Что такое 3D-печать?

3D-печать или аддитивное производство — это процесс создания трехмерных твердых объектов из цифрового файла.

Создание 3D-печатного объекта достигается с помощью аддитивных процессов. В аддитивном процессе объект создается путем наложения последовательных слоев материала до тех пор, пока объект не будет создан. Каждый из этих слоев можно рассматривать как тонко нарезанное поперечное сечение объекта.

3D-печать — это противоположность субтрактивному производству, которое заключается в вырезании / выдалбливании куска металла или пластика, например, с помощью фрезерного станка.

3D-печать позволяет создавать сложные формы, используя меньше материала, чем традиционные методы производства.

Как работает 3D-печать?

Все начинается с 3D-модели. Вы можете создать ее с нуля или загрузить из 3D-библиотеки.

Программное обеспечение для 3D

Доступно множество различных программных средств. От промышленного уровня до с открытым исходным кодом. Мы создали обзор на нашей странице 3D-программного обеспечения.

Мы часто рекомендуем новичкам начать с Tinkercad. Tinkercad бесплатен и работает в вашем браузере, вам не нужно устанавливать его на свой компьютер. Tinkercad предлагает уроки для начинающих и имеет встроенную функцию экспорта вашей модели в виде файла для печати, например STL или OBJ.

Теперь, когда у вас есть файл для печати, следующий шаг — подготовить его для вашего 3D-принтера. Это называется нарезкой.

Нарезка: из файла для печати в 3D-принтер

Нарезка в основном означает нарезку 3D-модели на сотни или тысячи слоев и выполняется с помощью программного обеспечения для нарезки.

Когда ваш файл нарезан, он готов для вашего 3D-принтера. Передать файл на ваш принтер можно через USB, SD или Wi-Fi. Теперь ваш нарезанный файл готов к 3D-печати слой за слоем.

Индустрия 3D-печати

Внедрение 3D-печати достигло критической массы, поскольку те, кому еще предстоит интегрировать аддитивное производство где-либо в свою цепочку поставок, теперь составляют постоянно сокращающееся меньшинство. Если на ранних стадиях 3D-печать подходила только для создания прототипов и одноразового изготовления, то сейчас она быстро превращается в производственную технологию.

Большая часть текущего спроса на 3D-печать носит промышленный характер. По прогнозам Acumen Research and Consulting, мировой рынок 3D-печати достигнет 41 миллиарда долларов к 2026 году.

Примеры 3D-печати

3D-печать охватывает множество форм технологий и материалов, поскольку 3D-печать используется практически во всех отраслях, о которых вы только можете подумать. Важно рассматривать ее как совокупность разнообразных отраслей с множеством различных применений.

Несколько примеров:

• – потребительские товары (очки, обувь, дизайн, мебель)
• – промышленные изделия (производственные инструменты, прототипы, функциональные детали конечного назначения)
• – стоматологические изделия
• – протезирование
• – архитектурные масштабные модели и макеты
• – реконструкция окаменелостей
• – воспроизведение древних артефактов
• – реконструкция доказательств в судебной патологии
• – реквизит для фильма

Быстрое прототипирование и быстрое производство

Компании используют 3D-принтеры в процессе проектирования для создания прототипов с конца семидесятых. Использование 3D-принтеров для этих целей называется быстрым прототипированием.

Зачем использовать 3D-принтеры для быстрого создания прототипов?
Вкратце: это быстро и относительно дешево. От идеи до 3D-модели и удержания прототипа в руках — это вопрос дней, а не недель. Выполнять итерации проще и дешевле, и вам не нужны дорогие формы или инструменты.

Помимо быстрого прототипирования, 3D-печать также используется для быстрого производства. Быстрое производство — это новый метод производства, при котором предприятия используют 3D-принтеры для краткосрочного / мелкосерийного изготовления на заказ.

Автомобилестроение

Производители автомобилей уже давно используют 3D-печать. Автомобильные компании печатают запасные части, инструменты, приспособления и приспособления, а также детали для конечного использования. 3D-печать позволила производить продукцию по требованию, что привело к снижению уровня запасов и сокращению циклов проектирования и производства.

Автомобильные энтузиасты во всем мире используют детали, напечатанные на 3D-принтере, для восстановления старых автомобилей. 

Авиация

Авиация любит аддитивное производство, во многом из-за обещания легких и прочных конструкций, предлагаемых 3D-печатью. В последнее время мы стали свидетелями целого ряда инноваций в области авиации, когда печатаются более важные детали.

Центральная рама турбины

Одним из таких крупных компонентов, напечатанных в этом году, была центральная рама турбины, которая была напечатана GE в рамках инициативы ЕС «Чистое небо 2».

Усовершенствованная интегрированная турбинная центральная рама с присадкой (TCF) представляет собой деталь диаметром 1 метр, напечатанную из никелевого сплава компанией GE и консорциумом из Гамбургского технологического университета (TUHH), Дрезденского технического университета (TUD) и Autodesk. Это одна из самых больших металлических деталей, напечатанных для авиации.

Обычно подобные компоненты изготавливаются методом литья и состоят из нескольких деталей. В случае с 3D-печатной версией объем сборки из 150 деталей сократился до всего лишь одной детали. Печатная версия также выигрывает от снижения как стоимости, так и массы на 30%, а также от сокращения времени выполнения заказа с 9 месяцев всего до 10 недель.

Металлические детали, сертифицированные EASA

Еще в июне 2022 года сообщалось, что Lufthansa Technik и Premium AEROTEC создали первую несущую металлическую деталь, которая была одобрена для использования в авиации.

Новый A-link был изготовлен с использованием формата LPBF и продемонстрировал более высокую прочность на разрыв по сравнению с традиционно изготовленной версией.

Деталь была изготовлена на заводе Premium AEROTEC в Вареле, Германия, и большое количество тестовых деталей было напечатано и протестировано для обеспечения качества и повторяемости для сертификации.

Печать детали позволила снизить затраты на компонент и заложила основу для использования этого метода производства для создания конструкционно важных металлических деталей в будущем. Он также использовался для тестирования процесса и демонстрации процесса сертификации несущих деталей AM.

Гиперзвуковая топливная форсунка

Этот следующий печатный элемент никогда не предназначался для установки на самолет, скорее, он был разработан для установки в установке для тестирования условий потока на гиперзвуковых скоростях.

При полете в гиперзвуковом режиме полета выше (5 Маха) воздух, проходящий вокруг транспортного средства, становится невероятно горячим, и давление значительно возрастает. Эти условия могут привести к химической реакции самого воздуха, что создает проблемы для устройств.

Моделирование условий потока с помощью CFD требует больших вычислительных затрат (если вообще возможно), и поэтому, чтобы воспроизвести условия потока, исследователи из Purdue изготовили гигантскую горелку для воссоздания горячего, быстрого и высокого давления, испытываемого при гиперзвуковом полете. Короче говоря, они в основном построили сопло ракеты и поместили тестовые компоненты в выхлопную трубу, чтобы посмотреть, как они работают.

Напечатанные форсунки подают топливо и воздух в камеру сгорания, создавая особые поля турбулентного потока и стабильное пламя.

Форсунки были напечатаны с использованием Hastelloy X, суперсплава с превосходной термостойкостью. Команда быстро напечатала несколько разных форсунок и протестировала их все в горелке, чтобы определить, какая из них работает лучше всего.

Теперь они способны воспроизводить гиперзвуковые условия полета на Земле с минимальными затратами (и риском), связанными с выполнением этого на высоте нескольких километров над поверхностью Земли. Это может принести пользу быстрым летательным аппаратам, таким как реактивные двигатели, а также космическим аппаратам.

Конструирование

Возможно ли напечатать здание? – да, возможно. Дома с 3D-печатью уже имеются в продаже. Некоторые компании печатают сборные детали, а другие делают это на месте.

Большинство рассказов о печати бетона, которые мы рассматриваем на этом веб-сайте, посвящены крупномасштабным системам печати бетона с довольно большими соплами для большой скорости потока. Это отлично подходит для укладки слоев бетона довольно быстрым и воспроизводимым способом. Но для действительно сложной конкретной работы, в которой в полной мере используются возможности 3D-печати, требуется что-то более гибкое и с более тонкими штрихами.

Потребительские товары

Когда мы впервые начали вести блоги о 3D-печати в 2011 году, 3D-печать не была готова к использованию в качестве метода производства больших объемов. В настоящее время существует множество примеров потребительских товаров с 3D-печатью для конечного использования.

Обувь

Подошва Adidas серии 4D полностью напечатана на 3D-принтере и печатается в больших объемах. Тогда мы опубликовали статью, в которой объясняли, как Adidas изначально выпускала для широкой публики всего 5000 пар обуви, а к 2018 году планировала продать 100 000 пар моделей с добавлением AM.

С их последними модификациями обуви кажется, что они превзошли эту цель или находятся на пути к ее достижению. Обувь доступна по всему миру в местных магазинах Adidas, а также в различных сторонних онлайн-магазинах.

Очки

Прогнозируется, что к 2028 году рынок очков с 3D-печатью достигнет 3,4 миллиарда долларов. Быстро растущий сегмент — это оправы для конечного использования. 3D-печать является особенно подходящим методом производства оправ для очков, поскольку индивидуальные измерения легко обрабатывать в конечном продукте.

Но знаете ли вы, что линзы также можно печатать на 3D-принтере? Традиционные стеклянные линзы изначально не получаются тонкими и легкими; они вырезаются из гораздо большего куска материала, называемого заготовкой, около 80% которого идет в отходы. Если учесть, сколько людей носят очки и как часто им нужно менять пару, то 80% из этих цифр — пустая трата времени. Кроме того, лабораториям приходится хранить огромные запасы заготовок для удовлетворения индивидуальных потребностей своих клиентов. Наконец, однако, технология 3D-печати достаточно продвинулась вперед, чтобы создавать высококачественные офтальмологические линзы на заказ, избавляя от отходов и складских затрат прошлого. 3D-принтер Luxexcel VisionEngine использует акрилатный мономер, отверждаемый ультрафиолетовым излучением, для печати двух пар линз в час, которые не требуют полировки или какой-либо последующей обработки. Области фокусировки также можно полностью настроить таким образом, чтобы определенная область объектива обеспечивала лучшую четкость на расстоянии, в то время как другая область объектива обеспечивает лучшее зрение вблизи.

Ювелирные изделия

Существует два способа изготовления ювелирных изделий с помощью 3D-принтера. Вы можете использовать прямой или непрямой производственный процесс. Прямое производство подразумевает создание объекта непосредственно на основе 3D-дизайна, в то время как непрямое производство означает, что объект (шаблон), напечатанный на 3D-принтере, в конечном итоге используется для создания формы для литья по выплавляемым моделям.

Здравоохранение

В наши дни нередко можно увидеть заголовки об имплантах, напечатанных на 3D-принтере. Часто такие случаи носят экспериментальный характер, из-за чего может показаться, что 3D-печать все еще является второстепенной технологией в медицине и оздоровлении, но это уже не так. За последнее десятилетие более 100 000 эндопротезов тазобедренного сустава были напечатаны в 3D компанией GE Additive.

Чашка Delta-TT, разработанная доктором Гвидо Граппиоло и LimaCorporate, изготовлена из трабекулярного титана, который характеризуется правильной трехмерной шестиугольной ячеистой структурой, имитирующей морфологию трабекулярной кости. Трабекулярная структура повышает биосовместимость титана, стимулируя врастание кости в имплантат. Некоторые из первых имплантатов Delta-TT все еще хорошо работают более десяти лет спустя.

Еще один компонент здравоохранения, напечатанный на 3D-принтере, который хорошо справляется с тем, чтобы его нельзя было обнаружить, — это слуховой аппарат. По оценкам, 99% производимых слуховых аппаратов изготавливаются с использованием аддитивного производства, и понятно, почему.

Стоматологическая

В стоматологической промышленности мы видим, что формы для прозрачных элайнеров, возможно, являются самыми распространенными объектами 3D-печати в мире. В настоящее время формы печатаются на 3D-принтере с помощью процессов 3D-печати на основе смолы и порошка, а также с помощью струйной печати материала. Коронки и зубные протезы уже печатаются непосредственно на 3D-принтере вместе с хирургическими направляющими.

Биопечать

В начале двухтысячных технология 3D-печати изучалась биотехнологическими фирмами и научными кругами на предмет возможного использования в тканевой инженерии, где органы и части тела создаются с использованием струйных технологий. Слои живых клеток наносятся на гелевую среду и медленно наращиваются, образуя трехмерные структуры. Мы обозначаем эту область исследований термином: биопечать.

Еда

Аддитивное производство давно вторглось в пищевую промышленность. Такие рестораны, как Food Ink и Melisse, используют это как уникальную торговую точку для привлечения клиентов со всего мира.

Образование

Преподаватели и студенты уже давно используют 3D-принтеры в классе. 3D-печать позволяет студентам быстро и доступно воплощать свои идеи.

Хотя специальные степени по аддитивному производству довольно новы, университеты уже давно используют 3D-принтеры в других дисциплинах. Существует множество образовательных курсов, которые можно пройти, чтобы освоить 3D-печать. Университеты предлагают курсы по предметам, смежным с 3D-печатью, таким как САПР и 3D-дизайн, которые могут быть применены к 3D-печати на определенном этапе.

Что касается прототипирования, многие университетские программы ориентированы на принтеры. Существуют специализации в области аддитивного производства, которые можно получить, получив степень в области архитектуры или промышленного дизайна. Печатные прототипы также очень распространены в искусстве, анимации и изучении моды.

Типы технологий и процессов 3D-печати

Существует набор стандартов, которые классифицируют аддитивные производственные процессы по 7 категориям. Это:

1. Фотополимеризация
   1. Стереолитография (SLA)
   2. Цифровая обработка света (DLP)
   3. Непрерывное изготовление жидкостного интерфейса (CLIP)
2. Струйная обработка материала
3. Струйная обработка связующего
4. Экструзия материала
   1. Моделирование методом наплавки (FDM)
   2. Изготовление плавленых нитей (FFF)
5. Сплав порошкового слоя
   1. Multi Jet Fusion (MJF)
   2. Селективное лазерное спекание (SLS)
   3. Прямое лазерное спекание металла (DMLS)
6. Ламинирование листов
7. Направленное нанесение энергии

Фотополимеризация НДС

3D-принтер, основанный на методе фотополимеризации в чане, имеет контейнер, заполненный фотополимерной смолой. Смола отверждается с помощью источника ультрафиолетового света.

Стереолитография (SLA)

SLA был изобретен в 1986 году Чарльзом Халлом, который также в то время основал компанию 3D Systems. В стереолитографии используется емкость с жидкой отверждаемой фотополимерной смолой и ультрафиолетовый лазер для создания слоев объекта по одному за раз. Для каждого слоя лазерный луч рисует поперечное сечение рисунка детали на поверхности жидкой смолы. Воздействие ультрафиолетового лазерного излучения отверждает рисунок, нанесенный на смолу, и сплавляет его со слоем ниже.

После нанесения рисунка платформа лифта SLA опускается на расстояние, равное толщине одного слоя, обычно от 0,05 мм до 0,15 мм. Затем лезвие, заполненное смолой, проводит по поперечному сечению детали, повторно покрывая ее новым материалом. На этой новой жидкой поверхности прослеживается рисунок последующего слоя, соединяющегося с предыдущим слоем. В зависимости от объекта и ориентации печати SLA часто требует использования поддерживающих конструкций.

Цифровая обработка света (DLP)

DLP или цифровая обработка света относится к методу печати, в котором используются светочувствительные полимеры. Хотя он очень похож на SLA, ключевым отличием является источник света. DLP использует другие источники света, такие как дуговые лампы. DLP работает относительно быстро по сравнению с другими технологиями 3D-печати.

Непрерывное изготовление жидкостного интерфейса (CLIP)

Один из самых быстрых процессов, использующих фотополимеризацию в чане, называется CLIP, сокращение от непрерывного получения жидкого интерфейса, разработанный Carbon.

Цифровой синтез света

В основе процесса CLIP лежит технология цифрового синтеза света. В этой технологии свет от специального высокопроизводительного светодиодного светового движка проецирует последовательность УФ-изображений, обнажающих поперечное сечение 3D-печатной детали, в результате чего отверждаемая УФ-смолой частичная отверждаемость происходит точно контролируемым образом. Кислород проходит через кислородопроницаемое окно, создавая тонкую границу раздела жидкости из неотвержденной смолы между окном и печатаемой деталью, известную как мертвая зона. Толщина мертвой зоны составляет всего десять микрон. Внутри мертвой зоны кислород препятствует отверждению светом смолы, расположенной ближе всего к окну, что обеспечивает непрерывный поток жидкости под печатаемой деталью. Чуть выше мертвой зоны ультрафиолетовый свет, проецируемый вверх, вызывает каскадное отверждение детали.

Простая печать только на оборудовании Carbon не обеспечивает свойств конечного использования в реальных приложениях. После придания свету формы детали второй программируемый процесс отверждения позволяет достичь желаемых механических свойств путем запекания 3d-печатной детали в термальной ванне или духовке. Запрограммированное термическое отверждение задает механические свойства, запуская вторичную химическую реакцию, в результате чего материал укрепляется, достигая желаемых конечных свойств.

Компоненты, напечатанные по технологии Carbon, не уступают деталям, отлитым под давлением. Цифровой синтез света обеспечивает стабильные и предсказуемые механические свойства, создавая детали, которые действительно изотропны.

Струйная обработка материала

В этом процессе материал наносится каплями через сопло небольшого диаметра, аналогично тому, как работает обычный струйный бумажный принтер, но он наносится слой за слоем на платформу сборки, а затем отверждается ультрафиолетовым излучением.

Струйная обработка связующего

При струйной печати используются два материала: порошковая основа и жидкое связующее. В камере сборки порошок распределяется равными слоями, а связующее наносится через струйные форсунки, которые “склеивают” частицы порошка в требуемой форме. После завершения печати счищается оставшийся порошок, который часто можно повторно использовать при печати следующего объекта. Эта технология была впервые разработана в Массачусетском технологическом институте в 1993 году.

Экструзия материала

Моделирование методом наплавки (FDM)

FDM работает с использованием пластиковой нити, которая разматывается с катушки и подается в экструзионную насадку, которая может включать и выключать поток. Сопло нагревается для расплавления материала и может перемещаться как в горизонтальном, так и в вертикальном направлениях с помощью механизма с числовым программным управлением. Объект создается путем выдавливания расплавленного материала с образованием слоев, поскольку материал затвердевает сразу после выдавливания из сопла.

FDM был изобретен Скоттом Крампом в конце 80-х годов. После патентования этой технологии он основал компанию Stratasys в 1988 году. Термин Моделирование методом наплавления и его сокращение от FDM являются товарными знаками Stratasys Inc.

Изготовление плавленых нитей (FFF)

Точно эквивалентный термин «Изготовление плавленых нитей» (FFF) был придуман участниками проекта RepRap для обозначения фразы, использование которой юридически не ограничено.

Сплав порошкового слоя

Селективное лазерное спекание (SLS)

SLS использует лазер высокой мощности для сплавления мелких частиц порошка в массу, имеющую желаемую трехмерную форму. Лазер избирательно расплавляет порошок, сначала сканируя поперечные сечения (или слои) на поверхности слоя порошка. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка уменьшается на толщину одного слоя. Затем сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет завершен.

Multi Jet Fusion (MJF)

Технология Multi Jet Fusion была разработана компанией Hewlett Packard и работает с подметальным рычагом, который наносит слой порошка, а затем с другим рычагом, оснащенным струйными принтерами, которые выборочно наносят связующее вещество на материал. Струйные принтеры также наносят детализирующий агент на связующее для обеспечения точных размеров и гладкой поверхности. Наконец, слой подвергается воздействию тепловой энергии, которая вызывает реакцию агентов.

Прямое лазерное спекание металла (DMLS)

DMLS в основном такой же, как SLS, но вместо него используется металлический порошок. Весь неиспользованный порошок остается таким, какой он есть, и становится опорной структурой для объекта. Неиспользованный порошок можно повторно использовать для следующей печати.

Благодаря возросшей мощности лазера DMLS превратился в процесс лазерной плавки. Подробнее об этой и других металлических технологиях читайте на нашей странице обзора металлических технологий

Ламинирование листов

Листовое ламинирование включает в себя формирование листов из материала, который скрепляется между собой под действием внешней силы. Листы могут быть металлическими, бумажными или полимерными. Металлические листы послойно свариваются между собой ультразвуковой сваркой, а затем фрезеруются с ЧПУ до нужной формы. Можно использовать и бумажные листы, но они склеиваются клеевым составом и обрезаются по форме точными лезвиями.

Направленное нанесение энергии

Этот процесс в основном используется в металлообрабатывающей промышленности и в приложениях для быстрого производства. Устройство для 3D-печати обычно крепится к многоосевой роботизированной руке и состоит из сопла, которое наносит металлический порошок или проволоку на поверхность, и источника энергии (лазер, электронный луч или плазменная дуга), который расплавляет его, формируя твердый объект.

Материалы

В аддитивном производстве могут использоваться различные материалы: пластмассы, металлы, бетон, керамика, бумага и некоторые пищевые продукты (например, шоколад). Материалы часто производятся из проволочного сырья, также известного как нить накала, в порошковой форме или жидкая смола