Решение XJet для промышленного аддитивного производства металлов позволяет перейти от напечатанных деталей к промышленной продукции за счёт сквозной автоматизации.

В сфере аддитивного производства мы часто говорим об ускорении печати и сокращении времени, необходимого для того, чтобы деталь прошла путь от CAD-модели до физической структуры в принтере. Однако сосредоточенность на этом конкретном (хотя и важном) этапе производственной цепочки иногда приводит к тому, что мы упускаем из виду, сколько времени требуется для того, чтобы деталь прошла путь от проектирования до получения готового к использованию компонента. Иными словами, металлическая деталь редко считается готовой сразу после того, как она покидает платформу для сборки.

Компания XJet, специализирующаяся на решениях для струйной обработки материалов для металлических и керамических материалов, называет это явление разрывом между «завершением печати» и «готовностью к производству». «Индустрия аддитивного производства в металлургии научилась демонстрировать момент завершения сборки — приятное зрелище: идеально чистая деталь, извлечённая из слоя порошка, или гладкая поверхность, только что сошедшая с платформы для печати, — поясняет компания. — В технических характеристиках обычно указывается объём сборки, толщина слоя, мощность лазера и варианты материалов, но тому, что происходит в течение нескольких часов, дней или недель после печати, уделяется гораздо меньше внимания в презентациях и брошюрах о возможностях».

Как известно любому производителю, все этапы после печати могут существенно повлиять на сроки выполнения заказа, трудозатраты и стоимость. Такие этапы, как удаление поддержек, обычно требуют участия квалифицированных специалистов и использования специализированных инструментов; циклы термообработки, требующие применения стратегий компенсации деформации; этапы обработки поверхности, которые могут занимать до 80 % общего времени производства деталей сложной геометрии; а также протоколы обработки хрупких деталей, которые не могут быть подвергнуты автоматизированной постобработке. Не говоря уже о времени, затрачиваемом на циклы итераций или устранение неполадок.

Таким образом, чтобы сократить и в конечном счёте устранить разрыв между «завершением печати» и «готовностью к производству», необходимо повысить эффективность всей производственной цепочки. Это комплексный подход, которого придерживается XJet в стремлении предоставить клиентам оптимальное решение, интегрирующее автоматизированную архитектуру, охватывающую весь цикл цифрового производства.

Интегрированное оборудование, от печати до постобработки

В основе комплексного решения XJet для аддитивного производства из металла лежит технология NanoParticle Jetting (NPJ). Эта технология, реализованная в серии 3D-принтеров Carmel, представляет собой беспорошковый процесс, в котором используются тысячи печатающих сопел для выборочного нанесения чернил (состоящих из запатентованной жидкости и металлических наночастиц) на платформу для печати. Сопла также одновременно наносят опорный материал именно в тех местах, где это необходимо, чтобы предотвратить обрушение нависающих или сложных геометрических элементов. После нанесения каждого слоя платформа опускается, и наносится новый слой. Этот процесс осуществляется при температуре до 160 градусов по Цельсию, что приводит к испарению «жидкой оболочки» вокруг каждой металлической частицы и соединению металлических частиц в процессе нанесения. В результате получаются металлические конструкции, которые по плотности и металлургии сопоставимы с металлическими деталями, изготовленными традиционным способом.

Сама природа процесса NPJ эффективно оптимизирует этапы послепроизводства. Например, вспомогательный материал, используемый в процессе XJet, растворяется в воде, поэтому его можно легко удалить с помощью простой автоматической промывки, что избавляет от необходимости удалять вспомогательный материал вручную и от работы квалифицированных специалистов. Вспомогательный материал удаляется с помощью разработанной компанией технологии SMART (автоматизированное удаление вспомогательного материала) — системы, не требующей участия оператора, которую можно легко запрограммировать для различных типов работ и которая полностью контролирует процесс промывки.

Примечательно, что стадия спекания в рабочем процессе XJet обеспечивает преимущество, поскольку результирующая усадка является изотропной (равномерной по всем трем осям) и высокопрогнозируемой. Это связано с тем, что NPJ использует наночастицы металла в своем строительном материале, в результате чего получается ‘зеленая деталь’ с очень небольшим количеством удаляемого воздуха или связующего вещества. В частности, коэффициент усадки предсказуем (≈15%), в то время как в других процессах на основе связующих часто наблюдается более высокая и неравномерная усадка, достигающая 25%.

Кроме того, поскольку это беспорошковый процесс (чернила надежно упакованы в картриджи), в решении XJet используется только необходимый материал и отпадает необходимость в удалении порошка или работе с ним — этапах, которые не только увеличивают время производственной цепочки, но и создают проблемы с безопасностью. В целом рабочий процесс XJet, включающий в себя печать методом послойного наплавления, промывку и спекание, позволяет печатать металлические детали сложной геометрии с высококачественной поверхностью (разрешение 1440 точек на дюйм и толщина слоя менее 10 микрон). Это избавляет от необходимости выполнять постобработку, например механическую обработку и шлифовку, которые иногда применяются после печати для сглаживания шероховатых поверхностей и достижения жёстких допусков.

Первый раз — правильный с программным обеспечением XJet

В основе вышеупомянутых аппаратных решений лежит программное обеспечение XJet, которое предлагает пользователям интуитивно понятный и высокоавтоматизированный процесс подготовки, печати и постобработки деталей. Программное обеспечение состоит из трёх программ, начиная с программы автоматического планирования деталей X-Plan. С помощью X-Plan пользователи могут легко загружать CAD-модели и пользоваться преимуществами автоматической ориентации и быстрой компоновки деталей, а также выбирать из различных предустановленных режимов аддитивного производства. Кроме того, пользователям не нужно вносить изменения в конструкцию детали, чтобы учесть усадку при спекании: программное обеспечение делает это автоматически.

Второе программное обеспечение в наборе — X-Hub, программа для управления заданиями, которая объединяет в себе собственный слайсер, инструменты для управления заданиями и автоматически генерирует высокоэффективные опорные конструкции для всего рабочего стола. Поскольку в XJet используется специальный растворимый опорный материал, программное обеспечение оптимизировано таким образом, чтобы размещать опорный материал только там, где это необходимо с точки зрения конструкции. Это избавляет от необходимости тратить время, силы и гадать, как обычно происходит при проектировании опор вручную, обеспечивая максимально эффективное использование материала и наилучшее качество печати без привлечения высококвалифицированных специалистов.

У XJet также есть программа X-Print — производственное программное обеспечение, включающее в себя элементы управления системой и инструменты администрирования. Доступ к программе осуществляется через удобный графический интерфейс с сенсорным экраном. X-Print также предлагает пользователям различные мастера для упрощения процесса цифрового производства. Этот программный комплекс, состоящий из трёх частей, в конечном счёте предназначен для оптимизации подготовки производства и управления им, минимизации участия пользователя и обеспечения оптимизации процесса.

Как свобода дизайна повышает ценность

Как мы убедились, цифровая производственная цепочка XJet на основе NPJ предполагает оптимизированный подход, который не только ускоряет печать, но и упрощает и исключает этапы послепечатной обработки. Таким образом, решение XJet позволяет сократить производственный процесс, который мог занимать недели, до нескольких дней за счет:

• Упрощённое удаление поддержки с помощью автоматизированной промывочной станции
• Печать деталей с высоким разрешением, которые практически не требуют доработки
• Совмещение удаления поддержки и спекания в рамках одного этапа

Возможность печатать небольшие сложные металлические детали с высоким разрешением, которые требуют минимальной (или вообще не требуют) доработки после спекания, очень привлекательна для конечных пользователей в таких требовательных к точности отраслях, как аэрокосмическая промышленность, здравоохранение и потребительский рынок. По словам представителей XJet, их целевыми клиентами являются компании из дорогостоящих отраслей, где точность и сложность оправдывают производство премиум-класса.

Примечательно, что XJet не входит в число компаний, занимающихся аддитивным производством, которые стремятся позиционировать свою технологию как альтернативу традиционному производству. Её решение предлагает нечто совершенно новое, что ранее было невозможно из-за конструктивных ограничений, связанных с традиционными подходами к производству металлических изделий.

Например, в потребительском сегменте комплексное решение XJet для аддитивного производства из металла имеет несколько областей применения, в том числе производство ремешков для часов и аксессуаров, которые можно напечатать без использования инструментов и с минимальной сборкой, персонализированных ювелирных изделий из драгоценных металлов и сложных наконечников для дужек очков. В сфере здравоохранения точность технологии XJet оказалась идеальной для целого ряда задач, таких как производство высокоточных хирургических наконечников для роботизированных манипуляторов и игл для подкожных инъекций, которые можно масштабировать по индивидуальному заказу. В аэрокосмическом и промышленном секторах процесс обработки металла имеет большое значение при создании сложных компонентов оборудования, гидравлических систем и многого другого.

Эти и другие отрасли могут извлечь значительную выгоду из усилий компании, направленных на сокращение разрыва между деталями, напечатанными на 3D-принтере, и деталями, готовыми к производству. Это позволит сократить производственные циклы и повысить уровень автоматизации, а также свести к минимуму этапы постобработки. В случае с некоторыми геометрическими формами компания XJet завершала производственный цикл всего за 48 часов — от создания CAD-моделей до получения готовых к производству деталей.

Расширение доступа с помощью Carmel Pro

Эта оптимизированная производственная система стала доступна более широкому кругу пользователей благодаря выпуску Carmel Pro — компактной и экономичной платформы для обработки неплавящихся ювелирных изделий. Новое решение обеспечивает тот же уровень точности и качества, что и более крупные системы Carmel, и при этом открывает возможности для малого и среднего бизнеса, исследовательских центров и производителей ювелирных изделий, для которых более масштабные решения могли быть слишком дорогими.

Carmel Pro имеет объем печати 350 x 140 × 80 мм (для сравнения: у Carmel 1400 объем печати составляет 500 x 140 мм) и совместим со всеми материалами XJet, включая существующие и будущие керамические и металлические чернила. Аппаратное обеспечение также включает четыре канала для материалов, что упрощает печать несколькими материалами. Примечательно, что цена этой системы на 70 % ниже, чем у высококлассных систем Carmel, и составляет около 300 000 долларов США. Эта новая платформа предлагает уникальное ценностное предложение XJet — интегрированный, оптимизированный производственный процесс — более широкому кругу клиентов, что ещё больше расширяет возможности пользователей в разработке инновационных и сложных продуктов.

Эта статья изначально была опубликована в электронной книге VoxelMatters «Metal AM в VM Focus»

Источник