Современные технологии 3d печати

История трехмерной печати началась еще в 80-х г. г. XX в., но долгое время она рассматривалась как нечто с ограниченной сферой использования и невероятными ценами. Относительно недавно она стала обретать популярность: разрабатываются новые 3d-технологии печати, которые вызывают интерес не только в узких сферах, но и у компаний из самых разных направлений деятельности. Они активно используют трехмерную печать и вкладывают средства в ее развитие, чтобы добиваться высокой рентабельности и сокращать издержки производства даже самой сложной продукции.

Современные технологии 3d печати

Принцип работы

Если дать краткое объяснение сути 3d-печати – это способ изготовления объемных изделий на основе их цифровых моделей посредством спекания или приклеивания однородного материала. Независимо от того, какая технология для этого применяется, процесс заключается в постепенном послойном наращивании конкретного объекта. С этой точки зрения 3d-печать кардинально отличается от традиционной обработки материалов, которые зачастую подразумевают подход «берем заготовку и удаляем все лишнее», что сопровождается большим количеством отходов. Процесс трехмерной печати начинается с нуля и необходимое изделие постепенно «растет» посредством добавления новых слоев, а отходов при этом практически не бывает (или иногда присутствуют в относительно небольших количествах). Именно с послойным формированием связано другое название 3d-печати – аддитивные технологии (от англ. слова additive – добавлять)

Суть 3d-печати

Все изделия печатаются на 3d-принтере, который работает с определенными расходными материалами под управлением программного обеспечения. Упрощенно технология печати состоит из следующих этапов:

  • создается 3d-модель желаемого объекта по определенным правилам;
  • загружается файл с трехмерной моделью в программу-слайсер, которая разбивает ее на слои и просчитывает задание на печать в виде специального кода;
  • указываются необходимые параметры печати;
  • запускается непосредственно процесс печатания либо код записывается на карту памяти для отложенной печати;
  • воспроизводится 3d-модель: по форме слоями наносится расходный материал и формируется готовое изделие.

В зависимости от используемых технологий и материалов, полученные изделия можно использовать в машиностроении, для создания литьевых форм, а также в целях визуализации и макетирования различных объектов.

Разнообразие технологий

Сегодня количество существующих технологий, используемых при 3d-печати, уже вышло за пределы первого десятка, даже без учета подобных методов, которым из-за юридических ограничений даются разные названия. Среди них можно выделить 3 основных с некоторыми вариациями, которые отличаются используемыми материалами, точностью и принципами работы, а также самими печатающими устройствами. Каждое печатное устройство предназначено для определенной технологии.

Лазерная стереолитография (SLA)

Этот способ 3d-печати позволяет создавать объемные образцы из жидкого фотополимера, который при действии лазерного излучения переходит в твердое состояние. По SLA-технологии объект создается на погруженной в фотополимер платформе, куда направляется луч лазера. Он обеспечивает кристаллизацию материала, и таким образом формируется первый слой будущего изделия. Платформа каждый раз сдвигается на толщину слоя, пустое пространство заполняется жидким полимером, и процесс запекания повторяется до построения желаемого объекта.

Лазерная стереолитография (SLA)

Основное преимущество стереолитографии – высокая точность. Разные модели принтеров позволяют достигать толщины слоя в 6-10 микрон (для сравнения толщина человеческого волоса колеблется в пределах 50-100 микрон). За счет этого применение SLA наиболее востребовано в медицине (к примеру, стоматологии) и ювелирном производстве. С другой стороны, промышленные 3d-принтеры позволяют создавать объекты с размерами до нескольких метров.

Одной из вариаций и достойных альтернатив SLA является относительно молодая технология светодиодной 3D-печати DLP (Digital Light Processing). Она предусматривает обработку таких же жидких фотополимеров, но их кристаллизация происходит под действием светодиодных световых проекторов, которые сначала формируют контур слоя, а потом заполняют его. Она также обеспечивает хорошую точность (до 15 мкм) и большое разнообразие физико-химических и механических свойств фотополимерных смол и их цветовых решений. По сравнению со SLA-технологиями имеет дополнительное достоинство – более высокую скорость печати.

Печать расплавленной полимерной нитью (FDM/FFF)

Эта технология 3D-печати является самой распространенной на сегодня, поскольку не требует дорогого оборудования, а работа с расходным материалом (пластиковой нитью или прутком) не имеет особых сложностей. Права на аббревиатуру FDM и само название Fused Deposition Modeling (моделирование методом наплавления) принадлежат компании Stratasys. Чтобы обойти патентные ограничения, представители проекта RepRap предложили собственное название FFF или Fused Filament Fabrication (Производство способом наплавления нитей). На практике технология 3D-печати FFF, по сути, означает то же самое, что и FDM.

Печать расплавленной полимерной нитью (FDM/FFF)

Принцип работы в этом случае состоит в следующем: головка-экструдер разогревает до полужидкого состояния пластиковые нити и дозировано выпускает их на рабочую платформу. Слои наносятся поочередно, сплавляются между собой и затвердевают, постепенно наращивая изделие, полностью соответствующее цифровому прототипу.

Выборочное лазерное спекание SLS

Технология SLS (Selective Lazer Sintering) предполагает использование порошкового расходного материала. В качестве последнего используются порошковые формы бронзы, стали, нейлона, титана и т.д. Но некоторые порошки обладают взрывоопасными свойствами, поэтому требуют хранения исключительно в камерах с азотом. Этот вариант 3d-технологии, которая применяется для печати как пластиком, так и металлом, часто используется в промышленной сфере для создания прочных элементов.

Выборочное лазерное спекание SLS

За счет спекания лазерным лучом послойно наращивается структура желаемого объекта, плотность которого будет зависеть от максимальной энергии излучателя. Его контуры постепенно прорисовываются в соответствии с цифровой моделью. При этом спекание зачастую происходит в условиях высоких температур, поэтому на остывание готовых деталей уходит длительное время (вплоть до целого дня).

Одна из особенностей SLS технологии – минимальная вероятность поломки детали в процессе 3d-печати, поскольку поддержкой для ее навесных элементов будет служить неизрасходованный порошковый материал.

Применение трехмерной печати

Сфера применения технологий трехмерной печати практически не имеет границ. Об этом говорит еще одно из названий быстрое прототипирование. Итак, 3d-печать может оказаться незаменимой для:

  • мелкосерийного производства, когда для изготовления небольших партий, эксклюзивных или персонализированных объектов (предметов искусства, игровых фигурок, экспериментальных образцов) требуется минимальное время от разработки до создания готового изделия, поскольку значительно упрощается работа конструкторов;
  • автомобильной и аэрокосмической отрасли, где 3d-технологии открывают возможности для печати металлом запасных частей и объектов любых сложных форм, которые зачастую оказываются более прочными и легкими по сравнению с продуктами традиционного производства;
  • медицины, где на 3d-принтерах уже создаются имплантаты (к примеру, для протезирования в стоматологии) и лекарственные средства, а ученые ведут работу над развитием технологий трехмерной биопечати для создания органов, живых тканей и костей;
  • строительства, где 3d технологии используются не только для создания архитектурных макетов домов с целых микрорайонов с полагающейся инфраструктурой, но и для печати полноценных строительных материалов и даже целых зданий;
  • модной индустрии и творческих людей, которые получают возможность раскрывать свой талант с помощью 3d-моделирования и воплощать самые смелые задумки.

3D-печать в моде

На данном этапе 3d-печать развита не настолько сильно, чтобы провести промышленную революцию. Но изготовление сложных объемных изделий с высокой точностью – это рынок, который идеально подходит для реализации и дальнейшего совершенствования этих уникальных технологий будущего. Вполне возможно, что в ближайшем будущем принтером для создания объемных образцов сможет обзавестись каждый желающий и тогда новые горизонты в создании объемных образцов будут ограничены только человеческой фантазией.


Поделиться в соцсетях:

Похожие статьи:

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован.