3D-печать может помочь быстрее выпустить на рынок продукцию наилучшего качества.

Что такое 3D-печать?

Термин 3D-печать и “аддитивное производство” относится к процессам, которые автоматически строят объекты слой за слоем на основании данных, получаемых с компьютера. Технология уже с успехом используется во многих отраслях, включая транспорт, медицину, военное производство и образование. Она применяется при построении концептуальных моделей, функциональных прототипов, изготовлении оснастки и инструмента (таких как отливки и насадки на роботах-манипуляторах), и даже конечные изделия (такие как внутренние компоненты самолета). А в частности в аэрокосмической промышленности и медицине 3D-печать применяется еще шире. В некоторых источниках 3D-печать называют термином “быстрое прототипирование”, но этот термин не охватывает все известные применения технологии. В качестве материалов в 3D-печати как правило используют полимеры, пластики и в некоторых случаях металлы.

Самый ранний метод, стериолитография, был разработан в конце 1980-ых годов, но применение его было ограничено, потому что требовалось использовать токсичные химические элементы, а модели получались хрупкими. С того времени появились другие технологии, включая FDM (Fused Deposition Modeling). Технология FDM, разработанная в начале 1990-ых годов позволяла получать надежные модели из промышленного термопластика.

С момента начала развития технологий 3D-печати надежность систем и качество моделей возросло, вследствие чего расширились и области применения этих технологий. В тоже время цены на оборудование снизились до отметки, когда оно стало доступно даже небольшим компаниям. В докладе 2011 года компания Wohlers Associates предсказала, что общемировые ежегодные продажи систем аддитивного производства достигнет 15,000 единиц к 2015 году, что более чем вдвое выше по отношению к 2010 году. Наибольший рост намечается в сегменте недорогих профессиональных систем.

В технологии FDM программное обеспечение принтера в Windows сети пользователя поддерживает CAD данные в основных 3D форматах файлов, включая .stl, .wrl, .ply, .sfx. Некоторые продукты поддерживают также CT и MRI диагностические данные, моделирование белков и оцифрованные 3D-сканы. Программное обеспечение работает как драйвер обычного принтера, отправляя данные на 3D-принетер как задание, которое указывает 3D-принтеру, куда укладывать модельный материал и материал поддержки.

Нити модельного материала –пластики и материала растворимой поддержки нагреваются до полурасплавленного состояния, продавливаются через фильеры и точно осаждаются в очень тонкие слои. (Толщина слоя в технологии FDM варьируется от 0,127 мм до 0,330 мм в зависимости от системы) . Печатающая головка двигается в направлении координат X-Y , а модельное основание движется вдоль оси Z, таким образом модель и материал поддержки выстраиваются сверху вниз.

Растворимый материал поддержки (коричневый на рисунке) удерживает консольные части детали, во время построения модели, поэтому возможно построение сложных моделей, в том числе, когда одни части детали заключены внутри других, а также сборочных узлов с движущимися частями. Когда задание печати завершено, материал поддержки вымывается и модель готова к использованию или при желании к дополнительной финишной обработке или покраске.

Некоторые 3D принтеры имеют небольшие размеры и достаточно чистые для того, чтобы размещаться в офисном окружении внутри департамента или даже в отдельной комнате. Для сравнения большие системы прототипирования часто должны быть расположены централизовано и управляются выделенным штатом квалифицирванных сотрудников. Самый дешевый класс 3D-принтеров включает устройства для домашнего использования, которые покупаются для развлечения. Будучи притягательными для энтузиастов эти машины отличаются от небольших профессиональных систем, поскольку получаемые на них модели часто имеют низкое разрешение, неточные, неустойчивые и ненадежные.

Тенденции к доступности и простоте использования дают возможность применять профессиональные технологии 3D-печати инженерам и конструкторам на собственном оборудовании. Растущие ожидания того, что CAD-чертеж может стать реальным трехмерным объктом в течение некольких часов, меняют взгляд компаний на процесс проектирования. Он может быть более быстрым, эффективным и менее дорогостоящим.

Использование 3D-печати для ускорения проектирования

Чем дольше продукт остается в стадии проектирования, тем дольше он выводится на рынок, что означает снижение потенциальной прибыли компании. По результатам опроса читателей Product Design & Development в 2008 году время вывода на рынок было отмечено как наиболее критический фактор. Эта группа отметила, что собственно прототипирование является препятствием для быстрого вывода продуктов на рынок в 17% случаях.

Поскольку заказ 3D-печати у сторонних компаний дает те же результаты по качеству моделей, что и собственная 3D-печать, пример Graco иллюстрирует преимущества инвестирования в собственную машину. Высоко итеррационный процесс можно организовать в реальные сроки только тогда, когда инженеры могут сразу видеть результат изменений, вносимых в конструкцию. Собственная 3D-печать исключает задержки, связанные с доставкой и административные промедления, которые неизбежны при пользовании услугами прототипирования внешних компаний. С появлением доступных систем предприятия могут понять, что при необходимости изготовления хотя бы одной модели в месяц, более выгодно иметь свой 3D-принтер, чем пользоваться услугами аутсорсинга.

3D-печать позволяетсоздавать более эффективные конструкции

3D печать может увеличить шанс успешного запуска продукта за счет оценки большего количества вариантов констркуции.

В фирме промышленного дизайна Henk and I их Йоханенсбурга, ЮАР инженеры создавали и интенсивно тестировали новый вид мотора для очистителя бассейна, который хорошо работает с низко затратными энергосберегающими фильтрами. В результате уточняющего итеррационного процесса, проводившегося при помощи 3D-принтера была создана конструкция с высоким крутящим моментом. На стадии функционального тестирования 30 полученных на 3D-принтере прототипов чистили бассейны по всему миру. В результате была получена новая модель очистителя бассейна MX 8 для заказчика фирмы - Zodiac. Как сказал Henk van der Meijden из фирмы Henk and I создание инновационного мотора было бы невозможно без 3D печати.

Успешная разработка продукта требует его рассмотрения с разных точек зрения. С собственными 3D принтерами команда разработчиков может получить оценку концепции быстрее от всех участников процесса выпуска продукта. Оперативное взаимодействие с инженерами, маркетингом и службой обеспечения качества позволит конструкторам сделать настройки во время разработки и последующего тестирования.

Быстрое получение прототипов единственный путь обеспечить итеррацицонный процесс без увеличения времени разработки. Пользователи 3D-печати в аэрокосмической промышленности, автомобильной промышленности, промышленном дизайне и образовании отмечают увеличение скорости прототипирования от 43 до 96% при переходе от обычных методов к 3D-печати. Традиционные методы прототипирования это литье под давлением и CNC обработка, механообработка металла и двухмерная лазерная резка. В некоторых случаях потеря времени, связанная с механообработкой является основным фактором замедления создания прототипа.

Поскольку тенденция перехода к достпуной 3D-печати продолжает приводить к появлению большего количества децентрализованных машин, например, в департаментах или отдельных комнатах, возможности ускорять процесс разработки все больше увеличиваются.

Оптимизированный процесс разработки с большим числом итерраций создания прототипов может помочь минимизировать риск провала продукта. Поскольку 3D принтеры могут производить модели с точными характерными деталями и достаточно прочными, чтобы выдерживать тщательное тестирование, конструкторы могут быть более уверенными в своей работе. Кртме того, целостность и безопасность данных является первостепенным приоритетом в конкурентной среде. Поскольку передача конфиденциальных STL файлов с надежными поставщиками как правило безопасна, обладание собственным 3D принтером снимает всякое беспокойство, связанное с передачей интеллектуальной собственности сторонним организациям.

Внесение необходимых изменений на как можно более ранней стадии экономит деньги и время. Модели, напечатанные на 3D-принтере могут дать конструкторам и инженерам более полное понимание потенциала продукта на ранней стадии проектирования, чем другие медтоды, минимизируя опасность того, что проблемы останутся незамеченными до того времени, когда уже будет слишком поздно.

Компания Acist Medical Systems разрабатывает и производит устройства ввода констрастного вещества для кардиологии и радиологии. Компания использует напечатанные на 3D детали при функциональном тестировании, в приборах и конечных изделиях. В сложных узлах Acits использует напечатанные на 3D принтере пластиковые детали настолько эффективно, насколько возможно вместе с обычными деталями, печатными платами и интегральными схемами. В одном дисплее Acits уменьшила количество деталей от 15 до 7 за счет оценки сложной геометрии при помощи 3D-печати. Компания даже тестирует функциональные узлы, напечатанные на 3D с настройками клиентов, рзрабатывая проектные задачи с учетом реальных отзывов заказчиков перед массовым производством.

Применение 3D печати для снижения затрат на разаработку продукта

Стоимость приобретения профессиональной 3D системы печати может быть всего лишь 12500 Euro, что может быть удивительным для инженеров и конструкторов, которые уже заплатили за большую производственную 3D систему. Ежегодные эксплуатационные расходы также обычно меньше, отчасти потому, что 3D принтеры не требуют специальных условий установки или специальных знаний для запуска. Лизинг может смягчить ценовые барьеры, которые мешали применению 3D-технологий в прошлом. Прочие соопуствующие расходы - обслуживание принтера и затраты на материалы, которые варьируются в зависимости от использоания принтера. При выборе системы 3D печати принимают во внимание требования к месту установки, простоту использования и необходимость квалифицированного обслуживания, точность, надежность и размер моделей, доступность материалов, скорость и конечно стоимость.

Выбор подходящей системы во многом зависит от задач для решения которых она должна применяться. Однако нужно иметь ввиду обнаруживают новые возможности применения после приобретения 3D системы. Например, система приобретенная для функционального прототипирования, может оказаться полезной для изготовления проиводственной оснастки.

В компании Leptron разработчике удаленно пилотируемых вертолетов для правоохранительных органов, военного и гражданского использования инженеры использовали 3D-принтер для конструирования, тестирования и создания небольших беспилотников для наблюдения. RDASS 4 имеет 8 модульных компонентов фюзеляжа, которые можно сочетать для различного использования. Проектирование полного беспилотного самолета и тестирование его в условиях аварийной посадки требовало итерацционного подхода из 200 конструкторских изменений, включающих увеличение прочности и улучшение аэродинамики. Собственная 3D-печать снизила расходы на разработку продукта на 60% по сравнению с методом литья под давлением. Более того, проект мог оказаться коммерчески не выгодным без 6 месячного выигрыша по времени, который обеспечила 3D печать при выводе беспилотника на рынок.

3D печать обеспечивает экономически высокоэффктивные средства выполения многочисленных итерраций и получение немедленной обратной связи вовремя критической начальной стадии процесса разработки. Возможность быстро уточнить форму, совместимость и функциональность может значительно улменьшить стоимость и время вывода продукции на рынок. Это может создать существенное конкурентное преимущество компаниям, которые используют 3D-печать в качестве составной части процесса конструирования.

Снижающаяся стоимость 3D-принтеров будет продолжать расширять рынок 3D-печати, особенно в малом и среднем бизнесе и учебных заведениях. Скорость, широкая область применения, точность и низкая цена этих принтеров поможет компаниям уменьшить время вывода продуктов на рынок и сохранять конкурентроспособность.