3 ключевые задачи для широкомасштабного распространения аддитивного производства

Май 20, 2019
Бизнес

Аддиативное производство

Когда, почти 40 лет назад, концепция аддитивного производства (АМ) впервые вошла в общественную сферу, ее приложения были в основном сфокусированы на изготовлении небольших сложных изделий из пластмассовых полимеров. За прошедшие десятилетия наше понимание потенциальных преимуществ аддитивного производства расширилось, а затраты сократились, что привело к таким прорывам, как изготовление органов и протезирование, и распространению по всему миру 3D-принтеров в классах К-12.

Сегодня аддитивное производство может открыть новые сложные возможности проектирования и производства для промышленных компаний, позволяя производителям изготавливать индивидуальные товары и быстрее доставлять детали. Тем не менее, мощные машины, необходимые для аддитивного производства критически важных деталей с использованием современных материалов, намного сложнее, чем классная модель, особенно в промышленном масштабе.

Согласно отчету Wohler за 2019 год, аддитивное производство составляет всего 0,077% всего мирового производства. Хотя обещание аддитивного производства побуждает все больше компаний экспериментировать с этой технологией, прежде чем мы увидим широкое распространение методов аддитивного производства, необходимо решить три ключевых отраслевых задачи: сертификация аддитивных деталей, набор инструментов для проектирования и обучение инженеров.

Задача №1: Сертификация

Для того, чтобы деталь, изготовленная с использованием аддитивного производства (AM), могла перейти от концептуального проекта к коммерческому или военному аэрокосмическому использованию, регулирующие органы должны сначала одобрить ее. В то время как обычные детали изготавливаются с преимуществами многолетних знаний в производственных процессах, различных типов потенциальных дефектов и опыта эксплуатации, процесс сертификации деталей AM должен быть более строгим, потому что это все еще развивающаяся технология. В AM свойства материала сильно зависят от локальной термической истории в той степени, в которой микроструктура материала (размер и форма зерна) может быть различной в плоскости XY и в направлении сборки (Z). Кроме того, свойства материала могут варьироваться от одного места в части к другому в зависимости от конструктивных особенностей.

Во многих отношениях компании-производители обязаны продемонстрировать органам по сертификации, таким как Федеральное авиационное управление (FAA), Агентство по авиационной безопасности Европейского союза (EASA) и Министерство обороны (DoD), что изготовленные с добавлением детали соответствуют замыслу проекта. Мы также должны продемонстрировать глубокое понимание ключевых переменных процесса и их влияния на свойства материала и проектные пределы.

Наилучшим способом решения этой проблемы для отрасли является развитие основанного на физике понимания процесса, определение ключевых переменных процесса, разработка методов внутрипроцессного мониторинга и проверка методологии использования аэрокосмических компонентов различной сложности.

Задача №2: Дизайн

Одним из обещаний аддитивного производства является то, что оно откроет новую эру свободы проектирования для инженеров. Аддитивное производство позволяет инженерам использовать в своих конструкциях новые органические формы, которые могут быть легче и иметь лучшую производительность, чем обычные детали.

Однако, чтобы использовать эту свободу проектирования, нам нужны правильные инструменты и методы для инженеров, чтобы изменить их взгляды на концепции дизайна и интегрировать эти новые методы в существующие рабочие процессы. В то время как сложность поставляется бесплатно, существуют ограничения в типе функций и размеров деталей, которые могут быть построены. За последние несколько лет появилось несколько инструментов, которые позволяют оптимизировать топологию деталей для повышения жесткости и снижения веса, однако очень немногие, если таковые имеются, включают в себя процесс AM или ограничения сборки. Кроме того, для большинства деталей AM требуются операции механической обработки после сборки, и включение этих требований во время концептуального проектирования может минимизировать итерации конструкции.

Ответ заключается в разработке сквозной цепочки инструментов, которая охватывает весь поток создания ценности AM: от проектирования деталей, ориентации сборки и ограничений, специфичных для процесса, до соображений по удалению порошка и производственных операций после сборки, таких как фрезерование.

Задача №3: Тренинг для инженеров

Аддитивное производство все еще созревает, и оно создает уникальные кадровые проблемы, поскольку компании стремятся привлечь новых специалистов и переобучить существующую инженерную базу.

В то время как молодые инженеры, работающие в этой области, могли использовать инструменты 3D-печати в школьных условиях, более опытным инженерам, привыкшим работать в рамках традиционных производственных ограничений, потребуется дополнительное обучение, чтобы открыть им возможности аддитивного производства. Эта проблема усугубляется, если 20 000–30 000 инженеров нуждаются в переподготовке, и компаниям необходимо найти способы интегрировать это обучение со стандартной повседневной работой.

Промышленность широко признает эту проблему, и существует ряд третьих сторон, предлагающих учебные курсы AM и программы сертификации для работающих инженеров. В академических кругах такие университеты, как MIT, Penn State и Purdue University, думают об этой проблеме и предлагают дополнительные программы сертификации, но это еще рано. Хотя сейчас вы не можете получить 4-летнюю степень инженера по AM, я ожидаю, что мы увидим несовершеннолетних и междисциплинарные программы BS в AM в первой половине следующего десятилетия.

В United Technologies Corp. мы решаем эту проблему, внедряя новую внутреннюю учебную программу под названием Additive Experience или AddEx, которая предлагает нашим инженерам возможность участвовать в практических практических демонстрациях и лекциях по аддитивному производству в течение двух дней.

Мы обнаружили, что с помощью этой конкретной технологии практический опыт, такой как AddEx, является лучшим способом привить культуру понимания и изменений в инженерных и операционных функциях UTC. Эта программа помогает нам выйти за рамки существующих ограниченных подходов к проектированию и полностью использовать возможности аддитивного производства — предусмотреть детали, которые невозможно изготовить обычным способом.

Хотя эти три проблемы могут показаться сложными, я считаю, что будущее инноваций в аддитивное производство является светлым. Если мы собираемся раскрыть его обещание в масштабе, нам нужно работать вместе как отрасль, чтобы делиться накопленным опытом и разрабатывать лучшие практики.