3D-печать, также называемая технологией аддитивного производства, представляет собой процесс, при котором физические трехмерные объекты создаются на основе компьютерной модели, определенной в соответствующем файле. В ходе неё на объект последовательно наносятся слои материала. Здесь мы рассмотрим принцип работы, основные приемы и наиболее распространенные области применения 3D-печати.
Во время 3D-печати для формирования объекта наносятся последовательные слои — отсюда и другое название этой технологии — аддитивное производство. Каждый из слоев в принципе можно рассматривать как поперечное сечение изготовленного объекта.
3D-печать позволяет создавать замысловатые и сложные формы с минимальными затратами материалов. В отличие от традиционных методов производства, которые обычно включают механическую обработку, то есть удаление лишнего материала из изначально изготовленного твердого тела, тут используется количество материала, примерно равное объему создаваемого объекта. Другие преимущества 3D-печати включают скорость производства, низкую стоимость инфраструктуры и возможность создавать сложные геометрические формы, иногда недоступные с использованием традиционных методов производства.
История технологии 3D-печати
Зарождение технологии 3D-печати, вероятно, связано со средой домашних энтузиастов, любителей. Но в настоящее время решения этого типа хорошо зарекомендовали себя в мире профессионалов — теперь 3D-принтеры часто используются для производства прототипов и других типов объектов.
Первая технология 3D-печати была разработана в 1984 году американским изобретателем, который также основал компанию 3D Systems, специализирующуюся на производстве 3D-принтеров. Именно в этой компании была разработана концепция файла STL, до сих пор применяемого в промышленности.
Изначально 3D-принтеры характеризовались большими размерами и высокой стоимостью, поэтому в основном использовались в промышленных целях, для построения различных типов прототипов и моделей. Но с развитием промышленности и изобретением новых технологий 3D-печати прогрессировала миниатюризация, которая привела к распространению устройств, предназначенных для домашнего использования. Первый прототип 3D-принтера для дома был создан в 2006 году, а спустя 10 лет эти устройства уже были очень популярны среди конструкторов-любителей. В Сети все больше описаний проектов и конструкций, выполненных с применением технологии 3D-печати.
Методы 3D-печати
Стандарт ISO/ASTM 52900, описывающий вопросы, связанные с 3D-печатью, выделяет 7 методов создания объектов с помощью такого метода. Эти методы отличаются с точки зрения времени изготовления объектов, точности отображения форм модели, доступных материалов и затрат на производство.
Спекание порошка
В процессах плавки в порошковом слое используется источник тепловой энергии (например, в виде лазерного луча) для сплавления отдельных участков. Эта техника имеет несколько вариаций — например, в результате производственного процесса порошок может спекаться или расплавляться. Независимо от разновидности, общий принцип работы остается одинаковым. В вакуумной камере на платформу наносится тонкий слой порошка, который затем нагревает определенные участки платформы, сближая материал. После завершения обработки данного слоя платформа опускается, позволяя разместить следующий слой и соединить его с уже изготовленной частью модели. Методы 3D-печати, основанные на спекании порошка, включают SLS (селективное лазерное спекание) и DMLS (прямое лазерное спекание металла).
SLS в основном используется для быстрого прототипирования с использованием полимерных материалов. Здесь единственным строительным материалом и элементом, поддерживающим структуру, является порошковый материал – отсутствие дополнительных структурных элементов позволяет создавать сложные геометрические формы, однако изготавливаемые объекты часто характеризуются несколько пористой структурой и зернистой поверхностью, что делает необходимым правильную постобработку изготовленных объектов.
Метод SLS очень похож на SLM (селективное лазерное плавление), EBPBF (электронно-лучевое порошковое сплавление) и DMLS. Но данные процессы предназначены для производства металлических элементов, в том числе с использованием лазерного луча, используемого для плавления или спекания частиц металлического порошка.
Металлообработка требует получения высоких температур формируемой конструкции, что обуславливает необходимость использования дополнительных конструктивных элементов для обеспечения достаточной жесткости всего объекта на этапе производства. В конце производственного процесса дополнительные опорные элементы удаляются с помощью станков с ЧПУ или вручную, а деталь подвергается повторной термообработке для снятия остаточных структурных напряжений от предыдущих этапов.
Металлические детали, изготовленные в процессах порошкового спекания (особенно методом SLM), характеризуются свойствами, очень близкими к их аналогам, изготовленным классическими методами – литьем или механической обработкой. Благодаря этому их можно использовать в механических системах, даже таких сложных и требующих надежности как авиадвигатели.
Типы сырья, доступные для этой техники, включают, в основном, металлы и их сплавы, пластмассы и керамику, то есть материалы часто недоступные для других технологий 3D-печати. Недостатком является высокая стоимость оборудования и самих материалов.
Фотополимеризация
Фотополимеризация — процесс, при котором жидкость отверждается источником света в твердое тело. В этой технологии используются два основных метода — стереолитография (SLA) и DLP (Digital Light Processing).
Принцип работы метода DLP заключается в «отображении» изображения каждого из полученных слоев на поверхность жидкости в рабочем резервуаре. Напротив, в методе SLA используется один луч света, направленный только на одну точку резервуара за раз. После завершения облучения из него необходимо удалить оставшуюся в баке жидкость, а изготовленный объект подвергают дальнейшему воздействию света с целью затвердевания и укрепления его структуры. Опоры или другие конструкции, поддерживающие конструкцию объекта, должны быть удалены на этапе постобработки.
Основным преимуществом методов основанных на фотополимеризации, является высокая точность размеров изготавливаемого объекта, недостижимая другими методами. По этой причине они часто используются для изготовления прототипов. С другой стороны, метод требует использования фотополимерных смол, которые не обязательно являются универсальным материалом. Они имеют тенденцию терять цвет под воздействием солнечных лучей и довольно ломкие. В случае многих конструкций могут понадобиться опоры, удаление которых на этапе постобработки достаточно трудоемко и может оставить в модели полости, требующие дальнейшей обработки.
Интересной вариацией этого процесса выступает микростереолитография, позволяющая изготавливать детали с размерами порядка нанометров, что недостижимо ни одним другим методом 3D-печати.
Порошковая агломерация
Процесс агломерации порошка чем-то похож на спекание порошка. В этом случае на строительную площадку также насыпается тонкий слой порошкообразного материала. Затем печатающая головка (аналогичная головке традиционного струйного принтера) наносит жидкий связующий материал на выбранные области и слои порошка. Таким образом слой за слоем создается готовая модель объекта.
Техника порошковой поклейки подходит для работы с керамикой, металлами и песком. После завершения основного процесса изготовления сконструированные предметы требуют дальнейшей обработки. Их обычно подвергают дальнейшему спеканию для упрочнения. После спекания структура полученного изделия может быть высокопористой, что устраняется дополнительным наполнением различными видами материалов.
К основным преимуществам этой технологии относится ее дешевизна – она позволяет изготавливать металлические изделия значительно дешевле, чем в случае порошкового спекания. Кроме того, металлический порошок в процессе не плавится, что исключает проблемы, связанные с образованием остаточных напряжений в структуре объекта. Этот метод также позволяет производить объекты разного цвета путем соответствующего окрашивания связующего материала.
Распыление материала
Техника струйной печати материалов представляет собой комбинацию традиционной 2D-печати и технологии SLA. Жидкий материал наносится с помощью печатающей головки на выбранные места сборочной платформы. Нанесенный слой затем затвердевает – в зависимости от деталей технологического процесса и свойств самой жидкости это может быть сделано путем ее охлаждения, воздействия УФ-лучей или выпаривания жидкой части материала.
Самым значительным преимуществом этой технологии является возможность одновременной работы с несколькими разными материалами — каждый из них может храниться в одной головке, а принтер может сразу обрабатывать несколькими головками. Это позволяет конструировать, например, разноцветные объекты из разных материалов. Кроме того, этот метод характеризуется высокой точностью, гладкостью поверхности изготавливаемых объектов и высокой скоростью печати. Главный недостаток – относительно высокая стоимость необходимого оборудования.
Экструзия материалов
Термин «экструзия материала» (FDM, «моделирование плавленым напылением») используется для описания всех методов 3D-печати, в которых материал распределяется через сопло для формирования форм. Эти методы позволяют использовать широкий спектр различного сырья – в принципе, возможен любой материал, который можно продавить через сопло (иногда может потребоваться предварительный нагрев). Как и в большинстве других методов, материал затем наносится слоями, пока не будет получена желаемая форма.
В технике FDM можно изготавливать объекты из таких разнообразных материалов, как бетон, пластик, глина или даже шоколад. Но чаще всего используются пластмассы, в виде нити. Преимущества метода FDM заключаются в простоте и скорости. По этой причине его часто используют при быстром прототипировании, хотя эта технология также применяется в строительстве или медицине. К существенным недостаткам можно отнести не очень хорошую точность построения объектов.
Соединение листов
В результате этого процесса объект создается путем соединения листов материала вместе. Существует два основных метода — UAM (ультразвуковое аддитивное производство) и LOM (производство ламинированных объектов). В технологии UAM металлические листы соединяются с помощью механической силы и ультразвуковых волн. Ультразвуковая сварка не требует больших затрат энергии или нагрева материала до высоких температур. Перед укладкой листов их правильно разрезают, чтобы получился нужный объект. Материалы, наиболее часто используемые в методе AMU, включают такие металлы как медь, сталь, алюминиевые и титановые сплавы. Также возможно комбинировать слои из разных материалов.
В технологии LOM последовательные слои материала соединяются клеем. Наиболее распространенным материалом, используемым в методе LOM, является обычная бумага. Разновидностью этой технологии является SDL, позволяющая создавать разноцветные элементы.
Эти методы вполне доступны и относительно быстры. Недостатком является низкая механическая прочность изготавливаемых изделий.
Концентрированная энергия
Технология DED (Direct Energy Deposition) использует лазерный луч, электрическую дугу, поток электронов или другую форму концентрированной тепловой энергии для локального плавления и нанесения слоя материала на поверхность объекта.
Этот метод требует использования большого количества энергии, но взамен его можно использовать не только для производства новых элементов, но и для ремонта существующих. В технологии DED в основном используются металлы, хотя также возможно использование пластмасс и керамики.
Области применения 3D-печати
- Строительство. Это одна из основных областей применения технологии 3D-печати. Возможности использования этой технологии в промышленности изучаются с начала 1990-х годов в поисках более быстрых и дешевых способов производства сложных архитектурных конструкций. В течение нескольких лет проекты пешеходных мостов и даже целых зданий, выполненные с применением технологии 3D-печати, были довольно распространены в разных уголках мира. 3D-печать также очень полезна для создания архитектурных моделей.
- Прототип и производство. В случае классических методов изготовления прототипов, таких как литье под давлением, получение готовой производственной формы может занять несколько недель и стоить миллионы. Ускорение и снижение стоимости процесса прототипирования было одной из основных целей 3D-печати с самого начала развития технологий. Сейчас, благодаря достижениям в области 3D, изготовить готовый прототип можно за несколько часов. Это позволяет гораздо более гибко подходить к процессу прототипирования. 3D-печать также подходит для производства изделий небольшими партиями или персонализированными сериями с индивидуальной настройкой для каждого получателя.
- Здравоохранение. В медицинской промышленности 3D-печать в основном используется для производства прототипов новых медицинских устройств и биомедицинских систем, адаптированных к индивидуальным потребностям пациента, таких как зубные протезы или коронки. Продолжается интенсивная работа по созданию пространственно напечатанных имплантатов, а также искусственных тканей и органов.
- Самолетостроение. В авиационной отрасли 3D-печать используется не только для изготовления прототипов, но и для производства некоторых деталей, используемых в самолетах. Подсчитано, что в современном самолете можно найти в среднем несколько сотен деталей изготовленных с использованием технологии 3D-печати.
- Автомобилестроение. Автомобильная промышленность сегодня использует технологию 3D-печати на всех этапах цикла продукта — от прототипирования через серийное производство до изготовления запасных частей. Эта технология идеально подходит для мелкосерийного производства, например, для специализированных и гоночных автомобилей. Она также используется мастерскими по тюнингу и обслуживанию авто.
Подведем итог
Сегодня 3D печать становится неотъемлемым элементом всех видов деятельности в области техники и технологий. Она широко используется как любителями самодельщиками, разрабатывающими собственные проекты, так и большими профессиональными командами. А непрерывное развитие отрасли позволяет ожидать дальнейшего распространения этой технологии – за счет снижения затрат на оборудование и материалы, а также растущих возможностей и повышения качества изделий.