Как работает 3D-печать?

Одним из методов аддитивного производства является 3D-печать. Она «аддитивна» в том смысле, что позволяет создавать объекты, просто накладывая и сплавляя слои материала, вместо использования блока материала или формы. С её помощью можно создавать более сложные геометрические формы, чем с помощью «традиционных» технологий, она часто выполняется быстро, требует небольших фиксированных затрат на настройку и работает с постоянно расширяющимся ассортиментом материалов. 3D-печать широко применяется в машиностроении, особенно при создании прототипов и разработке облегчённых геометрических форм.

Аддитивное производство и 3D-печать

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

Технология 3D-печати: будущее инновационного производства

3D печать история

Концептуальные продукты 3D-печати появились в 1970-х годах. В 1981 году японский учёный доктор Кодама, первым описавший метод послойной печати, опробовал 3D-печать и лично создал технологию 3D-печати SLA (стереолитография) — фоточувствительной смолы, полимеризующейся под действием ультрафиолетового света.

Несколько лет спустя американский учёный Чарльз Халл также провёл глубокое исследование технологии SLA и подал первый патент на SLA в 1986 году. Основал компанию 3D Systems и выпустил её первый коммерческий продукт, SLA-1, в 1988 году. (фото ниже)

Можно сказать, что SLA является самой ранней разработанной технологией 3D-печати, так когда же появились SLS (селективное лазерное спекание) и FDM (моделирование методом послойного наплавления)?

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

В Европе компания EOS GmbH создала систему проектирования для 3D-печати: систему Stereos. Сегодня ее 3D-печатные модели в промышленном секторе используются во всем мире для технологии 3D-печати SLS (селективное лазерное спекание) для пластмасс и металлов, признанной в.

В 1992 году компания Stratasys получила патент на технологию 3D-печати FDM (моделирование методом послойного наплавления), разработав 3D-принтеры, отвечающие различным потребностям многих профессионалов и частных лиц.

С 1993 по 1999 год в индустрии 3D-печати развивались различные технологии. Одновременно появлялось всё больше новых САПР и программ для 3D-моделирования, например, Sanders Prototype (теперь Solidscape), который был одним из первых созданных участников.

Многопрофильное применение 3D-печати

В 2008 году был представлен первый протез, напечатанный на 3D-принтере, что ещё больше увеличило долю 3D-печати в СМИ. Люди обнаружили, что 3D-печать может не только печатать традиционные детали, но и применяться для восстановления человеческого тела. Этот удивительный проект медицинской 3D-печати объединяет все части биологической конечности и может быть напечатан «как есть», без какой-либо последующей сборки. Сегодня, благодаря 3D-сканированию, медицинские протезы и ортопедические изделия, изготовленные на 3D-принтере, становятся дешевле и быстрее, отвечая потребностям пациентов. Более того, эти протезы всё больше оптимизируются и адаптируются к морфологии пациента. 3D-печать открывает новые возможности для массовой персонализации. (Добавить изображение)

В 2009 году патенты FDM стали доступны широкому кругу потребителей, что открыло новые возможности для масштабных инноваций в области FDM 3D-принтеров. По мере снижения цен на настольные 3D-принтеры всё больше людей стали обращать внимание на развитие индустрии 3D-печати.

В 2013 году президент США Барак Обама в своём послании Конгрессу о положении страны назвал 3D-печать основным способом производства будущего, сделав словосочетание «3D-печать» абсолютно модным. Сегодня оно занимает в общественном сознании весьма заметное место. Всё больше малых и средних компаний используют преимущества недорогого прототипирования, предоставляемого 3D-печатью, полностью интегрируя её в свои итерационные, инновационные и производственные процессы.

Концепт-кар, напечатанный на 3D-принтере

Что касается строительства, то дома, напечатанные на 3D-принтере, уже стали реальностью. Люди впервые переехали в дома, напечатанные на 3D-принтере, в 2018 году. Площадь дома составляет 1022 квадратных фута (1022 квадратных фута), что очень удобно для проживания. На печать ушло всего два дня.

Система классификации 3D-печати по сходствам и различиям между производством и 3D-печатью

Возьмём в пример выдолбленный шар. На его поверхности более дюжины цветков. Обработка традиционными методами будет очень хлопотной, и узоры придётся модифицировать по одному. А если выбрать 3D-печать, то материал не теряется, поэтому её ещё называют аддитивным производством, то есть методом постепенного накопления материала, используемым для изготовления физических деталей. Традиционный метод заключается в том, чтобы сначала создать зародыш, затем удалить излишки материала, а оставшийся материал придать необходимую форму. При обнаружении проблемы необходимо открыть форму и модифицировать её; в то время как 3D-печать использует постепенное накопление материала, можно быстро увидеть готовое изделие.

Реализация технологии 3D-печати

Технология 3D-печати применяется в промышленном производстве. Для 3D-печати требуется не физический объект, а его цифровая модель. Если вы хотите напечатать на 3D-принтере реальный объект, который находится перед вами, вам необходимо использовать компьютер для его моделирования или 3D-сканер для оцифровки реального объекта, то есть 3D-модели, и вы сможете напечатать что-либо всего за пятнадцать минут. В настоящее время технологии 3D-печати делятся на четыре основные категории: FDM, DLP/SLA и SLS.

SLS — процесс формования методом лазерного спекания

SLS — это относительно высокотехнологичный порошок, который плавится под воздействием высокотемпературного лазерного облучения. Нанесите тонкий слой порошка на рабочий стол и просканируйте поперечное сечение слоя лазерным лучом, чтобы поднять температуру до точки плавления, чтобы осуществить спекание и склеивание, повторяйте нанесение порошка, спекание, шлифовку и сушку, пока не сформируется модель. По сути, 3D-печать — это 2D-печать снова и снова. Если вы нарежете объект очень тонко, вы обнаружите, что у каждой части есть форма. Если вы сложите все формы вместе, вы получите объект трехмерной структуры. Поэтому мы используем лазеры для рисования графики. Стойкость деталей, изготовленных методом SLS, к окружающей среде (температуре, влажности и химической коррозии) аналогична стойкости термопластичных материалов; в то время как стойкость деталей, изготовленных методом SLA, относительно низкая, например, детали, изготовленные методом SLA из эпоксидной смолы, восприимчивы к влаге и химикатам. Подвержен коррозии, размягчается и деформируется при температуре выше 38°C, но точность формовки высокая.

SLA — процесс стереолитографического формования

SLA — это технология светоотверждения, которая в настоящее время относительно развита в Китае. Стереолитография — это процесс, при котором лазерный луч очерчивает контур первого слоя объекта на поверхности жидкой смолы, после чего производственная платформа опускается на определённое расстояние (0,05–0,025 мм), после чего затвердевший слой погружается в жидкую смолу и так далее. Используемая смола представляет собой светочувствительную смолу, которая после облучения лазерным лучом переходит в твёрдое состояние, что обеспечивает быстрое и точное формирование модели.

DLP — процесс стереолитографического формования

DLP цифровая обработка света, известная как технология лазерной формовки. Технология 3D-печати DLP имеет много общего с технологией 3D-печати SLA. Если производство сравнить с рисованием круга карандашом, то технология SLA эквивалентна рисованию слой за слоем, в то время как DLP эквивалентна прямой штамповке. Массовое производство, к которому мы стремимся, имеет два очень важных момента: один - эффективность, а другой - стоимость материала. Существует 3D-принтер, который может печатать в сотни раз быстрее, чем традиционное производство, то есть технология face-to-face, которая была разработана компанией из Шэньчжэня Light Prism Technology. Печать полого шара с помощью традиционной FDM 3D-печати занимает от 2 до 5 часов, и самое быстрое - час, но печать с помощью новейшей технологии face-to-face занимает всего около 10 минут. Скорость печати поразительна. Как только эта 3D-печать выйдет на рынок, ее влияние на традиционные ремесла все еще будет велико.

FDM — процесс литья под давлением

По сравнению с технологиями DLP и SLS, технология FDM относительно проста, поэтому имеет большую аудиторию и легче входит в семью. Прототип создается непосредственно из данных 3D CAD с использованием термопластичного материала, который экструдируется в полурасплавленную нить, которая осаждается послойно. Преимуществами технологии FDM являются простая механическая структура, простота проектирования, низкие затраты на производство, обслуживание и материалы, а также отсутствие загрязнения окружающей среды. Поэтому FDM также является наиболее широко используемой технологией в бытовых настольных 3D-принтерах. Это относительно традиционный метод печати, который не использует лазер и имеет низкую стоимость, но точность не высока, а скорость печати очень низкая. Это самый доступный метод для всех, и он, как правило, используется на рынке образования.

Влияние 3D-печати на производство и традиционные ремесла

Преимущества 3D-печати

(1) Настройка

Если взять в качестве примера стоматологию, то зубы у всех разные, но 3D-печать может разрешить противоречие между индивидуальным и массовым производством, а массовое производство позволяет изготавливать индивидуальные имплантаты, брекеты и т. д.

(2) образец в реальном времени

Благодаря высокой скорости 3D-печати дизайнер проектирует версию продукта утром, а руководитель может увидеть готовое изделие в полдень, затем в 18:00 проектирует ещё одну версию и видит готовое изделие следующим утром, что значительно ускоряет разработку новых продуктов. Если процесс не слишком сложный, 3D-печать позволяет изготавливать готовые изделия за 3 часа, в то время как традиционная печать занимает 4–6 недель, что также повышает общую скорость промышленного дизайна.

(3) Отсутствие загрязнения

 Поскольку всё используемое сырье экологически чистое, весь производственный процесс является экологически чистым. Отсутствуют выбросы отработанных газов и сточных вод, а также отходы материалов.

(4) Датаизация

С развитием цифровой стоматологии технические требования к врачам значительно снизятся. Пациентам достаточно будет провести сканирование в больнице всего две минуты, и они смогут узнать причины и способы решения всех стоматологических проблем.

Кроме того, 3D-печать может использоваться в ортодонтии для создания индивидуальных и персонализированных прозрачных брекетов. Следует ли перемещать зубы влево или вперёд во время пластической операции? На сколько миллиметров их необходимо перемещать? Раньше стоматологическая хирургия полагалась исключительно на личный опыт врача, но цифровая стоматология повысила стабильность операции и снизила технические требования к врачам.

(5) Быстро

 По сравнению с традиционными промышленными процессами, 3D-печать не требует предварительной подготовки, такой как рабочая сила и транспортировка. Для неё нужны только машины и сырье, и её можно быстро запустить в производство.

(6) Автоматизация

 Можно сказать, что между виртуальным воображением и реальным объектом существует только один 3D-принтер. Однокнопочное производство 3D-печати значительно экономит трудозатраты и исключает человеческий фактор.