Что такое 3D-печать? Принцип работы | Типы | Приложения

Концепция 3D-печати была изложена Дэвидом Э. Джонс в 1974 году. Однако методы и материалы для изготовления моделей не были разработаны до начала 1980-х годов.

Термин «3D-печать» охватывает многочисленные процессы и методы, которые предлагают широкий спектр возможностей для производства деталей и продуктов из различных материалов. В последние годы эти процессы значительно расширились и теперь могут выполнять решающие роли во многих приложениях.

Эта обзорная статья призвана объяснить различные типы и процессы 3D-печати, как они работают, каковы их применения и преимущества на текущем рынке. Начнем с очень простого вопроса.

Что такое 3D-печать?

3D-печать, также известная как аддитивное производство, представляет собой процесс создания физического объекта из трехмерной цифровой модели или модели САПР. Он включает в себя различные контролируемые компьютером методы, с помощью которых материал соединяется или затвердевает для создания реального объекта.

Обычно материал (например, зерна порошка или сливающиеся вместе молекулы жидкости) добавляют слой за слоем в миллиметровом масштабе. Вот почему 3D-печать также называют процессом аддитивного производства.

Изображение показывает, как 3D-принтер печатает трехмерные объекты слой за слоем | 3D-логика

В 1990-х годах технологии 3D-печати назывались быстрым прототипированием. Они подходили только для изготовления эстетических или функциональных прототипов. С тех пор мы прошли долгий путь.

Сегодняшняя технология 3D-печати достаточно продвинута, чтобы создавать сложные структуры и геометрические формы, которые иначе было бы невозможно построить вручную.

Точность, диапазон материалов и повторяемость 3D-печати выросли до такой степени, что мы можем построить практически все - от простых прототипов до сложных конечных продуктов, таких как экологически чистые здания, детали самолетов, медицинские инструменты и даже искусственные органы, использующие слои клетки человека.

Читать:Ученые 3D-печатью искусственной роговицы человека с помощью «биочернил»

Как именно это работает?

Все методы 3D-печати основаны на одном и том же принципе:3D-принтер принимает цифровую модель (в качестве входных данных) и превращает ее в физический трехмерный объект, добавляя материал слой за слоем.

Это сильно отличается от традиционных производственных процессов, таких как литье под давлением и обработка с ЧПУ, в которых используются различные режущие инструменты для создания желаемой структуры из цельного блока. Однако для 3D-печати не требуются режущие инструменты:объекты изготавливаются прямо на построенной платформе.

Процесс начинается с цифровой 3D-модели (чертежа объекта). Программное обеспечение (предназначенное для принтера) разрезает 3D-модель на тонкие двухмерные слои. Затем он преобразует их в набор инструкций на машинном языке для выполнения принтером.

В зависимости от типа принтера и размера объекта печать занимает несколько часов. Печатный объект часто требует дополнительной обработки (например, шлифовки, нанесения лака, краски или других видов обычных отделочных работ) для достижения оптимальной отделки поверхности, что требует дополнительного времени и ручных усилий.

В разных типах 3D-принтеров используются разные технологии, которые по-разному обрабатывают разные материалы. Возможно, самое основное ограничение 3D-печати с точки зрения материалов и приложений заключается в том, что не существует универсального решения.

Типы / процессы 3D-печати

В соответствии со стандартом ISO / ASTM 52900 все процессы 3D-печати можно разделить на семь групп. У каждого есть свои плюсы и минусы, которые обычно связаны с такими аспектами, как стоимость, скорость, свойства материала и геометрические ограничения.

1. Фотополимеризация ндс

Иллюстрация SLA:лазер (a) выборочно освещает прозрачное дно (c) резервуара, заполненного (b) жидкой фотополимеризующейся смолой. Подъемная платформа (e) постепенно поднимает затвердевшую смолу (d).

3D-принтер, основанный на фотополимеризации Vat, имеет контейнер, заполненный фотополимерной смолой, которая отверждается источником ультрафиолетового света для создания объекта. Три наиболее распространенных формы полимеризации в ванне:

1a) Стереолитография (SLA): Изобретенный в 1984 году, SLA использует ультрафиолетовый лазер для сшивания химических мономеров и олигомеров с образованием полимеров, составляющих основу трехмерного твердого тела. Хотя этот процесс выполняется быстро и позволяет построить практически любую структуру, он может быть дорогостоящим.

1b) Цифровая обработка света (DLP): В нем используются обычные источники света, такие как дуговые лампы (вместо лазеров). Каждый слой объекта проецируется на емкость с жидкой смолой, которая затем слой за слоем затвердевает по мере того, как подъемная платформа перемещается вверх или вниз.

1c) Непрерывное производство раздела жидкостей (CLIP): Он похож на стереолитографию, но работает непрерывно и до 100 раз быстрее. CLIP может создавать эластичные и гибкие объекты с гладкими сторонами, которые невозможно создать другими методами.

2. Экструзия материалов

Иллюстрация выдавливания материала:Сопло (1) размещает материал (2) на платформе сборки (3).

В этом процессе нить из твердого термопластического материала проталкивается через нагретое сопло, которое расплавляет материал и осаждает его на строительной платформе по заданному пути. Этот материал со временем остывает и затвердевает, образуя трехмерный объект. Наиболее часто используемые методы в этом процессе:

2a) Моделирование наплавленного осаждения (FDM): В нем используется непрерывная нить из термопластического материала, такого как нейлон, термопластичный полиуретан или полимолочная кислота.

2б) Робокастинг: Он включает экструзию пастообразного материала из небольшого сопла, когда сопло перемещается по платформе сборки. Этот процесс отличается от FDM, поскольку он не основан на сушке или затвердевании материала, чтобы сохранить свою форму после экструзии.

3. Ламинирование листов

Некоторые принтеры используют бумагу и пластик в качестве строительного материала, чтобы снизить стоимость печати. В этом методе несколько слоев липкого пластика, бумаги или металлического ламината последовательно соединяются вместе и вырезаются по форме с помощью лазерного резака или ножа.

Разрешение слоя может определяться исходным материалом. Обычно это от одного до нескольких листов копировальной бумаги. Этот процесс можно использовать для изготовления больших деталей, но точность размеров конечного продукта будет значительно ниже, чем у стереолитографии.

4. Направленное распределение энергии

Метод направленного осаждения энергии обычно используется в высокотехнологичной металлургической промышленности и в приложениях быстрого производства. Печатающее устройство содержит сопло, которое закреплено на многоосной роботизированной руке. Сопло передает энергию металла на платформу сборки, которая затем расплавляется лазером, плазмой или электронным лучом, образуя твердый объект.

Этот тип 3D-печати поддерживает различные металлы, функционально классифицированные материалы и композиты, включая алюминий, нержавеющую сталь и титан. Он не только может создавать совершенно новые металлические детали, но также может прикреплять материал (ы) к существующим деталям, обеспечивая гибридные производственные приложения.

5. Обработка материалов

Детали, напечатанные в процессе струйной печати

Струйная печать работает аналогично струйным бумажным принтерам. В этом процессе светочувствительный материал наносится каплями через сопло малого диаметра, а затем отверждается ультрафиолетом, создавая слой за слоем.

Материалы, используемые в этой технике, представляют собой термореактивные фотополимеры (акрил). Также доступна печать на нескольких материалах и широкий спектр материалов (включая резиноподобные и прозрачные материалы).

Поскольку 3D-печать методом струйной печати позволяет создавать детали высокой точности размеров с гладкой поверхностью, это привлекательный вариант для изготовления как визуальных прототипов, так и коммерческих инструментов.

6. Распыление связующего

Полноцветная печать из песчаника с помощью Binder Jetting | Изображение предоставлено:3D Hubs

При струйной обработке связующего используются два материала:порошковый базовый материал и жидкое связующее. Порошок распределяется равномерными слоями в камере сборки, а связующее наносится через струйные сопла, которые «склеивают» частицы порошка для создания желаемого объекта.

Воск или термореактивный полимер часто смешивают со связующим порошком для увеличения его прочности. После завершения 3D-печати оставшийся порошок собирается и используется для печати другой структуры.

Поскольку этот метод очень похож на струйный процесс, его также называют инъекционной 3D-печатью. В основном он используется для печати деталей из эластомера, выступов и цветных прототипов.

7. Порошковая кровать Fusion

Система SLS | DTM - 2500CI

Наплавление в порошковом слое - это подмножество аддитивного производства, при котором источник тепла (например, термопечатающая головка или лазер) используется для уплотнения материала в форме порошка для создания физических объектов. Пять наиболее распространенных форм этой технологии:

7a) Селективное лазерное спекание (SLS): Он использует лазер в качестве источника энергии для спекания порошкового материала, такого как полиамид или нейлон. Здесь термин спекание относится к процессу уплотнения и формирования твердой массы материала путем приложения давления или тепла без плавления до точки разжижения.

7b) Селективное лазерное плавление (SLM): В отличие от SLS, этот метод предназначен для полного плавления и сплавления металлических порошков. Он может создавать полностью плотные материалы (слой за слоем), которые имеют механические характеристики, аналогичные характеристикам традиционных металлов. Это один из быстро развивающихся процессов, который внедряется как в промышленности, так и в исследованиях.

7c) Электронно-лучевое плавление (EBM): При этом сырье (проволока или металлический порошок) помещается в вакуум и сплавляется вместе с помощью электронного луча. Хотя EBM можно использовать только с проводящими материалами, он обеспечивает превосходную скорость сборки из-за более высокой плотности энергии.

7d) Селективное тепловое спекание (SHS): Он использует термопечатающую головку для нагрева слоев порошкового термопласта. Как только слой закончен, слой порошка перемещается вниз, и добавляется новый слой материала, который затем спекается, чтобы сформировать следующее поперечное сечение модели. Этот метод лучше всего подходит для изготовления недорогих прототипов и деталей для функционального тестирования.

7e) Прямое лазерное спекание металла (DMLS): Он похож на SLS, но вместо этого использует энергию металла. Оставшаяся мощность становится опорной структурой для объекта и может быть повторно использована для следующей 3D-печати. Детали DMLS в основном изготавливаются из порошковых материалов, таких как титан, нержавеющая сталь, алюминий и несколько нишевых сплавов. Это идеальный процесс для изготовления нестандартных медицинских деталей, компонентов для нефтегазовой отрасли и сложных функциональных прототипов.

Приложение

В последнее десятилетие 3D-печать значительно расширилась. Поскольку его можно использовать для быстрого изготовления сложных конструкций при меньших затратах, он стал незаменимым инструментом в самых разных отраслях, от коммерческого производства и медицины до архитектуры и индивидуального дизайна.

Многие методы аддитивного производства могут использоваться для производства пищевых продуктов. Современные 3D-принтеры поставляются с предварительно загруженными рецептами на борту, а также позволяют пользователям удаленно создавать блюда на своих компьютерах и смартфонах. Еду, напечатанную на 3D-принтере, можно настроить по текстуре, цвету, форме, вкусу и питательности.

Эта технология также доказала свою эффективность в фармацевтических рецептурах. Первый состав, произведенный 3D-печатью, был произведен в 2015 году. В том же году FDA одобрило первый планшет, напечатанный на 3D-принтере.

3D-принтер Zero-G отправлен на МКС в 2014 г.

В 2014 году SpaceX доставила на Международную космическую станцию ​​первый 3D-принтер с невесомостью. Теперь космонавты используют его для печати полезных инструментов, например торцевых ключей.

Фактически, многие проекты сборки, запланированные на планетах или астероидах, будут так или иначе реализованы с использованием материалов, доступных в близлежащих регионах. 3D-печать - один из основных этапов начальной загрузки.

В настоящее время технологические компании интегрируют аддитивное производство с облачными вычислениями, чтобы обеспечить децентрализованное и географически независимое распределенное производство. Некоторые компании предлагают услуги 3D-печати онлайн (через веб-сайт) как частным, так и коммерческим клиентам.

Читайте:40 лучших веб-сайтов для загрузки бесплатных файлов STL для 3D-печати

Будущее 3D-печати

Большая мечта 3D-печати - это «фабрика в доме каждого». Это может показаться странным, но нельзя отрицать, что владение машиной, которая может мгновенно производить бесконечно настраиваемые вещи, увлекательно.

Подобно тому, как компьютеры и смартфоны дали возможность миллиардам людей, 3D-принтеры могут сделать то же самое для производства.

По данным GrandViewResearch, мировой рынок 3D-печати в 2019 году оценивался в 11,58 миллиарда долларов, а к 2027 году ожидается, что он достигнет более 33 миллиардов долларов (при темпах роста 14% в год).

Факторы, которые, как ожидается, будут стимулировать рост рынка, включают агрессивные исследования и разработки и растущий спрос на приложения для создания прототипов в различных отраслях промышленности, в частности, в автомобилестроении, авиакосмической промышленности, обороне и здравоохранении.