Аддитивный метод. Аддитивные технологии в российской промышленности

Аддитивный метод

Аддитивным методом изготавливают прецизионные ДПП на нефольги-рованном основании по 5-му классу точности. В отличие от субтрактивных методов в аддитивном методе применяют нефольгированный диэлектрик, на который селективно осаждают медь. Толщина химически осаженной на диэлектрик меди составляет порядка 25.35 мкм, удельное электрическое сопротивление - Омм (выше чем у гальванической -), относительное удлинение - 4.6 %, прочность сцепления с диэлектриком - не менее 0,4 Н/3 мм. При аддитивном методе в качестве материала основания ДПП применяют нефольгированный стеклотекстолит:

с клеевыми пленками (адгезионными) на поверхности типа СТЭФ;

с введенным в объем диэлектрика катализатором, который

способствует осаждению меди на диэлектрик - типа СТАМ;

с эмалью.

Технологический процесс изготовления зависит от применяемого материала. Основные этапы аддитивного метода изготовления на материале СТАМ приведены на рис. В.6.

Преимущества аддитивного метода:

высокий класс точности - 5-й;

равномерность меди на поверхности и в отверстиях при отношении толщины ДПП к диаметру отверстия 10: 1;

короткий технологический цикл;

сокращение количества оборудования по сравнению с субтрактивными методами;

снижение расхода меди, так как ее осаждают селективно в соответствии с рисунком ДПП;

возможность использования для химического меднения солей меди из травильных отходов.

К недостаткам аддитивного метода относятся:

высокое удельное электрическое сопротивление химической меди;

наличие адгезионного слоя на поверхности, подверженного старению;

тенденция химической меди к растрескиванию под воздействием сильных термических ударов и др.

Метод фотоформирования

Метод фотоформирования является одним из вариантов аддитивного метода. Он применяется для изготовления ДПП и слоев МПП на нефольгированном основании 5-го класса точности. В качестве материала

основания используют слоистые диэлектрики, керамику, металл с покрытием из смолы. Для получения рисунка методом фотоселективной активации применяют фотоактиваторы (фотопромоторы) - светочувствительные растворы солей меди или серебра на основе органических кислот (винной, глутаминовой и др.). Фотоактиваторы наносят на подложку, затем проводят экспонирование; под действием УФ-излучения ионы меди восстанавливаются, формируя отчетливое изображение рисунка схемы. Проявление рисунка осуществляют в ванне химического меднения, в которой в результате автокаталитического процесса происходит восстановление меди. Основные этапы метода фотоформирования приведены в табл.7.

Таблица.7. Основные методы фотоформирования.

Одним из вариантов метода фотоформирования является вычерчивание световым лучом рисунка схемы по нанесенному на нефольгированный диэлектрик фотоактиватору, после чего на восстановленный металл осаждают медь химическим способом. Методом фотоформирования можно получить ДПП или слои МПП по 5-му классу точности и выше.

Применение новых технологий - главный тренд последних лет в любой сфере промышленного производства. Каждое предприятие в России и мире стремиться создавать более дешевую, надежную и качественную продукцию, использую самые совершенные методы и материалы. Использование аддитивных технологий - один из ярчайших примеров того, как новые разработки и оборудование могут существенно улучшать традиционное производство.

Что такое аддитивные технологии?

Аддитивные технологии производства позволяют изготавливать любое изделие послойно на основе компьютерной 3D-модели. Такой процесс создания объекта также называют «выращиванием» из-за постепенности изготовления. Если при традиционном производстве в начале мы имеем заготовку, от которой оптом отсекаем все лишнее, либо деформируем ее, то в случае с аддитивными технологиями из ничего (а точнее, из аморфного расходного материала) выстраивается новое изделие. В зависимости от технологии, объект может строиться снизу-вверх или наоборот, получать различные свойства.

Общую схему аддитивного производства можно изобразить в виде следующей последовательности:

Первые аддитивные системы производства работали главным образом с полимерными материалами . Сегодня 3D-принтеры , олицетворяющие аддитивное производство, способны работать не только с ними, но и с инженерными пластиками , композитными порошками , различными типами металлов , керамикой, песком . Аддитивные технологии активно используются в машиностроении, промышленности, науке, образовании, проектировании, медицине, литейном производстве и многих других сферах.

Наглядные примеры того, как аддитивные технологии применяются в промышленности - опыт BMW и General Electric:

Преимущества аддитивных технологий

• Улучшенные свойства готовой продукции. Благодаря послойному построению, изделия обладают уникальным набором свойств. Например, детали, созданные на металлическом 3D-принтере по своему механическому поведению, плотности, остаточному напряжении и другим свойствам превосходят аналоги, полученные с помощью литья или механической обработки.
• Большая экономия сырья. Аддитивные технологии используют практически то количество материала, которое нужно для производства вашего изделия. Тогда как при традиционных способах изготовления потери сырья могут составлять до 80-85%.
• Возможность изготовления изделий со сложной геометрией. Оборудование для аддитивных технологий позволяет производить предметы, которые невозможно получить другим способом. Например, деталь внутри детали. Или очень сложные системы охлаждения на основе сетчатых конструкций (этого не получить ни литьем, ни штамповкой).
• Мобильность производства и ускорение обмена данными. Больше никаких чертежей, замеров и громоздких образцов. В основе аддитивных технологий лежит компьютерная модель будущего изделия, которую можно передать в считанные минуты на другой конец мира - и сразу начать производство.

Схематично различия в традиционном и аддитивном производстве можно изобразить следующей схемой:

Аддитивное производство: технологии и материалы

Под аддитивным производством понимают процесс выращивания изделий на 3D-принтере по CAD-модели. Этот процесс считается инновационным и противопоставляется традиционным способам промышленного производства.

Сегодня можно выделить следующие технологии аддитивного производства:

• FDM (Fused deposition modeling) - послойное построение изделия из расплавленной пластиковой нити. Это самый распространенный способ 3D-печати в мире, на основе которого работают миллионы 3D-принтеров - от самых дешевых до промышленных систем трехмерной печати. FDM-принтеры работают с различными типами пластиков, самым популярным и доступным из которых является ABS. Изделия из пластика отличаются высокой прочностью, гибкостью, прекрасно подходят для тестирования продукции, прототипирования, а также для изготовления готовых к эксплуатации объектов. Крупнейшим в мире производителем пластиковых 3D-принтеров является американская компания Stratasys .
  .

• SLM (Selective laser melting) - селективное лазерное сплавление металлических порошков. Самый распространенный метод 3D-печати металлом. С помощью этой технологии можно быстро изготавливать сложные по геометрии металлические изделия, которые по своим качествам превосходят литейное и прокатное производство. Основные производители систем SLM-печати - немецкие компании SLM Solutions и Realizer .
  .

• SLS (Selective laser sintering) - селективное лазерное спекание полимерных порошков. С помощью этой технологии можно получать большие изделия с различными физическими свойствами (повышенная прочность, гибкость, термостойкость и др). Крупнейшим производителем SLS-принтеров является американский концерн 3D Systems .
  .

• SLA (сокращенно от Stereolithography) - лазерная стереолитография, отверждение жидкого фотополимерного материала под действием лазера. Эта технология аддитивного цифрового производства ориентирована на изготовление высокоточных изделий с различными свойствами. Крупнейшим производителем SLA-принтеров является американский концерн 3D Systems .
  .

В отдельную категорию стоит вынести технологии быстрого прототипирования . Это способы 3D-печати, предназначенные для получения образцов для визуальной оценки, тестирования или мастер-моделей для создания литейных форм.

• MJM (Multi-jet Modeling) - многоструйное моделирование с помощью фотополимерного или воскового материала. Эта технология позволяет изготавливать выжигаемые или выплавляемые мастер-модели для литья, а также - прототипы различной продукции. Используется в 3D-принтерах серии ProJet компании 3D Systems.
• PolyJet - отверждение жидкого фотополимера под воздействием ультрафиолетового излучения. Используется в линейке 3D-принтеров Objet американской компании Stratasys . Технология используется для получения прототипов и мастер-моделей с гладкими поверхностями.
• CJP (Color jet printing) - послойное распределение клеящего вещества по порошковому гипсовому материалу. Технология 3D-печати гипсом используется в 3D-принтерах серии ProJet x60 (ранее называлась ZPrinter). На сегодняшний день - это единственная промышленная технология полноцветной 3D-печати. С ее помощью изготавливают яркие красочные прототипы продукции для тестирования и презентаций, а также различные сувениры, архитектурные макеты.

Аддитивные технологии в России

Отечественные предприятия с каждым годом все более активно используют системы 3D-печати в производственных и научных целях. Оборудование для аддитивного производства, грамотно встроенное в производственную цепочку, позволяет не только сократить издержки и сэкономить время, но и начать выполнять более сложные задачи.

Компания Globatek.3D с 2010 года занимается поставкой в Россию новейших систем 3D-печати и 3D-сканирования. Оборудование, установленное нашими специалистами, работает в крупнейших университетах (МГТУ им. Баумана, МИФИ, МИСИС, Приволжском, СГАУ и других) и промышленных предприятиях, учреждениях ВПК и аэрокосмической отрасли.

Репортаж телеканала «Россия» об использовании SLM 280HL, установленном специалистами Globatek.3D в Самарском государственном аэрокосмическом университете:

Специалисты GLobatek.3D помогают профессионалам из различных областей подобрать 3D-оборудование, которое будет максимально эффективно решать задачи, стоящие перед предприятием. Если ваша компания планирует приобрести оборудование для аддитивного производства, позвоните по телефону +7 495 646-15-33 , и консультанты компании Globatek.3D помогут вам с выбором.

Globatek.3D - 3D-оборудование для профессионалов.

Цифровое производство с использованием аддитивного метода заключается в послойном создании объекта любой сложности. Аддитивные технологии принципиально отличаются от тех, которыми пользовались до недавнего времени. Их главное отличие в том, что они являются не вычитающими, как, к примеру, метод ЧПУ обработки, а собирательными. Иными словами, происходит собирание изделия из изготовленных порошковой композицией деталей. По сравнению с техникой литья, штамповки или обработки ЧПУ данная технология повышает производительность до тридцати раз, но самое главное, что она дает возможность получить детали, которые традиционными способами было невозможно создать.

Инновационные 3D-аддитивные технологии позволяют создавать модели любых форм и размеров, так как послойной процесс синтеза происходит слой за слоем. Данный способ производства пользуется таким методом, как прототипирование. Этодает возможность создавать не готовый объект, который можно использовать для конкретных целей, а его прототип, позволяющий оценивать возможности и характеристики модели, ее внешние данные и т. д.

Прототипы можно представлять заказчикам, а такжеиспользовать в маркетинговых целях. К примеру, на автомобильных выставках часто используются модели, созданные с помощью быстрого прототипирования, для того чтобы представить их потенциальным заказчикам. Данная технология позволяет производить прототипы быстро,а главное - недорого по сравнению со стандартными методами производства.

Технологии аддитивного производства широко используются для уменьшения затрат при проектировании за счет определения возможных ошибок на ранних стадиях проектирования. Кроме того, данная технология сокращает время выхода продукта на рынок за счет усиления связи между заказчиком и проектировщиком. Она практически полностью исключает трудоемкий и длительный этап изготовления опытных образцов.

История развития и сфера применения 3D-аддитивных технологий

Многие считают объемную печать изобретением 21 столетия, однако техника аддитивной печати зародилась еще в восьмидесятых годах прошлого века. И ее отцом считают Ч. Халла - человека, сконструировавшего первый стереолитографический 3D-принтер, работающий на SLA-технологии. Вскоре другой инженер - С. Крамп смог спроектировать и создать FDМ-принтер. И, несмотря на то, что данные технологии печати немного отличаются друг от друга, их объединяет один принцип - послойное выращивание трехмерной модели. К концу девяностых годов обе технологии стали применяться в промышленности. Чуть позже 3D-технология была внедрена двумя студентами Массачусетского института в настольные принтеры, и сегодня аддитивные технологии, технологии 3D-моделирования широко используют не только в производстве, но и в быту.

На данный момент современные технологии цифрового производства применяются в строительстве, архитектуре, медицине, космонавтике, машиностроении и других сферах деятельности. Так, например, аддитивные технологии в машиностроении позволяют создавать качественные прототипы моделей, помогающих изучить все характеристики будущего изделия или агрегата. При создании прототипов чаще всего применяется стереолитографический метод AF-печати, при котором слои жидкого полимера отвердевают благодаря использованию лазера. Методика позволяет получать прототипы сложнейших объектов с множеством мелких элементов, в том числе нестандартной формы.

Какие задачи решает применение аддитивных технологий на цифровом производстве?

Интегрированная компьютерная цифровая система управления производством включает в себя применение средств численного моделирования, трехмерной (3D) визуализации, инженерного анализа и совместной работы, предназначенных для разработки конструкции изделий и технологических процессов их изготовления.

Проектирование цифрового производства- это концепция технологической подготовки производства в единой виртуальной среде с помощью инструментов планирования, проверки и моделирования производственных процессов. Технологии цифрового производства - это, прежде всего, процессы перевода цифрового дизайна в физический объект.

Применение аддитивных технологий решает такие задачи цифровых производств, какмодернизация и автоматизация действующих и проектирование новых эффективных машиностроительных производств различного назначения, средств и систем их оснащения, а также производственных и технологических процессов с использованием автоматизированных систем технологической подготовки производства.

Как известно, существует несколько методов 3D печати, однако все они являются производными аддитивной технологии производства изделий. Вне зависимости от того, какой 3D принтер вы используете, построение заготовки осуществляется путем послойного добавления сырья. Несмотря на то, что термин Additive Manufacturing используется отечественными инженерами очень редко, технологии послойного синтеза фактически оккупировали современную промышленность.

Экскурс в прошлое Additive Manufacturing

Цифровое производство нашло свое применение в медицине, космонавтике, производстве готовой продукции и прототипировании. Хотя 3D печать принято считать одним из главных открытий двадцать первого века, в действительности аддитивные технологии появились на несколько десятилетий раньше.

Родоначальником отрасли стал Чарльз Халл, основатель компании 3D Systems. В 1986 году инженер собрал первый в мире стереолитографический 3D-принтер, благодаря чему цифровые технологии сделали огромный рывок вперед. Приблизительно в то же время Скотт Крамп, позже основавший компанию Stratasys, выпустил первый в мире FDМ-аппарат. С тех пор, рынок трехмерной печати стал стремительно расти и пополняться новыми моделями уникального печатного оборудования.

Первое время обе технологии SLA и FDM развивались бок обок исключительно в направлении промышленного производства, однако в 1995 году назрел перелом, сделавший аддитивные методы изготовления продукции общедоступными. Студенты Массачусетского технологического института, Джим Бредт и Тим Андерсон, внедрили технологию послойного синтеза материала в корпус обычного настольного принтера. Именно так была основана компания Z Corporation, долгое время считавшаяся лидером в сфере бытовой печати объемных фигур.

Технология аддитивного производства — Эпоха инноваций

В наши дни AF-технологии используются повсеместно: научно-исследовательские организации с их помощью создают уникальные материалы и ткани, промышленные гиганты используют 3D принтеры для ускорения прототипирования новой продукции, архитектурные и конструкторские бюро нашли в 3D печати нескончаемый строительный потенциал, в то время как дизайн-студии буквально вдохнули новую жизнь в дизайнерский бизнес благодаря аддитивным машинам.

Наиболее точной аддитивной технологией считается стереолитография – методом поэтапного послойного отверждения жидкого фотополимера лазером. SLA принтеры используются преимущественно для изготовления прототипов, макетов и дизайнерских компонентов повышенной точности с высоким уровнем детализации.

Селективное лазерное спекание изначально появилось, как усовершенствованный метод отверждения жидкого фотополимера. SLS-технология позволяет в качестве чернил использовать порошкообразные материалы. Современные SLS-принтеры способны работать с керамической глиной, металлическим порошком, цементом и сложными полимерами.

В литейной отрасли недавно появились PolyJet-аппараты, работающие по классической AF-технологии. Они оборудованы струйными печатными головками, заправленными быстро-застывающим материалом. На сегодняшний день InkJet 3D принтеры нешироко распространены, однако не исключено, что уже через несколько лет трехмерная струйная печать станет столь же распространена, как и классические печатные устройства. Первопроходцем в данной отрасли стала компания ExOne с ее прототипирующей машиной S-Max.

Самыми дешевыми по-прежнему остаются FDM-принтеры – устройства, создающие трехмерные объекты путем послойного наплавления филамента. Наиболее распространенными принтерами данного типа остаются аппараты, печатающие расплавленной пластиковой нитью. Они могут оснащаться одной или несколькими печатными головками, внутри которых находится нагревательный элемент.

Несмотря иа то что методы изготовления печатных плат, основанные на травлении фольгированного диэлектрика, вследствие высокого уровня их оснащенности занимают доминирующее положение в массовом производстве, имеются серьезные тенденции исключить субтрактив-ный метод ввиду ряда его недостатков. Возможность для этого представляет аддитивный метод, приобретающий все большее значение. При этом методе исходным является нефольгированный диэлектрик (например, стеклотекстолит), на поверхность которого (как и на стенки просверленных отверстии) наносится желаемый рисунок печатной платы.

Существенными преимуществами аддитивного метода по сравнению с субтрактнвным методом являются:

более высокая надежность, так как проводники и металлизация отверстий получаются в едином гальваническом процессе;

однородность соединений между проводниками и металлизацией отверстии;

отсутствие подтравливания;

отсутствие гальванического защитного покрытия при травлении; экономия меди, химикатов для травления и уменьшение затрат на нейтрализацию сточных вод;

упрощение технологического процесса .

Ниже рассматриваются два основных варианте аддитивного метода изготовления печатных плат: химический и химико-гальванический. Б первом варианте проводяшне слои получают на основе восстановительного осаждения; этот процесс по сравнению с другими бестоковыми

методами позволяет осаждать весьма толстые слои (до 10 мкм)

Наряду с вышеперечисленными общими преимуществами аддитивный метод обладает некоторыми особенностями. Толщина слоя равномерна в отверстиях и иа поверхности, а осаждаемые слои меди обнаруживают хорошие механические и физические свойства (твердость, износостойкость, паяемость). Недостатками метода являются высокая стоимость изделий (в 3-4 раза выше, чем при гальваническом осаждении) и низкаи скорость осаждения.

Чтобы устранить недостатки химического метода, часто обращаются к комбинированным методам. При этом на поверхности нефоль-гированного диэлектрика сначала химически получают связанный с подложкой слой меди толщиной до 5 мкм, который при последующем селективном гальваническом нараишвашш служит рисунком печатных проводников, а по окончании наращивания вытравливается, где это не» обходимо. ТЛриншт и важнейшие операции этого метода представлены.

Недостатком является неравномерная толщина покрытия в отверстиях из-за неравномерного распределения плотности тока гальванических ванн и возникновение переходной зоны между химически восстановленной и гальванически осажденной медью.

Необходимую для химического осаждения активацию диэлектрика можно осуществить как с помощью включения катализатора в диэлектрик прн его производстве, так и с помощью растворов двухлорнстого олова и хлористого палладия. При использовании диэлектрика с внедренным катализатором первой операцией после сверления отверстий: является создание негативного рисунка схемы на основе фоторезиста»

поэтому в восстановительной ванне осаждается только рисунок печатных проводников и осуществляется металлизация отверстий. Так как активацию с помощью растворов можно производить только на всеГг поверхности печатной платы, то создание защитного рельефа возможно толыго после создания медного елся толщиной 5 мкм. После химического или гальванического усиления меди необходима относительно короткая операция травления для удаления медного покрытия толщиной 5 мкм с нежелательных мест.

Особенно экономичен аддитивный метод при изготовлении МПП с металлизированными отверстиями, так как все его достоинства в наибольшей степени проявляются прн получении рисунков отдельных слоев и наружных рисунков печатной платы с соответствующими металлизированными отверстиями.