Значение 0 в записи многозначных чисел. Как преодолеть трудности, возникающие у детей при чтении и записи больших чисел

Аддитивные технологии находят активное применение в энергомашиностроении, приборостроении, авиационной промышленности , космической индустрии, там, где высока потребность в изделиях сложной геометрии. В России с аддитивными технологиями познакомилось уже немало предприятий. Предлагаем вашему вниманию материал из альманаха «Управление производством» , в котором описывается несколько примеров эффективного внедрения 3D-печати.

Аддитивные технологии открыли возможность изготовления деталей любой сложности и геометрии без технологических ограничений. Геометрию детали можно менять еще на стадии проектирования и испытания.

Подготовка файлов для печати осуществляется на компьютерах со стандартным программным обеспечением , в работу принимаются файлы формата STL. Это широко используемый сегодня формат хранения трехмерных объектов для стереолитографических 3D-принтеров. Инвестиции в проект составили порядка 60 млн рублей.

Александр Зданевич, ИТ-директор НПК «Объединенная Вагонная Компания»: «Технологии аддитивной печати прогрессируют, и, вероятнее всего, уже в ближайшем будущем они изменят лицо целого ряда индустрий. Главным образом это касается предприятий, на которых выпускаются штучные товары под конкретный заказ. С массовым производством дело обстоит сложнее, хотя разные типы 3D-принтеров уже сейчас находят применение в данной области.

Существует множество технологий объемного синтеза. Одной из перспективных для промышленного внедрения является . Процесс можно разделить на два этапа. На первом формируется слой построения в виде равномерно распределенного по поверхности рабочей платформы жидкого фотополимера. Затем происходит выборочное отверждение участков данного слоя в соответствии с текущим сечением построенной на компьютере 3D-модели.

Применительно к железнодорожному машиностроению данную технологию можно использовать на этапе подготовки литейного производства, в частности, при производстве комплекта литейной оснастки. Один и тот же комплект оснастки, уникальный под каждую отливку, используется на протяжении тысяч циклов производства соответствующих литейных форм.

От соблюденной в процессе изготовления комплекта оснастки точности всех предусмотренных конструкторами параметров напрямую зависит качество конечного изделия. Традиционный способ изготовления комплекта оснастки путем механической обработки материалов (металла, пластика, иногда и дерева) весьма трудоемок и длителен (подчас занимает до нескольких месяцев), при этом чувствителен к ошибкам.

Оригинал этого материала: Аддитивные технологии: возможности и перспективы 3D-печати. «Управление производством. Цифровое производство» , апрель 2017. Публикуется в сокращении.

Несмотря иа то что методы изготовления печатных плат, основанные на травлении фольгированного диэлектрика, вследствие высокого уровня их оснащенности занимают доминирующее положение в массовом производстве, имеются серьезные тенденции исключить субтрактив-ный метод ввиду ряда его недостатков. Возможность для этого представляет аддитивный метод, приобретающий все большее значение. При этом методе исходным является нефольгированный диэлектрик (например, стеклотекстолит), на поверхность которого (как и на стенки просверленных отверстии) наносится желаемый рисунок печатной платы.

Существенными преимуществами аддитивного метода по сравнению с субтрактнвным методом являются:

более высокая надежность, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином гальваническом процессе;

однородность соединений между проводниками и металлизацией отверстии;

отсутствие подтравливания;

отсутствие гальванического защитного покрытия при травлении; экономия меди, химикатов для травления и уменьшение затрат на нейтрализацию сточных вод;

упрощение технологического процесса .

Ниже рассматриваются два основных варианте аддитивного метода изготовления печатных плат: химический и химико-гальванический. Б первом варианте проводяшне слои получают на основе восстановительного осаждения; этот процесс по сравнению с другими бестоковыми

методами позволяет осаждать весьма толстые слои (до 10 мкм)

Наряду с вышеперечисленными общими преимуществами аддитивный метод обладает некоторыми особенностями. Толщина слоя равномерна в отверстиях и иа поверхности, а осаждаемые слои меди обнаруживают хорошие механические и физические свойства (твердость, износостойкость, паяемость). Недостатками метода являются высокая стоимость изделий (в 3-4 раза выше, чем при гальваническом осаждении) и низкаи скорость осаждения.

Чтобы устранить недостатки химического метода, часто обращаются к комбинированным методам. При этом на поверхности нефоль-гированного диэлектрика сначала химически получают связанный с подложкой слой меди толщиной до 5 мкм, который при последующем селективном гальваническом нараишвашш служит рисунком печатных проводников, а по окончании наращивания вытравливается, где это не» обходимо. ТЛриншт и важнейшие операции этого метода представлены.

Недостатком является неравномерная толщина покрытия в отверстиях из-за неравномерного распределения плотности тока гальванических ванн и возникновение переходной зоны между химически восстановленной и гальванически осажденной медью.

Необходимую для химического осаждения активацию диэлектрика можно осуществить как с помощью включения катализатора в диэлектрик прн его производстве, так и с помощью растворов двухлорнстого олова и хлористого палладия. При использовании диэлектрика с внедренным катализатором первой операцией после сверления отверстий: является создание негативного рисунка схемы на основе фоторезиста»

поэтому в восстановительной ванне осаждается только рисунок печатных проводников и осуществляется металлизация отверстий. Так как активацию с помощью растворов можно производить только на всеГг поверхности печатной платы, то создание защитного рельефа возможно толыго после создания медного елся толщиной 5 мкм. После химического или гальванического усиления меди необходима относительно короткая операция травления для удаления медного покрытия толщиной 5 мкм с нежелательных мест.

Особенно экономичен аддитивный метод при изготовлении МПП с металлизированными отверстиями, так как все его достоинства в наибольшей степени проявляются прн получении рисунков отдельных слоев и наружных рисунков печатной платы с соответствующими металлизированными отверстиями.

Материал из Википедии - свободной энциклопедии

Аддитивность в математике

Аддитивные величины в физике

В физике аддитивность величины означает, что величина, относящаяся к системе в целом, равна сумме величин, относящихся к её составным частям. Такие величины называются также экстенсивными , в отличие от интенсивных (например, температуры , плотности и т. п.).

Примеры аддитивных величин:

Количество вещества (в случае смеси не взаимодействующих химически ингредиентов);
Магнитный поток и поток напряжённости электрического поля.

Свойство аддитивности для некоторых, нередко векторных , физических величин называется принципом суперпозиции :

Напряжённость электрического поля , напряжённость магнитного поля ;
Электромагнитный потенциал ;
- в том числе в трёхмерной формулировке электродинамики отдельно скалярный и векторный потенциалы электростатический потенциал ;
Напряжённость гравитационного поля и гравитационный потенциал в ньютоновской теории гравитации (в ОТО может выполняться только приближенно в пределе слабых полей);

Часто термин принцип суперпозиции подразумевает аддитивность полей, создаваемых источниками, в свою очередь аддитивными, и применяется к теориям, основные уравнения которых линейны .

Некоторые величины, такие как масса , скорость (относительное движение) или время (последовательные интервалы), допускают сложение в классической физике, но не в теории относительности.

Вообще в случае высоких или сверхвысоких энергий аддитивность, как правило, рано или поздно теряется, поскольку уравнения перестают быть линейными (а линейными являются лишь их низкоэнергетические приближения), однако принцип суперпозиции бывает полезен почти всегда в пределе слабых возмущений, а иногда оказывается справедливым для всего или почти всего практически доступного диапазона величин. Теория же в этом случае сильно упрощается и может быть легче и лучше развита.

Аддитивные свойства в химии

Аддитивные методы в фотографии

Методы цветной фотографии , основанные на аддитивном синтезе цветов.

Аддитивные величины в быту и в экономике

Примером аддитивной величины можно считать деньги и другие материальные ценности, подлежащие количественному учёту (хотя эффект их применения, вообще говоря, не аддитивен), а также рабочее время и так далее.

См. также

Интенсивная и экстенсивная величины
Аддитивная группа кольца - группа, образованная элементами кольца по отношению к операции сложения.

Напишите отзыв о статье "Аддитивность"

Примечания

Отрывок, характеризующий Аддитивность

В отношении юридическом, тотчас же после пожаров, велено найти виновных и казнить их. И злодей Растопчин наказан тем, что велено сжечь его дома.
В отношении административном, Москве дарована конституция, учрежден муниципалитет и обнародовано следующее:
«Жители Москвы!
Несчастия ваши жестоки, но его величество император и король хочет прекратить течение оных. Страшные примеры вас научили, каким образом он наказывает непослушание и преступление. Строгие меры взяты, чтобы прекратить беспорядок и возвратить общую безопасность. Отеческая администрация, избранная из самих вас, составлять будет ваш муниципалитет или градское правление. Оное будет пещись об вас, об ваших нуждах, об вашей пользе. Члены оного отличаются красною лентою, которую будут носить через плечо, а градской голова будет иметь сверх оного белый пояс. Но, исключая время должности их, они будут иметь только красную ленту вокруг левой руки.
Городовая полиция учреждена по прежнему положению, а чрез ее деятельность уже лучший существует порядок. Правительство назначило двух генеральных комиссаров, или полицмейстеров, и двадцать комиссаров, или частных приставов, поставленных во всех частях города. Вы их узнаете по белой ленте, которую будут они носить вокруг левой руки. Некоторые церкви разного исповедания открыты, и в них беспрепятственно отправляется божественная служба. Ваши сограждане возвращаются ежедневно в свои жилища, и даны приказы, чтобы они в них находили помощь и покровительство, следуемые несчастию. Сии суть средства, которые правительство употребило, чтобы возвратить порядок и облегчить ваше положение; но, чтобы достигнуть до того, нужно, чтобы вы с ним соединили ваши старания, чтобы забыли, если можно, ваши несчастия, которые претерпели, предались надежде не столь жестокой судьбы, были уверены, что неизбежимая и постыдная смерть ожидает тех, кои дерзнут на ваши особы и оставшиеся ваши имущества, а напоследок и не сомневались, что оные будут сохранены, ибо такая есть воля величайшего и справедливейшего из всех монархов. Солдаты и жители, какой бы вы нации ни были! Восстановите публичное доверие, источник счастия государства, живите, как братья, дайте взаимно друг другу помощь и покровительство, соединитесь, чтоб опровергнуть намерения зломыслящих, повинуйтесь воинским и гражданским начальствам, и скоро ваши слезы течь перестанут».
В отношении продовольствия войска, Наполеон предписал всем войскам поочередно ходить в Москву a la maraude [мародерствовать] для заготовления себе провианта, так, чтобы таким образом армия была обеспечена на будущее время.
В отношении религиозном, Наполеон приказал ramener les popes [привести назад попов] и возобновить служение в церквах.
В торговом отношении и для продовольствия армии было развешено везде следующее:
Провозглашение
«Вы, спокойные московские жители, мастеровые и рабочие люди, которых несчастия удалили из города, и вы, рассеянные земледельцы, которых неосновательный страх еще задерживает в полях, слушайте! Тишина возвращается в сию столицу, и порядок в ней восстановляется. Ваши земляки выходят смело из своих убежищ, видя, что их уважают. Всякое насильствие, учиненное против их и их собственности, немедленно наказывается. Его величество император и король их покровительствует и между вами никого не почитает за своих неприятелей, кроме тех, кои ослушиваются его повелениям. Он хочет прекратить ваши несчастия и возвратить вас вашим дворам и вашим семействам. Соответствуйте ж его благотворительным намерениям и приходите к нам без всякой опасности. Жители! Возвращайтесь с доверием в ваши жилища: вы скоро найдете способы удовлетворить вашим нуждам! Ремесленники и трудолюбивые мастеровые! Приходите обратно к вашим рукодельям: домы, лавки, охранительные караулы вас ожидают, а за вашу работу получите должную вам плату! И вы, наконец, крестьяне, выходите из лесов, где от ужаса скрылись, возвращайтесь без страха в ваши избы, в точном уверении, что найдете защищение. Лабазы учреждены в городе, куда крестьяне могут привозить излишние свои запасы и земельные растения. Правительство приняло следующие меры, чтоб обеспечить им свободную продажу: 1) Считая от сего числа, крестьяне, земледельцы и живущие в окрестностях Москвы могут без всякой опасности привозить в город свои припасы, какого бы роду ни были, в двух назначенных лабазах, то есть на Моховую и в Охотный ряд. 2) Оные продовольствия будут покупаться у них по такой цене, на какую покупатель и продавец согласятся между собою; но если продавец не получит требуемую им справедливую цену, то волен будет повезти их обратно в свою деревню, в чем никто ему ни под каким видом препятствовать не может. 3) Каждое воскресенье и середа назначены еженедельно для больших торговых дней; почему достаточное число войск будет расставлено по вторникам и субботам на всех больших дорогах, в таком расстоянии от города, чтоб защищать те обозы. 4) Таковые ж меры будут взяты, чтоб на возвратном пути крестьянам с их повозками и лошадьми не последовало препятствия. 5) Немедленно средства употреблены будут для восстановления обыкновенных торгов. Жители города и деревень, и вы, работники и мастеровые, какой бы вы нации ни были! Вас взывают исполнять отеческие намерения его величества императора и короля и способствовать с ним к общему благополучию. Несите к его стопам почтение и доверие и не медлите соединиться с нами!»
В отношении поднятия духа войска и народа, беспрестанно делались смотры, раздавались награды. Император разъезжал верхом по улицам и утешал жителей; и, несмотря на всю озабоченность государственными делами, сам посетил учрежденные по его приказанию театры.
В отношении благотворительности, лучшей доблести венценосцев, Наполеон делал тоже все, что от него зависело. На богоугодных заведениях он велел надписать Maison de ma mere [Дом моей матери], соединяя этим актом нежное сыновнее чувство с величием добродетели монарха. Он посетил Воспитательный дом и, дав облобызать свои белые руки спасенным им сиротам, милостиво беседовал с Тутолминым. Потом, по красноречивому изложению Тьера, он велел раздать жалованье своим войскам русскими, сделанными им, фальшивыми деньгами. Relevant l"emploi de ces moyens par un acte digue de lui et de l"armee Francaise, il fit distribuer des secours aux incendies. Mais les vivres etant trop precieux pour etre donnes a des etrangers la plupart ennemis, Napoleon aima mieux leur fournir de l"argent afin qu"ils se fournissent au dehors, et il leur fit distribuer des roubles papiers. [Возвышая употребление этих мер действием, достойным его и французской армии, он приказал раздать пособия погоревшим. Но, так как съестные припасы были слишком дороги для того, чтобы давать их людям чужой земли и по большей части враждебно расположенным, Наполеон счел лучшим дать им денег, чтобы они добывали себе продовольствие на стороне; и он приказал оделять их бумажными рублями.]

Среди технологий, постоянно появляющихся в жизни человека благодаря достижениям научного прогресса, существуют и такие, которые носят название «аддитивных». Это определение произошло от заимствованного слова «аддитивность», или, если быть точнее, от английского словосочетания «additive manufacturing» (сокращенно – AF), которое дословно переводится как «прибавляемое производство». Так что же это такое, и чем данный вид технологий может быть полезен обществу сегодня?

Сущность

Аддитивные технологии являются отраслью цифровой промышленности и представляют собой такой метод производства изделий и различных продуктов, при котором происходит наращение слоев объекта посредством использования компьютерных устройств для 3D-печати. Что же за материалы их заполняют? Обычно это воск, металлические и гипсовые порошки, полистирол (бесцветный и стеклообразный полимер, напоминающих пластик), полиамиды (пластмассы), жидкие фотополимеры (заготовки, затвердевающие под воздействием световых лучей, чаще всего ультрафиолетовых) и пр.

Возникновение: как это было

История аддитивных устройств началась в 1986 году, когда один из представителей компании «Ultraviolet Products» по имени Чарльз Халл (ныне исполнительный вице-президент и главный технический директор собственной организации «3D Systems») сконструировал первый в мире стереолитографический принтер для трехмерной печати. Механизм был произведен главным образом для обеспечения оборонного комплекса США своевременными поставками. Халл обратил внимание на то, что для создания отдельных деталей и их последующей сборки требуется большое количество времени и сил. Поэтому он решил не только прибегнуть к помощи ультрафиолетового излучения, но и осуществить задуманное максимально рационально. Так, мужчина сначала наложил друг на друга несколько тысяч слоев пластика, а уже потом закрепил их одной ультрафиолетовой обработкой.

Позднее Чарльз покинул обанкротившуюся фирму «UVP», но останавливаться на разработке собственного детища не пожелал, – он запатентовал техническое изобретение в 1983 году и лично основал компанию, которая затем разрослась до масштабов настоящей корпорации. Сегодня «3D Systems» является одним из ключевых участников рынка принтеров, изделий и программного софта для создания объемной продукции.

Последующее развитие аддитивные технологии получили благодаря товарищам-студентам из Массачусетского технологического института. В 1993 году Джим Бредт и Тим Андерсон решили качественно дополнить уже существующие наработки собственными идеями, а потому взяли и модифицировали обычный 2D принтер в устройство для 3D печати. В модернизированном устройстве применялись не листы бумаги, а похожий на клей специальный жидкий состав, который разбрызгивался по тонким слоям основного наполнителя (полимерного, металлического или гипсового порошка) и затвердевал. Бредт и Андерсон подарили AF мировую известность, ведь сделали их более ходовыми и универсальными. В 1995 году друзья организовали собственную организацию «Z Corporation», успехи которой не остались без внимания «3D Systems», – в 2012 году она приобрела более мелкую, но не менее перспективную компанию, и их передовые проекты начали выходить в свет под общим логотипом.

Назначение и применение

Все это означало только одно – вступление в новую эру, качественное изменение многих производственных сфер и упрощение организационных процессов! Например, в автомобильной промышленности значительно ускорился этап разработки прототипов, ведь почти все комплектующие, будь то мощные двигатели или обыкновенные кнопки и рычаги, начали создаваться с полным или частичным использованием технологии 3D печати.

Кроме того, компании стали существенно экономить, ведь теперь производство:

больше не требовало наличия такого разнообразного инструментария, как прежде;
могло осуществляться при контроле меньшего количества сотрудников. По сути, для правильного создания детали оказывается достаточного 1-2 инженеров. Главное, что от них требуется – это полные и всесторонние знания проектирования и дизайна технических конструкций, а также понимание особенностей работы с AF установками.

Активно применяются подобные принтеры и… в медицине! Это может показаться невозможным, но даже на современном этапе трехмерные изделия используются как заменяющие и реконструирующие элементы, например, когда речь идет о челюстно-лицевой хирургии. В марте 2018 года в Манчестере была открыта клиника, специализирующаяся на выпуске стержней, протезов и пластин на 3D принтерах, которые заполняются пластмассовыми или металлическими смесями. Несмотря на то, что одна только установка модели «PolyJet» обошлась больнице в $42000, согласно подсчетам руководства, вложение в собственную лабораторию объемной печати окупится быстрее, чем постоянное обращение к посредникам. Сотрудники клиники прогнозируют, что уже через 5 лет подобные центры станут обязательными при лечебных и реабилитационных заведениях, особенно если они занимаются онкологическими, ортопедическими, неврологическими и ревматологическими заболеваниями.

Интересный факт! AF используются и для изготовления искусственных конечностей.

Пробная программа, начатая в 2017 году в столице Иордании, не только продолжает набирать обороты, но и демонстрирует положительные результаты. В Аммане осуществляется лечение людей, бежавших от военных действий в Сирии, Йемене и Ираке. Так, уже 5 добровольцев обзавелись «напечатанными» протезами, которые, во-первых, обошлись им намного дешевле обычных (порядка $20 против сотен долларов), и, во-вторых, были произведены с учетом индивидуальных особенностей и параметров тела.

Аддитивные технологии покоряют и другие сферы: это архитектура, авиастроительство, производство спортивного снаряжения и товаров для детей… Спектр их применения расширяется, а эксперты в один голос прочат этому направлению перспективное и радужное будущее с притоком инвестиций, возрастанием спроса на компетентную рабочую силу и повышением зарплат.

Подробнее о некоторых типах АТ

Не лишним будет упомянуть и о том, как происходит создание объемного продукта в каждом конкретном случае. Самыми популярными методами в аддитивном производстве являются:

Fused deposition modeling, FDM – моделирование методом послойного наплавления. Объект конструируется согласно заложенной в программное обеспечение математической цифровой модели из специальной пластиковой нити (лески), которая расплавляется до определенной температуры, а потому становится достаточно гибкой для приобретения нужной формы. Вспомогательные конструкции удаляются вручную или благодаря растворению в специальной жидкости, а готовое изделие либо оставляется в напечатанном виде, либо подвергается пост-обработке (покраска, полировка, шлифовка, склеивание и пр.). Произведенные детали всегда отличаются хорошими характеристиками, такими как износоустойчивость и термостойкость.

ColorJetPrinting, CJP. Суть этой продвинутой технологии заключается в использовании композитного порошка на основе гипса и пластика, который не только подвергается послойному склеиванию, но и окрашиванию в самые разные цвета палитры CMYK, включающей до 390 000 оттенков! Пока возможность цветной печати предоставляет исключительно CJP. Кроме этого, данная АТ также делает возможным воспроизведение на поверхности продукции различных текстур в высоком разрешении. Несмотря на среднюю прочность и незначительную шероховатость конечных изделий, ColorJetPrinting, характеризующаяся низкой себестоимостью, активно применяется для создания архитектурных макетов, фигурок людей в миниатюре, презентационных образцов и других наглядных объектов.

SelectiveLaserStering, SLS – селективное лазерное спекание. Здесь порошковые материалы (пластики и полиамиды) спекаются лазерным лучом. Такой метод одновременно подходит и для крупных промышленных изделий, и для объектов со сложной геометрией и детальной структурой, и для партий, которые выпускаются за 1 печатную сессию. Технологию SLS нередко путают с SelectiveLaserMelting, или SLM. Разница между ними заключается в том, что в первом случае сплавление оказывается частичным и осуществляется лишь по поверхности частиц, в то время как во втором результат – это получение цельного монолита.

Конференции в России

Национальный рынок АТ в России развит еще недостаточно. Потенциал сферы не раскрывается из-за дефицита кадров, недостатка материала и оборудования и отсутствия должной программы государственной поддержки.

И все же некоторые учреждения стараются собственными силами способствовать знакомству российского общества с передовыми достижениями AF. Одной из таких организаций является Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов (ВИАМ), представители которого ежегодно устраивают тематические конференции, посвященные аддитивным технологиям. Со своими докладами выступают отечественные и зарубежные ученые и работники промышленной сферы, заинтересованные в замене традиционных форм производства инновационными методами. В этом году мероприятие, состоявшееся 30 марта, стало уже 4 по счету. Принять участие в конференции, которая прошла под лозунгом «Настоящее и будущее», смогли участники, подавшие предварительные заявки.

Мастер хорош лишь настолько, насколько хороши его инструменты. Так и 3d принтер хорош лишь настолько, насколько хороши используемые им . Все мы слышали об аддитивном производстве (АП), но чтобы эта технология, прошла от быстрого создания прототипов до массового производства, ей нужно преодолеть множество препятствий.

Несомненно, одним из самых крупных барьеров в превращении 3d печати в производственный процесс, являются ограничения, связанные с материалами. Мы прошли уже большой путь от дней, когда применялись только фирменные пластмассовые нити. В последние годы быстро развивается АП с использованием металла, и тенденция открытых платформ для полимеров для 3d печати, поощряет многих игроков, таких как DuPont, создавать новые применения материалов для аддитивного рынка.

Состояние отрасли аддитивного производства

Можно даже не говорить о росте рынка АП в последние десять лет. Более того, имеющиеся прогнозы предполагают, что рынок 3d печати продолжит обгонять традиционные технологии производства, такие как литье под давлением и станки с ЧПУ. Прогноз для АП с применением металла еще более оптимистичен, что объясняет, почему компании, такие как Vulcan Laboratories, которые ранее концентрировались на АП с применением полимеров, начали инвестировать в применение металла.

Заметные изменения индустрии АП легче воспринять, оценив, насколько продвинулась эта отрасль за такое короткое время. «В 2008 году 3d печатью занималась горстка компаний, выпускавших пару принтеров в год в исследовательских целях. Но теперь вся отрасль развивается со скоростью, значительно отличающейся от той, которая была 10 лет назад», — говорит Джон Кавола (John Kawola), президент компании Ultimaker .

Гордон Стайлз (Gordon Styles), президент и основатель компании Star Rapid , отметил изменения материалов для АП. «Десять лет назад я бы и подумать не мог, что можно печатать материалами высокой прочности, химически устойчивыми и отражающими тепло, — говорит он. — Это было до недавнего времени, но стартап Markforged делает именно это. Вместо более крупных корпораций, предложивших эту технологию, Markforged первой начала создавать детали с ониксом, и даже использует нить из кевлара, углеволокна и стекловолокна HSHT».

Как показывают слова Каволы и Стайлза, контраст между 2008 и 2018 годами в отрасли 3d печати, весьма заметный. За десять лет мы прошли от нескольких компаний до сотен, мы видели взрывной рост возможностей для настольной 3d печати, одновременно с резким падением цены. И мы прошли от теоретических рассуждений об использовании металла и других материалов в 3d печати, до аддитивного производства деталей для аэрокосмической индустрии.

Катушки с нитью, в целлофановой обертке для защиты от влаги

Для сравнения, хотя телефон RAZR V3 от Motorola был самым популярным телефоном в свое время, в 2008 году у нас уже были iPhone, Facebook, Twitter и многое другое. В терминах технологий производства, 2008 год стал годом, когда на IMTS был предложен открытый стандарт связи MTConnect.

Другими новинками IMTS 2008 были многофункциональные станки, машинная обработка пластмасс и композитных материалов. Все эти технологии добились прогресса за последние десять лет, но ни она из них не сравнится с взрывным ростом АП, который мы видели и продолжаем видеть сегодня.

Материалы аддитивной индустрии

Согласно отчету Wohlers Report 2017, рынок материалов для АП вырос с 2016 года на 17 процентов. Это медленнее роста рынка полимерного АП в целом, среднегодовой рост которого (CAGR) составил 29 процентов с 2010 по 2017 годы. Это не должно удивлять: рынок материалов еще не устоялся, и намного проще выпустить новый 3d принтер, чем разработать новый материал для печати.

Разнообразие материалов все еще представляют проблему в АП, хотя и не столь выраженную, как десять лет назад. «Если вернуться в 2008 год, то почти все компании использовали фирменную пластмассу в качестве материала — объясняет Кавола. – Для поставщика, когда потребитель мог покупать только у вас, доходы были высоки. Но если взять материалы, с которыми работали в то время, то их, может быть, были десятки, а не сотни, как сейчас».

Использование фирменных материалов — это хороший способ сохранять монополию, но он сдерживает разработку новых материалов. Если клиент не имеет выбора и должен покупать только у вас, то неважно, предлагает ли ваш конкурент другой материал с лучшими возможностями, поскольку барьер для перехода клиента к нему — покупка нового 3d принтера — слишком высок.

Подобная сегментация рынка также не поощряет инновации у поставщиков материалов. Если вы — DuPont, то намного выгоднее разработать материалы для 3d печати на базе нейлона, которые могут быть использованы на различных принтерах, чем создавать заказную формулу для каждого бренда.

К счастью, рынок материалов для АП в последние годы стал значительно более открытым, как объясняет Стайлз: «Сегодня мы видим, что большинство производителей принтеров открыты к развитию и использованию сырья покупателей и сторонних поставщиков. Это может быть вызвано количеством конкурентов с невысокими ценами и тем фактом, что разработки и проверка новых материалов являются дорогостоящими, и могут иметь очень узкую нишу применения. Это особенно верно для сплавов металлов».

«Поэтому отрасль 3d печати — включая такие компании, как Ultimaker и HP — перешла в последние годы к открытым платформам для материалов, — говорит Кавола. — Это распахнуло дверь крупным компаниям, производящим материалы по всему миру — DuPont, Dow, Owens Corning, Mitsubishi, DSM и многие другие. Я думаю, что это играет большую роль для подталкивания 3d печати в направлении производства, поскольку лучшие специалисты в мире полимерных материалов, начинают использовать материалы, применяемые в литье под давлением, и адаптируют их для 3d печати».

Но при использовании АП в производстве остается проблема сертификации материала. «Проверка материалов для АП и доказательство того, что полученные изделия не хуже, если не лучше изделий получаемых традиционными методами, является основным препятствием в применении АП в производстве, — говорит Стайлз. — Для этого требуются средства и время. В производственной среде необходимо доказывать возможность достижения того же качества для разных поставщиков, а также распространять и увеличивать их количество «.

«Высокие требования стабильного качества для сырья сложно удовлетворить при обширной базе поставки, не говоря уж о различиях в технологии производства и используемых источниках сырья у поставщиков. Все эти факторы необходимо учитывать», — добавляет он.

Возможности материалов для аддитивного производства определенно растут, поскольку в дело вступают крупные поставщики материалов, но какие материалы сегодня действительно пригодны для производственного применения?

Типы материалов для АП

Хотя существует множество материалов, которые можно использовать в АП — включая песок, стекло, керамику, и даже шоколад — в настоящей статье рассматриваются только две категории материалов, играющие наибольшую роль в производственных применениях: полимеры (например, термопластмассы) и металлы.

Металлические материалы для 3d печати

Рынок металлических материалов для АП рос еще быстрее, чем весь рынок АП, и причиной этого являются материалы. В отличие от 3d принтеров, использующих полимеры, которым требуется развитие совершенно новой отрасли материалов, 3d принтеры, использующие металлы, работают с проволокой или (что гораздо чаще) с металлическим порошком, получая их от уже существующих поставщиков.

Конечно, если нужно изготовлять металлические детали высокого качества, требуется использовать порошок, специально разработанный для АП, т.е., в котором соблюдается однородность размеров частиц. Тем не менее, использование одинаковых материалов для металлического покрытия и 3d печатью способствовало развитию порошковой индустрии. Это означает, что можно изготоваливать металлические детали по технологии АП из того же самого материала, из которого они изготавливались до этого.

Да и само по себе, АП предоставляет новые возможности для материалов, которые не использовались при традиционном производстве. Например, некоторые методы 3d печати металла позволяют наносить слои различных металлов — алюминия, тантала и никеля — при изготовлении одной детали. С другой стороны, процесс 3d печати также вносит и новые проблемы, и источники ошибок, включая пористость, остаточные напряжения и деформации.

Но вообще, если металл хорошо ведет себя при сварке или отливке, он также подходит для АП. Как отмечалось выше, уже существует широкий диапазон металлов и сплавов, которые можно использовать в 3d печати, либо в форме порошка, либо в виде проволоки. К ним относятся:

Алюминий
Кобальт
Инконель
Никель
Драгоценные металлы (золото, серебро, платина)
Нержавеющая сталь
Тантал
Титан
Инструментальная сталь
Вольфрам.

Рассмотрим более подробно три металла из этого списка.

Аддитивное производство с титаном

Титан является одним из наиболее популярных материалов для 3d печати в производстве, особенно в аэрокосмических и медицинских приложениях. Он объединяет легкость алюминия с прочностью стали, и он не токсичен. Однако этим преимуществам противостоит относительно высокая стоимость титана. Поэтому снижение отходов делает АП привлекательным вариантом для получения титановых деталей.

Порошковый титан легко воспламеняется и взрывается при контакте с водой, при температурах, превышающий 700о C. По этой причине 3d печать с титановым порошком выполняется в вакуумных или в аргоновых камерах. Также можно выполнять 3d печать, используя плавку титановой проволоки электронным лучом (EBM), что устраняет риски взрывной реакции.

К двум наиболее распространенным титановым сплавам, используемым в АП, относятся 6Al-4V и 6Al-4V ELI.

3d печать с алюминием

Алюминий, легкий и универсальный металл, можно использовать для 3d печати аэрокосмических компонентов, и деталей гоночных автомобилей. Хотя он не обладает прочностью стали, алюминий намного легче ее и более устойчив к коррозии. Они также дороже стали, хотя и не настолько, как титан.

Основное преимущество применения алюминия в 3d печати заключается в возможности производства деталей с мелкими элементами и тонкими стенками (до 50 микрон). Алюминиевые детали, изготовленные методами АП, имеют более текстурную, матовую поверхность, в отличие от шлифованной поверхности при производстве алюминиевых деталей на станках

Распространенным алюминиевым сплавом для 3d печати является AlSi10Mg.

Аддитивное производство из нержавеющей стали

По сравнению с алюминием, титаном и большинством других металлов из приведенного списка, нержавеющая сталь является более доступным вариантом. Она может использоваться для 3d печати водостойких деталей высокой прочности и плотности, и используемых в экстремальной среде, такой как реактивные двигатели самолетов и ракет. Были проведены исследования применимости нержавеющей стали 316L для производства корпусов ядерных реакторов при помощи АП. Несмотря на то, что сталь 316L обычно поддается нетепловой обработке, отчет компания Renishaw предполагает, что процесс АП порождает более прочные сплавы, чем при ковке металла, обеспечивая усилие растяжения, превышающее 600 МПа. Детали из нержавеющей стали изготавливаются на 3d принтере либо путем непосредственного нанесение металла, либо используя композитный материал со связывающим веществом. Детали можно покрывать другими металлами для изменения внешнего вида или свойств поверхности.

Распространенными сплавами нержавеющей стали, используемыми в АП, являются 17-4PH, 15-5-PH, ASM 316L и 304L.

Термопластичные материалы для 3d печати

Рынок материалов для термопластичного или полимерного АП развивался несколько десятилетий, а с появившейся тенденций к открытым платформам материалов 3d печати, он стал более устойчивым. Как говорит Кавола: «ОЕМ покупают свои материалы для литья под давлением у крупных компаний, производящих пластмассу. Если эти компании также выпускают нить или порошок для 3d печати, то можно на стадии создания прототипов применять их в 3d принтерах, и затем те же материалы применять для литья под давлением. Идея относительно нова, и возникла лишь в последние годы».

Использование одних и тех же материалов для 3d печати и литья под давлением дает ряд преимущества. Среди них уверенность применения одних и тех же материалов во всем процессе, от прототипов до производства. Есть и менее явные преимущества, такие как отсутствие дополнительной сертификации материалов, увеличивающей время их принятия.

«Процессы литья под давлением и 3d печати для изготовления той же самой детали различаются, но если используется одинаковый материал, то компания получает преимущества от принятия технологий АП», — говорит Кавола.

Стайлз особо отмечает появление одного популярного материала: «В этом году мы увидели появление PEEK, бесцветного, органического, термопластичного полимера для различных производственных систем, — говорит он. — PEEK очень популярен в автомобильной, медицинской, аэрокосмической и химической отраслях. Он устойчив к ударам (твердый), прочный, долговечный, его температура плавления превышает 300ОC, и кроме того, FDA разрешила использовать его при контакте с пищевыми продуктами».

Список полимерных материалов для 3d печати намного длиннее списка металлов, но среди наиболее популярных материалов можно назвать следующие:

Ацеталь
Акриловое волокно
Aкрилонитрил бутадиен стирол (ABS)
Акрилонитрил стирол акрилат (АSA)
Ударопрочный полистирол (HIPS)
Нейлон
Поликарбонат (PC)
Полиэфирэфиркетон (PEEK)
Полиэтилентерефталат (PET)
Полиэтилентерефталат триметилена (PETT)
Модифицированный гликолем полиэтилентерефталат (PET-G)
Полилактид (PLA)
Полипропилен (PP)
Поливиниловый спирт (PVA)
Термопластичный эластомер (TPE)
Полиэфиримид ULTEM

Как и в случае металлов, рассмотрим детально три материала из этого списка.

АП с Акрилонитрил бутадиен стиролом (ABS)

До сих пор весьма популярным материалом 3d печати является ABS. Хотя в целом PLA более популярен, но почти всегда для производства лучше использовать ABS благодаря его прочности, долговечности и невысокой стоимости. Для применения на 3d принтере, ABS необходимо нагреть до относительно высокой температуры в 230-250О C, и поэтому он требует подогрева основания принтера для обеспечения правильного охлаждения и предотвращения деформаций.

Детали из ABS получают с использованием методов наплавления (FDM), послойного склеивания, стереолитографии (SLA) или фотополимерной печати. Основным недостатком ABS является его токсичность, выделяемые ядовитые испарения при достижении точки плавления. Полученные на 3d принтерах детали из ABS часто используются для отливки конечных продуктов или инструментальных приложениях.

3d печать с нейлоном

Нейлон (полиамид) представляет собой синтетический полимер. Он прочнее, чем ABS, хотя и дороже. Он гибкий и демонстрирует прекрасную память материала. Послойное склеивание деталей, полученных на 3d принтере, также выводит нейлон на уровень выше среднего.

Чувствительность нейлона к влаге требует его применения в АП либо в вакууме, либо при высокой температуре. Хранить его нужно в герметичных контейнерах. Некоторые детали из нейлона могут сжиматься, что делает его менее точным материалом, чем ABS.

Популярные марки нейлона для АП: Taulman 618, Taulman 645 и Bridge Nylon.

Аддитивное производство с поликарбонатом (PC)

Поликарбонат (торговая марка Lexan), представляет собой легкий и плотный материал с великолепной прочностью на растяжение. Его прозрачность позволяет использовать его для разнообразных приложений, даже при производстве солнцезащитных очков. Усиленный углеродом PC, может применяться для создания впускных коллекторов и других деталей, подвергаемых воздействию высокой температуры.

PC растворяется в дихлорметане, и плавится при температуре 260-300О С, что довольно много для 3d печати. Несмотря на прозрачность, при необходимости PC может быть окрашен. Как и ABS, он требует нагрева основания принтера для обеспечения склеивания и снижения деформации.

Материалы для 3d печати

Эти компоненты M781 были получены на 3d принтерах во время шестимесячной совместной программы RDECOM, ManTech и America Makes. Их цена на тысячи долларов ниже, чем у аналогичных компонентов, созданных стандартными методами производства.

Несмотря на весь прогресс, 3d печать остается скорее нишевой технологией, чем основным направлением в производстве. Кавола объясняет сегодняшнее место АП в секторе в целом, рассматривая две крайности спектра производства;

«Одной крайностью является производство деталей Lego, затрачивая по полцента на каждую, — говорит он. — Вы никогда не сможете конкурировать здесь, используя 3d печать, по крайней мере, не при моей жизни. Другая крайность — применение 3d печати в стоматологии, где все делается в единичном экземпляре. Поэтому наилучшая возможность для 3d печати в производстве находится там, где выпускаются от 100 до 1000 деталей».

Когда вопрос касается материалов, Стайлз отмечает один из аспектов, которые следует учитывать. «Люди должны знать стоимость сырья и производства, — говорит он. — Многие просто не понимают, насколько дорогостоящим может быть процесс АП. Понимание затрат может помочь принимать информированное решение о применении 3d печати традиционной технологии, такой как литье под давлением или обработка на станках с ЧПУ».