Как работает 3D-печать?

Одним из методов аддитивного производства является 3D-печать. Она называется «аддитивной» в том смысле, что просто накладывает и соединяет слои материала для создания реальных объектов, вместо того чтобы использовать готовый блок материала или форму. Она позволяет создавать более сложные геометрические формы, чем «традиционные» технологии, часто выполняется быстро, имеет низкие фиксированные затраты на подготовку и работает с постоянно расширяющимся спектром материалов. Инженерная отрасль широко использует её, особенно при прототипировании и разработке лёгких геометрических форм.

Аддитивное производство и 3D-печать

Термин «3D-печать» часто ассоциируется с культурой мейкеров, любителями и энтузиастами, настольными принтерами, доступными технологиями печати, такими как FDM, и недорогими материалами, такими как ABS и PLA. Отчасти это связано с появлением доступных настольных принтеров, разработанных в рамках движения RepRap, таких как оригинальные MakerBot и Ultimaker, которые способствовали демократизации 3D-печати и буму 3D-печати в 2009 году.

Технология 3D-печати: будущее инновационного производства.

3D печать история

Концептуальные продукты, созданные с помощью 3D-печати, появились в 1970-х годах. В 1981 году японский ученый доктор Кодама, первым описавший метод послойной печати, попробовал 3D-печать и лично разработал технологию 3D-печати SLA (стереолитография) — фоточувствительную смолу, полимеризуемую ультрафиолетовым светом.

Несколько лет спустя американский учёный Чарльз Халл также провёл углублённое исследование технологии SLA и в 1986 году подал первый патент на SLA. Он основал компанию 3D Systems и выпустил свой первый коммерческий продукт, SLA-1, в 1988 году. (изображение ниже)

Можно сказать, что SLA — это самая ранняя разработанная технология 3D-печати, так когда же появились SLS (селективное лазерное спекание) и FDM (послойное наплавление)?

В 1988 году американец Карл Декард запатентовал технологию SLS в Техасском университете. Это еще одна технология 3D-печати, при которой лазер локально сплавляет частицы порошка для печати. ​​В том же году Скотт Крамп, один из основателей Stratasys, подал заявку на патент на технологию послойного наплавления (FDM). С 1980 по 1990 год были запатентованы все три основные технологии 3D-печати, что ознаменовало начало периода быстрого развития этой отрасли.

В Европе компания EOS GmbH разработала систему проектирования для 3D-печати: систему «Stereos». Сегодня ее 3D-модели, созданные с помощью технологии селективного лазерного спекания (SLS) для пластика и металла, используются в промышленном секторе по всему миру.

В 1992 году компания Stratasys получила патент на технологию 3D-печати методом послойного наплавления (FDM), разработав 3D-принтеры для удовлетворения различных потребностей многих специалистов и частных лиц.

В период с 1993 по 1999 год в индустрии 3D-печати появились различные технологии. Одновременно разрабатывалось все больше нового программного обеспечения для САПР и 3D-моделирования, например, Sanders Prototype (ныне Solidscape), которое было одним из первых созданных подобных инструментов.

Многофункциональные приложения 3D-печати

В 2008 году появился первый протез, напечатанный на 3D-принтере, что еще больше увеличило долю 3D-печати в СМИ. Люди обнаружили, что 3D-печать позволяет печатать не только традиционные детали, но и применять ее для восстановления человеческого тела. Этот удивительный медицинский проект 3D-печати объединяет все части биологической конечности и может быть напечатан «как есть» без какой-либо последующей сборки. Сегодня, в сочетании с 3D-сканированием, медицинские протезы и ортезы, напечатанные на 3D-принтере, становятся дешевле и быстрее удовлетворяют потребности пациентов. Более того, эти протезы все больше оптимизируются и адаптируются к морфологии пациента. 3D-печать открывает новые возможности для массовой персонализации. (добавить изображение)

2009 год стал годом, когда патенты на FDM-печать вошли в сферу массового потребления, что открыло новый путь для масштабных инноваций в области FDM-3D-принтеров. По мере снижения цен на настольные 3D-принтеры, все больше людей смогли обратить внимание на развитие индустрии 3D-печати.

В 2013 году президент США Барак Обама упомянул 3D-печать в своем послании о положении дел в стране как основной способ производства будущего, сделав «3D-печать» настоящим модным словом. Сейчас она занимает очень важное место в общественном сознании. Все больше малых и средних предприятий используют преимущества недорогого прототипирования, предоставляемого 3D-печатью, полностью интегрируя ее в свои итерационные, инновационные и производственные процессы.

3D-печатный концепт-кар

Что касается применения в строительстве, дома, напечатанные на 3D-принтере, теперь стали реальностью. Люди впервые заселились в дома, напечатанные на 3D-принтере, в 2018 году. Площадь дома составляет 1022 квадратных фута, что вполне достаточно для комфортной жизни. На печать ушло всего два дня.

Система классификации 3D-печати, основанная на сходствах и различиях между производством и 3D-печатью.

Возьмем в качестве примера полый шар. На его поверхности расположено более десятка цветков. Если обрабатывать его традиционным способом, это будет очень трудоемко, и каждый узор придется модифицировать по отдельности. А если выбрать 3D-печать, то материала не будет, поэтому этот метод также называют аддитивным производством, что означает использование метода постепенного накопления материала для изготовления физических деталей. Традиционный метод заключается в том, чтобы сначала создать зародыш, затем удалить излишки материала, а оставшийся материал используется для придания необходимой формы. Если обнаруживается проблема, необходимо вскрыть форму и внести изменения; в то время как 3D-печать использует постепенное накопление материала, и вы можете быстро увидеть готовый продукт.

Реализация технологии 3D-печати

Технология 3D-печати применяется в промышленном производстве. Для 3D-печати необходим не физический объект, а цифровая модель. Если вы хотите напечатать на 3D-принтере реальный объект, то вам нужно использовать компьютер для его моделирования или 3D-сканер для оцифровки реального объекта, то есть 3D-модели, и вы сможете распечатать изделие всего за пятнадцать минут. В настоящее время технология 3D-печати делится на четыре основные категории: FDM, DLP/SLA и SLS.

SLS — процесс лазерного спекания и формования.

SLS — это относительно высокотехнологичный порошок, который плавится при высоких температурах под воздействием лазерного излучения. На рабочую поверхность наносится тонкий слой порошка, а затем поперечное сечение слоя сканируется лазерным лучом для повышения температуры до точки плавления, что обеспечивает спекание и склеивание. Процесс нанесения порошка, спекания, шлифовки и сушки повторяется до тех пор, пока не будет сформирована модель. По сути, 3D-печать — это многократная 2D-печать. Если разрезать объект на очень тонкие кусочки, то каждый из них будет иметь свою форму. Если соединить все эти формы, получится трехмерная структура. Поэтому мы используем лазеры для создания графики. Устойчивость деталей, изготовленных методом SLS, к воздействию окружающей среды (температуры, влажности и химической коррозии) аналогична устойчивости термопластичных материалов; в то время как устойчивость деталей, изготовленных методом SLA, относительно низка (например, заготовки, отлитые из эпоксидной смолы, подвержены воздействию влаги и химических веществ, коррозии, размягчаются и деформируются при температуре выше 38°C), но точность формования высока.

SLA — процесс стереолитографического формования.

SLA — это технология светоотверждения, относительно развитая в Китае на данный момент. «Стереолитография» — это процесс, при котором лазерный луч формирует первый слой объекта на поверхности жидкой смолы, затем производственная платформа опускается на определенное расстояние (от 0,05 до 0,025 мм), после чего затвердевший слой погружается в жидкую смолу и так далее. Используется фоточувствительная смола, которая после облучения лазерным лучом переходит в твердое состояние, что обеспечивает быстрое и точное формирование изделия.

DLP — процесс стереолитографического формования.

Технология цифровой обработки света DLP, известная как технология лазерного формования, имеет много общего с технологией 3D-печати SLA. Если производство сравнить с рисованием круга карандашом, то технология SLA эквивалентна послойному рисованию, а DLP — прямой штамповке. Для массового производства, к которому мы стремимся, важны два момента: эффективность и стоимость материалов. Существует 3D-принтер, способный печатать в сотни раз быстрее, чем традиционные методы производства, — технология «лицом к лицу», разработанная компанией Light Prism Technology из Шэньчжэня. Традиционная 3D-печать FDM занимает от 2 до 5 часов, а максимальная печать занимает около часа, тогда как новейшая технология «лицом к лицу» позволяет напечатать изделие всего за 10 минут. Скорость печати поразительна. После выхода на рынок эта технология 3D-печати окажет огромное влияние на традиционные ремесла.

FDM — процесс послойного наплавления

По сравнению с технологиями DLP и SLS, технология FDM относительно проста, поэтому она имеет широкую аудиторию и легче осваивается в быту. Прототип создается непосредственно из 3D CAD-данных с использованием термопластичного материала, экструдированного в полурасплавленную нить, которая наносится послойно. Преимуществами технологии FDM являются простая механическая структура, простота проектирования, низкая себестоимость производства, обслуживания и материалов, а также отсутствие загрязнения окружающей среды. Поэтому FDM также является наиболее широко используемой технологией в бытовых настольных 3D-принтерах. Это относительно традиционный метод печати, не использующий лазер и имеющий низкую стоимость, но точность невысока, а скорость печати очень низкая. Это наиболее доступный метод для всех, и он в основном используется на рынке образования.

Влияние 3D-печати на производство и традиционные ремесла.

Преимущества 3D-печати

(1) Настройка

Возьмем, к примеру, стоматологию: зубы у всех разные, но 3D-печать может разрешить противоречие между индивидуальным и массовым производством, и массовое производство позволяет изготавливать имплантаты, брекеты и т.д. по индивидуальным заказам.

(2) образец в реальном времени

Благодаря высокой скорости 3D-печати, дизайнер разрабатывает вариант продукта утром, руководитель может увидеть готовый продукт к полудню, затем разрабатывает другой вариант к 18:00 и видит готовый продукт на следующее утро, что значительно ускоряет разработку новых продуктов. Если изделие не особенно сложное, 3D-печать позволяет изготовить готовый продукт за 3 часа, в то время как традиционная пробная печать занимает 4-6 недель каждый раз, поэтому общая скорость промышленного проектирования также повышается.

(3) Отсутствие загрязнения

 Поскольку все используемое сырье является экологически чистым, весь производственный процесс является экологически безопасным. Отсутствует загрязнение окружающей среды отработанными газами и сточными водами, а также не образуются отходы.

(4) Датаизация

По мере развития цифровой стоматологии технические требования к врачам значительно снизятся. Пациентам достаточно будет всего двух минут сканирования с помощью специального инструмента в больнице, чтобы узнать причины и способы решения всех стоматологических проблем.

Кроме того, 3D-печать может использоваться и в ортодонтии для печати персонализированных и изготовленных на заказ прозрачных брекетов. Во время пластической хирургии, следует ли перемещать зубы влево или вперед? На сколько миллиметров? Раньше стоматологическая хирургия полагалась исключительно на личный опыт врача, но цифровая стоматология повысила стабильность операции и снизила технический порог для врачей.

(5) Быстро

 В отличие от традиционных промышленных процессов, 3D-печать не требует предварительной подготовки, такой как рабочая сила и транспорт. Необходимы только машины и сырье, и производство можно быстро запустить.

(6) Автоматизация

 Можно сказать, что между виртуальным воображением и реальностью существует всего один 3D-принтер. Производство с помощью 3D-печати «под ключ» позволяет значительно сократить трудозатраты и количество человеческих ошибок.