Orodja in tehnike, ki zagotavljajo, da so vaši 3D-natisnjeni deli izdelani v skladu s specifikacijami in delujejo, kot željeno.
Aditivna proizvodnja je v mnogih pogledih revolucionarna. Le malo drugih načinov izdelave ima oblikovalsko svobodo in digitalen proces, ki jih ponuja ta zbirka tehnologij. Posledično lahko na materiale, ki bleščijo, natisnete kompleksne in lahke dele z optimalnimi geometrijskimi značilnostmi, ki presegajo tradicionalno izdelane dele. S stroškovno učinkovitega vidika lahko z zmanjšanjem odpadkov v primerjavi s postopki z odvzemanjem proizvajalcem zagotovi znatne prihranke pri surovinah, da ne omenjamo prihrankov pri času in delu.
In zdaj po dolgih letih raziskav, razvoja in inovacij 3D-tiska končno prestopi prag od prototipov do proizvodnje. Vendar pa je še vedno nekaj izzivov, ki aditivni proizvodnji preprečujejo popolno usvojitev v predelovalni industriji. Največji: standardizirani ukrepi kakovosti in nadzor kakovosti. Ti so bistveni za ponovljivost, doslednost, razširljivost in splošno zaupanje v postopek.
Vir: Danish Technological Institute.
V prispevku boste spoznali orodja in tehnike za nadzor kakovosti, ki zagotavljajo, da so vaši 3D-natisnjeni deli izdelani tako, da bodo specificirani in delovali, kot željeno. Predstavili bomo naraščajoče potrebe po izdelkih aditivne proizvodnje in si prizadevali za doseganje standardov kakovosti.
Današnje metode nadzora kakovosti v aditivni proizvodnji
Odlično, da imamo standarde kakovosti in načine za aditivno izdelavo skladnih izdelkov. Katere tehnike in orodja imamo na voljo, ki so še posebej pomembni za procese aditivne proizvodnje?
Za izpolnitev zahtev določenega izdelka potrebujete podatke. Da bi dobili meritve GD&T (Geometrical Dimensioning and Tolerances), je vlaganje v visoko natančno meroslovno opremo nujno. Poglejmo si nekatere od orodij, ki so trenutno na voljo na trgu.
Tradicionalna orodja prilagojena za aditivno proizvodnjo
Na voljo je široka paleta merilnih možnosti za nadzor kakovosti, od tradicionalnih ročnih orodij do digitalne industrijske opreme. Izhajajoč iz osnov, so ročni instrumenti, kot so čeljusti in merilni kompleti, v primerjavi z drugimi možnostmi cenovno ugodni, enostavni in splošno sprejeti. Vsako od teh orodij pa obravnava določeno geometrijsko značilnost (tj. zunanjo dolžino, premer, kotne kote). Preprosto povedano, niso najbolj vsestranske možnosti.
Morda pa je največja pomanjkljivost teh orodij dejstvo, da se vsa kakovostna registracija podatkov zgodi ročno. Posledično lahko meroslovni pregledi prerastejo v dolgočasne in neučinkovite naloge. Nasprotno pa sta dva glavna razloga, da industrije sprejemajo aditivno proizvodnjo, po eni strani omogoča večjo geometrijsko vsestranskost in po drugi strani z digitalizacijo povečani proizvodni tokovi.
Vir: Willrich Precision Instrument.
Koordinatne merilne naprave
Nujnost doseganja višjih standardov je privedla do tega, da so industrije sprejele CMM (Coordinate Measurement Machines). Ti stroji lahko ponovijo digitalne oblake točk v svojih izjemno natančnih kontaktnih sondah z natančnimi meritvami zelo zapletenih geometrij kot zračni profili. Poleg tega to omogoča neposredno interakcijo znotraj CAD okolij, kar odpira nove možnosti za analizo podatkov.
Digitalna orodja lahko poenostavijo postopke preverjanja tolerance s primerjavo odstopanj izdelanih delov s poravnavo glede na njihovo nominalno zasnovo CAD. Vse te podatke o inšpekcijskih pregledih je mogoče neposredno shraniti in obdelati v centraliziranem sistemu. Na splošno so CMM čudovita stvar, kljub temu pa imajo tudi omejitve. V primerjavi z drugimi metodami so kontrolni cikli CMM počasni, imajo majhno prenosljivost in ker temeljijo na stikih, so močno odvisni od napeljav. Te informacije nam omogočajo, da 3D-skenerje na osnovi svetlobe, cenimo kot dragoceno alternativo CMM-jem.
Vir: GOM.
Optični 3D-skenerji
Ne glede na to, o kateri posebni tehnologiji optičnega bralnika govorimo – fotogrametriji, strukturirani svetlobi ali laserski triangulaciji – 3D-skenerji zajemajo koordinatne točke z neverjetno visoko hitrostjo, ne da bi se morali sploh dotakniti predmeta. Torej uporaba optičnih načel skeniranju prinaša velike prednosti, v nekaterih primerih pa paradoksalno tudi velike slabosti. Omejitve so predvsem motnje nastavitev zunanje svetlobe, medtem ko lahko površine z odsevnimi, prozornimi in mat temnimi lastnostmi motijo kakovost zbiranja podatkov.
Glede na pospešene hitrosti, s katerimi si proizvajalci optičnih bralnikov prizadevajo rešiti te težave, imajo optični 3D-skenerji nedvomno obetavno prihodnost v proizvodnji.
Kaj pa notranje strukture? 3D-tisk je idealna tehnologija za dodajanje neobičajnih notranjih strukturnih zasnov, kot so tiste polnila, rešetke in optimizacija topologije. Kljub temu vse tehnike, ki smo jih do zdaj pregledali, ne bodo obravnavale pregleda teh notranjih površin. To nas pripelje do računalniške tomografije (CT), morda najbolj celovitega kakovostnega orodja, ki je na voljo na trgu.
Vir:PES Scanning.
Računalniška tomografija (CT)
Poleg medicinskih vpogledov jeCT že vrsto let tudi predmet želje inšpektorjev v proizvodnih okoljih s strogimi zahtevami glede kakovosti. Zakaj? No, z izkoriščanjem rentgenskih slik lahko CT pregledi hitro in z izjemno natančnostjo ustvarijo popolne preglede notranjih podrobnosti. Poleg tega je mogoče vse te podatke izvoziti v 3D-zemljevide gostote s temeljitimi informacijami o kakovosti izdelka. In še več; CT skeniranje presega zgolj meroslovje, idealen je tudi za pregled napak, kot so razpoke, razslojevanje, praznine, onesnaženje in lokalne poroznosti, brez da bi se sploh dotaknili dela.
CT skenerji imajo veliko širše zmogljivosti, kot drugi neškodljivi preskusi kakovosti, kot so tisti s prodornimi tekočinami, vrtinčnimi tokovi, magnetnimi delci in ultrazvokom. Kljub temu so CT-skenerji za večino aplikacij predragi, da ne omenjamo nevarnosti, ki jih povzročajo rentgenski žarki. Težave, s katerimi se lahko srečamo, če bi imeli lastno opremo za CT v svojih prostorih, so razlog, da številne svetovalne družbe, kot je Visiconsult, ponujajo storitve CT inšpekcijskega pregleda.
Vir: Markforged.
Inšpekcijski pregled na licu mesta
Glede na to, da se imamo še veliko za naučiti o postopkih aditivne proizvodnje, da bi lahko razvili standarde in s polnim zaupanjem vzpostavili serijsko proizvodnjo, je očitno treba pospešiti zbiranje podatkov. Vse prakse, ki smo si jih do zdaj ogledali, zahtevajo naporne inšpekcijske naloge, ločene od samega proizvodnega procesa. Toda glede na nenehni napredek na področju senzorjev, avtomatizacije z zaprto zanko, umetne inteligence, strojnem učenju in računalništvu v oblaku ni presenetljivo, da vodilni inovatorji aditivne proizvodnje že uporabljajo ta načela za in-situ (na licu mesta) inšpekcijske procese, z drugimi besedami, skenerje in inšpekcijske tehnologije, ki je že vgrajena v 3D-tiskalnik.
Torej, v bistvu delujejo tako; senzorji zajemajo podatke ob oblikovanju vsake plasti. Nato lahko »umetna inteligenca« v realnem času vzame vse te informacije za primerjave, dostavo analitike, zaustavitev procesov, odkritje napak in kar je najpomembneje, optimiziranje parametrov tiska skozi učno zgodovino. Večina podjetij, vključenih v ta trend, se osredotoča na izvajanje teh rešitev za kovinske PBF procese.
SLM280 2.0 ima na primer sistem, kjer lahko termični senzorji zaznajo napake pri taljenju s postopkom, znanim kot Nadzor bazena taline (MPM). Tudi podjetja specializirana za zagotavljanje kakovosti v aditivni proizvodnji, kot sta Sigmalabs in Additive Assurance, ponujajo izdelke in storitve, ki sledijo temu trendu. Na srečo se to širi tudi na druge tehnologije aditivne proizvodnje. Jasen primer tega je nedavno izdani Markforged Blacksmith, ki izvaja in-situ inšpekcijske preglede svojih FDM naprav.
Nadzor kakovosti v aditivni proizvodnji
Zakaj določanje standardov kakovosti v aditivni proivodnji ni preprosto?
Vir: Bruker Alicona.
Čeprav obstajajo določeni standardi kakovosti za aditivno proizvodnjo, industrija ni ustvarila dovolj dokumentacije za preverjanje procesov s popolnim zaupanjem v njihovo stroškovno učinkovitost in rezultate. Na primer, panoge, kot so vesoljska, obrambna, avtomobilska in medicinska industrija, lahko močno izkoristijo vsestranskost, ki jo lahko ponudi le aditivna proizvodnja. Vendar pa so te industrije znane tudi po najstrožjih zahtevah glede kakovosti in tolerance.
Strokovnjaki za aditivno proizvodnjo in kakovost so skupaj z vodilnimi v industriji vložili milijone v raziskave in razvoj za vzpostavitev standardov in postopkov kakovosti. Oglejmo si dosedanji napredek in izzive.
Aditivna proizvodnja je novost na področju množične proizvodnjo delov za končno uporabo. Na ravni podjetja upravitelji potrebujejo predvidljive podatke za sprejemanje utemeljenih odločitev glede virov, urnikov in logistike. In teh podatkov večinoma ni.
Ko se aditivna proizvodnja seli v industrijo, zahteve po skladnosti postajajo strožje, stroški za merila kakovosti pa bodo neizogibno višji. Čeprav je danes na voljo veliko možnosti, kot so tehnologije avtomatizacije in storitve drugih proizvajalcev, ki pomagajo zmanjšati stroške in prihranijo čas, lahko pomanjkanje standardov v industriji proizvajalce pripelje do večjih tveganj, stroškov in pomanjkanja ponovljivosti.
Vir: GOM.
Zakaj v aditivni proizvodnji še nimamo standardov kakovosti?
Zakaj obstoječa merila kakovosti za druge uveljavljene procese, recimo brizganje, niso dovolj za odobritev delov, pridobljenih z aditivno proizvodnjo? Preprosto, vsaka tehnologija je drugačna. Aditivna proizvodnja ni monolitna, temveč skupina številnih različnih tehnologij, kot sta ekstruzija ali fotopolimerizacija. Dandanes se večina trenutnega napredka nagiba k tehnologijam fuzije kovinskega prahu (PBF) zaradi njihovega povpraševanja v ključnih panogah.
Drugo vprašanje so edinstveni materiali, ki se uporabljajo v aditivni proizvodnji. Kako pripravimo surovine, da zagotovimo dosledno in zanesljivo proizvodnjo? Materiali predstavljajo visoke stroške za industrijo, zlasti če govorimo o visoko zmogljivih materialih, kot je titan. Dobavitelji materiala morajo svoj izdelek dostaviti z najvišjo stopnjo predvidljivosti glede njegovih lastnosti, lastnosti in ravnanja.
Vzemimo na primer izbrani material za kovinske procese spajanja slojev praškastega materiala (powder bed fusion), kovinski prah. V tem primeru proizvajalci ocenjujejo načine za optimizacijo svoje morfologije zrn, da bi dosegli dosledne mehanske in predelovalne lastnosti, vendar je to še zmeraj v teku.
Vir: Wenzel.
Kako zagotoviti predvidljivost v izjemno prilagodljivem procesu?
Mogoče so osrednji vidik kakovosti procesi. Kako veste, ali vaš postopek zagotavlja ponovljivost, minimalna geometrijska odstopanja in stabilne izhode? In kako zagotavljate varnost operaterjem, končnim uporabnikom in okolju?
Kot pri vsaki novi tehnologiji je za razvoj standardov potreben čas in stalno vrednotenje proizvodnih ciklov. Ker se ponavljanje nadaljuje – na ravni celotne panoge – raziskovalci ustvarjajo statistične vzorce, ki vodijo njihovo ponavljanje obstoječih parametrov in prepoznavajo nove. Cilj je nameniti dovolj pozornosti razumevanju procesa, da se vzpostavi dosledna standardizacija tiskarskih profilov, kalibracij, vzdrževanja in izvajanja.
Čeprav je to obsežna naloga, na srečo afiniteta aditivne proizvodnje za digitalne delovne procese, uporaba robustnih infrastruktur baz podatkov in napredek tehnologij umetne inteligence, nedvomno pospešujejo ta razvoj.
Kdo ustvarja standarde za aditivno proizvodnjo?
Kot del skupnih prizadevanj po svetu morajo vsi subjekti, vključeni v globalno dobavno verigo, delovati v enotnem okviru znanja, pogojev in pravil. Zato morajo zaupanja vredni organi določiti univerzalne smernice za ustvarjanje ustreznega soglasja, komunikacije in verodostojnih potrdil. Številne organizacije po vsem svetu so splošno znane po standardih, ki jih ponujajo. Kar zadeva kakovost in proizvodne procese, je ISO (Mednarodna organizacija za standarde) osrednji organ po vsem svetu. Poleg tega so si druga združenja, kot je ASTM (Ameriško združenje za preizkušanje in materiale), ki je tudi bistven sodelavec ISO, zaslužila vodilno vlogo pri standardizaciji po vsem svetu.
Kakšno je trenutno stanje standardizacije aditivne proizvodnje? V zadnjem desetletju ASTM in ISO razvijata standarde aditivne proizvodnje v medsebojnem sodelovanju s svojimi odbori: ISO / TC261 in ASTM / F42. S sodelovanjem strokovnjakov iz skoraj 30 držav so objavili več kot 20 standardov, ki zajemajo vse, od metod za karakterizacijo kovinskih praškov do usposobljenosti za upravljavce kovinskih 3D-tiskalnikov, pri čemer jih je veliko še v razvoju.
Z napredkom multidisciplinarnih tehnologij in naraščajočim povpraševanjem po ugodnostih aditivne proizvodnje se lahko razvoj dovolj znanja za standardizacijo in popolno zaupanje AM v industrijo zgodi prej kot slej.
Vir: Artec
About the Author: Alejandro Auerbach is a mechanical engineer specializing in additive manufacturing at Solid Print3D.
Vir: all3dp.com.
Avtor: Alejandro Auerbach.