Какие технологии 3Д печати существуют
и что это такое?
и что это такое?
Что можно сделать с помощью 3Д печати
Терминология
3D-печать или «аддитивное производство» – процесс создания цельных трехмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели.
3D-печать основана на концепции построения объекта последовательно наносимыми слоями, отображающими контуры модели. Фактически, 3D-печать является полной противоположностью таких традиционных методов механического производства и обработки, как фрезеровка или резка, где изделия появляется за счет удаления лишнего материала (т.н. «субтрактивное производство»).
3D-принтерами называют станки с программным управлением, выполняющие построение детали аддитивным способом. Хотя технология 3D-печати появилась еще в 80-х годах прошлого века, широкое коммерческое распространение 3D-принтеры получили только в начале 2010-х.
Модели, изготовленные аддитивным методом, могут применяться на любом производственном этапе – как для изготовления опытных образцов (т.н. быстрое прототипирование), так и в качестве самих готовых изделий (т.н. быстрое производство).
3D-печатные модели
3D-модели создаются методом компьютерного графического дизайна или за счет 3D-сканирования реальных объектов.
Ручное моделирование, или подготовка геометрических данных для создания трехмерной компьютерной графики, несколько напоминает скульптуру.
3D-сканирование – это автоматический сбор и анализ данных реального объекта, а именно формы, цвета и других характеристик, с последующим преобразованием в цифровую трехмерную модель.
Есть базы готовых 3D моделей, как платных, так и бесплатных для скачивания. Среди наиболее популярных примеров такие сервисы, как Shapeways, Thingiverse и Threeding.
3D-печать
Во время печати принтер считывает 3D-печатный файл (как правило, в формате STL), содержащий данные трехмерной модели, и наносит последовательные слои жидкого, порошкообразного, бумажного или листового материала, выстраивая трехмерную модель из серии поперечных сечений.
Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям в CAD-модели, соединяются или сплавляются вместе для создания объекта заданной формы. Основным преимуществом данного метода является возможность создания геометрических форм практически неограниченной сложности.
«Разрешение» принтера подразумевает толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах (устаревшим термином является «микрон»).
Типичная толщина слоя составляет 100мкм (250 DPI), хотя некоторые устройства вроде Objet Connex и 3D Systems ProJet способны печатать слоями толщиной от 16мкм (1 600 DPI).
Разрешение по осям X и Y схоже с показателями обычных двухмерных лазерных принтеров. Типичный размер частиц составляет около 50-100мкм (от 510 до 250 DPI) в диаметре.
Традиционные производственные методы вроде литья под давлением могут обходиться дешевле при производстве крупных партий полимерных изделий, но аддитивные технологии обладают преимуществами при мелкосерийном производстве, позволяя достигнуть более высокого темпа производства и гибкости дизайна, наряду с повышенной экономичностью в пересчете на единицу произведенного товара.
Виды технологий 3D-печати
В настоящее время доступен широкий выбор методов аддитивного производства. Основные различия заключаются в методе нанесения слоев и используемых расходных материалах. Некоторые методы основываются на плавке или размягчении материалов для создания слоев: сюда входит выборочное лазерное спекание (SLS), выборочная лазерная плавка (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), печать методом послойного наплавления (FDM или FFF). Другим направлением стало производство твердых моделей за счет полимеризации жидких материалов, известное как стереолитография (SLA).
Ювелирная 3D печать воском
Восковая 3D-печать используется для изготовления выплавляемых мастер-моделей — восковок для литья металлов. Так создаются ювелирные украшения очень высокого качества и прототипы металлических деталей различной техники.
Раньше мастер-модели изготавливались вручную и это был очень сложный и дорогостоящий процесс. С появлением 3D-печати из воска изготовление выплавляемых моделей стало быстрее и дешевле.
Мы используем многоструйную печать воском на принтерах Projet MJP. При печати материал подается через сопла малого диаметра, расположенные рядами на печатающей головке. Воск нагревается до температуры плавления, затем подается в головку, наносится послойно и застывает. Слои формируются перемещением головки в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение при переходе к следующему слою обеспечивается опусканием рабочего стола.
Возможна печать любой геометрии и сложности. В качестве поддержек для изделий возможно использование водорастворимого материала, что дает высококачсетвенную гладкую поверхность восковок без следов поддержек.
FDM печать пластиком
Моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) было разработано С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и получило коммерческое распространение c 1990. В связи с истечением срока действия патента существует большое сообщество разработчиков 3D-принтеров с открытым исходным кодом, а также коммерческих организаций, использующих данную технологию.
Как следствие, стоимость устройств уменьшилась на два порядка со времени изобретения технологии.
Процесс печати методом послойного наплавления подразумевает создание слоев за счет экструзии быстрозастывающего материала в виде микрокапель или тонких струй. Как правило, расходный материал (например, термопластик) поставляется в виде катушек, с которых материал скармливается в печатную головку, называемую «экструдером».
Экструдер нагревает материал до температуры плавления с последующим выдавливанием расплавленной массы через сопло. Сам экструдер приводится в движение пошаговыми двигателями или сервомоторами, обеспечивающими позиционирование печатной головки в трех плоскостях. Перемещение экструдера контролируется производственным программным обеспечением (CAM), привязанным к микроконтроллеру.
В качестве расходных материалов используются всевозможные полимеры, включая акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), поликарбонат (PC), полилактид (PLA), полиэтилен высокого давления (HDPE), смеси поликарбоната и ABS-пластика, полифениленсульфон (PPSU) и др.
Технология FDM/FFF имеет определенные ограничения по сложности создаваемых геометрических форм. Например, создание навесных конструкций (таких, как сталактиты) невозможно само по себе, ввиду отсутствия необходимой поддержки. Это ограничение компенсируется созданием временных опорных конструкций, удаляемых по завершении печати.
Деформация является одним из наиболее распространенных дефектов в процессе FDM печати. У некоторых видов пластика во время охлаждения после экструзии, происходит усадка. Поскольку разные участки охлаждаются с разной скоростью, их размеры также могут меняться с разной скоростью.
Разные пластики по-разному восприимчивы к деформации: ABS, как правило, более чувствителен к данному фактору, чем PLA или PETG, из-за более высокой температуры стеклования и относительно высокого коэффициента теплового расширения.
Также есть нюанс, связанный с послойным наплпвлением. Прочность связи между различными слоями всегда ниже, чем базовая прочность материала. Это означает, что детали произведённые по технологии FDM, по своей природе анизотропны: их прочность по оси Z всегда меньше их прочности в плоскостях X/Y. По этой причине важно помнить об ориентации деталей при проектировании.
Разработаны пластики, убирающие эти недостатки - безусадочные и повышенной прочности. Пластик для печати необходимо подбирать под задачу.
Порошковая печать SLS полимерами
Одним из методов аддитивного производства является выборочное спекание порошковых материалов. Слои модели вычерчиваются (спекаются) в тонком слое порошкообразного материала, после чего рабочая платформа опускается, и наносится новый слой порошка. Процесс повторяется до получения цельной модели. Неизрасходованный материал остается в рабочей камере и служит для поддержки нависающих слоев, не требуя создания специальных опор.
Наиболее распространенными являются методы, основанные на спекании с помощью лазеров: выборочное лазерное спекание (SLS) для работы с металлами и полимерами (например, полиамидом (PA), полиамидом, армированным стекловолокном (PA-GF), стекловолокном (GF), полиэфирэфиркетоном (PEEK), полистиролом (PS), алюмидом, полиамидом, армированным углеволокном (Carbonmide), эластомерами) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS).
Метод выборочного лазерного спекания (SLS) был разработан и запатентован в середине 1080-х под эгидой Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA).
Принцип действия SLS довольно прост. Лазерный луч спекает порошковый материал в герметичной камере, иногда в атмосфере инертного газа — чтобы предотвратить окисление, что увеличивает ассортимент доступных материалов. Поскольку камера предварительно нагревается чуть ниже температуры плавления порошка, лазер используется только для добавления небольшого количества энергии для его спекания.
Технология дает безусадочную печать.
Прочность материала сравнима с литьем, т.к. установление связей происходит за счет спекания слоев - установления равномерных межмолекулярных связей по всем направлениям.
Такая печать дает высокое качество поверхности и позволяем печатать изделия сложной геометрии или изделия в сборе.
Печать изделий в сборе, которые не возможно было бы собрать, без разделения деталей на элементы, дает дполнительное преимущество в прочности.
Используя SLS, у вас нет необходимости искать отдельные винты, можно сразу напечатать детали и крепежные элементы идеально подходящие друг к другу.
Если модель требует подвижного соединения, SLS — отличный выбор, чтобы сделать это. Вы можете сразу же напечатать их в 3D, благо — никакие перемычки и поддерживающие структуры при печати не нужны.
Фотополимеризация (стереолитография, SLA) - 3Д печать фотополимерами
3D-печать позволяет создавать функциональные монолитные детали сложной геометрической формы, например, форсунки для реактивного двигателя. Популярным методом является полимеризация с помощью светодиодных проекторов или «проекционная стереолитография».
Данный метод подразумевает разделение цифровой трехмерной модели на горизонтальные слои с преобразованием каждого слоя в двухмерную проекцию, аналогичную фотошаблонам. Двухмерные изображения проецируются на последовательные слои фотополимерной смолы, затвердевающие в соответствии с проецируемыми контурами.
В некоторых системах проекторы расположены снизу, способствуя выравниванию поверхности фотополимерного материала при вертикальном движении модели (в данном случае рабочая платформа с нанесенными слоями передвигается вверх, а не погружается в материал) и сокращению производственного цикла до минут вместо часов.
SLA печать лучше всего подходит для производства прототипов с очень гладкой поверхностью и очень мелкими деталями.
Плюсы SLA:
- SLA 3D принтеры могут производить детали с очень высокой точностью размеров и со сложной геометрией.
- Детали будут иметь очень гладкую поверхность, что делает их идеальными, например для визуальных прототипов или мастер-моделей, для снятия пресс-форм.
- Доступны специальные материалы, такие как прозрачные, эластичные и литьевые смолы (восковки под литье).
Минусы:
- Детали, напечатанные по технологии SLA, как правило, хрупкие и не подходят для функциональных прототипов.
- Механические свойства и внешний вид этих деталей, со временем ухудшаются. На них пагубно влияет воздействие солнечного света.
- Поддержки и пост-обработка при печати требуются всегда.
Применение 3Д печати
Быстрое производство: изготовление деталей или изделий под конкретный запрос, например замена сломанных деталей, или изготовление прототипа или функционального изделия для инженерной задачи.
Массовая кастомизация: некоторые компании предлагают услуги по пользовательской кастомизации объектов с помощью упрощенного программного обеспечения с последующим созданием уникальных 3D-моделей на заказ.
Мелкосерийное и серийное производство: текущая скорость печати 3D-принтеров ограничивает их использование в массовом производстве. Но для небольших партий, или для регулярного пополнения запасов, изделия напечатанные на 3Д принтерах могут оказаться выгоднее по цене серийно производимых методом литья при сохранении функциональных свойств.
3D-печать в медицине
Возможно печатать протезы, импланты, вспомогательные изделия в стоматологии и других медицинских тематиках.
3D-печать или «аддитивное производство» – процесс создания цельных трехмерных объектов практически любой геометрической формы на основе цифровой модели.
3D-печать основана на концепции построения объекта последовательно наносимыми слоями, отображающими контуры модели. Фактически, 3D-печать является полной противоположностью таких традиционных методов механического производства и обработки, как фрезеровка или резка, где изделия появляется за счет удаления лишнего материала (т.н. «субтрактивное производство»).
3D-принтерами называют станки с программным управлением, выполняющие построение детали аддитивным способом. Хотя технология 3D-печати появилась еще в 80-х годах прошлого века, широкое коммерческое распространение 3D-принтеры получили только в начале 2010-х.
Модели, изготовленные аддитивным методом, могут применяться на любом производственном этапе – как для изготовления опытных образцов (т.н. быстрое прототипирование), так и в качестве самих готовых изделий (т.н. быстрое производство).
3D-печатные модели
3D-модели создаются методом компьютерного графического дизайна или за счет 3D-сканирования реальных объектов.
Ручное моделирование, или подготовка геометрических данных для создания трехмерной компьютерной графики, несколько напоминает скульптуру.
3D-сканирование – это автоматический сбор и анализ данных реального объекта, а именно формы, цвета и других характеристик, с последующим преобразованием в цифровую трехмерную модель.
Есть базы готовых 3D моделей, как платных, так и бесплатных для скачивания. Среди наиболее популярных примеров такие сервисы, как Shapeways, Thingiverse и Threeding.
3D-печать
Во время печати принтер считывает 3D-печатный файл (как правило, в формате STL), содержащий данные трехмерной модели, и наносит последовательные слои жидкого, порошкообразного, бумажного или листового материала, выстраивая трехмерную модель из серии поперечных сечений.
Эти слои, соответствующие виртуальным поперечным сечениям в CAD-модели, соединяются или сплавляются вместе для создания объекта заданной формы. Основным преимуществом данного метода является возможность создания геометрических форм практически неограниченной сложности.
«Разрешение» принтера подразумевает толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах (устаревшим термином является «микрон»).
Типичная толщина слоя составляет 100мкм (250 DPI), хотя некоторые устройства вроде Objet Connex и 3D Systems ProJet способны печатать слоями толщиной от 16мкм (1 600 DPI).
Разрешение по осям X и Y схоже с показателями обычных двухмерных лазерных принтеров. Типичный размер частиц составляет около 50-100мкм (от 510 до 250 DPI) в диаметре.
Традиционные производственные методы вроде литья под давлением могут обходиться дешевле при производстве крупных партий полимерных изделий, но аддитивные технологии обладают преимуществами при мелкосерийном производстве, позволяя достигнуть более высокого темпа производства и гибкости дизайна, наряду с повышенной экономичностью в пересчете на единицу произведенного товара.
Виды технологий 3D-печати
В настоящее время доступен широкий выбор методов аддитивного производства. Основные различия заключаются в методе нанесения слоев и используемых расходных материалах. Некоторые методы основываются на плавке или размягчении материалов для создания слоев: сюда входит выборочное лазерное спекание (SLS), выборочная лазерная плавка (SLM), прямое лазерное спекание металлов (DMLS), печать методом послойного наплавления (FDM или FFF). Другим направлением стало производство твердых моделей за счет полимеризации жидких материалов, известное как стереолитография (SLA).
Ювелирная 3D печать воском
Восковая 3D-печать используется для изготовления выплавляемых мастер-моделей — восковок для литья металлов. Так создаются ювелирные украшения очень высокого качества и прототипы металлических деталей различной техники.
Раньше мастер-модели изготавливались вручную и это был очень сложный и дорогостоящий процесс. С появлением 3D-печати из воска изготовление выплавляемых моделей стало быстрее и дешевле.
Мы используем многоструйную печать воском на принтерах Projet MJP. При печати материал подается через сопла малого диаметра, расположенные рядами на печатающей головке. Воск нагревается до температуры плавления, затем подается в головку, наносится послойно и застывает. Слои формируются перемещением головки в горизонтальной плоскости, а вертикальное смещение при переходе к следующему слою обеспечивается опусканием рабочего стола.
Возможна печать любой геометрии и сложности. В качестве поддержек для изделий возможно использование водорастворимого материала, что дает высококачсетвенную гладкую поверхность восковок без следов поддержек.
FDM печать пластиком
Моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) было разработано С. Скоттом Трампом в конце 1980-х и получило коммерческое распространение c 1990. В связи с истечением срока действия патента существует большое сообщество разработчиков 3D-принтеров с открытым исходным кодом, а также коммерческих организаций, использующих данную технологию.
Как следствие, стоимость устройств уменьшилась на два порядка со времени изобретения технологии.
Процесс печати методом послойного наплавления подразумевает создание слоев за счет экструзии быстрозастывающего материала в виде микрокапель или тонких струй. Как правило, расходный материал (например, термопластик) поставляется в виде катушек, с которых материал скармливается в печатную головку, называемую «экструдером».
Экструдер нагревает материал до температуры плавления с последующим выдавливанием расплавленной массы через сопло. Сам экструдер приводится в движение пошаговыми двигателями или сервомоторами, обеспечивающими позиционирование печатной головки в трех плоскостях. Перемещение экструдера контролируется производственным программным обеспечением (CAM), привязанным к микроконтроллеру.
В качестве расходных материалов используются всевозможные полимеры, включая акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), поликарбонат (PC), полилактид (PLA), полиэтилен высокого давления (HDPE), смеси поликарбоната и ABS-пластика, полифениленсульфон (PPSU) и др.
Технология FDM/FFF имеет определенные ограничения по сложности создаваемых геометрических форм. Например, создание навесных конструкций (таких, как сталактиты) невозможно само по себе, ввиду отсутствия необходимой поддержки. Это ограничение компенсируется созданием временных опорных конструкций, удаляемых по завершении печати.
Деформация является одним из наиболее распространенных дефектов в процессе FDM печати. У некоторых видов пластика во время охлаждения после экструзии, происходит усадка. Поскольку разные участки охлаждаются с разной скоростью, их размеры также могут меняться с разной скоростью.
Разные пластики по-разному восприимчивы к деформации: ABS, как правило, более чувствителен к данному фактору, чем PLA или PETG, из-за более высокой температуры стеклования и относительно высокого коэффициента теплового расширения.
Также есть нюанс, связанный с послойным наплпвлением. Прочность связи между различными слоями всегда ниже, чем базовая прочность материала. Это означает, что детали произведённые по технологии FDM, по своей природе анизотропны: их прочность по оси Z всегда меньше их прочности в плоскостях X/Y. По этой причине важно помнить об ориентации деталей при проектировании.
Разработаны пластики, убирающие эти недостатки - безусадочные и повышенной прочности. Пластик для печати необходимо подбирать под задачу.
Порошковая печать SLS полимерами
Одним из методов аддитивного производства является выборочное спекание порошковых материалов. Слои модели вычерчиваются (спекаются) в тонком слое порошкообразного материала, после чего рабочая платформа опускается, и наносится новый слой порошка. Процесс повторяется до получения цельной модели. Неизрасходованный материал остается в рабочей камере и служит для поддержки нависающих слоев, не требуя создания специальных опор.
Наиболее распространенными являются методы, основанные на спекании с помощью лазеров: выборочное лазерное спекание (SLS) для работы с металлами и полимерами (например, полиамидом (PA), полиамидом, армированным стекловолокном (PA-GF), стекловолокном (GF), полиэфирэфиркетоном (PEEK), полистиролом (PS), алюмидом, полиамидом, армированным углеволокном (Carbonmide), эластомерами) и прямое лазерное спекание металлов (DMLS).
Метод выборочного лазерного спекания (SLS) был разработан и запатентован в середине 1080-х под эгидой Агентства по перспективным оборонным научно-исследовательским разработкам США (DARPA).
Принцип действия SLS довольно прост. Лазерный луч спекает порошковый материал в герметичной камере, иногда в атмосфере инертного газа — чтобы предотвратить окисление, что увеличивает ассортимент доступных материалов. Поскольку камера предварительно нагревается чуть ниже температуры плавления порошка, лазер используется только для добавления небольшого количества энергии для его спекания.
Технология дает безусадочную печать.
Прочность материала сравнима с литьем, т.к. установление связей происходит за счет спекания слоев - установления равномерных межмолекулярных связей по всем направлениям.
Такая печать дает высокое качество поверхности и позволяем печатать изделия сложной геометрии или изделия в сборе.
Печать изделий в сборе, которые не возможно было бы собрать, без разделения деталей на элементы, дает дполнительное преимущество в прочности.
Используя SLS, у вас нет необходимости искать отдельные винты, можно сразу напечатать детали и крепежные элементы идеально подходящие друг к другу.
Если модель требует подвижного соединения, SLS — отличный выбор, чтобы сделать это. Вы можете сразу же напечатать их в 3D, благо — никакие перемычки и поддерживающие структуры при печати не нужны.
Фотополимеризация (стереолитография, SLA) - 3Д печать фотополимерами
3D-печать позволяет создавать функциональные монолитные детали сложной геометрической формы, например, форсунки для реактивного двигателя. Популярным методом является полимеризация с помощью светодиодных проекторов или «проекционная стереолитография».
Данный метод подразумевает разделение цифровой трехмерной модели на горизонтальные слои с преобразованием каждого слоя в двухмерную проекцию, аналогичную фотошаблонам. Двухмерные изображения проецируются на последовательные слои фотополимерной смолы, затвердевающие в соответствии с проецируемыми контурами.
В некоторых системах проекторы расположены снизу, способствуя выравниванию поверхности фотополимерного материала при вертикальном движении модели (в данном случае рабочая платформа с нанесенными слоями передвигается вверх, а не погружается в материал) и сокращению производственного цикла до минут вместо часов.
SLA печать лучше всего подходит для производства прототипов с очень гладкой поверхностью и очень мелкими деталями.
Плюсы SLA:
- SLA 3D принтеры могут производить детали с очень высокой точностью размеров и со сложной геометрией.
- Детали будут иметь очень гладкую поверхность, что делает их идеальными, например для визуальных прототипов или мастер-моделей, для снятия пресс-форм.
- Доступны специальные материалы, такие как прозрачные, эластичные и литьевые смолы (восковки под литье).
Минусы:
- Детали, напечатанные по технологии SLA, как правило, хрупкие и не подходят для функциональных прототипов.
- Механические свойства и внешний вид этих деталей, со временем ухудшаются. На них пагубно влияет воздействие солнечного света.
- Поддержки и пост-обработка при печати требуются всегда.
Применение 3Д печати
Быстрое производство: изготовление деталей или изделий под конкретный запрос, например замена сломанных деталей, или изготовление прототипа или функционального изделия для инженерной задачи.
Массовая кастомизация: некоторые компании предлагают услуги по пользовательской кастомизации объектов с помощью упрощенного программного обеспечения с последующим созданием уникальных 3D-моделей на заказ.
Мелкосерийное и серийное производство: текущая скорость печати 3D-принтеров ограничивает их использование в массовом производстве. Но для небольших партий, или для регулярного пополнения запасов, изделия напечатанные на 3Д принтерах могут оказаться выгоднее по цене серийно производимых методом литья при сохранении функциональных свойств.
3D-печать в медицине
Возможно печатать протезы, импланты, вспомогательные изделия в стоматологии и других медицинских тематиках.
