Понимание 3D-печати: принципы, типы и ключевые применения

Понимание 3D-печати: принципы, типы и ключевые применения

Концепция 3D-печати была заложена Дэвидом И.Х. Джонсом в 1974 году. Однако методы и материалы для изготовления моделей не были разработаны до начала 1980-х.

Термин «3D-печать» охватывает множество процессов и техник, предлагающих широкий спектр возможностей для производства деталей и изделий из различных материалов. В последние годы эти процессы значительно развились и теперь играют ключевую роль во многих приложениях.

Эта обзорная статья объясняет различные типы и процессы 3D-печати, как они работают и каковы их использование и преимущества на современном рынке. Начнём с базового вопроса.

Что такое 3D-печать?

3D-печать, также известная как аддитивное производство, — это процесс создания физического объекта из трёхмерной цифровой модели или CAD-модели. В неё входят различные компьютерно-контролируемые техники, при которых материал соединяется или затвердевает для построения реального объекта.

Обычно материал (порошковые частицы или жидкие молекулы, сплавляемые вместе) наносится слой за слоем в миллиметровом масштабе. Поэтому 3D-печать также называют аддитивным производством.

Иллюстрация: как 3D-принтер печатает трёхмерные объекты слой за слоем | 3D Logics

В 1990-х 3D-печать называли быстрым прототипированием. Она подходила только для создания эстетических или функциональных прототипов. С тех пор мы прошли долгий путь.

Современная технология 3D-печати достаточно продвинута, чтобы создавать сложные структуры и геометрии, невозможные для ручного изготовления.

Точность, диапазон материалов и повторяемость 3D-печати достигли уровня, позволяющего строить почти всё: от простых прототипов до сложных готовых изделий — экологичных зданий, авиационных деталей, медицинских инструментов и даже искусственных органов из слоёв человеческих клеток.

Читайте: Учёные напечатали искусственную человеческую роговицу с помощью «биочернил»

Как это работает именно?

Все техники 3D-печати основаны на одном принципе: 3D-принтер принимает цифровую модель (на входе) и превращает её в физический трёхмерный объект, добавляя материал слой за слоем.

Это принципиально отличается от традиционных производственных процессов, таких как литьё под давлением и ЧПУ-обработка, использующие режущие инструменты для формирования желаемой структуры из твёрдого блока. 3D-печать не требует режущих инструментов: объекты изготавливаются непосредственно на строительной платформе.

Процесс начинается с цифровой 3D-модели (чертежа объекта). Программное обеспечение (специфичное для принтера) нарезает 3D-модель на тонкие двумерные слои. Затем преобразует их в набор инструкций на машинном языке для исполнения принтером.

В зависимости от типа принтера и размера объекта, печать занимает несколько часов. Готовый объект часто требует постобработки (шлифовка, лакировка, покраска или другие обычные финишные операции) для достижения оптимального качества поверхности, что требует дополнительного времени и ручного труда.

Разные типы 3D-принтеров используют разные технологии, обрабатывающие разные материалы по-разному. Возможно, самое главное ограничение 3D-печати в плане материалов и применений — отсутствие универсального решения.

Типы/процессы 3D-печати

По стандарту ISO/ASTM 52900 все процессы 3D-печати делятся на семь групп. У каждой есть плюсы и минусы, обычно связанные с затратами, скоростью, свойствами материалов и геометрическими ограничениями.

1. Ваннная фотополимеризация

Иллюстрация SLA: лазер (a) селективно освещает прозрачное дно (c) ванны, заполненной (b) жидкой фотореактивной смолой. Подъёмная платформа (e) последовательно вытягивает затвердевшую смолу (d).

3D-принтер на основе ваннной фотополимеризации имеет ёмкость с фотополимерной смолой, затвердевающей под ультрафиолетовым излучением для создания объекта. Три наиболее распространённых формы:

1a) Стереолитография (SLA): Изобретена в 1984 году. SLA использует ультрафиолетовый лазер для перекрёстного связывания химических мономеров и олигомеров в полимеры, образующие тело трёхмерного твёрдого тела. Процесс быстр и позволяет строить почти любую структуру, но может быть дорогим.

1b) Цифровая обработка света (DLP): Использует обычные источники света, такие как дуговые лампы (вместо лазеров). Каждый слой объекта проецируется на ванну с жидкой смолой, которая затем затвердевает слой за слоем при движении подъёмной платформы вверх или вниз.

1c) Непрерывная жидкостная интерфейсная продукция (CLIP): Похожа на стереолитографию, но непрерывна и до 100 раз быстрее. CLIP позволяет создавать резиноподобные гибкие объекты с гладкими боковыми поверхностями, невозможные другими методами.

2. Экструзия материала

Иллюстрация экструзии материала: сопло (1) наносит материал (2) на строительную платформу (3).

В этом процессе филамент из твёрдого термопластика подаётся через нагретое сопло, расплавляя материал и нанося его на платформу заданным путём. Материал остывает и затвердевает, образуя трёхмерный объект. Наиболее распространённые техники:

2a) Моделирование методом наплавленного слоя (FDM): Использует непрерывный филамент термопластика: нейлон, термополиуретан или полилактидную кислоту.

2b) Робокастинг: Подразумевает экструзию пастообразного материала из малого сопла при перемещении сопла по строительной платформе. Процесс отличается от FDM тем, что не полагается на сушку или затвердевание материала для сохранения формы после экструзии.

3. Ламинация листов

Некоторые принтеры используют бумагу и пластик как строительный материал для снижения стоимости. В этой технике множество слоёв клееного пластика, бумаги или металла последовательно соединяются и вырезаются в форму лазером или ножом.

Разрешение слоя определяется исходным материалом. Обычно оно составляет от одного до нескольких листов копировальной бумаги. Процесс позволяет изготавливать крупные детали, но размерная точность итогового изделия значительно ниже, чем у стереолитографии.

4. Направленное энергетическое напыление

Техника направленного энергетического напыления широко используется в высокотехнологичной металлургии и быстром производстве. Печатающее устройство содержит сопло, закреплённое на многоосевом манипуляторе. Сопло наносит металлический порошок на платформу, который затем плавится лазером, плазмой или электронным пучком, образуя твёрдый объект.

Этот тип 3D-печати поддерживает различные металлы, функционально-градиентные материалы и композиты, включая алюминий, нержавеющую сталь и титан. Он не только создаёт новые металлические детали, но и может напылять материал на существующие детали, обеспечивая гибридное производство.

5. Струйная печать материала

Детали, напечатанные процессом струйной печати материала

Струйная печать материала работает аналогично струйным принтерам для бумаги. В этом процессе фоточувствительный материал наносится капельками через сопло малого диаметра и затем затвердевает под ультрафиолетом, строя деталь слой за слоем.

Материалы — термореактивные фотополимеры (акрилаты). Доступны многослойная печать и широкий спектр материалов (включая резиноподобные и прозрачные).

Так как струйная печать обеспечивает высокую размерную точность и гладкую поверхность, она привлекательна для производства визуальных прототипов и коммерческих инструментов.

6. Струйная печать связующего

Полноцветная печать в песчанике методом струйной печати связующего | Image credit: 3D Hubs

Струйная печать связующего использует два материала: порошковую основу и жидкий связующий. Порошок равномерно распределяется слоями в камере сборки, а связующий наносится через сопла, «склеивая» частицы порошка в нужный объект.

Воск или термореактивный полимер часто смешивают с порошком для повышения прочности. После завершения печати остаточный порошок собирают и используют повторно.

Так как техника похожа на струйный процесс, её также называют иньекционной 3D-печатью. В основном используется для печати эластомерных деталей, нависающих структур и цветных прототипов.

7. Плавление в порошковом слое

Система SLS | DTM – 2500CI

Плавление в порошковом слое — разновидность аддитивного производства, при которой тепловой источник (термоголова или лазер) консолидирует материал в порошковой форме для построения физических объектов. Пять наиболее распространённых форм:

7a) Селективное лазерное спекание (SLS): Использует лазер как источник энергии для спекания порошковых материалов, таких как полиамид или нейлон. Спекание — процесс уплотнения и формирования твёрдой массы материала под действием давления или тепла без плавления до жидкого состояния.

7b) Селективное лазерное плавление (SLM): В отличие от SLS, полностью плавит и сплавляет металлические порошки. Создаёт полностью плотные материалы (слой за слоем) с механическими характеристиками, сравнимыми с традиционно произведенными металлами. Один из быстроразвивающихся процессов, внедряемых в промышленности и науке.

7c) Электронно-лучевое плавление (EBM): Сырьё (проволока или металлический порошок) помещается в вакуум и сплавляется электронным пучком. Хотя EBM применимо только к проводящим материалам, оно обеспечивает высокую скорость сборки за счёт большей плотности энергии.

7d) Селективное тепловое спекание (SHS): Использует термоголову для нагрева слоёв термопластичного порошка. Как только слой готов, порошковая кровать опускается, наносится новый слой, который спекан для следующего сечения модели. Подходит для недорогих прототипов и деталей для функционального тестирования.

7e) Прямое металлическое лазерное спекание (DMLS): Аналогично SLS, но использует металлический порошок. Остаточный порошок становится опорной структурой и может быть повторно использован. Детали DMLS изготавливают из титана, нержавейки, алюминия и нишевых сплавов. Идеально для кастомных медицинских деталей, компонентов нефтегазовой отрасли и прочных функциональных прототипов.

Применение

За последнее десятилетие 3D-печать значительно развилась. Поскольку она позволяет быстро изготавливать сложные конструкции при меньших затратах, она стала незаменимым инструментом во множестве отраслей: от коммерческого производства и медицины до архитектуры и кастомного дизайна.

Многие аддитивные технологии применяются для производства пищевых продуктов. Современные 3D-принтеры имеют загруженные рецепты и позволяют пользователям удалённо создавать еду на компьютерах и смартфонах. 3D-печатаемая еда настраивается по текстуре, цвету, форме, вкусу и пищевой ценности.

Технология также проявила эффективность в фармацевтических формулировках. Первая формулировка, произведённая 3D-печатью, вышла в 2015 году. В том же году FDA одобрила первую 3D-печатную таблетку.

Zero-G 3D-принтер, доставленный на МКС в 2014 году

В 2014 году SpaceX доставила на МКС первый 3D-принтер для нулевой гравитации. Космонавты используют его для печати полезных инструментов, например, головокёвого ключа.

Многие монтажные проекты на планетах или астероидах будут запущены с использованием материалов, доступных в ближайших регионах. 3D-печать — один из главных шагов в этом бутстреппинге.

Сейчас технологические компании интегрируют аддитивное производство с облачными вычислениями для децентрализованной и географически независимой распределённой produkcji. Некоторые компании предлагают онлайн-сервисы 3D-печати (через веб-сайт) для частных и коммерческих клиентов.

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

Будущее 3D-печати

Большая мечта 3D-печати — «завод в каждом доме». Это может звучать странно, но неотрицательно, что владение машиной, способной мгновенно производить бесконечно настраиваемые вещи, очаровывает.

Как компьютеры и смартфоны уполномочили миллиарды людей, 3D-принтеры могут сделать то же для производства.

По данным GrandViewResearch, глобальный рынок 3D-печати оценивался в $11,58 млрд в 2019 году и ожидается, что к 2027 году достигнет более $33 млрд (темп роста 14% в год).

Факторы роста: агрессивные НИОКР и растущий спрос на прототипирование из различных отраслей, особенно автопром, авиация, оборона и здравоохранение.