Productie aditiva

De-a lungul timpului, omenirea şi-a realizat produsele sau piesele component ale acestora, în cele mai multe cazuri, prin tehnologii substractive. Din obiecte mai mari de materie primă s-au creat prin substragere de material, folosind diverse procedee tehnologice, obiecte mai mici, produse semifinale sau finale. Prin cioplire din bucăţi mari de piatră, omul primitiv şi-a produs vârfuri de săgeţi, iar Phidias şi Rodin, nemuritoare sculpturi. Cândva Michelangelo îşi descria astfel procedura de lucru „L-am văzut pe înger în stânca de marmură şi am săpat, până l-am eliberat”.
Multe secole la rând acelaşi concept a stat la baza creării celor mai complicate şi mai precise produse mono şi multi-piese. Dintr-un „bloc” de materie primă se substrag rând pe rând straturi de material, ajungându-se la forma finală. Procedura este funcţională şi dă rezultate bune, dar consumă mult timp şi bani, influenţând în mod negativ costurile de producţie.
Recent, oamenii de ştiinţă din universităţi şi institute de cercetări împreună cu tehnicieni din firme producătoare de maşini-unelte şi echipamente IT au dezvoltat şi experimentat o nouă tehnică, cunoscută sub numele de „Prelucrare aditivă (PA), în engleză „Additive manufacturing (AM)”. În loc să luăm un bloc de materie primă şi să-l ,,radem” sau
să-l prelucrăm prin aşchiere, piesa se construieşte de la bază, depunându-se strat după strat în felii cât mai subţiri, a căror formă este stabilită printr-un program IT. Procedeul mai este cunoscut şi sub numele de „Imprimare 3D”, în engleză „3D printing” şi reprezintă inversul prelucrării substractive.

Realizarea prelucrării aditive
Tehnologia prelucrării aditive nu numai că pare, dar şi este mai simplă decât cea a prelucrării substractive. Mai întâi se accesează de la calculator desenul piesei de prelucrat şi se verifică forma şi culoarea piesei de prelucrat, pentru a vedea dacă sunt cele dorite şi se pregătesc informatic feliile/secţiunile ce descriu piesa. După aceea se dă comanda ,,Print” ce pune
în funcţiune construirea treptată a obiectului dorit. Aceasta se face fie depozitând materialul cu ajutorul unei diuze sau solidificând în mod selectiv straturi subţiri de material plastic sau metalic, fie stropind praf metalic cu ajutorul unor picături.

Până în prezent au fost dezvoltate cinci tehnologii de bază pentru prelucrarea aditivă:
1. Prelucrarea directă cu laser
Prima, şi cea mai dezvoltată tehnologie este prelucrarea directă cu laser. Prin acest procedeu se topeşte cu ajutorul unui laser de putere mare pulberea metalică, ce se depune fâşie după fâşie pe un substrat, pentru a construi profilul de piesă dorit. Astfel, se obţin piese ce pot fi utilizate în mod funcţional. Un tub coaxial specific permite injecţia omogenă a pulberilor metalice, de-a lungul unei raze a laserului de putere înaltă. Pulberile sunt apoi topite pentru a realiza un depozit (un strat). Acest procedeu permite realizarea de straturi de material multidirecţionale.
Straturile sunt protejate pe tot parcursul realizării de un gaz neutru, pentru a evita oxidarea lor. Procedeul permite realizarea atât a unor depozite de ordinul a 4-5 mm dar şi a unor depozite foarte fine de 0,05 mm. Procedeul nu necesită un contact între ţeava (diuza) coaxială şi substrat, deci nu există nici un fel de uzură a diuzei.

2. Topirea cu fascicol de electroni
Al doilea procedeu, topirea cu fascicol de electroni, se foloseşte pentru fabricarea unor piese metalice. E clasificat ca metodă de prelucrare rapidă la fabricarea în straturi a pieselor. Această Tehnologie construieşte piesele prin topirea pulberei metalice strat după strat în vacuum, cu ajutorul unui fascicol de electroni. Spre diferenţă de alte tehnologii de sinterizare, piesele construite sunt puternice, foarte dense şi fără defecte. Prelucrarea directă cu fascicol de electroni este prima tehnologie disponibilă pe scară largă, capabilă prin programare să realizeze piese cu contur complex şi clar.

3. Jetul de aerosoli
Al treilea procedeu, jetul de aerosoli, constă în direcţionarea unui flux de particule atomizate spre un substrat. Post-procesarea termică este de regulă necesară pentru a sinteriza împreună particulele ca să adere la substrat sau a le face conductibile.

4. Jetul de cerneală
Acest procedeu constă în propulsarea unor picături de cerneală spre un substrat. Cerneala este forţată să iasă printr-un mic orificiu, prin presiune, căldură sau vibraţii. Picăturile de cerneală bombardează substratul şi-l umezeşte creându-se forma solicitată. Ulterior, se schimbă jetul într-unul format din pulbere, care împreună cu lichidul deja stropit, formează o suspensie a particulelor. Prin transfer de căldură, lumină UV sau reacţie chimică se vaporizează lichidul, rămânând particolele materiale pe substrat în configuraţia programată, care după uscare pot fi sinterizate pentru solidificarea stratului.

5. Fabricarea semi-solidă în formă liberă
Procedeul constă în crearea prin încălzire în aliajul metalic a unei turbulenţe care să aducă  metalul din stratul depus în stare de pastă (adică nici solidă nici lichidă). Totodată este nevoie să se menţină în metalul depozitat o stare de tensiune de strat. Aceasta creează în material structura ,,granulară” dorită, eliminând în piesa fabricată orice stratificare, porozitate sau vreun alt defect. Din păcate, când se utilizează acest procedeu, la sfârşit mai sunt necesare unele operaţiuni de prelucrări mecanice pentru a elimina bavurile ce mai rămân agăţate de piesa construită.
Înainte, prelucrarea aditivă era folosită în special pentru execuţia unor piese complexe necesare în fabricaţia de avioane. Treptat prelucrarea aditivă s-a extins şi în multe alte domenii cum sunt cele ale fabricării de matriţe, instrumente medicale, producţia de îmbrăcăminte şi de încălţăminte, atât pentru crearea de modele cât şi pentru producţie în serie mică şi mijlocie.

Avantaje şi dezavantaje
Prelucrarea aditivă are numeroase şi foarte importante avantaje faţă de cea cea actuală, prelucrarea substractivă. Avantajul principal este acela că în cazul prelucrării aditive nu are importanţă complexitatea sau dimensiunile obiectului de construit. Teoretic, ele pot fi nelimitate.
Spre deosebire de prelucrarea substractivă, cea aditivă nu necesită scule şi dispozitive speciale, pentru a prelucra piesa dorită. După prelucrare nu rămân reziduuri. Materialul utilizat este de zece, douăzeci de ori mai redus decât în cazul prelucrărilor convenţionale. Energia necesară efectuării prelucrărilor aditive este considerabil mai mică decât cea consumată cu prelucrările substractive. Aceste avantaje au o mare influenţă în reducerea costurilor de producţie.
Modificările necesare să fie aduse desenului piesei de prelucrat sau realizarea mai multor variante pentru acelaşi obiect se pot realiza rapid, fără costuri prea mari. Aceste variante, se pot executa în cantităţi mici, cu care se poate testa reacţia pieţei şi definitiva desenul pieselor ce vor fi executate ţinând cont de propunerile clienţilor, pentru ca apoi să devină produse vandabile mai mult timp.
Există şi unele dezavantaje, ele constituind un real pericol pentru ţările în curs de dezvoltare. Implementarea tehnologiilor aditive scade mult ponderea costului mâinii de lucru în costul total al produsului. Scăderea cererii de produse fabricate în serii foarte mari, în special în industria bunurilor de larg consum de tipul hainelor şi a încălţămintei, permite retragerea fabricaţiei acestor produse din ţările în curs de dezvoltare înapoi în metropolă.

Viitorul apropiat
În prezent un echipament de sinterizare 3D, utilizat la prelucrările aditive costă 15000-20000 dolari, un preţ relativ prohibitiv pentru a achiziţiona echipamentul şi a-l instala acasă. Analiştii economici prevăd însă o evoluţie a preţurilor similară cu aceea a echipamentelor IT. Se apreciază că în 5-6 ani un echipament pentru prelucrări aditive va costa numai 500 dolari. În acest caz, ca şi în cazul echipamentelor IT, se va putea lucra la domiciliu, în oraşe sau la sat, instalând „o fabrică, acasă, într-un birou”. În aceste mini-fabrici se pot realiza diverse produse, în serii mici şi mijlocii, se pot crea noi produse şi executa piese de schimb pentru utilajele din dotare proprie sau din fermele şi fabricile învecinate, rapid şi cu costuri mult reduse.
Se prevede o evoluţie a prelucrărilor aditive, similară cu cea care a avut loc în domeniul informaticii.
Scăderea costurilor echipamentelor permite accesul unui număr enorm de potenţiali creatori de noi produse la proiectarea şi fabricarea lor. Aşa cum am mai arătat, prelucrarea aditivă are marele avantaj că nu are limite în ceea ce priveşte complexitatea produselor proiectate. Pentru a îndrăzni să te aventurezi în lumea prelucrărilor aditive este destul să ai imaginaţie, o bună pregătire IT şi să perseverezi. Costurile dotărilor nu sunt prea mari şi probabil firmele producătoare de echipamente de imprimare 3D vor închiria astfel de utilaje unor tineri curajoşi şi pricepuţi. Astfel, aceştia vor putea să câştige sufficient ca să renunţe la visul emigrării.
Ce se va întâmpla cu actualele tehnologii? Dar cu utilajele şi echipamentele aferente lor? Vor dispărea? Niciunul din analiştii serioşi ai tehnologiilor industrial nu crede aşa ceva. Se consideră că încă mult timp cele două tipuri de tehnologii vor fi utilizate în paralel. Se va aplica una sau cealaltă, cea care se bazează pe scoaterea materialului din piesa brută, prelucrând-o până la forma şi dimensiunile dorite, cât şi cea aditivă. În fiecare caz în parte se va aplica tehnologia cea mai profitabilă.
Tehnologia de prelucrare aditivă a fost adoptată cu drepturi depline în familia lor de asociaţiile constructorilor de maşini-unelte din SUA şi Germania cât şi de CERMO, Uniunea asociaţiilor constructorilor de maşiniunelte din Europa. Astfel, recent CERMO a organizat o sesiune tehnico-ştiinţifică specială dedicată prelucrării aditive, iar la expoziţia internaţională de maşini-unelte IMTS 2010 de la Chicago, prelucrarea aditivă a făcut parte din Centrul de promovare a noilor tehnologii. De asemenea, la cea mai mare expoziţie internaţională de maşini-unelte EMO 2011 de la Hanovra, VDW, Asociaţia constructorilor germani de maşini-unelte, organizatorul expoziţiei a prevăzut o promovare agresivă şi diversă a ,,Prelucrării aditive”.
Pentru România, dezvoltarea utilizării prelucrărilor aditive poate fi o şansă atât ştiinţifică cât şi economică. Institutele de cercetări, în colaborare cu universităţi şi producători de utilaje, din străinătate, dar şi din ţară, pot deveni centre de consultanţă şi asistenţă tehnico-comercială pentru implementarea prelucrărilor additive şi a structurilor de tipul „o fabrică într-un birou” în oraşe, în sate şi în centre universitare.

De interes 19.06.2020:

https://www.mobilissimo.ro/reduceri-diverse/imprimanta-3d-creality-3d-ender-5-primeste-o-reducere-atractiva