eng
Содержание
Содержание
Предисловие к русскому изданию..................................... 22
Предисловие......................................................................... 23
Глава 1
Введение и описание основных принципов ...................... 28
1.1.
Что такое аддитивное производство? . .................................. 28
1.2.
Где используются изделия АП?........................................... 31
1.3.
Общее представление процесса аддитивного производства . ..... 32
1.3.1.
Этап 1. Проектирование в среде САПР ......................... 33
1.3.2.
Этап 2. Преобразование в STL-файлы ........................... 33
1.3.3.
Этап 3. Перенос STL-файла в машину АП и манипулиро-
вание этими файлами ................................................. 33
1.3.4.
Этап 4. Настройка машины.......................................... 33
1.3.5.
Этап 5. Изготовление . ................................................. 33
1.3.6.
Этап 6. Извлечение изделия......................................... 33
1.3.7.
Этап 7. Последующая обработка ................................... 34
1.3.8.
Этап 8. Применение . ................................................... 34
1.4.
Почему используется термин ¾аддитивное производство¿? ..... 35
1.4.1.
Автоматизированное изготовление (Autofab Automated
Fabrication) ............................................................... 35
1.4.2.
Быстрое прототипирование изделий произвольной формы
(Freeform Fabrication или Solid Freeform Fabrication) ....... 36
1.4.3.
Аддитивное производство или послойный синтез ............ 36
1.4.4.
Стереолитография или трехмерная печать..................... 37
1.4.5.
Быстрое прототипирование . ......................................... 37
1.5.
Преимущества аддитивного производства ............................ 38
1.6.
Различие между аддитивным производством и обработкой на
станках с ЧПУ ................................................................. 39
1.6.1.
Материал .................................................................. 40
1.6.2.
Скорость изготовления................................................ 40
1.6.3.
Сложность ................................................................ 40
1.6.4.
Точность ................................................................... 41
1.6.5.
Геометрическая форма ................................................ 42
1.6.6.
Программирование ..................................................... 42
1.7.
Примеры изделий аддитивного производства........................ 43
1.8.
Другие родственные технологии ......................................... 44
1.8.1.
Технология реверс-инжиниринга. .................................. 45
1.8.2.
Компьютерное моделирование . ..................................... 46
1.8.3.
Тактильная САПР...................................................... 47
1.9.
Об этой книге .................................................................. 48
1.10.
Упражнения .................................................................... 49
Литература ...................................................................... 50
Глава 2
Развитие технологий аддитивного производства ............. 51
2.1.
Введение ......................................................................... 51
2.2.
Компьютеры.................................................................... 52
2.3.
Технология компьютерного моделирования и проектирования. 55
2.4.
Другие технологии, связанные с АП.................................... 60
2.4.1.
Лазеры ..................................................................... 60
2.4.2.
Технологии печати ..................................................... 61
2.4.3.
Программируемые логические контроллеры. .................. 61
2.4.4.
Материалы................................................................ 62
2.4.5.
Обработка с использованием ЧПУ ................................ 63
2.5.
Использование слоев ......................................................... 63
2.6.
Классификация AП процессов ............................................ 65
2.6.1.
Жидкие полимерные композиции ................................. 67
2.6.2.
Системы отдельных частиц.......................................... 68
2.6.3.
Системы с расплавленным материалом ......................... 69
2.6.4.
Системы с твердыми листовыми материалами. ............... 71
2.6.5.
Новая схема классификации технологий аддитивного про-
изводства .................................................................. 71
2.7.
Системы с использованием металлов ................................... 73
2.8.
Гибридные системы .......................................................... 74
2.9.
Основные этапы в развитии АП.......................................... 75
2.10.
Международное распространение АП .................................. 77
2.11.
Перспективы аддитивного производства. Трансформация
быстрого прототипирования в прямое цифровое производство... 79
2.12.
Упражнения .................................................................... 80
Литература ...................................................................... 81
Глава 3
Общая последовательность процесса аддитивного про-
изводства .............................................................................. 83
3.1.
Введение ......................................................................... 83
3.2.
Восемь этапов аддитивного производства . ............................ 84
3.2.1.
Этап 1. Концептуализация изделия и его проектирование
в среде САПР ............................................................ 84
3.2.2.
Этап 2. Преобразование данных САПР в STL/AMF фор-
маты ........................................................................ 86
3.2.3.
Этап 3. Передача STL/AMF файлов на машины АП и их
обработка .................................................................. 88
3.2.4.
Этап 4. Настройка машины.......................................... 89
3.2.5.
Этап 5. Построение изделия......................................... 90
3.2.6.
Этап 6. Извлечение и очистка изделия .......................... 90
3.2.7.
Этап 7. Постобработка изделия .................................... 91
3.2.8.
Этап 8. Применение . ................................................... 91
3.3.
Различия технологий АП................................................... 92
3.3.1.
Системы с использованием фотополимеров .................... 93
3.3.2.
Порошковые системы.................................................. 94
3.3.3.
Системы с расплавленным материалом ......................... 94
3.3.4.
Твердые листовые материалы ...................................... 95
3.4.
Системы с использованием металлов ................................... 96
3.4.1.
Использование подложек . ............................................ 96
3.4.2.
Плотность энергии ..................................................... 96
3.4.3.
Масса изделия ........................................................... 96
3.4.4.
Точность ................................................................... 97
3.4.5.
Скорость производства. ............................................... 97
3.5.
Техническое обслуживание оборудования ............................. 97
3.6.
Вопросы обработки и хранения материалов.......................... 98
3.7.
Проектирование для АП.................................................... 99
3.7.1.
Ориентация изделия ................................................... 99
3.7.2.
Удаление опорных элементов ....................................... 101
3.7.3.
Устройство полостей . .................................................. 101
3.7.4.
Включение ребер жесткости и других фиксирующих эле-
ментов ...................................................................... 102
3.7.5.
Элементы фиксации частей конструкции ....................... 102
3.7.6.
Снижение числа составных деталей изделия при сборке... 103
3.7.7.
Идентификационная маркировка . ................................. 104
3.8.
Области применения, не включающие традиционное модели-
рование в среде САПР ...................................................... 104
3.8.1.
Медицинское моделирование . ....................................... 104
3.8.2.
Данные реверс-инжиниринга. ....................................... 105
3.8.3.
Архитектурное моделирование ..................................... 105
3.9.
Дальнейшие перспективы .................................................. 105
3.9.1.
Упражнения .............................................................. 106
Литература ...................................................................... 107
Глава 4
Процесс фотополимеризации в ванне ............................... 108
4.1.
Введение ......................................................................... 108
4.2.
Материалы для фотополимеризации в ванне ........................ 111
4.2.1.
УФ-отверждаемые фотополимеры. ................................ 111
4.2.2.
Обзор химии фотополимеров ....................................... 113
4.2.3.
Композиции полимеров и механизмы реакций ................ 116
4.3.
Скорость реакции ............................................................. 120
4.4.
Фотополимеризация в ванне с лазерным сканированием. ........ 121
4.5.
Моделирование процесса фотополимеризации . ...................... 122
4.5.1.
Энергетическая освещенность и экспозиция ................... 123
4.5.2.
Взаимодействие ЛИ и полимера ................................... 126
4.5.3.
Фотоскорость. ............................................................ 129
4.5.4.
Временная шкала ....................................................... 130
4.6.
Векторное сканирование в машинах для VP ......................... 131
4.7.
Способы сканирования ...................................................... 134
4.7.1.
Явления и ошибки, встречающиеся при послойном синте-
зе изделий ................................................................. 134
4.7.2.
Шаблон лазерного сканирования WEAVE ..................... 137
4.7.3.
Способ лазерного сканирования STAR-WEAVE.............. 139
4.7.4.
Шаблон (решетка) лазерного сканирования ACES .......... 142
4.8.
Микрофотополимеризация в ванне с векторным сканированием 146
4.9.
Технологии и процессы проекционной фотополимеризации
в ванне с использованием масок.......................................... 148
4.9.1.
Технологии проекционной фотополимеризации в ванне
с использованием масок .............................................. 148
4.9.2.
Коммерческие системы для MPVP ............................... 150
4.9.3.
Моделирование для MPVP .......................................... 151
4.10.
Двухфотонная фотополимеризация в ванне.......................... 153
4.11.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 155
4.12.
Заключение ..................................................................... 156
4.13.
Упражнения .................................................................... 157
Литература ...................................................................... 159
Глава 5
Плавление порошков в сформированном слое................. 163
5.1.
Введение ......................................................................... 163
5.2.
Материалы ...................................................................... 165
5.2.1.
Полимеры и композиты на их основе............................. 165
5.2.2.
Металлы и композиты на их основе .............................. 168
5.2.3.
Керамика и керамические композиты............................ 169
5.3.
Механизмы спекания порошков .......................................... 170
5.3.1.
Твердофазное спекание ............................................... 170
5.3.2.
Химически индуцированное спекание ............................ 174
5.3.3.
ЖФС и частичное плавление ....................................... 175
5.3.4.
Полное плавление. ...................................................... 180
5.3.5.
Изготовление изделий ................................................. 181
5.4.
Параметры технологического процесса и моделирование ........ 183
5.4.1.
Параметры технологического процесса .......................... 183
5.4.2.
Соотношения между использованной энергией и способом
сканирования............................................................. 186
5.5.
Работа с порошками.......................................................... 190
5.5.1.
Выбор способа подачи порошка .................................... 190
5.5.2.
Системы подачи порошков........................................... 191
5.5.3.
Восстановление порошка после обработки ...................... 193
5.6.
Варианты процессов PBF и коммерческие машины ............... 195
5.6.1.
Лазерное спекание полимеров ...................................... 195
5.6.2.
Лазерные системы для обработки металлов и керамики. .. 199
5.6.3.
Электронно-лучевое плавление..................................... 202
5.6.4.
Линейные и послойные режимы PBF процессов для поли-
меров........................................................................ 207
5.7.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 210
5.8.
Заключение ..................................................................... 212
5.9.
Упражнения .................................................................... 212
Литература ...................................................................... 213
Глава 6
Экструзионные системы ..................................................... 214
6.1.
Введение ......................................................................... 214
6.2.
Основные принципы.......................................................... 215
6.2.1.
Загрузка материала .................................................... 216
6.2.2.
Разжижение материала ............................................... 217
6.2.3.
Экструзия ................................................................. 218
6.2.4.
Отверждение ............................................................. 221
6.2.5.
Управление ориентацией изделия ................................. 222
6.2.6.
Связывание ............................................................... 223
6.2.7.
Генерация поддержек. ................................................. 224
6.3.
Управление построением и траекториями движения .............. 226
6.4.
FDM процесс, разработанный компанией Stratasys ................ 231
6.4.1.
Типы машин FDM...................................................... 232
6.5.
Материалы ...................................................................... 234
6.6.
Ограничения FDM............................................................ 236
6.7.
Биоэкструзия ................................................................... 237
6.7.1.
Формирование геля .................................................... 238
6.7.2.
Экструзия расплава.................................................... 239
6.7.3.
Архитектура скаффолдов . ........................................... 240
6.8.
Другие системы................................................................ 241
6.8.1.
Контурное изготовление . ............................................. 241
6.8.2.
Непланарные системы................................................. 242
6.8.3.
FDM керамики .......................................................... 244
6.8.4.
RepRap и Fab@home ................................................... 244
6.9.
Упражнения ................................................................... 246
Литература ...................................................................... 246
Глава 7
Распыление материала методом струйной печати........... 248
7.1.
Развитие печати как процесса аддитивного производства ....... 249
7.2.
Материалы для распыления методом струйной печати........... 250
7.2.1.
Полимеры ................................................................. 250
7.2.2.
Керамика .................................................................. 254
7.2.3.
Металлы ................................................................... 255
7.2.4.
Осаждение растворов и взвесей .................................... 258
7.3.
Основы обработки материалов............................................ 259
7.3.1.
Технические проблемы распыления материалов .............. 259
7.3.2.
Технологии формирования капель ................................ 262
7.3.3.
Непрерывный режим распыления ................................. 262
7.3.4.
Режим распыления DOD............................................. 264
7.3.5.
Другие методы формирования капель ........................... 266
7.4.
Моделирование процесса распыления материалов ................. 268
7.5.
Машины для распыления материалов. ................................. 273
7.6.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 274
7.7.
Заключение ..................................................................... 276
7.8.
Упражнения .................................................................... 277
Литература ...................................................................... 279
Глава 8
Распыление связующего для струйной печати ................ 283
8.1.
Введение ......................................................................... 283
8.2.
Материалы ...................................................................... 286
8.2.1.
Материалы, продаваемые на рынке............................... 286
8.2.2.
Исследование керамических материалов ........................ 288
8.3.
Варианты процесса ........................................................... 290
8.4.
Машины для распыления связующего ................................. 293
8.5.
Преимущества и недостатки процесса .................................. 296
8.6.
Заключение ..................................................................... 298
8.7.
Упражнения .................................................................... 299
Литература ...................................................................... 300
Глава 9
Процессы ламинирования листовых (слоистых)
материалов ........................................................................... 302
9.1.
Введение ......................................................................... 302
9.1.1.
Склеивание, или адгезивное связывание ........................ 303
9.1.2.
Процессы ¾соединение-раскрой¿. .................................. 303
9.1.3.
Процессы ¾раскрой-соединение¿. .................................. 306
9.2.
Материалы ...................................................................... 309
9.3.
Основы обработки материалов. ........................................... 311
9.3.1.
Термоскрепление . ....................................................... 311
9.3.2.
Прессование листового металла .................................... 313
9.4.
Ультразвуковое аддитивное производство ............................ 314
9.4.1.
Качество соединения слоев методом УАП ...................... 317
9.4.2.
Основы ультразвуковой сварки металлов ....................... 318
9.4.3.
Параметры процесса УАП и их оптимизация.................. 320
9.4.4.
Микроструктуры и механические свойства изделий УАП . 323
9.4.5.
Приложения УAП ...................................................... 328
9.5.
Заключение ..................................................................... 332
9.6.
Упражнения .................................................................... 333
Литература ...................................................................... 334
Глава 10
Процессы направленного энерговклада ............................ 336
10.1.
Введение ......................................................................... 336
10.2.
Общее описание процесса направленного энерговклада .......... 339
10.3.
Подача материала. ............................................................ 340
10.3.1.
Подача порошка ......................................................... 340
10.3.2.
Подача проволоки ...................................................... 344
10.4.
Системы направленного энерговклада ................................. 345
10.4.1.
Процессы лазерной наплавки металла ........................... 345
10.4.2.
Процессы нанесения металла с применением электронного
пучка........................................................................ 349
10.4.3.
Прочие процессы DED ................................................ 350
10.5.
Параметры процесса ......................................................... 351
10.6.
Типичные материалы и микроструктура.............................. 352
10.7.
Взаимосвязь обработки, структуры и свойств ....................... 356
10.8.
Преимущества и недостатки DED ....................................... 361
10.9.
Упражнения .................................................................... 364
Литература ...................................................................... 364
Глава 11
Технологии прямой записи................................................. 365
11.1.
Технологии прямой записи ................................................. 365
11.2.
История вопроса............................................................... 365
11.3.
ПЗ с использованием чернил .............................................. 366
11.3.1.
Процесс распыления форсункой ................................... 368
11.3.2.
Шпиндельные системы................................................ 370
11.3.3.
Процессы струйной печати чернилами. .......................... 372
11.3.4.
Аэрозольная ПЗ ......................................................... 373
11.4.
ПЗ методом лазерного переноса .......................................... 376
11.5.
ПЗ термическим напылением ............................................. 378
11.6.
ПЗ методом осаждения потоком частиц ............................... 380
11.6.1.
Лазерное CVD ........................................................... 381
11.6.2.
Химическое осаждение из паровой фазы фокусированным
пучком ионов............................................................. 383
11.6.3.
CVD с электронным пучком ........................................ 384
11.7.
Прямое осаждение из жидкой фазы .................................... 384
11.8.
Пучковые методы корректировки для аддитивных/
субтрактивных подходов ПЗ............................................... 386
11.8.1.
Запись пучком электронов ........................................... 386
11.8.2.
Запись пучком сфокусированных ионов......................... 387
11.8.3.
Запись лазерным пучком............................................. 387
11.9.
Гибридные технологии ...................................................... 388
11.10.
Использование методов ПЗ ................................................ 388
11.11.
Упражнения .................................................................... 391
Литература ...................................................................... 391
Глава 12
Преимущества бюджетных систем АП............................. 394
12.1.
Введение ......................................................................... 394
12.2.
Интеллектуальная собственность ........................................ 395
12.3.
Прорывная инновация....................................................... 398
12.3.1.
Возможности прорывного бизнеса................................. 398
12.3.2.
Внимание средств массовой информации . ...................... 399
12.4.
Движение новаторов ......................................................... 401
12.5.
Будущее бюджетных систем АП ......................................... 403
12.6.
Упражнения .................................................................... 404
Литература ...................................................................... 404
Глава 13
Руководство по выбору процесса....................................... 406
13.1.
Введение ......................................................................... 406
13.2.
Методы выбора для изделий .............................................. 407
13.2.1.
Теория принятия решений ........................................... 407
13.2.2.
Методы определения приемлемости .............................. 409
13.2.3.
Методы выбора .......................................................... 411
13.2.4.
Пример выбора .......................................................... 415
13.3.
Проблемы выбора ............................................................. 419
13.4.
Пример системы для предварительного выбора .................... 422
13.5.
Планирование и контроль производства . .............................. 429
13.5.1.
Планирование производства. ........................................ 429
13.5.2.
Предварительная обработка ......................................... 430
13.5.3.
Изготовление детали................................................... 431
13.5.4.
Последующая обработка.............................................. 431
13.5.5.
Выводы .................................................................... 432
13.6.
Нерешенные проблемы ...................................................... 432
13.7.
Упражнения .................................................................... 433
Литература ...................................................................... 434
Глава 14
Постобработка...................................................................... 436
14.1.
Введение ......................................................................... 436
14.2.
Удаление поддерживающего материала ............................... 436
14.2.1.
Постобработка естественной поддержки ........................ 437
14.2.2.
Удаление искусственной поддержки . ............................. 439
14.3.
Улучшение текстуры поверхности ....................................... 442
14.4.
Повышение точности......................................................... 443
14.4.1.
Источники неточности ................................................ 443
14.4.2.
Предварительная обработка модели для компенсации по-
терь точности ............................................................ 444
14.4.3.
Стратегия механической обработки............................... 445
14.5.
Улучшение эстетического восприятия .................................. 450
14.6.
Подготовка к использованию в качестве модели .................... 451
14.6.1.
Модели для литья по выплавляемым моделям................ 452
14.6.2.
Модели для литья в песчаные формы ........................... 453
14.6.3.
Другие методы копирования модели ............................. 454
14.7.
Улучшение свойств с помощью нетепловых методов .............. 456
14.8.
Улучшение свойств с помощью тепловых методов ................. 456
14.9.
Выводы........................................................................... 460
14.10.
Упражнения .................................................................... 460
Литература ...................................................................... 461
Глава 15
Задачи программного обеспечения в аддитивном произ-
водстве .................................................................................. 462
15.1.
Введение ......................................................................... 462
15.2.
Подготовка моделей САПР: файл STL................................. 463
15.2.1.
Формат файла STL, бинарный/ASCII ........................... 463
15.2.2.
Создание файлов STL из системы САПР....................... 465
15.2.3.
Расчет каждого профиля сечения ................................. 466
15.2.4.
Зависящие от технологии элементы. .............................. 472
15.3.
Проблемы с файлами STL ................................................. 475
15.4.
Манипуляции с STL-файлом .............................................. 477
15.4.1.
Программы просмотра ................................................ 478
15.4.2.
STL манипуляции на установках АП............................. 478
15.5.
За пределами файла STL................................................... 480
15.5.1.
Прямое разбиение модели САПР .................................. 480
15.5.2.
Цветовые модели........................................................ 481
15.5.3.
Сложные материалы. .................................................. 482
15.5.4.
Применение STL для механической обработки. ............... 482
15.6.
Дополнительное ПО в помощь АП ...................................... 483
15.6.1.
Обзор функций ПО .................................................... 483
15.6.2.
Моделирование процесса АП с помощью конечно-элемент-
ного анализа.............................................................. 485
15.7.
Формат файла аддитивного производства ............................ 487
15.8.
Упражнения .................................................................... 489
Литература ...................................................................... 489
Глава 16
Прямое цифровое производство ........................................ 491
16.1.
Компания Align Technology................................................ 492
16.2.
Компании Siemens и Phonak............................................... 494
16.3.
Индивидуальное изготовление обуви и другие примеры ПЦП . 497
16.4.
Движущие силы ПЦП ....................................................... 501
16.5.
Производство против прототипирования .............................. 504
16.6.
Оценки затрат.................................................................. 507
16.6.1.
Модель затрат ........................................................... 507
16.6.2.
Модель времени построения......................................... 509
16.6.3.
Пример сканирования лазером в ванне с фотополимером . 513
16.7.
Учет затрат в ходе жизненного цикла изделия ..................... 514
16.8.
Перспективы ПЦП............................................................ 517
16.9.
Упражнения .................................................................... 518
Литература ...................................................................... 520
Глава 17
Проектирование для аддитивного производства ............. 521
17.1.
Мотивация ...................................................................... 522
17.2.
Проектирование с учетом требований производства и сборки.. 523
17.3.
Уникальные возможности AП ............................................ 527
17.3.1.
Сложные формы ........................................................ 528
17.3.2.
Сложная иерархия ..................................................... 529
17.3.3.
Функциональная сложность . ........................................ 531
17.3.4.
Сложные материалы................................................... 534
17.4.
Принципы и цели базового ПАП......................................... 535
17.4.1.
Сложная геометрия .................................................... 536
17.4.2.
Интегрированные сборки............................................. 536
17.4.3.
Индивидуальная геометрия ......................................... 537
17.4.4.
Многофункциональные конструкции............................. 537
17.4.5.
Устранение традиционных ограничений ПИС................. 538
17.5.
Исследование свободы проектирования . ............................... 538
17.5.1.
Объединение деталей и повторное проектирование .......... 539
17.5.2.
Иерархические структуры ........................................... 540
17.5.3.
Примеры промышленного проектирования. .................... 543
17.6.
Инструменты САПР для АП.............................................. 545
17.6.1.
Проблемы САПР........................................................ 545
17.6.2.
Твердотельные САПР................................................. 547
17.6.3.
Перспективные технологии САПР ................................ 549
17.7.
Методы синтеза................................................................ 554
17.7.1.
Теоретически оптимальные облегченные конструкции ..... 554
17.7.2.
Методы оптимизации . ................................................. 555
17.7.3.
Оптимизация топологии .............................................. 556
17.8.
Заключение ..................................................................... 562
17.9.
Упражнения .................................................................... 563
Литература ...................................................................... 563
Глава 18
Быстрое изготовление инструмента .................................. 566
18.1.
Введение ......................................................................... 566
18.2.
Прямое АП для ИФ вкладышей.......................................... 568
18.3.
Электроды-инструменты. ................................................... 573
18.4.
Литье по выплавляемым моделям....................................... 575
18.5.
Другие системы................................................................ 575
18.5.1.
Инструментальная оснастка для вакуумного формования 576
18.5.2.
Оснастка для формования волокнистой массы (пульпы) .. 577
18.5.3.
Оснастка для производства композитов . ........................ 577
18.5.4.
Сборочный инструмент и зажимы для снятия показаний
при измерениях.......................................................... 578
18.6.
Упражнения .................................................................... 579
Литература ...................................................................... 580
Глава 19
Применения АП .................................................................. 581
19.1.
Введение ......................................................................... 581
19.2.
История развития............................................................. 582
19.2.1.
Важность физических моделей..................................... 583
19.2.2.
Функциональные испытания ........................................ 584
19.2.3.
Быстрое изготовление ИО ........................................... 585
19.3.
Применение АП для поддержки медицинских приложений. .... 587
19.3.1.
Хирургические и диагностические средства ................... 588
19.3.2.
Разработка протезов ................................................... 590
19.3.3.
Производство. ............................................................ 592
19.3.4.
Тканевая инженерия и трехмерная печать органов.......... 593
19.4.
Программная поддержка в медицинских приложениях. .......... 594
19.5.
Ограничения АП для медицинских приложений ................... 596
19.5.1.
Скорость ................................................................... 597
19.5.2.
Цена......................................................................... 598
19.5.3.
Точность ................................................................... 598
19.5.4.
Материалы................................................................ 599
19.5.5.
Простота использования . ............................................. 599
19.6.
Дальнейшее развитие медицинских приложений АП.............. 600
19.6.1.
Разрешения ............................................................... 600
19.6.2.
Страхование .............................................................. 601
19.6.3.
Подготовка технического персонала .............................. 601
19.6.4.
Расположение установки.............................................. 602
19.6.5.
Сервисные бюро обслуживания .................................... 602
19.7.
Применение в аэрокосмической промышленности . ................. 603
19.7.1.
Характеристики, благоприятствующие АП .................... 603
19.7.2.
Производство продукции ............................................. 604
19.8.
Применение в автомобильной промышленности .................... 608
19.9.
Упражнения .................................................................... 609
Литература ...................................................................... 610
Глава 20
Возможности для бизнеса и будущее АП......................... 612
20.1.
Введение ......................................................................... 612
20.2.
Что может быть нового? .................................................... 615
20.2.1.
Новые виды продукции ............................................... 615
20.2.2.
Новые типы организаций............................................. 617
20.2.3.
Новые типы занятости ................................................ 619
20.3.
Цифровое предпринимательство (ЦП) ................................. 621
20.4.
Заключение .................................................................... 625
20.5.
Упражнения .................................................................... 626
Литература ...................................................................... 626
Предметный указатель .......................................................
Предисловие к русскому изданию
Я был очень рад, когда услышал, что профессор Игорь Шишковский бу-
дет научным редактором русского издания нашей монографии. Обладая
многолетним и богатым опытом в данной области, этот известный ученый
и педагог сможет гарантировать как техническую точность, так и ясность
изложения. Поскольку русский язык является одним из самых распро-
страненных языков в мире, этот перевод позволит значительно расширить
аудиторию, которая сможет впервые получить доступ к данной информа-
ции. Я надеюсь, что исследователи, студенты и преподаватели найдут эту
книгу прекрасным дополнением к своей коллекции, и что она расширит
их познания в быстро развивающихся областях аддитивных технологий.
Брент Стакер
профессор, университет Луисвилля (Кентукки, США)
Предисловие
Благодарим вас за внимание, уделенное нашей книге о технологиях адди-
тивного производства (АП Additive Manufacturing). Мы надеемся, что
она принесет пользу и оправдает затраченные на чтение время и силы,
и тогда вы посчитаете нашу работу стоящим начинанием. Все началось во
время обсуждения этой темы на конференции в Португалии, когда было
решено собрать все литературные источники, посвященные целям и за-
дачам АП. Поскольку мы не только друзья, а также и коллеги, казалось
разумным объединить усилия, а не конкурировать ведь распределение
нагрузки и использование сильных сторон друг друга, несомненно, приве-
дет к большим результатам с меньшими затратами.
Мы написали эту книгу, потому что все работаем в области AП в тече-
ние многих лет. Хотя ни одного из нас нельзя назвать старым, все вместе
мы обладаем 60-летним опытом, и у каждого из нас есть устойчивая репу-
тация как педагогов и исследователей в этой области. Все мы следили, как
технологии, описанные в этой книге, формируются, развиваются и пре-
вращаются в серьезные коммерческие инструменты, с десятками тысяч
пользователей и ежегодным производством многих миллионов изделий
с помощью машин AП. Информация об АП в настоящее время включена
в учебные программы во многих университетах, политехнических кол-
леджах и институтах по всему миру. Все большее количество студентов
изучает эти технологии, однако мы с сожалением наблюдаем, что пока от-
сутствует единый учебник по этой дисциплине, так необходимый для таких
программ. Мы считаем, что первое издание этой книги и является по-
добным учебником, поэтому на основании второго, обновленного издания,
представленного здесь, мы надеемся, что смогли еще в большей степени
улучшить наше начинание.
Под термином "аддитивное производство" понимается спектр техноло-
гий, которые способны на основе данных о виртуальных моделях твердых
тел изготавливать физические модели в результате быстрых и легких про-
изводственных процессов. Данные моделирования разбиваются на серии
данных о двумерных сечениях конечной толщины. Затем эти данные за-
гружают в машины АП, которые можно объединить, чтобы они все вместе
последовательно слой за слоем добавляли материал, в результате форми-
руя изделия на физическом уровне. Следовательно, машины АП абсолют-
но точно воспроизводят геометрические параметры детали без необходи-
мости регулировки и настройки таких производственных процессов, как
изготовление оснастки, обработка подсечек, соблюдение углов уклона или
других функций. Поэтому с полным правом мы можем сказать, что изго-
товление изделий на машинах АП это процесс по принципу "строишь
то, что видишь" (WYSIWYB What You See Is What You Build), кото-
рый имеет особенно высокую ценность при изготовлении изделий сложной
геометрической формы. Этот основной принцип заложен в конструкцию
почти всех машин АП с вариациями в каждой технологии, обусловленны-
ми методами, используемыми для создания слоев и склеивания их вместе.
Другими факторами влияния можно назвать скорость изготовления, тол-
щину слоя, тип исходного материала, точность и стоимость изготовления.
При таком обилии переменных становится ясно, почему эта книга получи-
лась такой большой и подробной. Несмотря на это, у нас в запасе остается
еще много информации, которую следовало бы предоставить читателям.
Первые три главы этой книги дают обзор основных процессов АП.
Не увлекаясь полным описанием каждой технологии, мы предоставля-
ем оценку, из которой становится понятным, почему АП так важно для
многих отраслей промышленности. Мы кратко описываем быстрое разви-
тие этой технологии от скромного, но многообещающего начала, все еще
требующего больших усилий для развития, к тому результату, который
в настоящее время находится на стадии зрелости и демонстрирует ре-
альную пользу для проектных организаций по разработке продуктов. Мы
надеемся, что после прочтения этих глав вы узнаете основы работы АП.
В следующих девяти главах (глава 4–12) мы по очереди подробно пред-
ставим каждую группу технологий. Основы каждой технологии рассмат-
риваются с точки зрения основного процесса, идет ли речь о фотополи-
мерном отверждении, спекании, плавлении или других процессах, поэтому
читатель сможет правильно оценить, какие факторы необходимы для по-
нимания, развития и оптимизации каждой технологии. Большинство об-
суждаемых в этой книге технологий были переведены на коммерческие
рельсы, как минимум, одной компанией; оборудование, используемое в по-
добных производствах, описано наряду с обсуждением о том, как выбрать
его наилучшие модели. Последняя глава из этой группы сосредоточена на
недорогих процессах и машинах, ее текст частично пересекается с частью
материала из предыдущих глав, но мы считаем, что подобное отношение
оправдано с точки зрения растущего в геометрической прогрессии инте-
реса к этому недорогому оборудованию.
Из заключительных глав вы узнаете, как применять аддитивные тех-
нологии в различных условиях. Во-первых, мы рассмотрим методы отбора
для сортировки множества вариантов, касающихся типа машины, которую
вы хотите купить применительно к вашему приложению АП, и предоста-
вим рекомендации по правильному выбору технологий для ваших целей.
Так как все машины АП зависят от программного обеспечения 3D САПР,
мы переходим к обсуждению всего технологического процесса проектиро-
вания. После этого мы рассмотрим методы и технологии постобработки,
чтобы в случае неоптимального выбора машины и материала, которые
оказались не до конца подходящими для точного производства нужных
вам изделий, у вас была возможность для улучшения их характеристик и
внешнего вида. Глава, посвященная вопросам программного обеспечения
AП, завершает эту группу глав.
Технологии AП усовершенствовались до такой степени, что многие
производители рассматривают машины АП как средства производства ко-
нечного продукта. Такой подход назван прямым цифровым производством
(Direct Digital Manufacturing,), что открывает двери для многих интерес-
ных и инновационных приложений, которые в прошлом считались невоз-
можными, неосуществимыми или нерентабельными. Теперь мы можем рас-
смотреть возможность массовой кастомизации (изготовления продукции
по конкретным техническим требованиям заказчика), при которой изделие
может быть изготовлено в соответствии со вкусами отдельного потребите-
ля, но за рентабельную цену. Затем мы обсудим, как использование этой
технологии влияет на процесс проектирования и его улучшение с учетом
подхода WYSIWYB. Это плавно переводит нас к объектам приложения
AП, в том числе инструментам и продукции для медицинской, аэрокосми-
ческой и автомобильной промышленности. Мы заканчиваем книгу главой
о бизнесе или применении на уровне предприятия различных направле-
ний AП, исследуя, как эти системы позволяют креативным предприятиям
и предпринимателям придумывать новые продукты, а также описываем
перспективные в будущем области приложения АТ.
Эта книга в первую очередь предназначена для студентов и препода-
вателей, изучающих АП, либо может пригодиться в качестве автономного
курса или как модуль в большой программе по технологии производства.
В ней достаточно глубоко представлена информация об АП, чтобы быть
полезной для студентов или аспирантов, она сопровождается многочис-
ленными ссылками на литературные источники, чтобы указать молодым
людям, изучающим этот предмет, направления дальнейшего поиска. Каж-
дая глава имеет также ряд вопросов и упражнений, предназначенных для
тестирования знаний читателя и расширения понимания предмета. В по-
мощь педагогам в комплекте и как часть второго издания идет руководство
с инструкциями, которое включает дополнительные задания и их решения.
Разработчики AП также найдут полезные сведения в этой книге, посколь-
ку она поможет им понять состояние дел в области и укажет возможности
для дальнейших исследований.
В новой редакции книги мы сделали ряд изменений по сравнению с из-
данием 2009 года. Кроме того, мы собрали всю возможную информацию
об изменениях в этой отрасли, которую разместили в ряде новых раз-
делов и глав. Так, была расширена глава о медицинских приложениях,
в нее мы включили обсуждение приложений для автомобильной и аэрокос-
мической отрасли. Представлена новая глава по быстрому изготовлению
оснастки, а также глава, посвященная недавним достижениям в секторе
недорогих AП. Мы вставили описание спектра последних технологиче-
ских инноваций, в том числе обсуждение нового формата файлов для
аддитивных технологий (Additive Manufacturing File Format), а также дру-
гие дополнения, сопровождающие стандартизацию AП в ASTM (American
Society for Testing and Materials Американское общество специалистов по
испытаниям материалов) и ISO. Мы обновили терминологию в тексте, что-
бы соответствовать терминологии, разработанной комитетом ASTM F42,
который также был принят в качестве международного стандарта ISO.
Во втором издании мы тщательно отредактировали текст, удалили ссыл-
ки на технологии, принадлежащие отдельным компаниям, а вместо этого
сосредоточились на технологических принципах и общем представлении
этих технологий. Мы разделили исходную главу, посвященную процессам
печати, на две главы: о разбрызгивании материала и связующего, чтобы
отразить стандартную терминологию и эволюцию этих процессов в раз-
ных направлениях. Мы уверены, что в результате этих многочисленных
дополнений и изменений настоящее издание стало более полным.
Однако, несмотря на наши усилия, мы понимаем, что книга о такой
быстро меняющейся технологии не долго будет источником самой свежей
информации. Поэтому мы будем обновлять наш курс на сайте http://www.
springer.com/978-1-4419-1119-3, публикуя там дополнительные домашние
упражнения для студентов и новые материалы для педагогов. Если у вас
есть комментарии, вопросы или предложения по улучшению, они будут
только приветствоваться. Мы ожидаем обновления этой книги в будущем
и с нетерпением ждем ваших комментариев о том, как вы использовали
эти материалы, и пожеланий по улучшению нашей книги.
Как упоминалось ранее, каждый автор является признанным специа-
листом в области аддитивных технологий, имеющим многолетний опыт
работы и исследований. Кроме того, во многих отношениях появление
этой книги стало возможным только благодаря участию в наших работах
студентов и коллег, с которыми мы сотрудничали на протяжении многих
лет. Для представления авторов и некоторых других участников процесса
издания книги мы заканчиваем это предисловие краткими биографиями
авторов и благодарностями.
Ян Гибсон (Сингапур),
Давид Розен (Атланта, Джорджия, США),
Брент Стакер (Луисвилл, Кентукки, США)
Благодарности
Доктор Брент Стакер благодарит штатЮта и Технический исследователь-
ский центр VTT Финляндии за предоставление времени для работы над
первым изданием этой книги и творческого отпуска в Хельсинки; а также
Университет Луисвилля за свободный график преподавательской работы
и создание условий для творчества, которые были так необходимы для за-
вершения второго издания книги. Кроме того, написание большей части
этой книги не стало бы возможным без исследований аспирантов и док-
торантов, которые работали с доктором Стакером на протяжении многих
лет. В частности, он хотел бы поблагодарить доктора Г.Д. Джанаки Рам
из Индийского технологического института в Мадрасе, который выступил
соавтором главы ¾Аддитивные технологии на основе послойного синтеза¿
в справочнике CRC Materials Processing Handbook. Эта его работа очень
помогла со структурированием текста нашей книги. Кроме того, работы
следующих студентов стали частью информации, излагаемой в этой кни-
ге и в сопровождающих ее учебных заданиях: Муни Малхотра, Сючжи
Ку, Карсон Эсплин, Адам Смит, Джошуа Джордж, Кристофер Робинсон,
Янжи Ян, Мэтью Суонк, Джон Обелодан, Кай Цзэн, Хайцзюнь Гун, Сяо-
дун Син, Хенфен Гу, Мд. Анам, Хачикет Патил и Дипанкар Пал. Особую
благодарность доктор Стакер выражает своей жене Гейл и детям Тристи,
Эндрю, Меган и Эмме, которые терпеливо поддерживали его во время
работы над этой книгой в течение многих дней и вечеров.
Профессор Давид У. Розен выражает благодарность Технологическому
институту Джорджии за поддержку и благодарит многих аспирантов и
постдоков, которые своими работами способствовали созданию этой книги.
В частности, этого доктора: Фэй Дин, Амит Джаривала, Скотт Джонстон,
Амейя Лимайе, Дж. Марк Мичем, Беней Сагер, Л. Ангела Це, Гончинь
Ван, Крис Уильямс, Юн Ян и Венчао Чжоу, а также Лорен Марголин и
Ксиаюн Чжао. Особая благодарность его жене Джоан и детям Эрику и
Кристе за их терпение, которое они проявляли к нему во время работы
над этой книгой.
Профессор Ян Гибсон хотел бы отметить поддержку Университета Ди-
кин, которая выражалась в предоставлении достаточного времени для его
работы над этой книгой. Л.К. Ананд также помог в подготовке многих
рисунков и изображений для написанных Я. Гибсоном глав. Наконец, он
хотел бы поблагодарить свою любимую жену Лину за ее терпение, любовь,
понимание, проявленные в течение долгих часов подготовки материала и
написания глав. Он также посвящает эту книгу своему покойному отцу
Роберту Эрвину Гибсону и надеется, что он бы гордился этим замечатель-
ным достижением своего сына.
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ
Аннотация
Технология, описанная в этой книге, изначально была названа быстрым
прототипированием. Термин «быстрое прототипирование» (БП, RP —
Rapid Prototyping) используется в различных отраслях промышленности
для описания процесса быстрого изготовления модели или макета сис-
темы или ее части перед окончательным запуском в производство или
коммерциализацией. Иными словами, акцент делается на быстром созда-
нии прототипа или базовой модели, на основе которой можно было бы
в дальнейшем разрабатывать более точные модели и в итоге получить
конечный продукт. Консультанты по вопросам управления и инженеры-
программисты используют термин «быстрое прототипирование» для опи-
сания своих процессов развития бизнеса и программных подходов в виде
кусочно-слоеных моделей-прототипов, что позволяет клиентам и другим
заинтересованным сторонам проверить реализацию идеи и обеспечить об-
ратную связь в процессе разработки. В контексте разработки продукции
термин .быстрое прототипирование. широко используется для описания
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным. Эта книга посвящена именно таким новейшим тех-
нологиям, разработанным для изготовления прототипов, но в настоящее
время применяющимся и для многих других целей.
1.1. Что такое аддитивное производство?
Аддитивное производство — это официальный термин для обозначения
процессов, которые ранее определялись как быстрое прототипирование,
а в широком использовании — Трехмерная печать. Термин «быстрое про-
тотипировани» (БП, RP — Rapid Prototyping) используется в различных
отраслях промышленности для описания быстрого представления системы
или ее части перед выпуском конечного продукта или коммерциализацией.
Иными словами, акцент сделан на быстром создании прототипа изделия —
опытного образца, на основе которого происходит дальнейшее уточняющее
моделирование и в конце концов разработка конечного продукта. Консуль-
танты по вопросам управления и программисты также используют термин
"быстрое прототипирование" для описания процесса развития бизнеса и
программных продуктов кусочно-слоеными прототипами, что позволяет
клиентам и другим заинтересованным сторонам проверить идеи и обес-
печить обратную связь в процессе разработки. В контексте разработки
продукта термин "быстрое прототипирование" широко используется для
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным моделирования. Наша книга посвящена именно таким
технологиям, изначально разработанным для прототипирования, но в на-
стоящее время используемым для многих других целей.
Пользователи технологии БП пришли к выводу, что этот термин яв-
ляется недостаточным и, в частности, не эффективно представляет бо-
лее поздние приложения технологии. Улучшение качества продукции и
оборудования для БП означало гораздо более тесную связь с конечным
продуктом. В настоящее время многие детали изготавливаются сразу на
подобном оборудовании, поэтому мы не имеем права называть их про-
тотипами. Термин "быстрое прототипирование" также указывает на ос-
новной принцип этих технологий, который заключается в изготовлении
всех изделий аддитивным методом. Недавно созданный в рамках ASTM
International (American Society for Testing and Materials — Американско-
го общества специалистов по тестированию материалов) Технический ко-
митет принял решение о введении новой терминологии. Несмотря на то
что данное решение все еще находится в стадии обсуждения, в принятых
ASTM в последнее время стандартах используется термин "аддитивное
производство" (АП) [1].
Основной принцип технологии АП заключается в том, что модель пер-
воначально генерируется с использованием системы трехмерного автома-
тизированного проектирования (3D САПР, 3D CAD — Computer-Aided
Design), а изделие изготавливается непосредственно без необходимости
планирования процесса. Хотя в реальности все выглядит далеко не так
просто, АП, конечно, значительно упрощает процесс производства слож-
ных трехмерных объектов прямо по данным САПР. Другие (традици-
онные) производственные процессы требуют тщательного и детального
анализа геометрической формы и размеров детали, чтобы определить по-
рядок обработки поверхностей, выбор инструментов и процессов техноло-
гической цепочки, потребность в дополнительной оснастке для финишной
обработки изделия. АП, в отличие от них, нужны только некоторые ос-
новные данные о размерах, некоторое знание о принципах работы машин
АП и свойствах материалов, выбранных для данного изделия.
Ключом к пониманию АП является принцип изготовления изделия —
послойное добавление материала, причем каждый слой представляет со-
бой тонкий поперечный срез изделия, информация обо всех параметрах
которого содержится в исходных данных САПР. Очевидно, что на физи-
ческом уровне каждый слой должен иметь конечную толщину, поэтому
получающееся в итоге изделие будет приближением к исходной вирту-
альной модели, как показано на рис. 1.1. Чем тоньше каждый слой, тем
ближе конечная деталь к оригиналу. Все коммерциализованные на сего-
дняшний день машины АП используют послойный подход и отличаются
друг от друга только используемыми материалами, методами создания
слоев и соединения слоев друг с другом. Этими различиями определяются
точность соответствия конечного изделия заданной модели и его физико-
механические свойства. Они также определяют время изготовления де-
тали, необходимость финишной обработки, размер машины АП, общую
стоимость машины и всего процесса.
В этой главе мы хотим ввести основные понятия АП и описать об-
щий процесс AП от проектирования до изготовления конкретных изделий.
Далее мы обсудим влияние АП на проектирование и производство и попы-
таемся разобраться, как в этом контексте может измениться весь процесс
разработки продукта. Поскольку АП становится все более важным элемен-
том проектирования и разработки изделий, глава завершается обсужде-
нием некоторых соответствующих инструментов, необходимых в процессе
разработки продукта.
1.2. Где используются изделия АП?
В этой книге вы найдете описание широкого спектра приложений AП. Вы
также узнаете, что их количество растет по мере развития и совершенство-
вания технологических процессов. Первоначально АП применялось только
для создания презентационных моделей изделий во время их разработки.
Широко известно, что модели гораздо нагляднее и полезнее для оценки
проекта, чем чертежи или визуализация, поскольку помогают в полной ме-
ре понят
Я был очень рад, когда услышал, что профессор Игорь Шишковский бу-
дет научным редактором русского издания нашей монографии. Обладая
многолетним и богатым опытом в данной области, этот известный ученый
и педагог сможет гарантировать как техническую точность, так и ясность
изложения. Поскольку русский язык является одним из самых распро-
страненных языков в мире, этот перевод позволит значительно расширить
аудиторию, которая сможет впервые получить доступ к данной информа-
ции. Я надеюсь, что исследователи, студенты и преподаватели найдут эту
книгу прекрасным дополнением к своей коллекции, и что она расширит
их познания в быстро развивающихся областях аддитивных технологий.
Брент Стакер
профессор, университет Луисвилля (Кентукки, США)
Предисловие
Благодарим вас за внимание, уделенное нашей книге о технологиях адди-
тивного производства (АП Additive Manufacturing). Мы надеемся, что
она принесет пользу и оправдает затраченные на чтение время и силы,
и тогда вы посчитаете нашу работу стоящим начинанием. Все началось во
время обсуждения этой темы на конференции в Португалии, когда было
решено собрать все литературные источники, посвященные целям и за-
дачам АП. Поскольку мы не только друзья, а также и коллеги, казалось
разумным объединить усилия, а не конкурировать ведь распределение
нагрузки и использование сильных сторон друг друга, несомненно, приве-
дет к большим результатам с меньшими затратами.
Мы написали эту книгу, потому что все работаем в области AП в тече-
ние многих лет. Хотя ни одного из нас нельзя назвать старым, все вместе
мы обладаем 60-летним опытом, и у каждого из нас есть устойчивая репу-
тация как педагогов и исследователей в этой области. Все мы следили, как
технологии, описанные в этой книге, формируются, развиваются и пре-
вращаются в серьезные коммерческие инструменты, с десятками тысяч
пользователей и ежегодным производством многих миллионов изделий
с помощью машин AП. Информация об АП в настоящее время включена
в учебные программы во многих университетах, политехнических кол-
леджах и институтах по всему миру. Все большее количество студентов
изучает эти технологии, однако мы с сожалением наблюдаем, что пока от-
сутствует единый учебник по этой дисциплине, так необходимый для таких
программ. Мы считаем, что первое издание этой книги и является по-
добным учебником, поэтому на основании второго, обновленного издания,
представленного здесь, мы надеемся, что смогли еще в большей степени
улучшить наше начинание.
Под термином "аддитивное производство" понимается спектр техноло-
гий, которые способны на основе данных о виртуальных моделях твердых
тел изготавливать физические модели в результате быстрых и легких про-
изводственных процессов. Данные моделирования разбиваются на серии
данных о двумерных сечениях конечной толщины. Затем эти данные за-
гружают в машины АП, которые можно объединить, чтобы они все вместе
последовательно слой за слоем добавляли материал, в результате форми-
руя изделия на физическом уровне. Следовательно, машины АП абсолют-
но точно воспроизводят геометрические параметры детали без необходи-
мости регулировки и настройки таких производственных процессов, как
изготовление оснастки, обработка подсечек, соблюдение углов уклона или
других функций. Поэтому с полным правом мы можем сказать, что изго-
товление изделий на машинах АП это процесс по принципу "строишь
то, что видишь" (WYSIWYB What You See Is What You Build), кото-
рый имеет особенно высокую ценность при изготовлении изделий сложной
геометрической формы. Этот основной принцип заложен в конструкцию
почти всех машин АП с вариациями в каждой технологии, обусловленны-
ми методами, используемыми для создания слоев и склеивания их вместе.
Другими факторами влияния можно назвать скорость изготовления, тол-
щину слоя, тип исходного материала, точность и стоимость изготовления.
При таком обилии переменных становится ясно, почему эта книга получи-
лась такой большой и подробной. Несмотря на это, у нас в запасе остается
еще много информации, которую следовало бы предоставить читателям.
Первые три главы этой книги дают обзор основных процессов АП.
Не увлекаясь полным описанием каждой технологии, мы предоставля-
ем оценку, из которой становится понятным, почему АП так важно для
многих отраслей промышленности. Мы кратко описываем быстрое разви-
тие этой технологии от скромного, но многообещающего начала, все еще
требующего больших усилий для развития, к тому результату, который
в настоящее время находится на стадии зрелости и демонстрирует ре-
альную пользу для проектных организаций по разработке продуктов. Мы
надеемся, что после прочтения этих глав вы узнаете основы работы АП.
В следующих девяти главах (глава 4–12) мы по очереди подробно пред-
ставим каждую группу технологий. Основы каждой технологии рассмат-
риваются с точки зрения основного процесса, идет ли речь о фотополи-
мерном отверждении, спекании, плавлении или других процессах, поэтому
читатель сможет правильно оценить, какие факторы необходимы для по-
нимания, развития и оптимизации каждой технологии. Большинство об-
суждаемых в этой книге технологий были переведены на коммерческие
рельсы, как минимум, одной компанией; оборудование, используемое в по-
добных производствах, описано наряду с обсуждением о том, как выбрать
его наилучшие модели. Последняя глава из этой группы сосредоточена на
недорогих процессах и машинах, ее текст частично пересекается с частью
материала из предыдущих глав, но мы считаем, что подобное отношение
оправдано с точки зрения растущего в геометрической прогрессии инте-
реса к этому недорогому оборудованию.
Из заключительных глав вы узнаете, как применять аддитивные тех-
нологии в различных условиях. Во-первых, мы рассмотрим методы отбора
для сортировки множества вариантов, касающихся типа машины, которую
вы хотите купить применительно к вашему приложению АП, и предоста-
вим рекомендации по правильному выбору технологий для ваших целей.
Так как все машины АП зависят от программного обеспечения 3D САПР,
мы переходим к обсуждению всего технологического процесса проектиро-
вания. После этого мы рассмотрим методы и технологии постобработки,
чтобы в случае неоптимального выбора машины и материала, которые
оказались не до конца подходящими для точного производства нужных
вам изделий, у вас была возможность для улучшения их характеристик и
внешнего вида. Глава, посвященная вопросам программного обеспечения
AП, завершает эту группу глав.
Технологии AП усовершенствовались до такой степени, что многие
производители рассматривают машины АП как средства производства ко-
нечного продукта. Такой подход назван прямым цифровым производством
(Direct Digital Manufacturing,), что открывает двери для многих интерес-
ных и инновационных приложений, которые в прошлом считались невоз-
можными, неосуществимыми или нерентабельными. Теперь мы можем рас-
смотреть возможность массовой кастомизации (изготовления продукции
по конкретным техническим требованиям заказчика), при которой изделие
может быть изготовлено в соответствии со вкусами отдельного потребите-
ля, но за рентабельную цену. Затем мы обсудим, как использование этой
технологии влияет на процесс проектирования и его улучшение с учетом
подхода WYSIWYB. Это плавно переводит нас к объектам приложения
AП, в том числе инструментам и продукции для медицинской, аэрокосми-
ческой и автомобильной промышленности. Мы заканчиваем книгу главой
о бизнесе или применении на уровне предприятия различных направле-
ний AП, исследуя, как эти системы позволяют креативным предприятиям
и предпринимателям придумывать новые продукты, а также описываем
перспективные в будущем области приложения АТ.
Эта книга в первую очередь предназначена для студентов и препода-
вателей, изучающих АП, либо может пригодиться в качестве автономного
курса или как модуль в большой программе по технологии производства.
В ней достаточно глубоко представлена информация об АП, чтобы быть
полезной для студентов или аспирантов, она сопровождается многочис-
ленными ссылками на литературные источники, чтобы указать молодым
людям, изучающим этот предмет, направления дальнейшего поиска. Каж-
дая глава имеет также ряд вопросов и упражнений, предназначенных для
тестирования знаний читателя и расширения понимания предмета. В по-
мощь педагогам в комплекте и как часть второго издания идет руководство
с инструкциями, которое включает дополнительные задания и их решения.
Разработчики AП также найдут полезные сведения в этой книге, посколь-
ку она поможет им понять состояние дел в области и укажет возможности
для дальнейших исследований.
В новой редакции книги мы сделали ряд изменений по сравнению с из-
данием 2009 года. Кроме того, мы собрали всю возможную информацию
об изменениях в этой отрасли, которую разместили в ряде новых раз-
делов и глав. Так, была расширена глава о медицинских приложениях,
в нее мы включили обсуждение приложений для автомобильной и аэрокос-
мической отрасли. Представлена новая глава по быстрому изготовлению
оснастки, а также глава, посвященная недавним достижениям в секторе
недорогих AП. Мы вставили описание спектра последних технологиче-
ских инноваций, в том числе обсуждение нового формата файлов для
аддитивных технологий (Additive Manufacturing File Format), а также дру-
гие дополнения, сопровождающие стандартизацию AП в ASTM (American
Society for Testing and Materials Американское общество специалистов по
испытаниям материалов) и ISO. Мы обновили терминологию в тексте, что-
бы соответствовать терминологии, разработанной комитетом ASTM F42,
который также был принят в качестве международного стандарта ISO.
Во втором издании мы тщательно отредактировали текст, удалили ссыл-
ки на технологии, принадлежащие отдельным компаниям, а вместо этого
сосредоточились на технологических принципах и общем представлении
этих технологий. Мы разделили исходную главу, посвященную процессам
печати, на две главы: о разбрызгивании материала и связующего, чтобы
отразить стандартную терминологию и эволюцию этих процессов в раз-
ных направлениях. Мы уверены, что в результате этих многочисленных
дополнений и изменений настоящее издание стало более полным.
Однако, несмотря на наши усилия, мы понимаем, что книга о такой
быстро меняющейся технологии не долго будет источником самой свежей
информации. Поэтому мы будем обновлять наш курс на сайте http://www.
springer.com/978-1-4419-1119-3, публикуя там дополнительные домашние
упражнения для студентов и новые материалы для педагогов. Если у вас
есть комментарии, вопросы или предложения по улучшению, они будут
только приветствоваться. Мы ожидаем обновления этой книги в будущем
и с нетерпением ждем ваших комментариев о том, как вы использовали
эти материалы, и пожеланий по улучшению нашей книги.
Как упоминалось ранее, каждый автор является признанным специа-
листом в области аддитивных технологий, имеющим многолетний опыт
работы и исследований. Кроме того, во многих отношениях появление
этой книги стало возможным только благодаря участию в наших работах
студентов и коллег, с которыми мы сотрудничали на протяжении многих
лет. Для представления авторов и некоторых других участников процесса
издания книги мы заканчиваем это предисловие краткими биографиями
авторов и благодарностями.
Ян Гибсон (Сингапур),
Давид Розен (Атланта, Джорджия, США),
Брент Стакер (Луисвилл, Кентукки, США)
Благодарности
Доктор Брент Стакер благодарит штатЮта и Технический исследователь-
ский центр VTT Финляндии за предоставление времени для работы над
первым изданием этой книги и творческого отпуска в Хельсинки; а также
Университет Луисвилля за свободный график преподавательской работы
и создание условий для творчества, которые были так необходимы для за-
вершения второго издания книги. Кроме того, написание большей части
этой книги не стало бы возможным без исследований аспирантов и док-
торантов, которые работали с доктором Стакером на протяжении многих
лет. В частности, он хотел бы поблагодарить доктора Г.Д. Джанаки Рам
из Индийского технологического института в Мадрасе, который выступил
соавтором главы ¾Аддитивные технологии на основе послойного синтеза¿
в справочнике CRC Materials Processing Handbook. Эта его работа очень
помогла со структурированием текста нашей книги. Кроме того, работы
следующих студентов стали частью информации, излагаемой в этой кни-
ге и в сопровождающих ее учебных заданиях: Муни Малхотра, Сючжи
Ку, Карсон Эсплин, Адам Смит, Джошуа Джордж, Кристофер Робинсон,
Янжи Ян, Мэтью Суонк, Джон Обелодан, Кай Цзэн, Хайцзюнь Гун, Сяо-
дун Син, Хенфен Гу, Мд. Анам, Хачикет Патил и Дипанкар Пал. Особую
благодарность доктор Стакер выражает своей жене Гейл и детям Тристи,
Эндрю, Меган и Эмме, которые терпеливо поддерживали его во время
работы над этой книгой в течение многих дней и вечеров.
Профессор Давид У. Розен выражает благодарность Технологическому
институту Джорджии за поддержку и благодарит многих аспирантов и
постдоков, которые своими работами способствовали созданию этой книги.
В частности, этого доктора: Фэй Дин, Амит Джаривала, Скотт Джонстон,
Амейя Лимайе, Дж. Марк Мичем, Беней Сагер, Л. Ангела Це, Гончинь
Ван, Крис Уильямс, Юн Ян и Венчао Чжоу, а также Лорен Марголин и
Ксиаюн Чжао. Особая благодарность его жене Джоан и детям Эрику и
Кристе за их терпение, которое они проявляли к нему во время работы
над этой книгой.
Профессор Ян Гибсон хотел бы отметить поддержку Университета Ди-
кин, которая выражалась в предоставлении достаточного времени для его
работы над этой книгой. Л.К. Ананд также помог в подготовке многих
рисунков и изображений для написанных Я. Гибсоном глав. Наконец, он
хотел бы поблагодарить свою любимую жену Лину за ее терпение, любовь,
понимание, проявленные в течение долгих часов подготовки материала и
написания глав. Он также посвящает эту книгу своему покойному отцу
Роберту Эрвину Гибсону и надеется, что он бы гордился этим замечатель-
ным достижением своего сына.
ГЛАВА 1. ВВЕДЕНИЕ И ОПИСАНИЕ ОСНОВНЫХ ПРИНЦИПОВ
Аннотация
Технология, описанная в этой книге, изначально была названа быстрым
прототипированием. Термин «быстрое прототипирование» (БП, RP —
Rapid Prototyping) используется в различных отраслях промышленности
для описания процесса быстрого изготовления модели или макета сис-
темы или ее части перед окончательным запуском в производство или
коммерциализацией. Иными словами, акцент делается на быстром созда-
нии прототипа или базовой модели, на основе которой можно было бы
в дальнейшем разрабатывать более точные модели и в итоге получить
конечный продукт. Консультанты по вопросам управления и инженеры-
программисты используют термин «быстрое прототипирование» для опи-
сания своих процессов развития бизнеса и программных подходов в виде
кусочно-слоеных моделей-прототипов, что позволяет клиентам и другим
заинтересованным сторонам проверить реализацию идеи и обеспечить об-
ратную связь в процессе разработки. В контексте разработки продукции
термин .быстрое прототипирование. широко используется для описания
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным. Эта книга посвящена именно таким новейшим тех-
нологиям, разработанным для изготовления прототипов, но в настоящее
время применяющимся и для многих других целей.
1.1. Что такое аддитивное производство?
Аддитивное производство — это официальный термин для обозначения
процессов, которые ранее определялись как быстрое прототипирование,
а в широком использовании — Трехмерная печать. Термин «быстрое про-
тотипировани» (БП, RP — Rapid Prototyping) используется в различных
отраслях промышленности для описания быстрого представления системы
или ее части перед выпуском конечного продукта или коммерциализацией.
Иными словами, акцент сделан на быстром создании прототипа изделия —
опытного образца, на основе которого происходит дальнейшее уточняющее
моделирование и в конце концов разработка конечного продукта. Консуль-
танты по вопросам управления и программисты также используют термин
"быстрое прототипирование" для описания процесса развития бизнеса и
программных продуктов кусочно-слоеными прототипами, что позволяет
клиентам и другим заинтересованным сторонам проверить идеи и обес-
печить обратную связь в процессе разработки. В контексте разработки
продукта термин "быстрое прототипирование" широко используется для
технологий, которые создают физические прототипы непосредственно по
цифровым данным моделирования. Наша книга посвящена именно таким
технологиям, изначально разработанным для прототипирования, но в на-
стоящее время используемым для многих других целей.
Пользователи технологии БП пришли к выводу, что этот термин яв-
ляется недостаточным и, в частности, не эффективно представляет бо-
лее поздние приложения технологии. Улучшение качества продукции и
оборудования для БП означало гораздо более тесную связь с конечным
продуктом. В настоящее время многие детали изготавливаются сразу на
подобном оборудовании, поэтому мы не имеем права называть их про-
тотипами. Термин "быстрое прототипирование" также указывает на ос-
новной принцип этих технологий, который заключается в изготовлении
всех изделий аддитивным методом. Недавно созданный в рамках ASTM
International (American Society for Testing and Materials — Американско-
го общества специалистов по тестированию материалов) Технический ко-
митет принял решение о введении новой терминологии. Несмотря на то
что данное решение все еще находится в стадии обсуждения, в принятых
ASTM в последнее время стандартах используется термин "аддитивное
производство" (АП) [1].
Основной принцип технологии АП заключается в том, что модель пер-
воначально генерируется с использованием системы трехмерного автома-
тизированного проектирования (3D САПР, 3D CAD — Computer-Aided
Design), а изделие изготавливается непосредственно без необходимости
планирования процесса. Хотя в реальности все выглядит далеко не так
просто, АП, конечно, значительно упрощает процесс производства слож-
ных трехмерных объектов прямо по данным САПР. Другие (традици-
онные) производственные процессы требуют тщательного и детального
анализа геометрической формы и размеров детали, чтобы определить по-
рядок обработки поверхностей, выбор инструментов и процессов техноло-
гической цепочки, потребность в дополнительной оснастке для финишной
обработки изделия. АП, в отличие от них, нужны только некоторые ос-
новные данные о размерах, некоторое знание о принципах работы машин
АП и свойствах материалов, выбранных для данного изделия.
Ключом к пониманию АП является принцип изготовления изделия —
послойное добавление материала, причем каждый слой представляет со-
бой тонкий поперечный срез изделия, информация обо всех параметрах
которого содержится в исходных данных САПР. Очевидно, что на физи-
ческом уровне каждый слой должен иметь конечную толщину, поэтому
получающееся в итоге изделие будет приближением к исходной вирту-
альной модели, как показано на рис. 1.1. Чем тоньше каждый слой, тем
ближе конечная деталь к оригиналу. Все коммерциализованные на сего-
дняшний день машины АП используют послойный подход и отличаются
друг от друга только используемыми материалами, методами создания
слоев и соединения слоев друг с другом. Этими различиями определяются
точность соответствия конечного изделия заданной модели и его физико-
механические свойства. Они также определяют время изготовления де-
тали, необходимость финишной обработки, размер машины АП, общую
стоимость машины и всего процесса.
В этой главе мы хотим ввести основные понятия АП и описать об-
щий процесс AП от проектирования до изготовления конкретных изделий.
Далее мы обсудим влияние АП на проектирование и производство и попы-
таемся разобраться, как в этом контексте может измениться весь процесс
разработки продукта. Поскольку АП становится все более важным элемен-
том проектирования и разработки изделий, глава завершается обсужде-
нием некоторых соответствующих инструментов, необходимых в процессе
разработки продукта.
1.2. Где используются изделия АП?
В этой книге вы найдете описание широкого спектра приложений AП. Вы
также узнаете, что их количество растет по мере развития и совершенство-
вания технологических процессов. Первоначально АП применялось только
для создания презентационных моделей изделий во время их разработки.
Широко известно, что модели гораздо нагляднее и полезнее для оценки
проекта, чем чертежи или визуализация, поскольку помогают в полной ме-
ре понят