Исследование технологий 3D-печати: SLA, SLS, FDM, DLP, MJF, PolyJet, DMLS и другие

Термин 3D-печать охватывает несколько производственных технологий, которые строят детали слой за слоем. Каждая из них отличается тем, как они формируют пластиковые и металлические детали, и могут различаться в выборе материалов, отделке поверхности, долговечности, скорости и стоимости производства.

Существует несколько типов 3D-печати, включая:

• Стереолитография (SLA)
• Селективная лазерная спекция (SLS)
• Моделирование методом наплавления (FDM)
• Цифровая обработка света (DLP)
• Multi Jet Fusion (MJF)
• PolyJet
• Прямая металлическая лазерная спекция (DMLS)
• Электронно-лучевое плавление (EBM)

Выбор правильного процесса 3D-печати для вашего приложения требует понимания сильных и слабых сторон каждого процесса и сопоставления этих атрибутов с вашими потребностями в разработке продукта. Давайте сначала обсудим, как 3D-печать вписывается в цикл разработки продукта, а затем посмотрим на распространенные типы технологий 3D-печати и преимущества каждой.

3D-печать для быстрого прототипирования и не только

Можно с уверенностью сказать, что 3D-печать чаще всего используется для прототипирования. Ее способность быстро производить отдельную деталь позволяет разработчикам продуктов валидировать и делиться идеями экономичным способом. Определение цели вашего прототипа покажет, какая технология 3D-печати будет наиболее полезной. Аддитивное производство может быть подходящим для ряда прототипов, от простых физических моделей до деталей, используемых для функционального тестирования.

Технология SLA формирует пластиковые детали путем отверждения жидкой термореактивной смолы УФ-лазером. По мере построения деталей им требуются поддерживающие структуры, которые удаляются после завершения сборки.

Несмотря на то, что 3D-печать почти синоним быстрого прототипирования, есть сценарии, когда это жизнеспособный производственный процесс. Обычно эти применения включают низкие объемы и сложные геометрии. Часто компоненты для аэрокосмических и медицинских приложений являются идеальными кандидатами для производственной 3D-печати, так как они часто соответствуют описанным ранее критериям.

Пять соображений для 3D-печати

Как и большинство вещей в жизни, редко есть простой ответ при выборе процесса 3D-печати. Когда мы помогаем клиентам оценивать их варианты 3D-печати, мы обычно указываем на пять ключевых критериев, чтобы определить, какая технология удовлетворит их потребности:

1. Бюджет
2. Механические требования
3. Косметический внешний вид
4. Выбор материала
5. Геометрия

После завершения сборки SLS техник удаляет деталь из порошковой кровати, сшибает излишки материала, а затем обрабатывает деталь перловым шариком.

Полимерные процессы 3D-печати

Давайте обозначим некоторые распространенные пластиковые процессы 3D-печати и обсудим, когда каждый обеспечивает наибольшую ценность для разработчиков продуктов, инженеров и дизайнеров.

Стереолитография (SLA)

Стереолитография (SLA) — это оригинальный промышленный процесс 3D-печати. Принтеры SLA отлично производят детали с высокими уровнями детализации, гладкими поверхностями и тесными допусками. Качественная отделка поверхностей деталей SLA не только выглядит хорошо, но может помочь в функции детали — например, тестировании посадки сборки. Она широко используется в медицинской отрасли, и распространенные применения включают анатомические модели и микродиффикулику. Для деталей SLA мы используем 3D-принтеры Vipers, ProJets и iPros, произведенные 3D Systems.

Селективная лазерная спекция (SLS)

Селективная лазерная спекция (SLS) спектирует вместе порошки на основе нейлона в твердый пластик. Поскольку детали SLS сделаны из настоящего термопластического материала, они долговечны, подходят для функционального тестирования и могут поддерживать живые петли и защелки. В сравнении со SL, детали прочнее, но имеют более шершавую отделку поверхности. SLS не требует поддерживающих структур, поэтому вся платформа сборки может быть использована для укладки нескольких деталей в одну сборку — делая его подходящим для количества деталей выше, чем другие процессы 3D-печати. Многие детали SLS используются для прототипирования дизайнов, которые однажды будут литы под давлением. Для наших принтеров SLS мы используем машины sPro140, разработанные 3D Systems.

PolyJet

PolyJet — еще один процесс 3D-печати пластика, но есть заворот. Он может производить детали с множественными свойствами, такими как цвета и материалы. Дизайнеры могут использовать технологию для прототипирования эластомерных или колетных деталей. Если ваш дизайн — это единый жесткий пластик, мы рекомендуем придерживаться SL или SLS — это более экономично. Но если вы прототипируете дизайн колетного литья или силиконового каучука, PolyJet может спасти вас от необходимости инвестировать в инструментальное оснащение рано в цикле разработки. Это может помочь вам итерировать и валидировать ваш дизайн быстрее и сэкономить деньги.

Цифровая обработка света (DLP)

Цифровая обработка света похожа на SLA в том, что она отвердевает жидкую смолу с помощью света. Первичная разница между двумя технологиями в том, что DLP использует экран цифрового проектора света, тогда как SLA использует УФ-лазер. Это означает, что 3D-принтеры DLP могут изображать целый слой сборки сразу, что приводит к более быстрым скоростям сборки. Хотя часто используется для быстрого прототипирования, более высокая пропускная способность DLP-печати делает ее подходящей для малосерийных производственных запусков пластиковых деталей.

Protolabs использует машины Concept Laser Mlab и M2 для металлических 3D-печатных деталей.

Multi Jet Fusion (MJF)

Похоже на SLS, Multi Jet Fusion также строит функциональные детали из нейлонового порошка. Вместо использования лазера для спекции порошка, MJF использует струйную головку для нанесения агентов спекции на слой нейлонового порошка. Затем нагревательный элемент проходит над слоем, чтобы спектировать каждый слой. Это приводит к более последовательным механическим свойствам по сравнению с SLS, а также улучшенной отделке поверхности. Еще одно преимущество процесса MJF — ускоренное время сборки, что ведет к более низким производственным затратам.

Моделирование методом наплавления (FDM)

Моделирование методом наплавления (FDM) — распространенная настольная технология 3D-печати для пластиковых деталей. Принтер FDM функционирует путем экструзии пластиковой нити слой за слоем на платформу сборки. Это экономичный и быстрый метод производства физических моделей. Есть некоторые случаи, когда FDM может использоваться для функционального тестирования, но технология ограничена из-за того, что детали имеют относительно шершавые отделки поверхностей и нехватку прочности.

Металлические процессы 3D-печати

Прямая металлическая лазерная спекция (DMLS)

Металлическая 3D-печать открывает новые возможности для дизайна металлических деталей. Процесс, который мы используем в Protolabs для 3D-печати металлических деталей — это прямая металлическая лазерная спекция (DMLS). Она часто используется для сокращения металлических многочастных сборок до единого компонента или облегчения деталей с внутренними каналами или полыми особенностями. DMLS жизнеспособна и для прототипирования, и для производства, так как детали такие же плотные, как те, что произведены традиционными методами металлического производства, такие как обработка или литье. Создание металлических компонентов со сложными геометриями также делает ее подходящей для медицинских приложений, где дизайн детали должен имитировать органическую структуру.

Электронно-лучевое плавление (EBM)

Электронно-лучевое плавление — еще одна технология металлической 3D-печати, которая использует электронный луч, контролируемый электромагнитными катушками, для плавления металлического порошка. Печатающая платформа нагревается и находится в вакуумных условиях во время сборки. Температура, до которой нагревается материал, определяется используемым материалом.

Когда использовать 3D-печать

Как сказано ранее, есть пара общих знаменателей среди применений 3D-печати. Если количества ваших деталей относительно невелики, 3D-печать может быть оптимальной — руководство, которое мы даем нашим клиентам услуг 3D-печати, обычно 1-50 деталей. По мере того как объемы начинают приближаться к сотням, стоит изучить другие производственные процессы. Если ваш дизайн включает сложную геометрию, критичную для функции вашей детали, как алюминиевый компонент с внутренним охлаждающим каналом, 3D-печать может быть вашим единственным вариантом.

Выбор правильного процесса сводится к сопоставлению преимуществ и ограничений каждой технологии с самыми важными требованиями вашего приложения. На ранних стадиях, когда идеи бросаются вокруг и все, что вам нужно — это модель для обмена с коллегой, те ступенчатые отделки поверхностей на вашей детали не являются большой проблемой. Но как только вы достигаете точки, где нужно проводить пользовательское тестирование, факторы вроде косметики и долговечности начинают иметь значение. Хотя нет универсального решения, правильное использование технологии 3D-печати на протяжении всего цикла разработки продукта снизит риск дизайна и, в конечном итоге, приведет к лучшим продуктам.