5 възможности за приложение на 3D принтирането в производството

3D печатът постепенно променя начина, по който производителите създават своите продукти – от намаляване на разходите за изработка на приспособления и производствени инструменти до производство на крайни детайли, готови за употреба. В този документ ще разгледаме пет от най-често срещаните приложения на 3D принтирането, подкрепени с реални примери от компании, които използват вътрешно внедрени стереолитографски (SLA) и SLS 3D принтери. Те успяват да намалят разходите, да спестят време, да подобрят качеството и да ускорят пускането на иновативни продукти на пазара.

Комуникационни модели

Днес производителите са изправени пред все по-сложни задачи и необходимостта да разработват компоненти с висока степен на сложност непрекъснато расте. Това е особено валидно за индустрии като авиацията, отбранителния сектор и медицината, където технологичният напредък се развива с бързи темпове, а прецизните детайли и сглобки с високи стандарти за качество често са по-важни от самата цена.

При сложните компоненти традиционните двумерни технически чертежи невинаги са достатъчни. Те могат да доведат до неясноти и различни тълкувания – дори от опитни оператори и специалисти. 3D принтирането елиминира подобни рискове, като позволява лесно създаване на физически модели, които пресъздават реалната триизмерна геометрия на детайлите и сглобките. Това дава възможност на операторите и монтажните екипи бързо да се ориентират, да избегнат скъпоструващи грешки и да оптимизират работния процес.

3D комуникационните модели са ценен инструмент и за инженерите при работата им с външни производствени партньори, както и обратното. Инженерите трябва да са сигурни, че производителите разбират напълно геометрията и особеностите на дадените компоненти, а производителите от своя страна търсят начини да оптимизират разходите, без да правят компромис с изискванията към продукта.

Използването на споделени физически модели гарантира, че и двете страни работят с една и съща представа за крайния резултат – особено когато проектите се развиват динамично и се налагат бързи промени и оптимизации в късен етап на дизайна и подготовката за производство (DFM/A).

Практически пример: A&M Tool and Design

A&M Tool and Design е компания, специализирана във високопрецизна механична обработка и метални конструкции, която произвежда компоненти и сглобки за индустриално оборудване, роботика и авиационната индустрия. При работа с голямо разнообразие от изделия и висока степен на сложност, ясното предаване на инженерния замисъл е от ключово значение за поддържане на качеството и постигане на постоянни производствени резултати.

Компанията използва стереолитографски (SLA) 3D принтери на Formlabs за създаване на високодетайлни комуникационни модели, чрез които представя сложни машинно обработени детайли, заварени конструкции и различни монтажни решения по по-ясен и разбираем начин.

Заварчик в A&M Tool and Design сравнява 3D принтиран модел с финалната заварена конструкция в реален размер.

Шаблони и производствени приспособления

Традиционно много производители възлагат изработката на помощни производствени елементи – като шаблони, приспособления и специализирани инструменти – на външни изпълнители. Това позволява намаляване на организационната сложност и избягване на инвестиции в допълнително оборудване.

Постигането на разумна възвръщаемост при вътрешното производство на подобни елементи чрез традиционни методи често е трудно. Причините са високата цена на оборудването и необходимостта от квалифицирани специалисти за работа с него. Освен това вътрешните машинни оператори и технолози обикновено са ангажирани с основното производство и рядко могат да реагират бързо на спешни вътрешни заявки за изработка на единични или специфични детайли.

С развитието на 3D принтерите и новите инженерни материали обаче технологията вече предлага реална алтернатива на традиционно обработваните компоненти. Все повече производители връщат изработката на шаблони и приспособления обратно вътре в компанията.

Нека разгледаме как предприятията интегрират адитивното производство в своите процеси и какви икономии постигат. Традиционният процес за създаване на шаблони и приспособления в повечето компании обикновено включва следните стъпки:

Идентифициране на необходимостта
Проектиране на шаблона или приспособлението
Подготовка на конструкцията за производство чрез DFM процес (най-често машинна обработка)
Изпращане на запитвания към външни производители и нанасяне на необходимите корекции
Поръчка на детайлите
Изработка от външния изпълнител
Доставка до производствената база
Интегриране на шаблона или приспособлението в производствената или монтажната линия

След този етап, ако по време на използването на шаблона или приспособлението бъдат открити проблеми или възможности за подобрение, процесът често трябва да започне отначало или вече изработените компоненти да бъдат преработени. Това води до допълнителни разходи, забавяния и по-ниска ефективност.

При адитивното производство процесът е значително по-кратък и по-гъвкав:

Идентифициране на необходимостта
Проектиране на шаблона или приспособлението
Вътрешно производство чрез 3D принтиране
Внедряване в производствената или монтажната линия

Този подход позволява значително по-бързо изпълнение, по-лесни промени и оптимизации, както и по-ниски разходи при последващи корекции.

При адитивните производствени процеси за създаване на шаблони и приспособления обикновено се изисква минимална или дори никаква допълнителна подготовка за производство (DFM). Освен това, когато производството се извършва вътрешно, отпада необходимостта от търсене на оферти, координация с външни доставчици и изчакване на доставка, което често отнема дни.

Това позволява на компаниите значително да съкратят времето от идея до реално внедряване, като същевременно повишават гъвкавостта и контрола върху процеса.

Практически пример: Eaton

В Eaton – международен производствен лидер в сферите на електротехниката, комуналните услуги и транспорта – вътрешното производство на шаблони и приспособления чрез 3D печат води до значително намаляване на разходите и престоя в производствените процеси.

В завода на компанията в Олийн, щата Ню Йорк, всеки ден през производствения поток преминават около 15 000 металоксидни варистора (MOV). Те се обработват чрез последователен производствен процес, в който суровият материал преминава през множество етапи – пресоване, боядисване, шлифоване до постигане на паралелност, заваряване, тестване и финално сглобяване в готов продукт: ограничители на пренапрежение за електрически стълбове и подстанции.

При наличието на толкова много машини, роботи и движещи се механизми, екипът в Олийн има постоянна необходимост от производствени консумативи и помощни средства. Те включват шаблони, приспособления, инструменти за роботизирани манипулатори (EOAT), елементи за автоматизация, резервни части и други специализирани компоненти.

Традиционно тези елементи са били изработвани чрез механична обработка на масивни блокове Delrin. Днес обаче те се произвеждат чрез SLS 3D принтиране с Formlabs Fuse Series, използвайки Nylon 12 Powder.

„Очаквахме инвестицията във Fuse системата да се изплати за около девет месеца. В крайна сметка постигнахме тази възвръщаемост само за шест“, споделя TJ Zurell, старши производствен инженер в Eaton – Олийн.

TJ Zurell, старши производствен инженер в завода на Eaton в Олийн, демонстрира разликата между традиционно машинно обработено производствено помощно средство и негов еквивалент, произведен чрез SLS 3D принтиране.

Валидиране на производството

В последните етапи от разработката на даден продукт е изключително важно да се оцени доколко всеки компонент и сглобка могат да бъдат произведени ефективно и без риск. Все повече инженери днес възприемат 3D принтирането като ценен инструмент за различни процеси по валидиране на производството – от създаване на бързи и икономични производствени инструменти до разработване на персонализирани тестови приспособления и помощни компоненти за изпитване на производствени процеси.

Често 3D принтираните детайли се използват като заместители на реалните компоненти – т.нар. сурогатни детайли. Те позволяват точно възпроизвеждане на геометрията, етапите на сглобяване или други характеристики на продукта по време на производствените изпитвания.

Използването на подобни модели носи две ключови предимства:

Производствените и монтажните линии могат да започнат работа, без да се чака доставка на компоненти с дълги срокове за производство.
Скъпоструващи сглобки и подкомпоненти се предпазват от повреда по време на настройка и оптимизация на процесите.

3D принтираните инструменти също така позволяват да се провери дали дадена геометрия ще работи успешно в крайния материал, без необходимост от инвестиции в твърда инструментална екипировка, която обикновено изисква по-високи разходи и значително повече време.

Шприцформи за леене под налягане, шаблони за вакуумно формоване, форми за восъчно леене и модели за прецизно леене могат лесно да бъдат изработени със SLA материали. Това дава възможност на инженерите да тестват нови продукти и компоненти с минимален риск чрез бързо вътрешно производство на необходимите инструменти и модели.

Практически пример: Google ATAP

Екипът на Google Advanced Technology and Projects (ATAP) използва 3D принтирани сурогатни детайли, за да ускори процеса по валидиране на производството и да предотврати загуби на стойност приблизително 100 000 долара от бракувани сглобки.

Настройването на процеса по формоване за ново носимо устройство се оказва сериозно предизвикателство. Причината е сложният многокомпонентен процес на шприцоване (multi-shot molding), както и фините и деликатни характеристики на електронните компоненти.

Екипът на ATAP намира практично решение: вместо да извършват формоването върху напълно оборудвани печатни платки, използват 3D принтирани заместители със същата геометрия като реалните платки.

Този подход позволява по време на настройките и тестовете да се използват евтини 3D принтирани модели вместо скъпи печатни платки. Така производственият екип получава значително повече свобода да оптимизира процеса, без риск от унищожаване на електронни сглобки на стойност десетки хиляди долари.

Директно производство на крайни детайли чрез 3D принтиране

Използването на 3D принтирането като финален производствен процес за изработка на крайни компоненти е сред най-новите и най-бързо развиващите се приложения на технологията.

Напредъкът в материалознанието, софтуерите за управление на производствени процеси и автоматизацията правят 3D принтирането все по-конкурентно спрямо традиционните производствени методи – особено при производство на малки серии с голямо разнообразие от продукти.

Технологията е особено подходяща за изделия, които:

изискват висока степен на персонализация;
се произвеждат в ограничени количества;
разчитат на сложни геометрии, невъзможни или трудно постижими с традиционните методи;
получават функционални и конструктивни предимства благодарение на свободата на дизайна, която 3D печатът предлага.

Практически пример: Nudge

Компанията за разработка на медицински устройства Nudge използва Form 4L за производството на устройството Nudge Zero. Очаква се Nudge Zero да бъде сертифицирано като медицинско изделие клас II, използващо нискоинтензивен фокусиран ултразвук за бъдещо лечение на различни неврологични състояния – от зависимост към опиоиди и шум в ушите до депресия.

Компонентите на устройството трябва да отговарят на изключително високи изисквания, включително възможност за работа в среда на магнитен резонанс (MRI). В същото време инженерният екип има нужда да извършва нови итерации и промени в рамките на ден или дори по-малко.

Само преди няколко години производството на подобни компоненти би било изключително трудно или практически невъзможно. Благодарение на развитието на 3D технологиите и новите материали, днес екипът на Nudge може да проектира, тества и създава нови версии вътрешно – за по-малко от един ден.

Nudge Zero се състои от три основни модула:

Основен модул (Core) – ултразвукова фазирана система с голям брой канали, интегрирана в конструкция тип шлем, съвместима с MRI апарати.
Мобилна система (Cart) – модул, който обезгазява, дейонизира и подгрява водата, необходима за работата на ултразвуковия масив.
Управляваща електроника (Drive Electronics) – система, генерираща необходимите сигнали за управление и фокусиране на ултразвуковите вълни.

Както основният модул, така и мобилната система използват 3D принтирани компоненти, произведени чрез Form 4L, включително външния корпус на основния модул. Допълнителните силиконови елементи се отливат чрез форми, създадени с 3D принтиране — като целият процес се изпълнява за по-малко от един ден.

Практически пример: Ken Pillonel и концепцията „Фабрика на един човек“

Ken Pillonel – инженер и създател на популярния YouTube канал Exploring the Simulation – започва през 2024 г. да произвежда чрез SLS 3D принтиране крайни продукти като калъфи за AirPods и iPhone. До днес той вече е продал десетки хиляди 3D принтирани изделия на клиенти по целия свят.

Традиционните производствени методи, като леене под налягане, все още са – и вероятно ще останат още дълго – най-икономичният вариант за масово производство на потребителски продукти като калъфи за AirPods. Този подход е изключително ефективен за големи производители с ясно прогнозирано търсене и стабилни производствени обеми.

За по-малки производители като Pillonel обаче тези методи имат сериозни ограничения, особено когато става въпрос за гъвкавост при разработката и усъвършенстването на продукта.

За да бъде икономически оправдано, леенето под налягане изисква напълно завършен дизайн още от самото начало, без място за последващи подобрения и промени. Именно способността на Pillonel да реагира бързо, да събира обратна връзка и постоянно да подобрява продуктите си превръща идеята му в толкова успешна.

„Не избрах леене под налягане, защото обичам непрекъснато да подобрявам продуктите си, да получавам обратна връзка от клиентите и да ги правя възможно най-добри. При този метод всяка промяна в дизайна е много скъпа. Само инструменталната екипировка за един модел струваше 15 000 долара, а аз исках шест различни дизайна“, споделя Pillonel.

„Принтерите Fuse все още са сред най-достъпните решения на пазара. За мен инвестицията беше равностойна на цената на няколко форми. Ако трябваше да поръчам няколко външно изработени форми, това щеше да струва колкото цялата ми система. Но със собствено SLS производство имам възможност да създавам детайли години наред и да разработвам неограничен брой нови дизайни. Ако даден продукт не успее, просто мога да опитам следващ.“

Ken Pillonel, инженер и основател на Exploring the Simulation

Персонализирани инструментални адаптери и производствени помощни средства

Освен шаблони и приспособления, производителите често имат нужда от специализирани компоненти и механизми за производствени и монтажни процеси. Системи за подаване на детайли, инструменти за позициониране, роботизирани захвати (EOAT), маскиращи елементи и други помощни средства често изискват изцяло персонализирани решения.

Тези компоненти обикновено се характеризират със сложна геометрия, което ги прави скъпи и трудни за производство чрез традиционни методи като механична обработка или леене.

Практически пример: Производствени приспособления в The Factory Amsterdam

The Factory Amsterdam (TFA) – машинен производствен център, базиран в Ню Йорк и специализиран в автоматизация и бързо производство за клиенти в сфери като потребителска електроника, газови турбини и други индустрии – разполага с широк набор от производствени технологии. Сред тях са CNC обработка, струговане, лазерно рязане, обработка на листов материал и много други.

Въпреки това, когато става дума за създаването на помощна инструментална екипировка – инструменти, шаблони, приспособления, маски или други производствени помощни средства – TFA се нуждае от решение, което да бъде икономично, гъвкаво и надеждно, като същевременно да може да се реализира вътрешно.

Компанията редовно изпълнява производствени поръчки за метални компоненти в серии между 1 000 и 10 000 броя. CNC струговите машини трябва да бъдат настройвани за всеки нов продукт, а един от начините това да се постигне е чрез използване на стоманени цанги със сменяеми вложки.

Цангите се монтират в шпиндела и служат за надеждно фиксиране на суровия метален детайл, докато вложките представляват сменяеми елементи, които позволяват адаптиране към различни форми и геометрии на обработваните детайли без необходимост от смяна на цялата цанга.

Тези вложки са консумативен елемент, тъй като трябва да бъдат персонализирани за всяка конкретна поръчка. Те играят ролята на свързващ елемент между стандартизирана машина и уникален продукт със специфичен дизайн.

„Детайлите, които тези цанги захващат, често вече са частично обработени и имат необичайна форма. В такива случаи стандартната цанга невинаги е най-подходящото решение“, обяснява Matheus.

При промяна на дизайна могат да се използват обработваеми или универсални цанги, които впоследствие се модифицират, или комплекти със сменяеми елементи. Но всички тези варианти са свързани с допълнителни разходи и време за доставка.

„Дори обработваемите вложки за цанги струват по няколкостотин долара всяка и пристигат след около три седмици“, споделя Matheus.

С помощта на Fuse Series той може да произвежда необходимия брой комплекти чрез 3D принтиране при поискване, като цената на един комплект е едва около 7 долара.

SLS 3D принтирането е особено ефективно при производството на малки компоненти като тези вложки за цанги – консумативни елементи, които трябва да издържат целия производствен цикъл от 3 000 до 4 000 детайла и да понасят сериозни радиални натоварвания, генерирани от стругови машини, работещи при скорости до 3 000 оборота в минута.

Заключение

Макар този документ далеч да не обхваща всички възможни приложения на SLA и SLS 3D принтирането в производството, той ясно показва как развитието на материалите и значителното подобрение във функционалните характеристики на 3D принтираните детайли водят до все по-широко навлизане на технологията в реалните производствени процеси.

Богатата гама от материали, налични при SLA и SLS технологиите, позволява на производителите да изберат решение според конкретните си нужди – от здрави инженерни найлони, устойчиви на износване в производствена среда, до огнеустойчиви или електростатично разсейващи смоли. Днес вече съществуват материали, които правят възможни изцяло нови производствени приложения.

За производители както от малкия, така и от големия бизнес, 3D принтирането вече се превръща в задължителен инструмент в производствения арсенал. То осигурява по-голяма гъвкавост, по-ниски разходи и по-бързи процеси в сравнение с много традиционни методи за производство.

Ако искате да се запознаете по-детайлно с възможностите на материалите, можете да заявите безплатен мострен детайл, произведен чрез SLA или SLS технология. А ако желаете да оцените как вътрешното 3D производство може да намали разходите във вашата компания, свържете се с нашия екип.