Применение 3D-печати в промышленности и медицине: универсальные возможности

3D-печать, или аддитивное производство, создает трехмерные объекты/компоненты по CAD-моделям.

Имитирует биологический процесс: наращивает слои материала при создании физической детали. 3D-печать дает функциональные формы с меньшим расходом материала, чем традиционное производство.

3D-печать создает автозапчасти, чехлы для смартфонов, модные аксессуары, в строительстве и медицине — органы (слуховые аппараты и др.). В моде — пулепробивные и огнеупорные ткани. Разные 3D-технологии используются во всех отраслях.

Технология принята почти везде для разработки дизайнов.

Статья поможет узнать о 3D-принтерах: применение, принцип работы, типы процессов.

Главное применение 3D-печати

• Строительство

Много примеров 3D-печати в строительстве. Фабрикация компонентов для зданий. Применения: экструзия (цемент, воск, пена, полимеры, порошковое связывание — реактивное, синтеризация, полимер, аддитивная сварка).

• Прототипирование и производство

3D-принтеры создавались для быстрого прототипирования. Традиционное литье — дорого и вечно. Аддитивное производство: быстро и дешевле. Компонент за час, а не вечно.

Сокращение времени прототипирования ускорило и удешевило производство.

Благодаря 3D-технологиям компании кастомизируют сервисы, потребители — продукты через веб-ПО. Рост производства.

• Автомобилестроение

Автопром использует 3D-печать десятилетиями. Аддитивное производство для прототипов новых моделей авто.

Качественные и дешевые запасные части для авто. 3D-технологии улучшили рабочий процесс: кастомные приспособления, оснастка, инструментарий для единичных высокопроизводительных авто.

Преимущества 3D-печати

• Гибкость дизайна

С 3D-печатью сложные дизайны стали простыми, в отличие от традиционных методов с ограничениями.

Раньше печатные органы для тканевой инженерии стоили дороже недвижимости. Теперь влиятельные компании внедряют 3D-органы в производство и рекламируют.

• Быстрое прототипирование

3D-печать ускоряет производство объектов. Методы увеличили скорость прототипирования — каждый этап быстрее.

Ниже стоимость vs механическое прототипирование (вечность). Эффективнее модификации дизайна. Снижение цены изделий → больше продаж → больше прибыли.

• Печать по требованию (Print on Demand)

Печатаете только когда нужно — не требует складов. Экономия места и денег: не печатаете лишнее.

3D хранит файлы в виртуальной библиотеке (CAD/STL). Получите файл 언제 угодно, распечатайте. Можно редактировать и переиспользовать.

• Легкие детали

Материалы — в основном пластики, есть металлы. Выгодно автопрому и авиации: легкие материалы → эффективнее изделия.

Объекты из разных материалов для свойств: огнестойкость, водонепроницаемость, пулестойкость.

• Меньше отходов

3D-технология использует только нужное материалы — минимум или ноль отходов. Традиционное: из большого бруска (неперерабатываемого) вырезают объект → много мусора. Снижение отходов → ниже издержки → больше прибыли.

• Доступность

Со временем 3D-печать стала доступна: локальные сервисы предлагают печать. Экономия времени и транспорта. Традиционное производство — в отдельных регионах/странах → дорого и долго.

• Экологичность

3D-печать бережет природу: нет отходов. Меньше топлива за счет легких материалов. Окружающая среда сохранена vs традиционное производство с избытком материалов.

• Лучшая медицина

3D-технологии спасли жизни: печать органов (печень, почка, сердце). Развитие сенсорных органов (слуховые аппараты). Новые достижения улучшают здравоохранение.

Что такое 3D-принтеры и их применение?

3D-принтеры позволяют печатать объекты в 3 измерениях — CAD-изображение. Процесс = аддитивное производство.

Помогают производителям резать затраты и время, не тратят материалы как традиционные методы (подробнее — что такое 3D-печать).

• Мода и одежда

3D-принтеры для новых модных трендов и пошива. Дизайнеры стали доступнее, взрыв новых трендов.

3D-технологии в изменении текстиля при производстве. Новые ткани. Пример: пулепробивные, огнеупорные, теплоудерживающие ткани. Разработки и инновации в моде с 3D-принтерами продолжаются.

• 3D-печать ювелирных изделий и искусства

3D-принтеры открыли новый мир ювелирки и искусства, невидимый в традиционном. Индивидуальные уникальные украшения, дешевая кастомизация: PLA, платина, золото.

Сравнение 3D-ювелирки — легко и быстро vs ручная/литая ювелирка (много труда). Теперь больше печатаемых материалов для разнообразия дизайнов.

С ювелирными 3D-принтерами создаете детали из смолы/воска по 3D-модели дизайна. Цифровую модель легко правите — новые лучшие модели. Прототипы дешевы и удобны.

Покупатели: опыт выше — используют прототипы своих дизайнов/пожеланий перед покупкой.

После подтверждения — ювелирка 3D-печатается по традиционному процессу — шедевральные изделия. Ювелирка по 3D-выкройкам — стереолитография (SLA).

Помимо ювелирки, 3D-принтеры вдохновили художников. Металлическая 3D-печать — красивые уникальные работы. Оливье ван Эрпт (Нидерланды) — керамические вазы на 3D-принтере. Жиль Аззароб — невидимое в видимое: 3D-изображения голоса через звуковые волны.

• Скульптуры

Скульптуры — еще одно применение. 3D-фотосканирование → физическое искусство. Новые возможности для заказчиков. 3D-технологии дали художникам силу творчества. Пока можете conceiving и проектировать — можете производить.

Пример: Дэнни ван Рисвик (Нидерланды) — 3D-печатные скульптуры для кино, персонажи Тим Бертона.

Как работает 3D-печать?

3D-печать — универсальный метод быстрого производства и прототипирования. Развивалась десятилетиями, принята во всем мире.

3D-печать (аддитивное производство) — часть производства. Техники: наращивание материала на объекте слой за слоем.

Процесс: графическая модель объекта. Графические дизайны — CAD-ПО. Самый трудоемкий этап. Программы: Fusion360, TinkerCAD, SketchUp.

Процесс начинается с графической модели объекта. Обычно CAD-ПО, самый трудоемкий этап. TinkerCAD, Fusion360, SketchUp.

Готовая модель тестируется на дефекты. 3D-печать дает любой прототип — ограничение только фантазией.

С 3D-печатью разрабатывают сложные модели как CNC дешевле традиционных.

Следующий этап: цифровая нарезка дизайна для печати. Важно: принтер не концептуализирует 3D как мы. На нарезке модель дробится на много слоев. Каждый слой — на головку принтера для печати/укладки.

Слайсеры: CraftWare, Astroprint. Слайсер заполняет модели решетчатой структурой в твердой модели — доп. стабильность.

Печатают сверхпрочные материалы с низкой плотностью: стратегически добавляют воздушные карманы.

ПО добавляет опорные колонны, если модель нуждается в поддержке. Пластик не укладывается в воздухе. Колонны закрывают промежутки. После — удаляются. После слайсера — данные на принтер.

Теперь работа принтера. Следует инструкциям слайсера разными методами. Метод зависит от типа принтера.

Пример: технология как струйная — сопло движется туда-сюда, вверх-вниз; выдавливается толстый воск/пластик, затвердевает, формирует новое поперечное сечение.

Multi-jet modeling — множество струй одновременно → ускоренное моделирование.

Потом: связывание струйными соплами — наносят сухой порошок, потом клей/связующее, сливающиеся в печатные слои. Для слоя: быстрый проход — тонкий слой порошка, второй — сопло наносит связующее. (узнайте как чистить/разблокировать сопло)

В фотополимеризации: жидкий пластик под УФ-лучи — перевод жидкого в твердое.

Другая технология: синтеризация — плавит частицы, печатает каждый последующий слой. Лучом плавит огнеупор порошка. Луч закрепляет и печатает слои. Синтеризация — для металлических объектов.

Процесс: часы или дни, зависит от сложности и размера.

Упрощенный процесс (для любой технологии):

1. Создайте 3D-модель в CAD.

2. Конвертируйте CAD в STL (Standard Tessellation Language). Большинство принтеров используют STL, некоторые — ZPR, ObjDF.

3. Передайте STL (или другой конвертированный) на компьютер управления принтером. Задайте размер и ориентацию печати.

4. Подготовьте принтер: заправьте полимеры/материалы, связующие, расходники.

5. Запустите машину, ждите завершения. Регулярно проверяйте на ошибки.

6. Извлеките готовый объект.

7. Постобработка: смететь порошок, вымыть водорастворимые материалы инструментов 3D-печати.

Типы технологий и процессов 3D-печати

Разные технологии и процессы. Ниже — типы и принцип работы.

1. Стереолитография (SLA)

SLA — оригинальный промышленный процесс 3D-печати. Идеален для детализированных деталей, гладких поверхностей, высоких толерансов.

SLA дает красивую отделку и функциональность (проверка сборки). Пример: медицина — анатомические модели. Для SLA 3D Systems использует Viper, iPros, ProJets.

2. Селективная лазерная синтеризация (SLS)

SLS плавит нейлоновый порошок в твердый пластик. Детали из термопластов — долговечны, для функциональных тестов, живых петель и защелок. Минус: шероховаче поверхность vs SL. Не нужны поддержки — детали прочные.

Платформа держит много деталей в одной сборке. Большинство SLS-деталей — прототипы для последующего литья под давлением.

3. PolyJet 3D-принтер

PolyJet — процесс с изюминкой: печатает детали с разными свойствами, материалами, цветами.

Дизайнеры используют PolyJet для прототипирования эластомеров или овермолдинга. Если дизайн единый и пластиковый жесткий — SL или SLS экономнее. Это снижает цены товаров.

PolyJet лучш для овермолдинга и силиконовых резиновых моделей. Технология экономит ранний инструментарий в цикле разработки. Быстрая итерация и валидация дизайна.

4. Цифровая световая обработка (DLP)

DLP почти как SLA. Разница: DLP использует цифровой проектор для вспышки целого образа каждого слоя одновременно; для крупных деталей — множественные вспышки.

Проектор — цифровой экран, образы слоев из квадратных пикселей → слой из маленьких прямоугольных блоков (вокселей).

vs SLA: DLP намного быстрее по печати. Слои экспонируются одновременно vs трассировка лазерной точкой поперечного сечения.

Свет на смолу через LED-экран или УФ-свет через DMD (Digital Micromirror Device). DMD управляет проекцией света — дает световой паттерн на поверхности.

5. Металлическая 3D-печать Proto Labs

Технология использует лазерную концепцию Mlab и машины M2 для металлических деталей.

6. Multi Jet Fusion (MJF)

Похоже на SLS: функциональные детали из нейлонового порошка. Разница: вместо лазера для синтеризации — струйная головка наносит сжигающий агент на порошковую подушку. Потом нагревательный элемент проходит над подушкой — синтерит каждый слой.

Результат: последовательные механические свойства vs SLS, лучшая отделка поверхности. Ускоряет сборку → снижает стоимость производства.

7. FDM (Fused Deposition Modeling)

FDM — настольная 3D-печать для пластиковых деталей. Экструдирует пластиковый филамент слой за слоем на платформу. Экономичный и быстрый метод физических дизайнов.

Можно тестировать функциональность, но избегайте: поверхность шероховата, детали не такие прочные.

8. Прямая металлическая лазерная синтеризация (DMLS)

Металлический 3D-принтер — новые возможности для металлодеталей. Процесс в Proto Labs — DMLS. Технология снижает сборки из множества металлодеталей до одной детали или легче с внутренними каналами.

DMLS применим в прототипировании и производстве: детали плотные как в традиционном производстве.

9. Электронно-лучевое плавление (EBM)

EBM — металлическая 3D-печать с электрическими лучами, управляемыми электромагнитной катушкой, плавящими порошок. Подогреваемая платформа в вакууме в период сборки. Материал определяет температуру нагрева.

Заключение

3D-печать открыла больше возможностей во многих отраслях и компаниях. Снизила издержки. Применяется почти везде, как в статье. Особенно медицина: создание клеток и органов.