3D-печать: технологии, процессы и принцип работы

Что такое 3D-печать?

3D-печать (аддитивное производство) — построение трёхмерного объекта по CAD-модели или 3D-цифровой модели.

Термин «3D-печать» охватывает процессы, где материал наносится, соединяется или твердеет под компьютерным управлением в 3D-объект: пластики, жидкости, порошки — слой за слоем.

В 1980-х 3D-печать считалась пригодной только для функциональных или эстетических прототипов — термин «быстрое прототипирование».

С 2019 г. точность, повторяемость и разнообразие материалов выросли до уровня промышленного производства, термины «аддитивное производство» и «3D-печать» стали синонимами.

Главное преимущество — создание очень сложных форм, невозможных вручную: полые детали, внутренние фермы для снижения веса. FDM (плавление нити термопласта) — самый распространённый процесс на 2020 г.

Связанная статья: Что такое аддитивное производство?

Кто изобрёл 3D-печать?

Раннее оборудование разработал Хидео Кодама (Нагояский институт промышленных исследований) — два аддитивных метода для 3D-моделей.

Когда изобретена 3D-печать?

На базе работ Ральфа Бейкера 1920-х (декоративные изделия, патент US423647A), ранняя работа Кодамы по лазерной фотополимеризации — 1981 г. Расширение в следующие три десятилетия, стереолитография — 1984 г.

Чак Халл (3D Systems) изобрёл первый 3D-принтер 1987 г. — стереолитография. Затем: селективная лазерная синтеризация, селективное лазерное плавление и др.

Дорогие системы 1990–2000-х, стоимость резко упала после истечения патентов в 2009 г., открыв технологию для широкого круга.

Как работает 3D-принтер?

Экструзия расплавленного пластика через микродузу, точно перемещаемой компьютером. Печатает слой, ждёт застывания, следующий слой поверх. Материал критически важен.

3D-печать — часть аддитивного производства, методы похожи на струйный принтер — но в 3D. Сочетание ПО, порошкоподобных материалов, точных инструментов создаёт 3D-объект с нуля. Основные этапы:

3D-моделирование (CAD)

Первый этап — 3D-моделирование. Для точности (принтеры не угадывают намерения) все объекты проектируются в CAD. Сложные дизайны не поддаются традиционным методам.

CAD позволяет настраивать продукт до мельчайших деталей. Именно это делает 3D-печать переломом во многих отраслях.

Важно для стоматологии: лабы проектируют капы-выпрямители, идеально подходящие пациенту. Важно для космоса: проектирование сложнейших деталей ракет.

Нарезка модели (Слайсинг)

После модели — «нарезка» на слои. Принтеры не мыслят в 3D, как люди. Инженеры нарезают модель на слои для поступательной печати.

Слайсер сканирует каждый слой, задаёт траекторию движения печатающей головки. Также определяет заполнение (инфилл) — внутренние решётки и колонны для формы и прочности. Нарезанная модель отправляется на печать.

Процесс 3D-печати

После моделирования и нарезки принтер берёт управление. Действует как струйный принтер: сопло движется туда-сюда, выкладывает воск/полимер слой за слоем, ждёт высыхания, следующий слой. Соты или тысячи 2D-слоёв формируют 3D-объект.

Материалы для 3D-печати

Разнообразные материалы для воспроизведения объекта максимально точно:

• ABS (акрилонитрил-бутадиен-стирол): пластик, легко формируется, трудно ломать. Материал LEGO.
• Волокно углеродного волокна: для прочных и сверхлёгких деталей.
• Проводящие филаменты: экспериментальные, печать электрических цепей без проводов. Для носимой электроники.
• Гибкие филаменты: печати гнущиеся, но прочные объекты — часы, чехлы телефонов.
• Металлические филаменты: тонко помолотый металл + полимерный клей. Сталь, латунь, бронза, медь — настоящий металлический вид и ощущение.
• Деревянные филаменты: древесная пудра + полимерный клей. Деревянный вид, оттенок зависит от температуры печати.

Печать занимает от нескольких часов (простые объекты — кубик, шар) до недель (крупные детали — полноразмерный дом).

Примеры 3D-печати

Много технологий и материалов, 3D-печать — почти во всех отраслях. Лучше считать кластером отраслей с разными применениями.

Примеры:

1. Потребительские товары (очки, обувь, дизайн, мебель)
2. Промышленные (инструменты, прототипы, функциональные детали)
3. Стоматологические изделия
4. Протезы
5. Архитектурные макеты
6. Реконструкция ископаемых
7. Воспроизведение древних артефактов
8. Судебно-медицинская реконструкция
9. Реквизит для кино

Типы технологий 3D-печати

• Стереолитография (SLA)
• Селективная лазерная синтеризация (SLS)
• Моделирование путём наложения расплавленного материала (FDM)
• Цифровая световая обработка (DLP)
• Multi Jet Fusion (MJF)
• PolyJet
• Прямая лазерная синтеризация металлов (DMLS)
• Электронно-лучевое плавление (EBM)

1. Полимерные процессы 3D-печати

Рассмотрим частые процессы для пластиков и их преимущества для разработчиков, инженеров, дизайнеров.

2. Стереолитография (SLA)

Исходный промышленный процесс 3D-печати. SLA — высокая детализация, гладкие поверхности, строгие допуски. Качественные поверхности не только выглядят хорошо, но и поддерживают функцию (проверка сборки). Широко в медицине: анатомические модели, микродинамика. Используются Vipers, ProJets, iPros (3D Systems).

3. Селективная лазерная синтеризация (SLS)

Лазер синтерит нейлоновые порошки в твёрдый пластик. Детали из настоящего термопласта — прочные, для функциональных тестов, с живыми петлями и защёлками.

Прочнее SLA, но шершавее поверхности. Не требуют поддерживающих структур — вся платформа используется для вложения множества деталей в одну сборку. Подходит для больших партий. Многие SLS-прототипы позже литьют под давлением. Принтеры sPro140 (3D Systems).

4. PolyJet

Пластиковый процесс с поворотом: детали с множественными свойствами — цвета и материалы. Прототипы эластомеров или овермолдинга. Если дизайн из единого жёсткого пластика — SLA или SLS экономичнее.

Но для прототипирования овермолдов или силиконовых резиновых деталей PolyJet экономит на раннем инструментарии, ускоряет итерации и валидацию.

5. Цифровая световая обработка (DLP)

Похожа на SLA: отверждение жидкой смолы светом. Разница: DLP использует экран цифровой световой проекции, SLA — УФ-лазер.

DLP проецирует целый слой сразу — выше скорость. Часто для быстрого прототипирования, но пропускная способность позволяет малые серии пластиковых деталей.

6. Multi Jet Fusion (MJF)

Как SLS — функциональные детали из нейлонового порошка. Вместо лазера — струйная головка наносит флюс на слой порошка, затем нагревательный элемент проходит, сплавляя слой.

Равномерные механические свойства (лучше SLS), улучшенное качество поверхности. Ускоренная сборка — ниже затраты на производство.

7. Моделирование путём наложения расплавленного материала (FDM)

Популярная настольная технология для пластика. Экструдер кладёт нить пластика слой за слоем на платформу. Дешево и быстро для физических моделей.

Иногда для функциональных тестов, но ограничено: шершавые поверхности, низкая прочность.

8. Прямая лазерная синтеризация металлов (DMLS)

Металлическая 3D-печать — новые возможности. Процесс в Protolabs — DMLS. Сводит многофункциональные металлические сборки к одной детали или облегчённые детали с внутренними каналами/полостями.

Подходит и для прототипирования, и для производства: плотность как при токарной/литейной обработке. Сложные геометрии для медицины (органические структуры).

9. Электронно-лучевое плавление (EBM)

Металлическая 3D-печать: электронный луч, управляемый электромагнитными катушками, плавляет металлический порошок. Стол нагревается в вакууме во время сборки. Температура зависит от материала.

Как пользоваться 3D-принтером? (Пошагово)

Разные технологии имеют общие базовые шаги, но сложность зависит от функций принтера.

Шаг 1 — Подготовка дизайна для 3D-печати

Деталь готова, материал выбран. Можно спроектировать самому в CAD, взять из 3D-сканирования или библиотеки готовых моделей.

Нужно перевести дизайн в «координаты», понятные принтеру, и задать параметры: материал и др. Это «нарезка» (slicing) — деление 3D-модели на слои. Обычно в программе-слайсере / подготовки печати.

Шаг 2 — Настройка принтера

Можно сделать первым. Или не нужно, если регулярно печатаете однотипные детали.

Перед печатью: проверьте правильный материал. Выберите диаметр сопла: меньше — детальнее, больше — быстрее.

Шаг 3 — Отправка файла на принтер

Два способа: 1) Файл на флешку, вставить в принтер, запуск через интерфейс. 2) Удалённая отправка на сетевой принтер через локальную сеть или облако. Удобно, если не рядом с принтером.

Шаг 4 — 3D-печать

Можно отдохнуть или заняться другими делами.

Время зависит от размера, детализации, типа принтера. Малая деталь/черновик — пару часов. Большинство деталей готовы на следующее утро при ночной печати. Крупные детали — пару дней.

Для чего используется 3D-печать?

Хобби и профессионально, в разных отраслях: медицина, инженерия, мода.

Всё чаще — устойчивое и экономичное решение для прототипов и инструментов в производстве. Традиционно прототипы — долго и дорого, зависимость от внешних производителей. 3D-печать — быстрые единицы объекта/инструмента/прототипа инхаус.

Пример: обувная компания Camper. Инхаус-печать сократила месяц-половину моделирования до нескольких дней.

Часто задаваемые вопросы

Что такое 3D-печать?

Процесс создания 3D-объектов из цифрового файла аддитивными процессами. Объект создаётся последовательным наложением слоёв материала. Каждый слой — тонкое сечение объекта.

3D-печать — противоположность вычитающему производству (фрезерование — вырезание/выточкование металла/пластика). 3D-печать позволяет сложные формы с меньшим материалом.

Как работает 3D-печать?

Экструзия расплавленного пластика через микродузу под компьютерным управлением. Слой, высыхание, следующий слой. Материал критически важен.

Каковы типы 3D-печати?

1. Стереолитография (SLA)
2. Селективная лазерная синтеризация (SLS)
3. FDM (моделирование расплавлением нити)
4. Цифровая световая обработка (DLP)
5. Multi Jet Fusion (MJF)
6. PolyJet
7. Прямая лазерная синтеризация металлов (DMLS)
8. Электронно-лучевое плавление (EBM)

Что именно такое 3D-печать?

Аддитивное производство — создание 3D-объекта слой за слоем по компьютерному дизайну.

Дорога ли 3D-печать?

От $3 до тысяч долларов. Точную стоимость нельзя назвать без 3D-модели. Цена зависит от материала, сложности модели, труда. Услуги печати иногда дороже бюджетного принтера.

Можно ли напечатать что угодно?

Нет. Принтеры требуют специфических свойств материалов (термопласты вроде PLA, размолчающиеся при нагреве, а не горящие). Почти любую форму можно напечатать при правильной ориентации и поддержках.

Является ли 3D-печать будущим?

Пока не захватывает всё производство, но аналитики прогнозируют рост: рынок $32,78 млрд к 2023 г.

Что могут делать 3D-принтеры?

Быстрое создание моделей и прототипов, всё чаще — готовые изделия. Обувь, мебель, восковые модели для ювелирки, инструменты, штативы, сувениры, игрушки.

Что можно напечатать дома?

• Надёжная подставка для смартфона/планшета (разные размеры)
• Усилитель звука телефона
• Мини-ноутбук на Raspberry Pi
• Сенсорный Raspberry Pi
• Защита кабеля Lightning
• Чехол для наушников
• Держатель USB-кабеля
• Держатель кабелей на столе

Сколько стоит час работы 3D-принтера?

Среднее потребление ~125 Вт, стоимость часа ~1,58 цента (при тарифе 12,69 центов/кВт·ч).

Можно ли заработать на 3D-принтере?

Да: продажа напечатанных изделий, цифровых моделей, услуг печати в своём районе.

Могут ли 3D-принтеры печатать еду?

Да, некоторые печатают сладости, выпечку, шоколад, пиццу и блюда. Больше свободы и креатива на кухне, иногда снижают пищевые отходы.

Какая отрасль больше всего использует 3D-печать?

Авиакосмическая. Boeing, Airbus, NASA активно применяют. Быстрое производство лёгких деталей по низкой стоимости ценно для авиации.

Что 3D-принтер НЕ может сделать?

• Формы с малым контактом с столом (сферы)
• Модели с очень тонкими, перьевидными кромками
• Большие нависающие элементы или печать «в воздухе»
• Очень крупные объекты
• Тонкостенные формы

Почему 3D-печать не популярна?

Далеки от воспроизведения сложных гаджетов. Большинство принтеров печатают 1–2 материала за раз — сложно сделать смартфон с металлом, стеклом, пластиком внутри.

Плюсы и минусы 3D-печати?

Три эксперта, включая Мейджеса, о плюсах и минусах:

• Плюс: Упрощает изготовление.
• Минус: Неэффективно для больших партий.
• Плюс: Новые формы.
• Минус: Материалы создают проблемы.
• Плюс и минус: Влияние на рабочие места.
• Плюс: Экологичность.
• Минус: Регуляторные вызовы.

Заменит ли 3D-печать ЧПУ-обработку?

Не обязательно. И 3D-печать, и ЧПУ имеют своё место в производстве.

Нужен ли компьютер для 3D-принтера?

Не обязательно. Почти все принтеры имеют слот SD-карты для чтения файлов и запуска печати. Если файлы на SD-карте — компьютер не нужен.

Опасности 3D-печати?

ЛПС (VOCs): стирол (канцероген), капролактам (острый риск). Ультрамелкодисперсные частицы — невидимы невооружённым глазом.

Чем 3D-принтеры печатают («чернила»)?

Порошковые металлы и пластики. Для сверхпрочной стали или искусственных костей — хорошо. Не для биосовместимых материалов, нужных гибкости (кожные пересадки).

Сколько стоит построить 3D-принтер?

Наборы DIY от $200; хоббийные $500–1500. Профессиональные FDM от $2500, крупногабаритные профи — от $4000.

Насколько прочен 3D-печатный пластик?

Простота, низкая стоимость, разумная прочность. PLA при низкой температуре без подогрева стола, предел прочности на разрыв 7250 psi (~50 МПа).

Можно ли 3D-печатать металл?

Металлическая 3D-печать меняет подход к созданию деталей. В малом/среднем серийном производстве — быстрее, дешевле, меньше усилий чем традиционные методы.

Сколько электроэнергии потребляет 3D-принтер?

Средний принтер (сопло 205°C, стол 60°C) — ~70 Вт. 10-часовая печать = 0,7 кВт·ч ~9 центов. Зависит от размера принтера и температур сопла/стола.

Насколько сложно пользоваться 3D-принтером?

3D-печать в зачаточном состоянии, не очень удобна. Принтеры хрупкие, капризные, пугают новичков. Для своих дизайнов нужно учить сложное ПО.