional or aesthetic features can be accommodated readily and easily to meet customer requirements. Moreover, there are fewer constraints to design and include certain functional or aesthetic features with RT during manufacturing. Previously in conventional manufacturing, combining several different features in a part may not be possible due to poor tool accessibility or low manufacturability. However, such features can now be integrated and manufactured as a single part with RT.

Acești factori din RT se atribuie producției de înaltă performanță, prin care costurile sunt reduse (RT poate economisi timp și costuri în regiunea de 10–50% și până la 90%, în funcție de dimensiunea producției) (Chua et al. 2010), calitatea pieselor este îmbunătățită, iar personalizarea produsului poate fi realizată. Acestea ajută companiile să crească posibilitățile de piață și cota de piață.

Fabricarea rapidă

Pe măsură ce tehnologia AM avansează, puterea laser îmbunătățită și eficiența sistemelor precum placarea cu laser, SLS, și SLM au permis fabricarea directă a pieselor funcționale dintr-o gamă largă de materiale diferite, în special metale și ceramică, de unde și termenul RM. Lista materialelor metalice include aliaje industriale populare, cum ar fi titan (TiAl6V4, TiAl6Nb7 și cp-titan), aluminiu (AlSi10Mg, AlSi12 și seria 6/7.000), oțeluri (316 L, oțeluri pentru scule), Inconel (718 și 625). ), și crom cobalt (Phenix Systems 2011; Technologies and Rapid Manufacturing Technologies 2011; CONCEPT Laser GmbH 2011; 3D Systems Cooperation 2011). Alături de noile dezvoltări ale materialelor, eforturile de cercetare în curs în cadrul comunității de cercetare AM asupra diferitelor ceramice sau compozite, cum ar fi alumina, zirconia, și oțel inoxidabil cu hidroxiapatită (HA) (Bertrand și colab. 2007; Shishkovsky și colab. 2007; Mumtaz și Hopkinson 2007) și aliaje metalice precum aurul (Au) (Khan și Dickens 2010), Cu (Becker și colab. 2011) , Mg (Ng et al. 2010) și tungsten (W) (Li et al. 2010; Zhang et al. 2010, 2011) au fost raportate în comunitatea de cercetare.
As the AM technology advances, improved laser power and efficiency of systems like laser cladding, SLS, and SLM have allowed the direct manufacturing of functional parts from a wide range of different materials, specifically metals and ceramics, hence the term, RM. The list of metallic materials includes popular industrial alloys such as titanium (TiAl6V4, TiAl6Nb7, and cp-titanium), aluminum (AlSi10Mg, AlSi12, and 6/7,000 series), steels (316 L, tool steels), Inconel (718 and 625), and cobalt chrome (Phenix Systems 2011; Technologies and Rapid Manufacturing Technologies 2011; CONCEPT Laser GmbH 2011; 3D Systems Cooperation 2011). Along with new developments in materials, ongoing research efforts within the AM research community on different ceramics or composites such as alumina, zirconia, and stainless steel with hydroxyapatite (HA) (Bertrand et al. 2007; Shishkovsky et al. 2007; Mumtaz and Hopkinson 2007) and metallic alloys such as gold (Au) (Khan and Dickens 2010), Cu (Becker et al. 2011), Mg (Ng et al. 2010), and tungsten (W) (Li et al. 2010; Zhang et al. 2010, 2011) have been reported within the research community.

Foarte recent, RM se poate referi și la fabricarea directă a mulajelor funcționale (în special mulaje metalice), cum ar fi un mulaj funcțional din oțel de scule sau cupru, cu canale de răcire conformă integrate pe care procesele de fabricație convenționale nu le pot produce (Garcia și colab. 2012; Au et al. 2011; Dang and Park 2011). Răcirea conformă este definită ca abilitatea de a crea configurații de răcire/încălzire într-o unealtă care urmează în esență conturul suprafeței sculei sau se abate de la acel contur, deoarece secțiunile subțiri/groase ale piesei pot dicta un management termic optim. Obiectivul este de obicei răcirea sau încălzirea uniformă a piesei. Răcirea conformă oferă un avantaj extraordinar în sculele formate prin reduceri semnificative ale timpilor de ciclu. În afară de economiile evidente la costul piesei, alte beneficii tangibile includ unelte, echipamente, și spațiu de lucru.
Very recently, RM may also be referred to the direct manufacturing of functional molds (specifically metal molds) such as a functional tool steel or copper mold with integrated conformal cooling channels that conventional manufacturing processes cannot produce (Garcia et al. 2012; Au et al. 2011; Dang and Park 2011). Conformal cooling is defined as the ability to create cooling/heating configurations within a tool that essentially follows the contour of the tool surface or deviates from that contour as thin/thick sections of the part may dictate for optimal thermal management. The objective typically is to cool or heat the part uniformly. Conformal cooling provides a tremendous advantage in mold tooling through significant reductions in cycle times. Other than the obvious piece-cost savings, other tangible benefits include tool, equipment, and floor space savings (CONCEPT Laser GmbH 2011).

Astfel de matrițe cu canale de răcire conforme sunt speciale și menționate în RM, deși este într-adevăr o sculă rapidă, deoarece matrița în sine prezintă proprietăți funcționale. Are o funcție secundară care îmbunătățește eficiența răcirii și astfel rata de producție. Însă, aceste matrițe funcționale fabricate rapid încă servesc ca o sculă în producție și vor fi discutate în detaliu în partea ulterioară a acestui capitol.

Aplicații ale sculelor rapide în producție

RT în producție s-a dovedit a fi foarte popular în multe industrii precum aerospațială, auto, medicală, bijuterii, militară, stomatologie și sport. De exemplu, RT de turnare cu model fuzibil a fost utilizată în componentele motoarelor pentru motorul cu reacție ventilatoare în AlliedSignal Aerospace, cu timpul de producție redus cu 8-10 săptămâni și o economie de 50.000 USD pentru scule. Într-un alt exemplu din industria auto, RT de turnare cu model fuzibil a fost folosită pentru a produce inserții de scule pentru turnarea prin injecție de către Ford Motor, ceea ce a rezultat într-o reducere a costurilor cu 45 % și economii de timp de peste 40 %.

După cum se poate observa, RT joacă un rol important în producție, deoarece aduce beneficii în dezvoltarea produsului (Chhabra și Singh 2011). Produsele pot încorpora acum caracteristici de design îmbunătățite (care au fost evitate anterior din cauza preocupărilor legate de cost și de fabricabilitate) datorită flexibilității și timpului și costurilor de producție reduse în producție (Wohlers 2008). Figura 3 prezintă o vedere de ansamblu a integrării RT în producție, unde economiile de timp și costuri ar putea varia între 50 % și 90 %, în funcție de dimensiunea producției (Chua et al. 2010).

În secțiunile următoare, diferite tehnici RT și aplicațiile lor de scule în producție vor fi discutate în detaliu. De asemenea, vor fi prezentate exemple și studii de caz pentru a demonstra avantajul și valoarea RT în producție. În general, RT îndepărtează constrângerile cu care se confruntă inginerii proiectanți și producătorii între proiectarea și fabricabilitatea pieselor și producția în volum mic, așa cum se arată în Fig. 4a și, respectiv, b.