Огляд розвитку адитивних технологій металів
Анотація
Дана робота присвячена вивченню прогресу та сфер використання технологій адитивного виробництва – від перших теорій пошарового виробництва до сучасних технологій. Технології адитивного виробництва – одні з найбільш стрімко розвиваючихся та зберігають значний інтерес наукової спільноти через те, що вони представляють собою як альтернативний шлях виготовлення для існуючих конструкцій, так і відкривають можливості до розробки нових конструкцій з комплексністю структури, недосяжною для традиційних технологій. Оглядаючи історію розвитку та впровадження різних технологічних процесів адитивного виробництва для металів, було знайдено, що існує пробіл у складанні комплексної картини загального розвитку технологій адитивного виробництва у металургії. Для кращого розуміння та систематизації знань про адитивного виробництва, а також для відповіді на ряд розповсюджених питань щодо даних технологій, було проведено аналіз публічно відомих знань, щодо їх історичних застосувань у провідних країнах світу. Було розглянуто ряд таких технологій адитивного виробництва, як дугове з використанням дроту адитивне виробництво, селективне лазерне спікання, селективне лазерне плавлення, електронно-променеве плавлення, а також лазерне сітчасте формування. Дослідження фокусувалось на розробках, що проводились різними країнами світу в 20 та 21 століттях вченими таких країн, як США, Великобританія, Франція, Німеччина, Японія, Канада, СРСР та інших. Було розглянуто основні документи для початкових дослідницьких зусиль для кожного сімейства процесів адитивного виробництва та різних застосувань даних технологій – від топографії та стереолітографії, до сучасної медицини з авіакосмічною індустрією, обговорено їх основні висновки, прориви та проблеми. Було проведено аналіз та класифікацію робіт, які розглядають розвиток різних технологічних процесів та їх впровадження. У результаті проведеного аналізу було запропоновано систематизований підхід до створення комплексної схеми розвитку адитивних технологій, пов’язаних з розвитком технологій у різних руслах.
Завантаження
Посилання
Agarwala, M., Bourell, D., Beaman, J., Marcus, H., & Barlow, J. (1995). Post‐processing of selective laser sintered metal parts. Rapid Prototyping Journal, 1(2), 36‒44. https://doi.org/10.1108/13552549510086853
Akhonin, S., Berezos, V., Severyn, A., Gadzyra, M., Tymoschenko, Y., & Davydchuk, N. (2019). Structure and properties of titanium modified silicon-carbide at EBM. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 582(1), 012051. https://doi.org/10.1088/1757-899X/582/1/012051
Arzhakova, V. M. (1984). Elektronno-luchevaya plavka tugoplavkih metallov i splavov [Electron beam melting of refractory metals and alloys]. Atomnaya energiya ‒ Atomic Energy, 57(3) [in Russian].
Bahnini, I., Rivette, M., Rechia, A., Siadat, A., & Elmesbahi, A. (2018). Additive manufacturing technology: the status, applications, and prospects. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 97, 147‒161. https://doi.org/10.1007/s00170-018-1932-y
Baker, R. (1920). Method of making decorative articles. US Patent No. US1533300A. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. Retrieved from https://patents.google.com/patent/US1533300A/en
Berdnikova, O., Kushnarova, O., Bernatskyi, A., Polovetskyi, Y., Kostin, V., & Khokhlov, M. (2021). Structure features of surface layers in structural steel after laser-plasma alloying with 48(WC–W2C)+ 48Cr+ 4Al powder. In 2021 IEEE 11th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 05‒11 September 2021, Odessa, Ukraine, (pp. 1‒4). Odessa: IEEE. https://doi.org/10.1109/NAP51885.2021.9568516
Blanther, J. E. (1892). Manufacture of contour relief-maps. US Patent No. US473901A. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. Retrieved from https://patents.google.com/patent/US473901A/en
Davies, S. (2021, August 24). DM3D technology manufactures ten-foot-tall rocket nozzle liner for NASA project with DED 3D printing. TCT Magazine. Retrieved from https://www.tctmagazine.com/additive-manufacturing-3d-printing-news/metal-additive-manufacturing-news/dm3d-technologies-manufactures-ten-foot-tall-rocket-nozzle-l/
Duriagina, Z., Lemishka, I., Litvinchev, I., Marmolejo, J. A., Pankratov, A., Romanova, T., & Yaskov, G. (2021). Optimized filling of a given cuboid with spherical powders for additive manufacturing. Journal of the Operations Research Society of China, 9, 853‒868. https://doi.org/10.1007/s40305-020-00314-9
Dutta, B., Babu, S., & Jared, B. (2019). Chapter 1 ‒ Metal additive manufacturing. In B. Dutta, S. Babu, & B. Jared (Eds.), Science, Technology and Applications of Metals in Additive Manufacturing (pp. 1‒10). Oak Ridge, United States: Elsevier. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-816634-5.00001-7.
EOS GmbH. (2023). The story of EOS GmbH and industrial 3D printing. EOS.info Retrieved from https://www.eos.info/en/who-we-are/history
Fatoba, O. S., & Jen, T. C. (2023). Acoustic-based in-situ monitoring of additive manufacturing fabrication: A review. In 2023 14th International Conference on Mechanical and Intelligent Manufacturing Technologies (ICMIMT), 26‒28 May 2023, Cape Town, South Africa, (pp. 250‒256). Cape Town, South Africa: IEEE. https://doi.org/10.1109/ICMIMT59138.2023.10200667
Haskin, V. Yu., Bernatskyi, A. V., Siora, O. V., & Nikulin, O. T. (2011). Study of influence of conditions of process of laser superficial processing of the loaded steel articles on structure and properties of obtained layers. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii, 33, 561‒567.
Hull, Ch. W. (1998). Method and apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. US Patent No. US5779967. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. Retrieved from https://patents.google.com/patent/US5779967
Izonin, I., Tkachenko, R., Gregus, M., Duriagina, Z., & Shakhovska, N. (2022). PNN-SVM approach of Ti-based powder’s properties evaluation for biomedical implants production. Computers, Materials & Continua, 71(3), 5933‒5947. https://doi.org/10.32604/cmc.2022.022582
Karayel, E., & Bozkurt, Y. (2020). Additive manufacturing method and different welding applications, Journal of Materials Research and Technology, 9(5), 11424‒11438. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.08.039.
Kim, K.-B., Kim, J.-H., Kim, W.-C., Kim, H.-Y., & Kim, J.-H. (2013). Evaluation of the marginal and internal gap of metal-ceramic crown fabricated with a selective laser sintering technology: Two- and three-dimensional replica techniques. The Journal of Advanced Prosthodontics, 5(2), 179‒186. https://doi.org/10.4047/jap.2013.5.2.179
Kodama, H., (1981). Automatic method for fabricating a three-dimensional plastic model with photo-hardening polymer, Review of Scientific Instruments, 52(11), 1770–1773. https://doi.org/10.1063/1.1136492
Korzhyk, V., Khaskin, V., Voitenko, O., Sydorets, V., & Dolianovskaia, O. (2017). Welding technology in additive manufacturing processes of 3D objects. Materials Science Forum, 906, 121–130. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/msf.906.121
Kritskiy, D., Pohudina, O., Kovalevskyi, M., Tsegelnyk, Ye., & Kombarov, V. (2022). Powder mixtures analysis for laser cladding using OpenCV library. In: M. Nechyporuk, V. Pavlikov, D. Kritskiy (Eds.), Integrated Computer Technologies in Mechanical Engineering ‒ 2021, ICTM 2021, Lecture Notes in Networks and Systems, 367 (pp. 924–937). Cham: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-94259-5_72
Kvasnytskyi, V., Korzhyk, V., Lahodzinkyi, I., Illiashenko, Y., Peleshenko, S., & Voitenko, O. (2020). Creation of volumetric products using additive arc cladding with compact and powder filler materials. In 2020 IEEE 10th International Conference Nanomaterials: Applications & Properties (NAP), 09‒13 November 2020, Sumy, Ukraine (pp. 02SAMA16-1 ‒ 02SAMA16-5). Sumy, Ukraine: IEEE. https://doi.org/10.1109/NAP51477.2020.9309696
Lee, J., Park, H. J., Chai, S., Kim, G. R., Yong, H., Bae, S. J., & Kwon, D. (2021). Review on quality control methods in metal additive manufacturing. Applied Sciences, 11(4), 1966. https://doi.org/10.3390/app11041966
Legutko, S. (2018). Additive techniques of manufacturing functional products from metal materials. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 393, 012003. https://doi.org/10.1088/1757-899X/393/1/012003
Lesyk, D., Martinez, S., Dzhemelinkyi, V., & Lamikiz, A. (2020). Additive manufacturing of the superalloy turbine blades by selective laser melting: surface quality, microstructure and porosity. In: I. Karabegović (Ed.), New Technologies, Development and Application III. NT 2020. Lecture Notes in Networks and Systems, 128 (pp. 267–275). Cham: Springer. https://doi.org/10.1007/978-3-030-46817-0_30
Lesyk, D., Martinez, S., Mordyuk, B., Dzhemelinskyi, V., & Lamikiz, A. (2019, September). Surface finishing of complexly shaped parts fabricated by selective laser melting. In V. Tonkonogyi et al. (Eds.), Advanced Manufacturing Processes Selected Papers from the Grabchenko’s International Conference on Advanced Manufacturing Processes (InterPartner‒2019), September 10‒13, 2019, Odessa, Ukraine, (pp. 186‒195). Cham: Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-40724-7_19
Liu, J., Xu, Y., Ge, Y., Hou, Z., & Chen, S. (2020). Wire and arc additive manufacturing of metal components: a review of recent research developments. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 111, 149‒198. https://doi.org/10.1007/s00170-020-05966-8
Masiuchok, O., Iurzhenko, M., Kolisnyk, R., Mamunya, Y., Godzierz, M., Demchenko, V., ... & Shadrin, A. (2022). Polylactide/Carbon black segregated composites for 3D printing of conductive products. Polymers, 14(19), 4022. https://doi.org/10.3390/polym14194022
Matviichuk, V., Nesterenkov, V., & Berdnikova, O. (2022). Determining the influence of technological parameters of the electron-beam surfacing process on quality indicators. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(12(115), 21–30. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2022.253473
Meiners, W., Wissenbach, K., & Gasser, A. (1998). Shaped body especially prototype or replacement part production. EU Patent No. DE19649865C1. München: Deutsches Patent- und Markenamt. Retrieved from https://patents.google.com/patent/DE19649865C1/en
Moeinfar, Kh., Khodabakhshi, F., Kashani-bozorg, S. F., Mohammadi, M., & Gerlich, A. P. (2022). A review on metallurgical aspects of laser additive manufacturing (LAM): Stainless steels, nickel superalloys, and titanium alloys, Journal of Materials Research and Technology, 16, 1029‒1068. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.12.039.
Murr, L., Gaytan, S., Ramirez, D., Martinez, E., Hernandez, J., Amato, K., … & Wicker, R. (2012). Metal fabrication by additive manufacturing using laser and electron beam melting technologies. Journal of Materials Science & Technology, 28(1), 1‒14. https://doi.org/10.1016/S1005-0302(12)60016-4
NASA. (2017). Rocket engine injector manufactured with 3-D printing machine. The National Aeronautics and Space Administration. Retrieved from https://www.nasa.gov/exploration/systems/sls/multimedia/gallery/3d_printer_2.html
Optics.org. (2018, Mar 20). NASA improves 3D-printing for faster, cheaper nozzles. SPIE Europe. Retrieved from https://optics.org/news/9/3/27
Paton, B. E., & Kubasov, V. N. (1970). Eksperiment po svarke v kosmose [Experiment on welding in space]. Avtomaticheskaya svarka – Automatic Welding, (5), 7‒12 [in Russian].
Paton, B. E., & Lapchinskij, V. F. (1998). Svarka i rodstvennye tehnologii v kosmose. Osobennosti i perspektivy [Welding and related technologies in space. Features and prospects]. Kyiv: Naukova Dumka [in Russian].
Paton, B. E., Nazarenko, O. K., Chalov, V. I., Neporozhnij, Y. V., Lebedev, V. K., & Zaruba, I. I. (1971). Features of equipment and processes of electron beam welding and cutting in space. Avtomaticheskaya svarka – Automatic Welding, (3), 3‒8 [in Russian].
Pelz, J. S., Ku, N., Meyers, M. A., & Vargas-Gonzalez, L. R. (2021). Additive manufacturing of structural ceramics: a historical perspective, Journal of Materials Research and Technology, 15, 670‒695. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2021.07.155
Prinz, F. B., Atwood, C. L., & Aubin, R. F. (1997). JTEC/WTEC panel report on rapid prototyping in Europe and Japan. Volume 1: Analytical chapters (No. DOE/ER/30259-T1). Baltimore, MD (United States): Loyola College, International Technology Research Institute.
Ramola, M., Yadav, V., & Jain, R. (2019). On the adoption of additive manufacturing in healthcare: A literature review. Journal of Manufacturing Technology Management, 30(1), 48‒69. https://doi.org/10.1108/JMTM-03-2018-0094
Rodrigues, T. A., Duarte, V., Miranda, R. M., Santos, T. G., & Oliveira, J. P. (2019). Current status and perspectives on wire and arc additive manufacturing (WAAM). Materials, 12, 1121. https://doi.org/10.3390/ma12071121
Romanova, T., Stoyan, Y., Pankratov, A., Litvinchev, I., Plankovskyy, S., Tsegelnyk, Y., & Shypul, O. (2021). Sparsest balanced packing of irregular 3D objects in a cylindrical container. European Journal of Operational Research, 291(1), 84–100. https://doi.org/10.1016/j.ejor.2020.09.021
Sachs, E., Cima, M., & Cornie, J. (1990). Three-dimensional printing: rapid tooling and prototypes directly from a CAD model. CIRP Annals, 39(1), 201‒204. https://doi.org/10.1016/S0007-8506(07)61035-X
Schlett, J. (2023, January). Lasers shape a new future for additive manufacturing of metal parts. Photonics Media. Retrieved from https://www.photonics.com/Articles/Lasers_Shape_a_New_Future_for_Additive/a68560
Schwab, S., Selin, R., & Voron, M. (2023). Welding materials for TIG welding, surfacing, and WAAM technology of titanium alloys. Welding in the World, 67(4), 981‒986. https://doi.org/10.1007/s40194-023-01464-z
Serin, G., Kahya, M., Unver, H. O., Gulec, Y., Durlu, N., & Erogul, O. (2016). A review of additive manufacturing technologies. In Proceeding the 17th International Conference on Machine Design and Production, 12‒15 July 2016, Bursa, Turkiye (pp. 1‒18). Retrieved from https://www.researchgate.net/profile/Hakki-Ozgur-Unver/publication/322745252_A_REVIEW_OF_ADDITIVE_MANUFACTURING_TECHNOLOGIES/links/5a6cacd4a6fdcc317b17c4ad/A-REVIEW-OF-ADDITIVE-MANUFACTURING-TECHNOLOGIES.pdf
Shelyagin, V., Bernatskyi, A., Siora, O., Nabok, T., Shamsutdinova, N., & Sokolovskyi, M. (2021). Historical review of technological CO2 lasers development, manufacturing and operation stages at E. O. Paton Electric Welding Institute of the NAS of Ukraine. In 2021 IEEE 3rd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 26‒28 August 2021, Lviv, Ukraine, (pp. 589–593). https://doi.org/10.1109/UKRCON53503.2021.9575940.
Shelyagin, V., Krivtsun, I., Borisov, Yu., Khaskin, V., Nabok, T., Siora, A., … & Nedej, T. (2005). Laser-arc and laser-plasma welding and coating technologies. Avtomaticheskaya Svarka– Automatic Welding, (8), 49‒54.
Shockey, H. (1930). Machine for reclaiming worn brake drums. US Patent No. US1886503A. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. Retrieved from https://patents.google.com/patent/US1886503A/en.
Singh, R., Gupta, A., Tripathi, O., Srivastava, S., Singh, B., Awasthi, A., ... & Saxena, K. K. (2020). Powder bed fusion process in additive manufacturing: An overview. Materials Today: Proceedings, 26(2), 3058‒3070. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2020.02.635
SLM Solutions. (2023). Selective laser melting solutions for healthcare applications. SLM Solutions. Retrieved from https://www.slm-solutions.com/industries/healthcare/
Soller, S., Barata, A., Beyer, S., Dahlhaus, A., Guichard, D., Humbert, E., … & Zeiss, W. (2016). Selective laser melting (SLM) of Inconel 718 and stainless steel injectors for liquid rocket engines. In 2016 SPACE PROPULSION Conference, 02‒06 May 2016, Rome, Italy (SPC2016_312478, pp. 1‒10). Paris: 3AF – Association Aéronautique et Astronautique de France.
SpaceX. (2014). SpaceX launches 3D-printed part to space, creates printed engine chamber for crewed Spaceflight. SpaceX. Retrieved from http://www.spacex.com/news/2014/07/31/spacex-launches-3d-printed-part-space-creates-printed-engine-chamber-crewed
Steigerwald StrahlTechnik. (2023). History of electron beam technology. Steigerwald StrahlTechnik. Retrieved from https://www.sst-ebeam.com/en/electron-beam-technology/history-of-eb-technology.html
Strelko, О. H., Pylypchuk, O. Ya., & Berdnychenko, Yu. А. (2019). The fiftieth anniversary of the first space welding experiment. Space Science and Technology, 25(5), 76–84. https://doi.org/10.15407/knit2019.05.076
Strelko, O., Pylypchuk, O., Berdnychenko, Yu., Hurinchuk, S., Gamaliia, V., & Sorochynska, O. (2019). Historical milestones of electrotechnical equipment creation for active experiments in the Near-Earth Space by Ukrainian scientists. In 2019 IEEE 2nd Ukraine Conference on Electrical and Computer Engineering (UKRCON), 02‒06 July 2019, Lviv, Ukraine, (pp. 1229‒1234). Lviv: IEEE. https://doi.org/10.1109/UKRCON.2019.8879983
Strelko, O. (2021). Stages of development, improvement and application of equipment for welding in space, created with the participation of Ukrainian scientists. Studia Historiae Scientiarum, 20, 263‒283. https://doi.org/10.4467/2543702XSHS.21.010.14041
Trajković, I., Rakin, M., Milošević, M., Mitrović, N., Travica, M., Sedmak, A., & Medjo, B. (2023). Selective laser sintered Pipe Ring Notched Tension specimens for examination of fracture properties of pipeline materials. Engineering Fracture Mechanics, 292, 109573. https://doi.org/10.1016/j.engfracmech.2023.109573
Ujiie, A. (1971). Method of and apparatus for constructing substantially circular cross section vessel by welding. US Patent No. US3558846. Washington, DC: U.S. Patent and Trademark Office. Retrieved from https://patents.google.com/patent/US3558846A/en
Wohlers, T., & Gornet, T. (2016). History of additive manufacturing. Wohler’s Report 2016. Washington, USA: ASTM International. Retrieved from https://wohlersassociates.com/wp-content/uploads/2022/08/history2016.pdf
Yuan, L., Ding, S., & Wen, C. (2019). Additive manufacturing technology for porous metal implant applications and triple minimal surface structures: A review. Bioactive Materials, 4, 56‒70. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2018.12.003
Zavdoveev, A., Klapatyuk, A., Karasevska, O., Baudin, Th., Rogante, M. Pozniakov, V., & Gaivoronskii, O. (2023). X-ray analysis of the microstructure of the wire arc additively manufactured high entropy alloy. In 12th International Conference on Mechanical Technologies and Structural Materials, MTSM 2023, 21‒22 September 2023, Split, Croatia, Issue 60, (pp. 329‒334). Split, Croatia: University of Split. Retrieved from http://www.strojarska-tehnologija.hr/img/pdf/Conference_Proceedings_MTSM_2023.pdf
Zavdoveev, A., Pozniakov, V., Baudin, T., Kim, H. S., Klochkov, I., Motrunich, S., ... & Skoryk, M. (2022). Optimization of the pulsed arc welding parameters for wire arc additive manufacturing in austenitic steel applications. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 119(7‒8), 5175‒5193. https://doi.org/10.1007/s00170-022-08704-4
Zhang, W., Xu, Y., Shi, Y., Su, G., Gu, Y., & Korzhyk, V. (2022). Intergranular corrosion characteristics of high-efficiency wire laser additive manufactured Inconel 625 alloys. Corrosion Science, 205, 110422. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2022.110422
Zielinski, P. (2021, October 13). The way ahead for wire arc additive manufacturing. Additive Manufacturing. Retrieved from https://www.additivemanufacturing.media/articles/the-way-ahead-for-wire-arc-additive-manufacturing
Кількість переглядів: 1378 Кількість завантажень PDF: 1078
Авторські права та ліцензування
Ліцензійні умови: автори зберігають авторське право, а також надають право журналу публікувати оригінальні наукові статті, що містять результати експериментальних і теоретичних досліджень і не знаходяться на розгляді для опублікування в інших віданнях. Всі матеріали поширюється на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License International CC-BY, яка дозволяє іншим розповсюджувати роботу з визнанням авторства цієї роботи і першої публікації в цьому журналі.
До рукопису статті додається підписана авторами відсканована копія «Угоди» про передачу авторами прав на публікацію рукопису і подальше розміщення статті в інтернеті (у форматі * .pdf або * .jpg).
Цією угодою автор засвідчує, що поданий матеріал:
- не порушує авторських прав інших осіб або організацій;
- не був опублікований раніше у інших видавництвах та не був поданий до публікації у інші видання.
Автор передає редколегії журналу "Історія науки і техніки" права на:
- публікацію статті українською (англійською та російською) мовою та розповсюдження її друкованої версії.
- переклад статті англійською мовою (для статей українською та російською мовою) та розповсюдження друкованої версії перекладу.
- розповсюдження електронної версії статті, а також електронної версії англомовного перекладу статті (для статей українською та російською мовою), через будь-які електронні засоби (розміщення на офіційному web-сайті журналу, в електронних базах даних, репозитаріях тощо).
Автор зберігає за собою право без узгодження з редколегією та засновниками:
- Використовувати матеріали статті повністю або частково з освітньою метою.
- Використовувати матеріали статті повністю або частково для написання власних дисертацій.
- Використовувати матеріали статті для підготовки тез, доповідей конференцій, а також усних презентацій.
- Розміщувати електронні копії статті (у тому числі кінцеву електронну версію, завантажену з офіційного web-сайту журналу) на:
- персональних web-ресурсах усіх авторів (web-сайти, web-сторінки, блоги тощо);
- web-ресурсах установ, де працюють автори (включно з електронними інституційними репозитаріями);
- некомерційних web-ресурсах відкритого доступу (наприклад, arXiv.org).
В усіх випадках наявність бібліографічного посилання на статтю або гіперпосилання на її електронну копію на офіційному сайті журналу є обов’язковим.
