Під поняттям (additive) «додавання», що є протилежним до поняття (subtractive) видалення «віднімання» матеріалу з масиву заготовки, зазвичай розуміють технологію пошарової побудови виробу. Цю технологію також мають на увазі, коли використовують терміни пошаровий синтез, «вирощування», 3D-друк, прототипування.

В кінці 80-х років минулого століття було створено технологію тривимірного друку, цього вдалося досягти завдяки розробці компанією 3D Systems першої стереолітографічної машини SLA – Stereolithography Apparatus (1986 р). Через високу вартість технології та вузький вибір модельних матеріалів перші лазерні стереографічні SLA-машини та порошкові SLS-машини використовували головним чином в науково-дослідній діяльності. Широке поширення цифрових технологій за останні десятиліття в області проектування(CAD), моделювання і розрахунків(CAE) та механічної обробки(CAM)зумовили надзвичайно швидкий розвиток адитивних технологій.

Чіткої класифікації адитивних технологій на даний час не існує, але їх можна розділити за такими групами:

• за модельними матеріалами, що використовуються (рідкі, сипучі, полімерні, металопорошкові та ін.);
• за наявністю чи відсутністю використання лазеру;
• за методами підводу енергії для фіксації побудованого шару (за допомогою теплової дії, опромінення ультрафіолетовим чи видимим світлом, завдяки зв’язуючим і ін.);
• за методами формування шару, тощо.

ASTM International-AmericanSocietyforTestingandMaterials, організація в США, яка займається розробкою технічних стандартів для широкого спектру матеріалів, систем та послуг, в тому числі адитивних технологій розділяє їх на 7 категорій.

В першій технології Material extrusion (технологія видавлювання) матеріал пропускають через сопло, де він нагрівається, а потім наноситься шар по шару на будівельну платформу. Сопло може рухатися горизонтально, а платформа – по вертикалі після того, як накладається кожний новий шар. Шари матеріалу з’єднуються під дією температури або за допомогою хімічних речовин. Матеріал часто подається до машини у вигляді котушки (рис.1). Рис. 1. Технологія Material extrusion

Наступна технологія Material Jetting (струменева технологія) є однією з стандартних технологій 3D-друку, що придатна як для настільної версії 3D-принтерів так і промислових. 3D-модель будується на будівельній поверхні, до якої краплеподібно або безперервно подають розчин будівельного матеріалу, кожний шар якого потім твердіє під дією ультрафіолетового випромінювання.

Типовий пристрій для такого 3D-друку має голівку принтера, що складається з двох форсунок та джерела ультрафіолетового випромінювання (УВ). Одна форсунка використовується для нагрівання будівельного матеріалу, а інша форсунка використовується для струменю матеріалу підтримки (рис.2). Рис. 2. Технологія Material Jetting

Матеріал підтримки не є частиною моделі, але, як правило, розміщується вздовж будівельного матеріалу для фіксації моделі. Тому головка принтера забезпечує послідовне нанесення будівельного матеріалу та матеріалу підтримок, в той час як джерело УВ спрямовує випромінювання на щойно нанесений матеріал. Після закінчення побудови та твердіння моделі вилучають підтримки.

В наступній технології Binder Jetting використовують два матеріали: порошковий та зв'язувальний. Зв'язувальний матеріал діє як клей між шарами порошку. Друкована голівка рухається по горизонталі вздовж осі x і y машини і наносить почергово шари основного та зв’язувального матеріалу. Після кожного шару, надрукований об’єкт опускають на платформі (рис. 3). Надрукований об'єкт самостійно тримається в порошковому шарі і видаляється з нього після завершення друку.

Технологія Sheet Lamination включає в себе ультразвукове адитивне виробництво (UAM) та виробництво листових об'єктів (LOM). В ультразвуковому адитивному виробництві листи або стрічки з металу з'єднують разом за допомогою ультразвукового зварювання (рис.4). Процес вимагає додаткової механічної обробки і видалення не звареного металу. Рис. 3.BinderJetting

Рис. 4.SheetLamination

У технології виробництва листових об'єктів (LOM) також йде пошарове будування, але як матеріал використовується папір та клей замість зварювання. Такий друк часто використовуються для естетичних і візуальних моделей, але він не підходить для структурного використання. В технології UAM використовуються метали включаючи алюміній, мідь, нержавіючу сталь та титан. Процес низькотемпературний і дозволяє створювати складну внутрішню геометрію.

П’ятою адитивною технологією є Vat Photopolymerization. Вона = заснована на зміцненні фотополімерів під впливом ультрафіолетового випромінювання. Є два загальні методи цієї технології: стереолітографія(SLA) та безперервна рідка побудова моделі(CLIP).

В стереолітографії3D-модель будується на платформі, яка занурюється в смолу на глибину одного шару. При направленні випромінювання у конкретні координати відбувається твердіння рідкої смоли в цьому шарі. Після створення шару платформа піднімається і модель вилучають з смоли (рис. 5). Рис. 5. Стереолітографія Потім її знову поміщають в смолу, на таку глибину щоб всі побудовані шари були занурені в смолу, для створення наступного шару. Для фіксації моделі в смолі використовуються підтримки.

У технології CLIP лазерний проектор розташований у нижній частині, а порошкова смола в контейнері, має проникне кисневе вікно між лазерним проектором та смолою, що дозволяє виконувати швидке безперервне будівництво 3D-моделі і здатне змінювати імпульси ультрафіолетового випромінювання. Проникне кисневе вікно створює мертву зону між залишками рідких смол, відмінними від смоли, що піддається впливу випромінювання (рис. 6). Рис. 6. Технологія CLIP

Це дозволяє проводити випромінювання через побудований шар без зупинки побудови, що пришвидшує процес. Шоста категорія Powder Bed Fusion включає в себе наступні широко використовувані методи друку: пряме лазерне спікання металу (DMLS), електронно-променеве плавлення (EBM), вибіркове термічне спікання (SHS), селективне лазерне розплавлення (SLM) та вибіркове лазерне спікання (SLS).

Методи Powder Fusion (PF) використовують лазер або електронний промінь для розплавлення та сплавлення порошку матеріалу між собою. Електронно-променеве спікання (EBM) вимагає вакууму, але може використовуватися з металами та сплавами при створенні функціональних частин.

Всі методи цієї технології включають розповсюдження порошкового матеріалу над попередніми шарами. Для цього використовують різні механізми, включаючи ролик або лезо. Бункер або резервуар забезпечує свіжий запас матеріалу (рис. 7). Пряме лазерне спікання металом (DMLS) таке ж, як і SLS, але з використовує метал, а не пластмаси. Вибіркове термічне спікання відрізняється від інших процесів використанням нагрітої термічної друкарської голівки, щоб з'єднати порошковий матеріал між собою. Як і в попередніх технологіях, шари додають роликом між сплавленнями.

В останню сьому категорію Directed energy deposition входять технології, в яких матеріал та енергію підводять одночасно в місце побудови. Це більш складний процес друку, який зазвичай використовується для відновлення або додавання додаткового матеріалу до існуючих об’єктів.

Типова машина DED складається з сопла, встановленого на багатоосьовій«руці», яка вкладає розплавлений матеріал на вказану поверхню, де вона твердіє. Процес принципово схожий наMaterialExtrusion, але сопло може рухатися в декількох напрямках і не закріплене на певній осі.

Матеріал, який може бути нанесений з будь-якого кута, розплавляється під дією лазеру або електронного променю. Процес можна використати для полімерів, кераміки, але зазвичай його використовують для металевого порошку або дроту. Типовим застосуванням технології є ремонт і поновлення конструкційних деталей.

Рис. 7. Powder Bed Fusion

Рис. 8. Directedenergydeposition

В ливарному виробництві знайшли своє застосування такі технології: Materialextrusion, MaterialJetting, Binderjetting, Vatphotopolymerization, Powderbedfusion та Directedenergydeposition.

Література:

1. Аддитивные технологии и изделия из метала Довбыш В.М., Забеднов П.В., Зленко М.А.
2. Андрощук Г.О. 3D-друк в епоху інноваційних технологій: проблеми регулювання / Г.О. Андрощук, Я.В. Копил // Інтелектуальна власність в Україні. – 2016. – № 5. – С. 17–26.