ЧТО ТАКОЕ 3D-ПЕЧАТЬ?

ЧТО ТАКОЕ 3D-ПЕЧАТЬ? - ОПРЕДЕЛЕНИЕ И ТИПЫ ТЕХНОЛОГИИ

 

3D-печать, также известная как аддитивное производство, - это метод послойного создания трехмерного объекта с помощью созданного на компьютере дизайна.

3D-печать - это аддитивный процесс, при котором слои материала наращиваются для создания трехмерной детали. Это противоположно субтрактивной технологии производства, при которой конечная конструкция вырезается из большего блока материала. В результате при 3D-печати образуется меньше отходов материала.

3D-печать также отлично подходит для создания сложных изделий на заказ, что делает ее идеальной для быстрого создания прототипов.

  1. Какие материалы могут быть использованы?
  2. История
  3. Технологии
  4. Типы процессов
  5. Сколько времени это занимает?
  6. Преимущества и недостатки
  7. Что такое STL-файл?
  8. Отрасли
  9. Услуги
  10. Часто задаваемые вопросы

Какие материалы можно использовать в 3D-печати?
Существует множество материалов для 3D-печати, включая термопласты, такие как акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), металлы (включая порошки), смолы и керамику.

История 3D-печати


Кто изобрел 3D-печать?


Самое раннее оборудование для 3D-печати было разработано Хидео Кодамой из Муниципального промышленного исследовательского института Нагои, когда он изобрел два аддитивных метода изготовления 3D-моделей.

Когда была изобретена 3D-печать?
Основываясь на работах Ральфа Бейкера по изготовлению декоративных изделий (патент US423647A), проведенных в 1920-х годах, Хидео Кодама в 1981 году завершил раннюю работу по быстрому созданию прототипов из смолы лазерного отверждения. Его изобретение было расширено в течение следующих трех десятилетий, с появлением стереолитографии в 1984 году. Чак Халл из компании 3D Systems изобрел первый 3D-принтер в 1987 году, который использовал процесс стереолитографии. За ним последовали такие разработки, как селективное лазерное спекание и селективное лазерное плавление, среди прочих. В 1990-х - 2000-х годах были разработаны другие дорогостоящие системы 3D-печати, хотя их стоимость резко снизилась после истечения срока действия патентов в 2009 году, что открыло технологию для большего числа пользователей.

Технологии 3D-печати


Существует три основных типа технологий 3D-печати: спекание, плавление и стереолитография.

Спекание - это технология, при которой материал нагревается, но не до точки плавления, для создания изделий высокого разрешения. Металлический порошок используется для прямого лазерного спекания металлов, а термопластичные порошки - для селективного лазерного спекания.


Плавильные методы 3D-печати включают плавление порошкового слоя, электронно-лучевое плавление и прямое энергетическое осаждение. Для печати объектов используются лазеры, электрические дуги или электронные лучи, которые расплавляют материалы при высоких температурах.


Стереолитография использует фотополимеризацию для создания деталей. Эта технология использует правильный источник света для избирательного взаимодействия с материалом для отверждения и затвердевания поперечного сечения объекта в тонких слоях.


Процессы 3D-печати


Типы 3D-печати


Процессы 3D-печати, также известные как аддитивное производство, были разделены на семь групп в соответствии с ISO/ASTM 52900 Аддитивное производство - общие принципы - терминология. Все виды 3D-печати относятся к одному из следующих типов:

  1. Струйное нанесение связывающего вещества
  2. Прямое термическое нанесение
  3. Экструзия материала
  4. Струйная обработка материала
  5. Сплавление порошкового слоя
  6. Ламинирование листов
  7. ФОТО Полимеризация материалов

Струйное нанесение связывающего вещества

При струйной обработке связующего на платформу наносится тонкий слой порошкообразного материала, например, металла, полимерного песка или керамики, после чего печатающая головка наносит капли клея для скрепления частиц вместе. Таким образом, деталь формируется слой за слоем, и после этого может потребоваться последующая обработка для завершения сборки. В качестве примеров последующей обработки металлические детали могут быть термически спечены или пропитаны металлом с низкой температурой плавления, таким как бронза, а полноцветные полимерные или керамические детали могут быть пропитаны цианоакрилатным клеем.

Струйное нанесение связующего может использоваться в различных областях, включая 3D-печать металла, полноцветные прототипы и крупномасштабные керамические формы.

Прямое термическое нанесение

При прямом термическом нанесении используется сфокусированная тепловая энергия, такая как электрическая дуга, лазер или электронный луч, для сплавления проволоки или порошкового сырья в процессе нанесения. Процесс проходит горизонтально для создания слоя, а слои укладываются вертикально для создания детали.

Этот процесс может использоваться с различными материалами, включая металлы, керамику и полимеры.

Выдавливание материалов


Экструзия материала или моделирование методом наплавления (FDM) использует катушку нити, которая подается в экструзионную головку с нагретым соплом. Экструзионная головка нагревает, размягчает и укладывает нагретый материал в заданных местах, где он остывает, создавая слой материала, после чего платформа для сборки перемещается вниз для следующего слоя.

Этот процесс экономически эффективен и имеет короткие сроки изготовления, но при этом отличается низкой точностью размеров и часто требует последующей обработки для создания гладкой поверхности. Этот процесс также имеет тенденцию к созданию анизотропных деталей, что означает, что они слабее в одном направлении и поэтому не подходят для критических применений.

Струйная обработка материалов

Струйная обработка материалов работает аналогично струйной печати, только вместо нанесения чернил на страницу, этот процесс наносит слои жидкого материала с помощью одной или нескольких печатающих головок. Затем слои отверждаются, после чего процесс начинается заново для следующего слоя. Струйная обработка материала требует использования опорных конструкций, но они могут быть изготовлены из водорастворимого материала, который можно смыть после завершения процесса.

Точный процесс, струйная обработка материалов является одним из самых дорогих методов 3D-печати, а детали, как правило, хрупкие и со временем разрушаются. Однако этот процесс позволяет создавать полноцветные детали из различных материалов.

Сплавление порошкового слоя

Сплавление порошкового слоя (PBF) - это процесс, в котором тепловая энергия (например, лазер или электронный луч) избирательно сплавляет участки порошкового слоя для формирования слоя, и слои наслаиваются друг на друга для создания детали. Следует отметить, что PBF охватывает как процессы спекания, так и плавления. Основной метод работы всех систем с порошковым слоем одинаков: лезвие или валик наносят тонкий слой порошка на платформу для сборки, затем поверхность порошкового слоя сканируется источником тепла, который избирательно нагревает частицы, чтобы связать их вместе. После того как слой или поперечное сечение просканировано источником тепла, платформа перемещается вниз, чтобы процесс начался со следующего слоя. Конечным результатом является объем, содержащий одну или несколько сплавленных деталей, окруженных незатронутым порошком. Когда сборка завершена, платформа полностью поднимается, чтобы можно было извлечь детали из незатронутого порошка и начать любую необходимую последующую обработку.

Селективное лазерное спекание (SLS) часто используется для изготовления полимерных деталей и хорошо подходит для прототипов или функциональных деталей благодаря полученным свойствам, а отсутствие опорных структур (слой порошка выступает в качестве опоры) позволяет создавать детали со сложной геометрией. Полученные детали могут иметь зернистую поверхность и внутреннюю пористость, что означает необходимость последующей обработки.

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS), селективное лазерное плавление (SLM) и электронно-лучевое сплавление порошкового слоя (EBPBF) похожи на SLS, за исключением того, что эти процессы создают детали из металла, используя лазер для послойного соединения частиц порошка. В то время как SLM полностью расплавляет частицы металла, DMLS нагревает их только до точки плавления, в результате чего они соединяются на молекулярном уровне. И SLM, и DMLS требуют наличия опорных конструкций из-за высоких тепловых затрат, необходимых в процессе. Эти опорные конструкции затем удаляются при последующей обработке либо вручную, либо с помощью ЧПУ. Наконец, детали могут подвергаться термической обработке для снятия остаточных напряжений.

И DMLS, и SLM производят детали с отличными физическими свойствами - часто прочнее, чем обычный металл, и с хорошей отделкой поверхности. Они могут использоваться для обработки металлических суперсплавов и иногда керамики, которые трудно обрабатывать другими способами. Однако эти процессы могут быть дорогими, а размер получаемых деталей ограничен объемом используемой системы 3D-печати.

 

Ламинирование листов


Ламинирование листов можно разделить на две различные технологии: производство ламинированных объектов (LOM) и ультразвуковое аддитивное производство (UAM). LOM использует чередующиеся слои материала и клея для создания изделий с визуальной и эстетической привлекательностью, а UAM соединяет тонкие листы металла с помощью ультразвуковой сварки. UAM - это низкотемпературный, низкоэнергетический процесс, который может использоваться с алюминием, нержавеющей сталью и титаном.

 

 

Фото Полимеризация материалов

Фотополимеризацию можно разделить на две технологии: стереолитографию (SLA) и цифровую обработку света (DLP). Оба эти процесса создают детали послойно с помощью света для избирательного отверждения жидкой смолы в ванне. В SLA для процесса отверждения используется одноточечный лазер или источник ультрафиолетового излучения, а в DLP на поверхность ванны наносится изображение каждого слоя. После печати детали необходимо очистить от излишков смолы, а затем подвергнуть воздействию источника света для повышения прочности деталей. Любые опорные конструкции также необходимо удалить, а для создания более качественной отделки можно использовать дополнительную пост-обработку.

Идеально подходит для деталей с высоким уровнем точности размеров, эти процессы позволяют создавать сложные детали с гладкой поверхностью, что делает их идеальными для производства прототипов. Однако, поскольку детали получаются более хрупкими, чем при моделировании методом наплавленного осаждения (FDM), они меньше подходят для функциональных прототипов. Кроме того, эти детали не подходят для использования на открытом воздухе, поскольку цвет и механические свойства могут ухудшиться под воздействием ультрафиолетового излучения солнца. Необходимые опорные конструкции также могут оставлять пятна, для удаления которых требуется последующая обработка.

 

Сколько времени занимает 3D-печать?


Время печати зависит от ряда факторов, включая размер детали и параметры, используемые для печати. Качество готовой детали также важно при определении времени печати, поскольку более качественные изделия требуют больше времени на изготовление. 3D-печать может занимать от нескольких минут до нескольких часов или дней - скорость, разрешение и объем материала являются здесь важными факторами.

Преимущества и недостатки


К преимуществам 3D-печати относятся:

Индивидуальное, экономически эффективное создание сложных геометрических форм:
Эта технология позволяет легко создавать геометрические детали на заказ, при этом дополнительная сложность не требует дополнительных затрат. В некоторых случаях 3D-печать дешевле, чем субтрактивные методы производства, поскольку не используются дополнительные материалы.
Доступные начальные затраты:
Поскольку не требуются пресс-формы, затраты, связанные с этим производственным процессом, относительно низкие. Стоимость детали напрямую зависит от количества используемого материала, времени, затраченного на изготовление детали, и любой последующей обработки, которая может потребоваться.
Полная настраиваемость:
Поскольку процесс основан на автоматизированном проектировании (CAD), любые изменения в изделии легко вносятся без ущерба для стоимости производства.
Идеально подходит для быстрого создания прототипов:
Поскольку технология позволяет изготавливать небольшие партии и производить продукцию на собственном производстве, этот процесс идеально подходит для создания прототипов, что означает, что продукция может быть создана быстрее, чем при использовании более традиционных методов производства, и без зависимости от внешних цепочек поставок.
Позволяет создавать детали со специфическими свойствами:
Хотя пластмассы и металлы являются наиболее распространенными материалами, используемыми в 3D-печати, существует также возможность создания деталей из специально разработанных материалов с желаемыми свойствами. Так, например, можно создавать детали с высокой термостойкостью, водоотталкивающими свойствами или повышенной прочностью для конкретных применений.

К недостаткам 3D-печати относятся:

Прочность может быть ниже, чем при традиционном производстве:
Хотя некоторые детали, например, изготовленные из металла, обладают отличными механическими свойствами, многие другие 3D-печатные детали более хрупкие, чем те, которые создаются традиционным способом. Это происходит потому, что детали создаются послойно, что снижает их прочность на 10-50%.
Увеличение стоимости при больших объемах производства:
Большие объемы производства обходятся дороже при использовании 3D-печати, поскольку экономия от масштаба не влияет на этот процесс так, как это происходит при использовании других традиционных методов. Оценки показывают, что при прямом сравнении идентичных деталей 3D-печать менее рентабельна, чем обработка на станках с ЧПУ или литье под давлением при объеме более 100 единиц, при условии, что детали могут быть изготовлены традиционным способом.
Ограничения по точности:
Точность напечатанной детали зависит от типа используемого станка и/или процесса. Некоторые настольные принтеры имеют более низкие допуски, чем другие принтеры, что означает, что конечные детали могут немного отличаться от эскизов. Хотя это можно исправить с помощью постобработки, следует учитывать, что 3D-печатные детали не всегда могут быть точными.
Требования к постобработке:
Большинство 3D-печатных деталей требуют определенной формы постобработки. Это может быть шлифовка или выравнивание для создания требуемой отделки, удаление опорных стоек, которые позволяют материалам приобретать заданную форму, термическая обработка для достижения определенных свойств материала или окончательная механическая обработка.

Что такое файл STL?


STL-файл - это простой переносимый формат, используемый системами автоматизированного проектирования (CAD) для определения твердой геометрии деталей для 3D-печати. STL-файл предоставляет входную информацию для 3D-печати, моделируя поверхности объекта в виде треугольников, имеющих общие грани и вершины с другими соседними треугольниками для платформы сборки. Разрешение файла STL влияет на качество 3D-печати - при слишком высоком разрешении файла треугольники могут перекрываться, при слишком низком - модель будет иметь зазоры, что сделает ее непригодной для печати. Многие 3D-принтеры требуют STL-файл для печати, однако эти файлы можно создать в большинстве CAD-программ.

Отрасли 3D-печати


Благодаря универсальности процесса, 3D-печать находит применение в различных отраслях промышленности, например:

Аэрокосмическая промышленность


3D-печать используется в аэрокосмической (и астрокосмической) промышленности благодаря возможности создания легких, но геометрически сложных деталей, таких как блиски. Вместо того чтобы собирать деталь из нескольких компонентов, 3D-печать позволяет создавать изделие как единое целое, сокращая время изготовления и отходы материалов.

Автомобильная промышленность


Автомобильная промышленность приняла 3D-печать благодаря присущему ей снижению веса и стоимости. Она также позволяет быстро создавать прототипы новых или изготовленных на заказ деталей для испытаний или мелкосерийного производства. Так, например, если определенная деталь больше не выпускается, ее можно изготовить в рамках небольшой партии на заказ, включая производство запасных частей. Или же элементы или приспособления могут быть напечатаны за одну ночь и готовы к тестированию перед более крупным производством.

Медицина


Медицинский сектор нашел применение 3D-печати в создании имплантатов и устройств, изготовленных по индивидуальным размерам. Например, слуховые аппараты могут быть быстро созданы на основе цифрового файла, который сопоставляется со сканом тела пациента. 3D-печать также может значительно сократить затраты и время производства.

Железнодорожный транспорт


Железнодорожная отрасль нашла ряд применений для 3D-печати, включая создание деталей по индивидуальному заказу, таких как подлокотники для машинистов и крышки корпусов для сцепных устройств поездов. Изготовление деталей на заказ - лишь одно из применений в железнодорожной промышленности, которая также использует этот процесс для ремонта изношенных рельсов.

Робототехника


Скорость производства, свобода дизайна и простота настройки конструкции делают 3D-печать идеально подходящей для робототехники. Сюда входит работа по созданию экзоскелетов на заказ и маневренных роботов с улучшенной маневренностью и эффективностью.