Полное руководство по 3D-печати:преимущества, недостатки и ключевые технологии

Что такое 3D-печать?

3D-печать — это технология аддитивного производства, используемая для изготовления деталей из широкого спектра пластмасс и металлов. Существует множество различных технологий:от FDM (моделирование наплавлением), при котором пластик экструдируется по одному слою за раз, до DMLS (прямое лазерное спекание металла), при котором используется лазер для плавления металлического порошка по одному слою за раз в конечную деталь. Дополнительную информацию можно найти в нашем руководстве по 3D-печати.

Каковы плюсы 3D-печати?

Плюсы 3D-печати:

1. Печать по требованию

Для начала 3D-печати требуется очень ограниченная настройка. Процесс настройки и машина для 3D-печати одинаковы независимо от типа печатаемой детали. Все, что требуется, — это преобразовать 3D-модель детали, которая обычно выполняется с помощью OEM-программного или стороннего программного обеспечения. После завершения преобразования файл загружается в принтер через разъем USB-A, по беспроводной сети или на SD-карту. Затем материал добавляется в принтер, обычно в виде жидкого фотополимера, нити или порошка. После этого процесс печати продолжится без какого-либо вмешательства человека. Когда деталь будет завершена, может потребоваться некоторая постобработка, например удаление опорных конструкций. Облачным сервисам по требованию просто требуется 3D-модель, и они распечатают и отправят ваш товар в 3D без необходимости инвестировать в 3D-принтер. 

2. Разумная цена

Процесс 3D-печати имеет разумную цену по сравнению с другими технологиями производства, такими как литье под давлением. Это особенно актуально при низких и средних объемах производства и высокой сложности деталей. Это связано с тем, что 3D-принтеры стоят от 200 долларов, а бывшие в употреблении 3D-принтеры еще дешевле. Материалы также могут стоить всего 15 долларов за кг – например, АБС. Однако материалы для 3D-печати, как правило, дороже, чем сопоставимая базовая стоимость сырья. Это связано с необходимостью подготовки сырья для конкретного процесса печати, т. е. катушек с нитями для FDM и мелкого порошка для SLS. Несмотря на дополнительные затраты на сырье, при 3D-печати используется меньше материала, поскольку он не является полностью плотным. 

3. Экологичность

3D-печать можно считать экологически чистой благодаря использованию перерабатываемых материалов, таких как металлы и термопласты. Детали также можно печатать именно там, где они необходимы, вместо того, чтобы отправлять их с централизованного тяжелого производственного предприятия. Это исключает значительные затраты энергии, связанные с транспортировкой. Аддитивный характер 3D-печати также приводит к уменьшению отходов.

4. Быстрое прототипирование

Низкая стоимость и возможность печати по требованию 3D-печати делают ее идеально подходящей для разработки прототипов. Деталь, напечатанную на 3D-принтере, можно изготовить менее чем за день. Это позволяет быстро внедрять новые концепции без первоначальных затрат на оснастку, типичных для других распространенных технологий, таких как литье под давлением. 

5. Доступность

За последнее десятилетие 3D-печать получила широкое распространение. Это можно объяснить тем, что срок действия некоторых ключевых патентов Stratasys истек в 2009 году. С тех пор открытый характер 3D-печати позволил разработать недорогие потребительские машины для 3D-печати. Увеличение базы пользователей позволило создать большой объем легкодоступных онлайн-знаний по передовым практикам, поиску неисправностей и общим методам оптимизации 3D-печати. Это обеспечило беспрецедентную доступность, которая очень редко встречается в других технологических сферах.

6. Расширенная медицинская помощь

Внедрение 3D-печати в медицинскую промышленность позволило значительно расширить персонализированную медицинскую помощь за счет разработки индивидуальных, подходящих для пациента имплантатов, протезов и биопечати органов. Многие биосовместимые материалы также были разработаны для использования в медицинской промышленности.

7. Гибкость дизайна

3D-печать имеет меньше конструктивных ограничений по сравнению с другими технологиями. Например, сложные внутренние пустоты невозможны при обработке на станках с ЧПУ и литье под давлением без необходимости прибегать к многокомпонентным сборкам. Это увеличивает стоимость и сложность. С помощью 3D-печати сложные детали можно печатать так же легко, как и простые. Несмотря на то, что 3D-печать по-прежнему имеет ряд рекомендаций DFM (Проектирование для производства), они, однако, не столь ограничительны, как другие производственные технологии. 

8. Сокращение отходов

3D-печать производит очень мало отходов. Эти отходы обычно имеют форму опорных конструкций, которые удаляются после печати (в случае деталей, напечатанных с помощью SLS). Эти опорные конструкции оптимизированы так, чтобы быть максимально легкими. Субтрактивные методы производства требуют удаления больших объемов материала, что приводит к значительным отходам. Аддитивные технологии, такие как 3D-печать, предназначены для выборочного добавления материала только там, где это необходимо. Это затем компенсирует минимальные потери, производимые опорными конструкциями. 

9. Прочные и легкие компоненты

3D-печать добавляет материал только там, где это необходимо. Например, внутренние объемы могут иметь сетчатые структуры, которые будут плотными там, где концентрация напряжений высока, и менее плотными в областях, где они низкие. Такие методы, как топологическая оптимизация и генеративное проектирование, также позволяют создавать детали, геометрия которых оптимизирована для конкретного случая нагрузки, и удалять материал там, где это не принесет структурных преимуществ. Эти методы часто производят детали с очень сложной геометрией органического стиля, что делает невозможным их производство с использованием других технологий. 

10. Быстрое проектирование и производство

Понимание того, как проектировать 3D-печать, требует знания требований DFM. Он менее строгий, чем другие технологии изготовления. Это облегчает инженерам проектирование деталей, поскольку им не нужно учитывать широкий спектр ограничений, присутствующих в других производственных технологиях. С точки зрения производства 3D-печать часто оказывается быстрее, особенно для сложных деталей. Сложные детали могут потребовать нескольких установок на станке с ЧПУ, а также их может потребоваться изготовить на нескольких станках, тогда как 3D-печать может выполнить всю деталь за одну установку. 

Каковы минусы 3D-печати?

Минусы 3D-печати:

1. Постобработка

Большинство деталей, напечатанных на 3D-принтере, требуют той или иной постобработки. Обычно постобработка может включать удаление опоры, отверждение УФ-излучением, спекание в печи, полировку и даже механическую обработку деталей с высокими допусками, таких как корпуса подшипников.  

2. Проблемы с авторскими правами

Благодаря простоте и низкой стоимости изготовления объектов, напечатанных на 3D-принтере, становится легко дублировать дизайн без согласия первоначального создателя. В Интернете есть миллионы свободно доступных образцов дизайна, которые можно легко загрузить и скопировать без упоминания или выплаты компенсации первоначальному владельцу интеллектуальной собственности или тому, что он когда-либо узнает об этом. 3D-сканирование также стало более доступным, а это означает, что объекты реального мира можно сканировать, а затем дублировать. 

3. Большие количества

3D-печать всегда была производственным процессом с малым и средним объемом. В основном это связано с послойным методом изготовления 3D-печатных объектов. Эта проблема еще больше усугубляется, если требуются высококачественные детали, требующие одновременного размещения более тонких слоев. Некоторые технологии печати, такие как HP multijet, могут использовать весь объем для печати нескольких частей. Но даже в этом случае время цикла значительно медленнее, чем в других более зрелых производственных технологиях. 

4. Количество материалов ограничено

3D-печать постоянно добавляет новые материалы. Однако они по-прежнему ограничены по сравнению с более зрелыми производственными технологиями. Хотя можно печатать детали из многих популярных пластиков и металлов, невозможно использовать тысячи разработанных сплавов и соединений. Это просто потому, что эти сплавы и соединения не были преобразованы в форму, совместимую с 3D-печатью. 

5. Структура детали

Некоторые технологии 3D-печати, такие как FDM и SLS, позволяют производить детали, свойства которых анизотропны. Это означает, что характеристики деталей варьируются в зависимости от направления приложенной нагрузки. Как правило, детали будут самыми слабыми на оси Z, которая определяется как ось, направленная вверх от платформы для печати 3D-принтера. 

6. Ограничения по размеру сборки

3D-принтеры имеют широкий диапазон размеров. Однако принтеры, обычно используемые для производства, имеют меньшие объемы производства, чем крупномасштабные производственные технологии, такие как лазерная резка, горизонтальные станки и литье металла. Таким образом, 3D-печать обычно используется для мелкосерийного производства сложных компонентов. Следует отметить, что из этого правила есть исключения, поскольку некоторые специализированные 3D-принтеры имеют очень большие объемы печати.

7. Сокращение рабочих мест в производстве

3D-печать — это высокоавтоматизированная технология. Единственное взаимодействие с человеком — это установка, удаление и постобработка деталей, которыми обычно может заниматься один человек. Фактически, один человек может легко управлять несколькими машинами. 3D-принтер также может изготовить деталь, для которой обычно требуется несколько станков и, как следствие, несколько операторов станков. Это означает, что некоторые работы могут быть отменены в тех случаях, когда применима 3D-печать. Однако эта ситуация не является уникальной для 3D-печати и наблюдается во всем производственном секторе. 

8. Неточности в дизайне

Объекты, напечатанные на 3D-принтере, не отличаются своей точностью и стабильностью размеров. Детали могут деформироваться во время печати. Даже самые точные 3D-принтеры не могут сравниться по точности с станками с ЧПУ высшего уровня. Станки с ЧПУ могут многократно производить детали с точностью до 0,025 мм по сравнению с 0,4 мм на 3D-печатных машинах DMLS. 

Часто задаваемые вопросы о плюсах и минусах 3D-печати

Что мне следует знать перед покупкой 3D-принтера?

При покупке 3D-принтера важно понимать предполагаемое применение. Например, если целью является создание визуальных прототипов, то лучше подойдет принтер FDM. Однако если необходимо производить детали аэрокосмического класса для приложений с высокими нагрузками, то лучше использовать такие технологии, как DMLS. Чтобы узнать больше, прочтите наше руководство «10 вещей, которые следует учитывать при покупке 3D-принтера».

Какие применения есть у 3D-печати сегодня?

Приложения 3D-печати разнообразны. Он проник во все крупные отрасли промышленности и находит применение в автомобильной, аэрокосмической, медицинской, биотехнологической и даже пищевой промышленности. В некоторых случаях 3D-печать используется для изготовления тазобедренных суставов, а в других случаях она играет вспомогательную роль, повышая ценность существующих производственных технологий, таких как приспособления для обработки на станках с ЧПУ. Чтобы узнать больше, прочтите нашу статью о применении 3D-печати.

Какие приложения будет иметь 3D-печать в будущем?

Технология 3D-печати будет продолжать развиваться. Многие из недостатков, присутствующих сегодня, могут исчезнуть в следующем десятилетии. 3D-печать находится на пути к тому, чтобы стать более распространенной производственной технологией с широким спектром применений. Одним из наиболее интересных достижений является производство индивидуальных органов для трансплантации без отторжения. Другой вариант — производство деталей с каналами для жидкости, несколькими материалами и различными другими вспомогательными компонентами, напечатанными в детали за один проход. Примером может служить нога следующего поколения робота Boston Dynamics Atlas.

Выгодна ли 3D-печать?

Да, 3D-печать выгодна и нашла применение во многих приложениях. В тех случаях, когда 3D-печать невозможно использовать для непосредственного изготовления детали, она находит применение для повышения эффективности работы операторов станков и сборщиков.

Сводка

В этой статье представлены плюсы и минусы 3D-печати, объяснены их особенности и обсуждено, какую роль каждый из них играет в 3D-печати в производстве. Чтобы узнать больше о 3D-печати, свяжитесь с представителем Xometry.

Xometry предоставляет широкий спектр производственных возможностей, включая 3D-печать и другие дополнительные услуги для всех ваших потребностей в прототипировании и производстве. Посетите наш веб-сайт, чтобы узнать больше или запросить бесплатное ценовое предложение без каких-либо обязательств.

Отказ от ответственности

Содержимое этой веб-страницы предназначено только для информационных целей. Xometry не делает никаких заявлений и не дает никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации. Любые параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные особенности, качество и типы материалов или процессов не должны рассматриваться как представляющие то, что будет доставлено сторонними поставщиками или производителями через сеть Xometry. Покупатели, желающие получить расценки на детали, несут ответственность за определение конкретных требований к этим деталям. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими положениями и условиями.

Дин МакКлементс

Дин МакКлементс — дипломированный инженер с отличием в области машиностроения с более чем двадцатилетним опытом работы в обрабатывающей промышленности. Его профессиональный путь включает в себя важные должности в ведущих компаниях, таких как Caterpillar, Autodesk, Collins Aerospace и Hyster-Yale, где он развил глубокое понимание инженерных процессов и инноваций.

Прочтите другие статьи Дина МакКлементса