Если Вы загуглите 3D-печать или аддитивное производство (AП), вы обнаружите определение «это процесс, который создает физический объект из цифрового дизайна». Если Вы задумаетесь об этом на мгновение, то быстро поймёте, что существует множество физических объектов, которые существуют сегодня, которые были созданы из цифровых дизайнов. Можно ли напечатать Ваш свитер на 3D-принтере? А что насчёт тех гламурных тортов, которые продаются в магазинах? Кажется, ответ кроется в деталях.

Как работает 3D-печать?

В настоящее время существует множество различных технологий 3D-печати, но их объединяет то, что создают объекты слой за слоем в соответствии с полученным кодом. Этот код, который формирует сценарий печати объекта, содержит набор координат, которым машина должна следовать, чтобы сформировать единый материал для получения объекта - аналогично тому, как если бы Вы играли в Соедини Точки, чтобы создать изображение на листе бумаги. Однако прежде чем у Вас появится код, Вы имеете цифровой файл или файл системы автоматизированного проектирования (САПР). Программы, называемые слайсерами, анализируют файл и генерируют код, разрезая объект на тонкие слои и применяя настройки для процесса 3D-печати.

И всё же почему именно 3D-печать?

До изобретения 3D-принтеров в 1980 году мы уже производили широкий спектр объектов, используя другие машины и процессы. Итак, Вы можете спросить, почему была изобретена 3D-печать? Многие методы производства основаны на субтрактивном производстве - «большом семействе процессов обработки с удалением материала как общей характерной особенности». С другой стороны, 3D-печать работает на противоположном конце спектра, создавая объект с нуля. Это приводит к эффективному использованию ресурсов за счёт минимизации потерь и затрат времени, а также открывает возможности, которых в противном случае при использовании методов традиционного производства бы не было. Хитрость заключается в том, чтобы понимать, какой метод и когда Вы должны использовать.

Какие существуют методы 3D-печати?

Несмотря на то, что концепция, лежащая в основе 3D-принтеров, одинакова, различные доступные технологии и материалы имеют огромное влияние на виды возможностей и характеристик, которые предлагает каждый метод.

Моделирование методом наплавления / Производство методом наплавления нитей (FDM/FFF)

FDM должна стать самой известной технологией 3D-печати на рынке. Она работает так же, как клеевой пистолет или инжектор для крема (в зависимости от того, какой из них Вы используете чаще). В машинах FDM используются нити твёрдого материала, которые плавятся внутри нагретого сопла, чтобы сформировать объект. Начиная с нижней части объекта, принтеры FDM наносят слои расплавленного материала друг на друга в соответствии с координатами, полученными в коде. Экструдированный пластик довольно быстро охлаждается и становится твёрдым, поэтому машина может продолжать работу без перебоев и накладывать новый слой поверх предыдущих несколько затвердевших слоев.

  • Преимущества: Настольные принтеры FDM и их нити доступны любому; бывают самых разных материалов и цветов; лёгкий принцип работы; некоторые 3D-принтеры позволяют владельцам выполнять несколько обновлений.
  • Недостатки: Самые дешёвые принтеры FDM имеют некоторую степень неточности; законы гравитации не позволяют печатать объекты с большим свесом без каких-либо опор под ними; объекты без плоской поверхности труднее печатать; слои хорошо видны на поверхности.
  • Интересный факт: ассортимент принтеров FDM огромен: от настольных принтеров, которые можно приобрести всего за 100 долларов, до промышленных принтеров, которые могут стоить до 14,000 долларов.

Промышленные принтеры FDM

Может быть трудно отличить настольный принтер от промышленного принтера FDM, особенно в случае гибридных принтеров. Самая большая разница - это качество или разрешение, которое они могут обеспечить. В дополнение к этому есть спецификации, которые включают размер, комплектацию, программное обеспечение, материал рамы, датчики и другие функции.

Улучшенные принтеры FDM

Благодаря простому принципу работы принтеров FDM возможны многочисленные обновления и доработки, которые могут вывести технологию на совершенно новый уровень. Знаете ли Вы, что существуют принтеры FDM, которые могут производить предметы из бетона, металла, древесных композитов и продуктов питания, таких как шоколад, сыр, мясо и овощи.

Принтеры с двойным соплом и FDM-принтеры для различных материалов

Как правило, принтеры FDM имеют только одно сопло, которое выдавливает нить. Однако некоторые из них могут добавлять несколько сопел для одновременной печати нескольких разных строк. В результате они могут использовать разные материалы в одном цикле, например, добавляя растворимую опорную структуру, которую легко удалить. Таким образом принтеры FDM с двумя соплами преодолевают некоторые геометрические ограничения, такие как выступы, и упрощают печать и очистку полых объектов и элементов. Существуют также различные типы улучшений из нескольких материалов, которые позволяют использовать несколько цветов одновременно для создания красочных объектов.

Технологии полимеризации в ванне

Некоторые технологии 3D-печати, такие как стереолитография (SLA), используют процессы полимеризации для создания объекта из жидкого материала фоторезиста. Полимеризация уже использовалась для других производственных и личных процессов - например, для создания штампов, зубных протезов, печатных плат или даже для гелевого маникюра. Ключ кроется в фоторезисте (фотополимере), по сути, это жидкая смола, которая затвердевает из-за своей реакции под воздействием источника света, такого как светодиоды, лазеры, УФ-лампы и т.д.

Цифровая обработка света (DLP)

Эти 3D-принтеры создают перевёрнутые объекты, погружая платформу для сборки в резервуар со смолой и освещая области снизу, в результате чего материалы становятся твёрдыми слой за слоем. Они используют код для координации источника света и полимеризации только тех областей, которые составляют объект. После формирования первого слоя платформа поднимается, позволяя неотверждённой смоле заполнить резервуар, и процесс начинается снова, пока не будет создан весь объект. В качестве источника света в DLP-принтерах используются проекторы или светодиоды для отверждения смолы. Этот цифровой экран под резервуаром отображает изображение каждого слоя, построенное из квадратных пикселей, как в старых компьютерных играх. Благодаря этому слой объекта формируется из небольших прямоугольных кирпичиков, называемых вокселями. Машины DLP могут быть покрыты тонированным стеклом/пластиком для предотвращения реакции внешнего освещения (как солнце и лампы) со смолой. После того, как объект закончен, его также необходимо очистить от остатков жидкости и высушить под УФ-светом или естественным солнечным светом, чтобы он лучше застыл.

Стереолитография  (SLA)

Принтеры SLA работают почти так же, как машины DLP, но получают свет от лазеров. Обычно лазер внутри машины передает свет на гальванометр или отклоняющее зеркало, которое находится в движении. Их роль заключается в том, чтобы направить лазерный луч в соответствии с кодом на определённые области печатной платформы, которые должны стать твёрдыми. Лазеры могут создавать плавные округлые линии и более точно освещать материал, поэтому хорошие SLA-машины (даже настольные) имеют более высокое разрешение и более гладкую поверхность отпечатков, чем DLP-принтеры. Однако светодиоды могут освещать смолу в нескольких точках одновременно, тогда как лазерный луч должен проходить по всему контуру объекта. Принтеры SLA могут отверждать смолу через полупрозрачное дно резервуара, как DLP, но также и сверху ванны с материалом. В последнем случае платформа сборки не поднимается вверх, а, скорее, слегка опускается, пока ролик перемещается по камере сборки, чтобы сгладить затвердевший слой и подать больше неотверждённой смолы в область печати.

Непрерывная жидкостная межфазная печать (CLIP)

Эта технология также является ещё одним типом печати DLP, но улучшенной для увеличения скорости работы. Принтеры CLIP также используют проекторы в качестве источника света, но вместо того, чтобы поднимать платформу после создания каждого отдельного слоя, они непрерывно осветляют фотополимер. Чтобы сделать такое производство возможным, эти машины имеют проницаемую для кислорода мембрану, которая находится под смолой и создаёт «мертвую зону» из неотверждённого фотополимера. Благодаря этому печать CLIP обычно выполняется намного быстрее, чем SLA, при сохранении высокого разрешения для деталей.

Настольные и промышленные принтеры для полимеризации

В отличие от технологии FDM, полимеризация - более сложный процесс, требующий больших затрат просто потому, что сильные и точные источники света и фотополимеры стоят намного дороже, чем пластик и нагревательные инструменты.

Хорошие новости: Некоторым компаниям и энтузиастам удалось изобрести более дешёвые модели настольных DLP-принтеров с хорошим качеством - некоторые из них можно купить менее чем за 400 долларов.

Плохие новости: Фотополимеры по-прежнему довольно дороги - около 70-80 долларов за литр считается хорошей сделкой, если сравнивать их со смолой для высокопроизводительных машин, которая может стоить до 200 долларов за литр.

Несмотря на то, что технологии полимеризации обладают высокой детализацией, некоторые DLP-машины низкого уровня со слабыми источниками света или некачественными фотополимерами всё же способны давать плохие результаты - плохие детали, трещины и хрупкие детали. Также становится трудно бросить вызов профессиональным и любительским машинам, особенно из-за растущего интереса к печати SLA и DLP. Некоторые настольные машины, подобные тем, которые производит Formlabs, широко используются профессионалами, такими как стоматологи и ювелиры, несмотря на их размер и доступную цену в 3,499 долларов. Да, это считается доступным по сравнению с принтером Carbon M2 (CLIP), который стоит 50,000 долларов в год (минимум на три года) плюс 10,000 долларов за установку и обучение, и 14,000 долларов за комплект аксессуаров.

  • Преимущества печатиSLA/DLP/CLIP: Лучшая детализация; высокое разрешение; не нужна плоская поверхность для начала; более гладкая поверхность; есть несколько типов смол, облегчающих изготовление моделей для литья металла, смолы, сертифицированные по ISO, для создания медицинских инструментов и устройств.
  • Недостатки: Принтеры и материалы дорогие; меньше материалов и цветов на выбор по сравнению с FDM; некоторые SLA-принтеры действительно медленные; благодаря гравитации тяжёлым и сложным объектам по-прежнему требуются опоры, чтобы «держаться», если платформа поднимается.

Технологии Powder Bed Fusion (Спекание или плавление порошков) (SLS, DMLS, SLM, EBM, CJP, MJP, MJF)

Если Вам нравится строить замки из песка на пляже, Вам, вероятно, понравится следующая группа 3D-принтеров. Powder Bed Fusion - это технологическая группа 3D-печати, которая работает с порошковыми материалами, такими как гипс, песчаник, металлические сплавы, нейлон и другие. Идея также довольно проста: эти порошковые материалы плавятся или спекаются слой за слоем в тех местах, где должен появиться объект. Расплавленный или спечённый порошок становится твёрдым, поэтому после нанесения одного слоя платформа опускается, и валик распределяет новый порошок по площади.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Технология SLS является прекрасным примером метода плавления в порошковом слое. Она работает с монохромными порошковыми материалами, такими как нейлон (полиамид), керамика, стекло и многие его разновидности. В настоящее время существует большое количество материалов с различными свойствами, в том числе износостойкими, прочными и биосовместимыми. Несмотря на то, что принтеры SLS выпускаются в настольной версии, эта технология обычно используется в промышленном производстве с большими объёмами. В качестве основного инструмента в этих принтерах используется мощный лазер для спекания порошка. После того, как все слои будут завершены, специалист удаляет неиспользованный порошок и очищает детали так же, как археолог очищает место обнаружения костей динозавров.

  • Преимущества: принтеры SLS могут печатать очень сложные детали и им совсем не нужны опоры; отличные механические свойства печатных изделий; хорошая химическая стойкость.
  • Недостатки: Печатные изделия пористые и требуют запечатывания; полые, но полностью закрытые детали невозможно напечатать, потому что неспечённый порошок останется внутри детали; печатные изделия после изготовления требуют термической обработки.

Прямое лазерное спекание металла (DMLS)

Хотя эта технология является разновидностью SLS, принцип работы тот же. Основное отличие состоит в том, что принтеры DMLS работают с порошкообразными металлическими сплавами, что позволяет изготавливать металлические детали из нержавеющей стали, мартенситностареющей стали, кобальта, хрома, инконеля, алюминия и титана. Конечно, металлы труднее расплавлять, поэтому поверхность детали, напечатанной на станке DMLS, может быть шероховатой. Эти детали обычно требуют последующей обработки: механической обработки или лазерной полировки для улучшения окончательного внешнего вида. Однако геометрические возможности и скорость производства делают процесс DMLS сильным конкурентом другим методам в аэрокосмической, медицинской, прототипной и инструментальной сферах.

Селективное лазерное плавление (SLM)

Технология SLM является близким родственником DMLS и SLS, но вместо лазерного спекания металлического порошка она плавит его. Итак, когда принтеры DMLS нагревают порошок, чтобы гранулы слились, машины SLM плавят их, превращая в жидкость, и полностью затвердели после. Это приводит к тому, что детали становятся более прочными и менее пористыми.

 

  • Преимущества: Создаёт более прочные детали; более гладкая поверхность.
  • Недостатки: Работает только с порошками отдельных металлов.

Электронно-лучевое плавление (EBM)

Ещё одна технология, которая может работать с металлическими порошками, - это EBM. Как и SLM, в EBM-принтерах порошок плавится в цельный кусок. Разница в том, что вместо лазера внутри они используют электронный луч (управляемый компьютером) для нагрева и плавления материала. EBM-печать выполняется в вакууме и может достигать температуры до 1832 градусов по Фаренгейту или 1000 градусов по Цельсию! Электронный луч также является более сильным источником энергии (из-за более высокой плотности), поэтому, как правило, он имеет лучшую скорость сборки и позволяет печатать с реактивными и более прочными материалами. Некоторые исследователи разработали способы производства деталей из меди, ниобия и объёмного металлического стекла на EBM-принтерах.

Струйная печать Binder Jetting and цветная струйная печать

В то время как некоторые производители сосредоточились на улучшении источника тепла для лучшего плавления порошка, другие предпочли улучшить метод SLS другим способом. Технология струйной печати Binder jetting также позволяет печатать с использованием порошка (гипса, песчаника, металла), но вместо его спекания или плавления в этих машинах используется агент для связывания гранул. Только представьте, как наливают клей на песок - эта машина делает почти то же самое, но очень тонкими слоями и под точным компьютерным управлением. Процесс начинается так же: валик наносит тонкий слой порошкового материала на площадь сборки. Затем 3D-принтер наносит связующее на участки, которые необходимо соединить. После этого платформа опускается, и на неё выходит новый слой порошка, чтобы продолжить работу со следующим слоем.

Вдобавок ко всему, клеящее средство можно комбинировать с цветными красками - в этом случае можно напечатать цветной объект в пределах 390,000 комбинаций цветов CMYK из песчаника. Этот метод называется цветной струйной печатью (CJP) и популярен среди художников и архитекторов.

 

  • Преимущества: Требует меньше энергии, чем SLS; может распечатать красиво цветные принты; не требует опор и может печатать такую ​​же геометрию, что и принтеры SLS.
  • Недостатки: Объекты хрупкие и требуют покрытия для предотвращения поглощения влаги из воздуха; не может производить полые закрытые детали.
     

Многоструйный синтез (MJF)

Технология MJF довольно молода по сравнению с ранее упомянутыми выше технологиями. Если объяснить просто, MJF похожа на гибрид между струйной обработкой Binder Jetting и лазерным спеканием. Как и в случае с ними обоими, MJF работает с определённым порошковым материалом для создания объекта - PA 12 (полиамид). Печать начинается с нанесения термозакрепляющего и детализирующего агента на области, обозначенные кодом. При этом расплавляются гранулы порошка, а затем печать продолжается нагреванием порошка лампой после создания каждого отдельного слоя.

  • Преимущества: Печать в несколько раз быстрее; гладкая поверхность; печатные изделия могут проходить различные постобработки (покрытие, лак, пескоструйная обработка, покраска).
  • Недостатки: В настоящее время можно печатать только полиамидом; редкая и дорогая техника; полые и замкнутые объекты по-прежнему невозможны.

Распыление материалов (MJP, MJF and PolyJet)

Технология 3D-печати при помощи распыления материалов - это метод, который чаще всего сравнивают с 2D-печатью чернилами. Как и FDM, эта технология распространяет материал на платформу сборки. Однако вместо того, чтобы плавить твёрдый материал, она работает с жидкими фотополимерами, которые отверждаются УФ-светом после нанесения одного слоя. Кроме того, разница заключается в том, что вместо использования сопла, которое перемещается по принтеру, некоторые машины для струйной печати материалов имеют несколько сопел, что позволяет некоторым промышленным принтерам комбинировать несколько материалов одновременно. Доступный ассортимент фотополимеров превосходен - можно печатать гибкие, прочные, цветные и биосовместимые детали.

  • Преимущества: Печатные изделия высокого разрешения (до 16 мкм);  гладкая поверхность; сложные геометрические формы, требующие опор, могут быть напечатаны с использованием другого опорного материала для лёгкого удаления.
  • Недостатки: Детали меняют свойства со временем под воздействием света и тепла.

Производство ламинированных объектов (LOM или ламинирование с селективным напылением)

3D-принтеры LOM, вероятно, больше всего похожи на своих предшественников 2D, которые печатают документы и фотографии на бумаге. Это потому, что эта технология работает с листами материала с клеевым покрытием (бумага, пластик или металл). LOM-печать начинается с подачи первого листа на платформу сборки, где нож или лазер вырезают форму объекта в соответствии с кодом. После завершения слоя на платформу накладывается новый лист материала. Затем платформа склеивает и прижимает листы и приступает к резке новой формы. Этот процесс продолжается для каждого слоя, пока не будет полностью произведена финальная деталь. Отпечатанный кусок необходимо удалить с лишнего материала после печати. LOM-печать тоже может быть красочной с впечатляющей точностью. Даже если объект был напечатан на обычной копировальной бумаге, он достаточно прочный и его можно даже просверлить! Это делает технологию LOM одной из самых дешёвых и экологически чистых, доступных вариантов. Отпечатки на бумаге обладают свойствами дерева и могут быть улучшены с помощью постобработки.

  • Преимущества: Материалы могут быть дешёвыми и доступными, а также полностью пригодными для вторичной переработки; доступна полноцветная печать с точностью цветопередачи 360° HD и более 1 миллиона различных оттенков; возможность печати больших деталей.
  • Недостатки: Точность размеров ниже по сравнению с SLA и SLS печатью; печатные изделия довольно далеки от конечных изделий.

Струйная печать FDM

Ещё одна технология, позволяющая играть с красками CMYK, она появилась на рынке недавно, когда компания XYZ Printing выпустила свою машину da Vinci Color. Струйная FDM-печать представляет собой смесь FDM-печати с одним соплом и струйной печати. Принтер создаёт объект слой за слоем, расплавляя нить белого пластика, но с помощью кикера он добавляет чернила на каждом слое. В результате струйные принтеры FDM способны изготавливать детали во множестве цветов, как у промышленных машин, но в настольном формате.

  • Преимущества: Доступны миллионы цветов.
  • Недостатки: Ограничения и точность всё ещё как у принтера FDM; в настоящее время на рынке только одна машина этого типа.

Другие технологии и методы печати

3D-печать развивается быстрыми темпами, и каждый день на рынке появляются новые машины, обновления, материалы, программное обеспечение и технологии. Некоторые методы оказываются полезными и становятся общепринятыми, в то время как другие просто копируют предыдущие методы.
Узнайте больше о машинах для 3D-печати и их характеристиках в руководстве по 3D-принтерам.