1. Ce este printarea 3D și cum funcționează

Printarea 3D, cunoscută și sub numele de Additive Manufacturing (AM), este o tehnologie de fabricație care creează obiecte tridimensionale prin depunerea succesivă a straturilor de material.

Spre deosebire de metodele subtractive, unde un bloc solid este prelucrat prin îndepărtarea materialului, printarea 3D construiește obiecte direct dintr-un model digital, strat cu strat. Procesul este complet controlat de un computer și permite utilizarea unei game variate de materiale, inclusiv polimeri, metale, ceramică și compozite.

Prototiparea rapidă folosind printarea 3D

2. Evoluția printării 3D: de la prototipare rapidă la producție finală 

Inițial, additive manufacturing a fost folosită în principal pentru prototipare rapidă, permițând inginerilor și designerilor să creeze modele fizice într-un timp scurt pentru testare și validare. Pe măsură ce tehnologia a avansat și au fost dezvoltate materiale mai performante, AM a evoluat semnificativ, devenind o soluție viabilă pentru producția de piese finale.

Astăzi, printarea 3D este integrată într-o gamă largă de industrii – de la aerospațială și medicală până la auto și manufactură generală. Tehnologia este utilizată pentru realizarea de componente personalizate, piese de schimb, instrumente specializate și chiar produse finale complexe, oferind oportunități noi de inovare și optimizare a proceselor de producție.

3. Beneficiile cheie ale printării 3D

3.1. Optimizarea designului și a performanței produselor

Printarea 3D deschide noi oportunități pentru optimizarea designului și creșterea performanței produselor. Prin tehnici avansate precum optimizarea topologică și modelarea convergentă, designerii pot crea structuri ușoare, dar extrem de rezistente, adaptate cerințelor specifice de performanță.

Optimizarea topologică

Software-ul NX le oferă inginerilor instrumentele necesare pentru a proiecta produse de nouă generație, optimizate pentru imprimare 3D, asigurând în același timp conformitatea cu cerințele de performanță. Această abordare permite realizarea de produse mai ușoare, mai eficiente, cu ansambluri simplificate și o gamă extinsă de materiale compatibile, redefinind astfel procesul de fabricație.

3.2. Reducerea costurilor și a timpului de producție

Printarea 3D aduce avantaje semnificative în reducerea costurilor și a timpului de producție față de metodele tradiționale. Eliminarea sculelor complexe și a asamblărilor dificile scade costurile de fabricație, iar utilizarea tehnicilor precum optimizarea topologică și structurile lattice permite economisirea materialelor și reducerea greutății componentelor.

Reducerea costurilor

Pe lângă eficiența materialelor, printarea 3D accelerează inovația, permițând crearea rapidă de prototipuri și implementarea modificărilor de design într-un timp scurt. În plus, producția la cerere, adică fabricarea pieselor doar atunci când sunt necesare, elimină nevoia de stocuri mari și reduce costurile de depozitare. Inventarul digital permite păstrarea fișierelor de proiectare în format digital, astfel încât piesele să fie produse exact la momentul potrivit, fără a ocupa spațiu fizic. 

Acest sistem previne și obsolescența, adică învechirea produselor înainte de a fi utilizate, deoarece companiile nu mai sunt nevoite să fabrice și să stocheze componente în avans. Astfel, printarea 3D revoluționează lanțurile de aprovizionare, oferind o producție mai flexibilă, eficientă și adaptabilă cerințelor pieței.

4. Tehnologii și materiale în printarea 3D

4.1. Principalele tehnologii de fabricație aditivă

• FDM (Fused Deposition Modeling): O tehnologie comună în care un filament termoplastic este topit și extrudat printr-o duză, construind obiectul strat cu strat.

• SLA (Stereolithography): Utilizează un laser pentru a întări selectiv o rășină lichidă, solidificând fiecare strat al piesei.

• SLS (Selective Laser Sintering): Această tehnologie folosește un laser pentru a sinteriza selectiv pulberi de polimeri sau metale, strat cu strat, oferind un proces eficient pentru crearea pieselor din diverse materiale.

• MJF (Multi Jet Fusion): Utilizează jeturi de agenți funcționali pentru a defini și fuziona straturile de material, creând piese funcționale de înaltă calitate. Această tehnologie este cunoscută pentru viteza mare de producție și controlul precis al proprietăților pieselor.

• Powder Bed Fusion: Această metodă presupune răspândirea unui strat subțire de pulbere metalică și fuzionarea selectivă a unei părți a acestei pulberi cu piesa folosind un laser sau un fascicul de electroni, construind piesele strat cu strat.

Produs obținut prin SLS

4.2. Materiale utilizate în fabricația aditivă

Industria de Additive Manufacturing oferă o gamă variată de materiale, adaptabile diferitelor aplicații. Alegerea materialului potrivit este esențială pentru a asigura performanța pieselor fabricate. Polimerii, metalele, ceramica și compozitele sunt doar câteva dintre opțiunile disponibile, fiecare având avantaje și proprietăți specifice.

• Polimeri:
  Utilizați pe scară largă în AM datorită versatilității și costului relativ scăzut.
  Pot fi utilizați în tehnologii precum FDM, SLA și MJF.
  Exemple comune includ ABS, PLA, nailon și policarbonat.
  Sunt ideali pentru prototipuri, piese de uz general și aplicații care nu necesită rezistență ridicată la temperatură sau chimicale.

• Metale:
  Utilizate pentru aplicații ce necesită rezistență înaltă, durabilitate și rezistență la temperaturi mari.
  Tehnologii AM folosite: SLS, DMLS și EBM.
  Exemple includ titan, aluminiu, oțel inoxidabil și nichel.
  Sunt potrivite pentru piese structurale, componente aerospațiale, implanturi medicale și scule.

• Ceramică:
  Folosite în AM pentru aplicații ce necesită rezistență la temperaturi ridicate, rezistență chimică și duritate.
  Tehnologii AM folosite: SLA și binder jetting.
  Exemple comune includ alumina, zirconiu și siliciu.
  Ideale pentru izolatori electrici, componente rezistente la uzură și implanturi dentare.

• Compozite:
  Combină două sau mai multe materiale pentru a obține proprietăți specifice.
  Pot fi utilizate în diverse tehnologii AM, precum FDM și SLA.
  Exemple includ polimeri armati cu fibre de carbon sau sticlă.
  Sunt ideale pentru aplicații ce necesită greutate redusă, rezistență ridicată și rigiditate

NX de la Siemens oferă soluții avansate pentru a sprijini utilizarea unei largi varietăți de materiale în printarea 3D, ajutând companiile să selecteze materialul optim pentru fiecare aplicație.

5. Design pentru Additive Manufacturing (DfAM)

Design for Additive Manufacturing (DfAM) reprezintă o abordare care valorifică avantajele proceselor de fabricație aditivă (AM). DfAM se concentrează pe optimizarea geometriei, structurii și performanței pieselor, luând în considerare atât limitările, cât și beneficiile AM.

Printre principiile cheie ale DfAM se numără:

• Optimizarea topologică, care permite crearea de forme organice ușoare dar robuste;
• Structurile lattice, ce oferă un excelent raport între rezistență și greutate;
• Modelarea convergentă, care simplifică gestionarea geometriei complexe.

Structură Lattice

Instrumente precum NX Topology Optimizer și NX Lattice Structures Design permit proiectanților să exploreze noi posibilități și să creeze piese inovative, imposibile prin metodele tradiționale de fabricație.

6. Aplicații și Tendințe Viitoare în Additive Manufacturing

6.1. Aplicații actuale ale printării 3D în diverse industrii

Printarea 3D transformă multiple industrii prin soluții inovative pentru provocări complexe. Capacitatea de a crea geometrii personalizate, de a reduce greutatea și de a optimiza performanța face din AM o tehnologie esențială în sectoare precum aerospațial, medical și auto.

• Aerospațială: este folosită pentru a produce componente ușoare și rezistente, cum ar fi palete de turbine, conducte de aer și elemente structurale. Siemens Energy a demonstrat potențialul AM prin imprimarea 3D a paletelor de turbine, capabile să reziste la temperaturi de 1250°C, viteze de 1000 mph și forțe de 11 tone, îmbunătățind astfel performanța aeronavelor.

Palete printate 3D

• Medical: permite crearea de implanturi și proteze personalizate, adaptate nevoilor individuale ale pacienților. De asemenea, AM este folosită pentru fabricarea instrumentelor chirurgicale și modelelor anatomice pentru planificarea intervențiilor.

• Auto: În industria auto este utilizată pentru prototipuri rapide, piese personalizate și scule. Divergent 3D, un client Siemens PLM Software, a folosit AM pentru a produce șasiul unei mașini sport de performanță superioară, demonstrând capacitatea de a crea structuri complexe și ușoare.

Șasiul unei mașini sport, printat 3D

• Alte industrii: este utilizată și în sectorul energetic pentru componente personalizate pentru turbine și generatoare, și în industria bunurilor de larg consum pentru produse personalizate și inovative.

6.2. Tendințe viitoare: materiale noi, imprimare 4D, producție descentralizată

Printarea 3D este într-o continuă evoluție, iar viitorul aduce progrese semnificative în diverse domenii. Materialele inovative, inclusiv cele cu proprietăți îmbunătățite sau ecologice, vor extinde gama aplicațiilor AM. Imprimarea 4D, care permite crearea de obiecte capabile să își schimbe forma în timp, va deschide noi posibilități în domenii precum robotica și medicina. De asemenea, producția descentralizată, care presupune utilizarea printării 3D la scară locală, va reduce costurile de transport și va permite personalizarea produselor la un nivel fără precedent.

NX de la Siemens oferă un sistem integrat care răspunde provocărilor specifice proiectării, optimizării și fabricării componentelor, permițând companiilor să rămână în fruntea inovației în AM.