Что такое 3D-печать?

Аддитивное производство, также известное как 3D-печать, представляет собой методику изготовления объемных объектов по цифровым образцам.

Процесс изготовления объекта методом 3D-печати основывается на добавлении материала слой за слоем. Этот процесс предполагает поэтапное наращивание материала до полного воссоздания объекта, где каждый слой аналогичен тонкому срезу будущей модели.

В отличие от традиционного субтрактивного производства, которое предполагает удаление материала из блока, например, на токарном или фрезерном станке, 3D-печать позволяет создавать более сложные структуры с меньшим расходом материалов.

Благодаря 3D-печати можно реализовать проекты с высокой степенью сложности, экономя при этом материалы, в отличие от классических производственных методов.

Принцип работы 3D-печати

В основе технологии лежит создание 3D-модели, которую можно разработать самостоятельно или взять из онлайн-библиотек.

Софт для 3D-моделирования

Существует широкий выбор программного обеспечения для 3D-моделирования — от профессионального до бесплатного с открытым исходным кодом. Подробности можно найти на нашем сайте в разделе обзора программ для 3D.

Для начинающих мы рекомендуем попробовать Tinkercad. Это бесплатный онлайн-инструмент, который не требует установки на компьютер. Tinkercad предлагает обучающие курсы для новичков и позволяет экспортировать модель в формате файла для печати, таком как STL или OBJ.

После создания 3D-модели следующим шагом будет ее подготовка к печати на 3D-принтере, процесс известный как нарезка.

Преобразование файла для печати в данные для 3D-принтера

Нарезка заключается в разделении 3D-модели на тысячи слоев с помощью специального программного обеспечения. После нарезки файл можно передать на 3D-принтер через USB, SD-карту или Wi-Fi. Таким образом, модель будет напечатана слоем за слоем.

Эволюция в области 3D-печати

3D-печать преодолела порог внедрения, став неотъемлемой частью производственных процессов во многих отраслях. То, что изначально использовалось в основном для создания прототипов и уникальных экземпляров, сейчас активно внедряется как ключевой элемент производственных технологий.

Согласно исследованию Acumen Research and Consulting, ожидается, что к 2026 году рынок 3D-печати достигнет объема в 41 миллиард долларов, подчеркивая промышленный интерес к этой технологии.

Разнообразие применений 3D-печати

3D-печать находит применение в различных сферах, предоставляя возможности для создания широкого спектра продуктов и материалов. Она охватывает множество отраслей, предлагая уникальные решения для каждой из них.

Примеры использования 3D-печати включают:

• потребительские товары (очки, обувь, дизайнерские изделия, мебель)
• промышленные компоненты (инструменты для производства, прототипы, детали для конечного использования)
• изделия для стоматологии
• производство протезов
• архитектурные модели и макеты
• воссоздание окаменелостей
• дубликаты древних артефактов
• реконструкция улик в судебных разбирательствах
• реквизит для кино

Инновации в прототипировании и производстве

С конца 70-х годов компании начали использовать 3D-печать для создания прототипов, что получило название быстрого прототипирования.

Преимущества быстрого прототипирования с помощью 3D-печати: скорость и стоимость. Превращение идеи в физический прототип занимает всего несколько дней, позволяя легко и экономично проводить модификации.

Кроме того, 3D-печать нашла свое место в быстром производстве, позволяя компаниям на лету адаптироваться к потребностям рынка и производить небольшие партии продукции на заказ.

Прорыв в автомобильной промышленности

Автопроизводители активно внедряют 3D-печать, печатая запчасти, инструменты и детали для конечного использования, что способствует уменьшению запасов и ускорению разработки и производства.

Любители автомобилей по всему миру используют детали, напечатанные на 3D-принтерах, для реставрации старинных машин.

Инновации в авиации

Авиационная отрасль обращается к 3D-печати за счет ее способности создавать легкие, но прочные конструкции. Недавние инновации включают печать критически важных компонентов.

Центральная рама турбины

Крупный компонент, напечатанный на 3D-принтере в этом году — центральная рама турбины, произведенная GE в рамках программы ЕС «Чистое небо 2», является примером использования 3D-печати для создания крупных металлических деталей в авиации.

Традиционно такие элементы производятся путем литья и собираются из многих частей. С применением 3D-печати, объемная конструкция из 150 компонентов упрощается до одного элемента, что приводит к уменьшению стоимости и веса на 30%, а также к ускорению процесса производства с 9 месяцев до 10 недель.

Компоненты, сертифицированные EASA

В июне 2022 года было объявлено о создании Lufthansa Technik и Premium AEROTEC первой металлической конструкционной детали, получившей одобрение для авиационного использования.

Новая деталь A-link была создана с использованием технологии LPBF и показала улучшенную прочность по сравнению с традиционными методами изготовления.

Эта деталь была произведена на заводе Premium AEROTEC в Вареле, Германия, где было изготовлено и тестировано множество образцов для гарантии качества и повторяемости, необходимых для сертификации.

Использование 3D-печати для изготовления этого компонента позволило сократить затраты и заложило фундамент для применения этой технологии в производстве ключевых металлических деталей в будущем. Этот метод также был применен для проверки процесса и демонстрации процедуры сертификации конструкционных деталей, созданных методом аддитивного производства.

Гиперзвуковая топливная форсунка

Данный компонент, созданный с помощью 3D-печати, не предназначался для установки на летательные аппараты. Он был разработан для использования в тестовой установке, имитирующей условия гиперзвукового полета.

При достижении скорости выше 5 Махов окружающий воздух нагревается до экстремальных температур, увеличивая давление и способствуя химическим реакциям. Для моделирования таких условий потока команда исследователей из Purdue создала специальное устройство, воспроизводящее эти экстремальные условия, чтобы тестировать компоненты в подобной среде.

Эти форсунки обеспечивали подачу топлива и воздуха в камеру сгорания, создавая специфические турбулентные потоки и стабильное горение. Изготовленные из сплава Hastelloy X с высокой термической стойкостью, эти форсунки были быстро произведены и протестированы для определения наилучшего варианта конструкции.

Благодаря этим тестам, теперь возможно воспроизвести гиперзвуковые условия полета на земле, сокращая затраты и риски, связанные с проведением подобных испытаний на большой высоте. Это открывает новые возможности для разработки высокоскоростных летательных аппаратов и космических кораблей.

Инновации в строительстве

3D-печать зданий уже не является фантастикой. На рынке уже представлены дома, созданные с помощью этой технологии. Некоторые компании печатают детали заранее, в то время как другие осуществляют печать непосредственно на строительной площадке.

Большинство проектов по 3D-печати бетона используют крупномасштабные системы с большими соплами для быстрой и точной укладки бетона. Это позволяет эффективно формировать слои бетона, но для выполнения более сложных и детализированных работ требуется более гибкий подход, который может предложить 3D-печать.

Потребительская продукция и 3D-печать

С 2011 года, когда мы начали освещать новости о 3D-печати, эта технология значительно эволюционировала и нашла применение в производстве потребительских товаров для массового рынка.

Спортивная обувь

Adidas выпустила серию обуви 4D с полностью напечатанной на 3D-принтере подошвой, выпуская ее в массовое производство. Начав с выпуска 5000 пар для общественности, к 2018 году компания планировала продать более 100 000 пар этой модели.

Сейчас обувь доступна по всему миру как в фирменных магазинах Adidas, так и в партнерских интернет-магазинах.

Очковые оправы

Ожидается, что к 2028 году рынок очков, произведенных с использованием 3D-печати, достигнет объема в 3,4 миллиарда долларов. Этот сегмент быстро растет благодаря возможности производства индивидуализированных оправ. 3D-печать позволяет легко адаптировать конечный продукт к индивидуальным параметрам пользователя.

К тому же, технология 3D-печати достигла такого уровня развития, что позволяет производить офтальмологические линзы на заказ, минимизируя отходы и уменьшая необходимость в больших складских запасах. Принтер Luxexcel VisionEngine использует ультрафиолетовое отверждение акрилатного мономера для производства двух пар линз в час без необходимости дополнительной обработки. Таким образом, можно точно настроить зоны фокусировки в линзах.

Ювелирные украшения

3D-печать в ювелирном деле может применяться как для прямого, так и для непрямого производства. Прямое производство создает изделие непосредственно из 3D-модели, в то время как непрямой метод использует напечатанный на 3D-принтере объект в качестве промежуточного шаблона для литья по выплавляемым моделям.

Прогресс в медицине благодаря 3D-печати

Использование 3D-печати в медицине уже не является новинкой. За последние десять лет компания GE Additive напечатала более 100 000 эндопротезов тазобедренного сустава. Эти имплантаты, разработанные доктором Гвидо Граппиоло в сотрудничестве с LimaCorporate, выполнены из трабекулярного титана и обладают уникальной структурой, способствующей росту костной ткани.

Слуховые аппараты также стали одним из примеров успешного применения 3D-печати в медицине, с 99% производства использующим эту технологию, благодаря возможности точной индивидуализации продукта.

Дентал

В сфере стоматологии, формы для инвизилайнеров стали наиболее массовыми продуктами аддитивного производства. Используя смолу и порошковые 3D-печатные технологии, а также материальную струйную печать, эти формы производятся на 3D-принтерах. Коронки и зубные протезы теперь также печатаются напрямую, вместе с хирургическими направляющими.

Тканевая инженерия

С начала 2000-х, биотехнологические и научные круги исследуют применение 3D-печати для тканевой инженерии, создавая органы и части тела через струйные технологии. Живые клетки наносятся на гелевую основу, формируя слой за слоем трехмерные структуры в процессе, известном как биопечать.

Питание

Аддитивные технологии нашли свое применение в пищевой индустрии. Рестораны, такие как Food Ink и Melisse, используют 3D-печать как особенность, привлекая посетителей со всего мира.

Освоение

Учителя и ученики активно применяют 3D-принтеры в образовательном процессе, позволяя студентам воплощать свои идеи в жизнь. Несмотря на то, что образовательные программы по аддитивным технологиям еще молоды, университеты активно используют 3D-принтеры в смежных дисциплинах. Множество курсов доступно для изучения 3D-печати, включая специализации, связанные с САПР и 3D-дизайном, на этом сайте.

Прототипирование стало распространенным в университетских программах, связанных с архитектурой, промышленным дизайном, искусством, анимацией и модой.

Категории и методы 3D-печати

Аддитивное производство классифицируется по семи основным категориям:

1. Фотополимеризация
   1. Стереолитография (SLA)
   2. Цифровая обработка света (DLP)
   3. Непрерывное производство с использованием жидкостного интерфейса (CLIP)
2. Струйная печать материала
3. Печать с использованием связующего
4. Экструзия материала
   1. Формование методом наплавления (FDM)
   2. Изготовление филаментов (FFF)
5. Селективное спекание порошка
   1. Multi Jet Fusion (MJF)
   2. Селективное лазерное спекание (SLS)
   3. Прямое металлическое лазерное спекание (DMLS)
6. Ламинирование листового материала
7. Направленное нанесение энергии

Фотополимеризация

3D-печатник, использующий технологию фотополимеризации в ванне, содержит бассейн, наполненный фотополимерной жидкостью, которая затвердевает под воздействием УФ-излучения.

Технология стереолитографии (SLA)

Изобретенная в 1986 году Чарльзом Халлом, основателем 3D Systems, стереолитография использует бассейн с фотополимерной жидкостью и УФ-лазер для последовательного создания слоев изделия. УФ-лазер поочередно очерчивает каждый слой изделия на поверхности смолы, заставляя ее затвердевать и присоединяться к предыдущему слою.

После создания каждого слоя, платформа погружается на высоту одного слоя (0,05-0,15 мм), а новый слой смолы равномерно распределяется перед формированием следующего слоя. В процессе SLA часто применяют поддерживающие конструкции для стабилизации объекта.

Цифровая световая обработка (DLP)

DLP использует светочувствительные полимеры, аналогичные SLA, но отличается источником света, применяя, например, дуговые лампы. Этот метод позволяет осуществлять 3D-печать быстрее, чем многие другие технологии.

Непрерывное создание с жидкостным интерфейсом (CLIP)

CLIP, разработанный компанией Carbon, является одним из самых скоростных методов фотополимеризации, использующих технологию цифрового светового синтеза для проекции УФ-изображений на фотополимерную смолу. Это создает «мертвую зону» из неотвержденной смолы, позволяя детали формироваться непрерывно и без видимых слоев.

После первичного формирования детали процесс термического отверждения дополнительно улучшает механические свойства, приводя к получению изделий, сравнимых с литыми под давлением. Метод CLIP обеспечивает изотропные механические свойства, делая детали стабильными и надежными.

Материальная струйная печать

Этот метод включает точечное нанесение материала через микроскопические сопла, подобно действию струйных принтеров, но для создания трехмерных объектов слой за слоем, каждый из которых отверждается ультрафиолетом.

Струйная печать с использованием связующего

Этот метод сочетает порошковую основу с жидким связующим, распыляемым через струйные форсунки для формирования объекта. Оставшийся порошок удаляется и может быть повторно использован. Технология была разработана в Массачусетском технологическом институте в 1993 году.

Техника экструзии

Формование методом наплавления (FDM)

Метод FDM предполагает применение термопластичной нити, которая подается через экструзионное устройство с возможностью управления потоком материала. Экструзионное сопло, нагреваемое для плавления материала, перемещается в различных направлениях для построения объекта слой за слоем, где материал моментально твердеет после выхода из сопла.

Технология FDM была разработана Скоттом Крампом в конце 1980-х, впоследствии приведя к основанию Stratasys Inc. в 1988 году. Словосочетание «Моделирование методом наплавления» и аббревиатура FDM являются зарегистрированными торговыми марками компании Stratasys.

Формование плавлеными нитями (FFF)

Альтернативное наименование «Формование плавлеными нитями» (FFF) было создано участниками проекта RepRap для обозначения метода, не попадающего под ограничения торговых марок.

Технология спекания порошкового слоя

Селективное лазерное спекание (SLS)

Метод SLS предусматривает применение мощного лазера для сплавления мелкодисперсного порошка в твердую массу по заранее заданной форме. Лазер последовательно спекает порошок, сканируя его слои на поверхности порошкового ложа. После каждого слоя порошковое ложе опускается, и процесс повторяется до завершения изготовления объекта.

Многоструйное спекание (MJF)

Технология MJF, разработанная HP, осуществляет нанесение порошкового слоя и последующее его спекание с помощью связующего вещества, распыляемого через принтерные головки. Процесс завершается термической обработкой, активирующей связующее для формирования твердой структуры.

Прямое металлическое лазерное спекание (DMLS)

Процесс DMLS аналогичен SLS, но использует металлический порошок, формируя объекты за счет лазерного спекания каждого слоя. Излишки порошка служат опорой для объекта и могут быть повторно использованы в следующих процессах печати.

Ламинация листового материала

Процесс ламинации включает склеивание слоев листового материала под давлением. Металлические листы могут соединяться ультразвуковой сваркой, а затем механически обрабатываться для придания формы, в то время как бумажные листы склеиваются и режутся для создания трехмерных объектов.

Применение направленного энергетического осаждения

Этот процесс широко используется для создания металлических изделий в металлообрабатывающей промышленности. Включает в себя механизм с роботизированной рукой для точного нанесения металлического порошка или проволоки и источника энергии, такого как лазер, для его плавления и формирования твердого металлического объекта.

Используемые материалы

В процессах 3D-печати применяются многообразные материалы: от пластика и металлов до бетона, керамики, бумаги, а также специфических пищевых продуктов, включая шоколад. Эти материалы могут поступать в виде филамента, порошка, либо жидких смол.