что такое 3d-печать и как она работает?

Что такое 3D-печать？

3D-печать, также известная как аддитивное производство, — это производственный процесс, при котором трехмерные объекты создаются путем послойного добавления материала на основе цифрового дизайна или модели. Эта технология позволяет создавать сложные и индивидуальные объекты непосредственно из сгенерированных компьютером 3D-моделей. Она принципиально отличается от традиционных процессов субтрактивного производства, которые предполагают вырезание или механическую обработку материала из большого блока для получения нужной формы.

Как это работает？

Принцип работы 3D-печати заключается в создании физических объектов путем послойного нанесения или затвердевания материала на основе цифровой 3D-модели с использованием таких технологий, как экструзия, полимеризация или спекание.

Процесс 3D-печати

Как правило, процесс 3D-печати состоит из 4 этапов: проектирование, нарезка, печать и постобработка.

Проектирование

На этом начальном этапе создается 3D-модель объекта с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (CAD) или на основе существующих 3D-моделей или 3D-сканов.

Дизайнеры учитывают различные факторы, такие как размеры объекта, его форма, целостность конструкции и эстетические соображения.

Опорные конструкции могут быть добавлены к модели в цифровом виде, если конструкция включает выступы или сложные элементы, требующие устойчивости во время печати.

Нарезка

Программное обеспечение для нарезки используется для преобразования 3D-модели в серию горизонтальных слоев поперечного сечения, обычно сотни или тысячи.

Эти слои, по сути, являются двухмерными сечениями 3D-модели, а программное обеспечение для нарезки создает подробные инструкции в виде G-кода для 3D-принтера.

На этом этапе задаются параметры печати: толщина слоя (разрешение), скорость печати, плотность заполнения (плотность внутренней структуры) и опорные конструкции для нависающих деталей.

Печать

После подготовки цифровой модели в 3D-принтер загружается выбранный материал для печати, который может включать различные пластики, смолы, металлы и керамику.

3D-принтер считывает инструкции G-кода и начинает создавать объект слой за слоем.

В зависимости от конкретной технологии 3D-печати, нанесение материала может включать экструзию и нагрев (FDM), отверждение ультрафиолетовым светом (SLA), спекание с помощью лазера (SLS) или другие методы.

Постобработка

После завершения процесса печати напечатанный объект проходит несколько этапов постобработки:

Осмотр: Проводится тщательная проверка на наличие дефектов, искривлений или изъянов.

Удаление опор: Если во время печати для поддержания стабильности использовались поддерживающие конструкции, они удаляются. Для этого могут использоваться ручные или автоматизированные процессы.

Финишная обработка: в зависимости от желаемого внешнего вида и функциональности 3D-печати могут быть выполнены такие задачи, как шлифовка, обрезка, покраска или сборка.

Различные типы технологий 3D-печати

Моделирование методом наплавленного осаждения

Моделирование методом наплавленного осаждения — это процесс аддитивного производства, при котором 3D-принтер нагревает и экструдирует непрерывную нить термопластичного материала слой за слоем. Эти слои точно накладываются друг на друга для создания 3D-объекта. Моделирование методом наплавленного осаждения известен своей доступностью, простотой использования и пригодностью для быстрого создания прототипов и производства функциональных деталей. Он широко используется в различных отраслях промышленности и любителями.

Преимущества

• Недорогой и доступный для личного использования и малого бизнеса.
• Хорошо подходит для быстрого создания прототипов и функциональных деталей.
• Широкий выбор доступных термопластичных материалов.

Недостатки

• Ограниченное разрешение, что может привести к появлению видимых линий слоя.
• Склонны к короблению и проблемам с адгезией слоев.
• Для получения более гладкой поверхности часто требуется постобработка.

Стереолитография

Стереолитография — это технология 3D-печати, в которой используется ультрафиолетовый лазер для выборочного послойного отверждения жидкой фотополимерной смолы. Смола застывает под воздействием ультрафиолетового света, создавая желаемую 3D-форму. Стереолитография ценится за высокое разрешение печати, что делает ее идеальной для производства сложных и детализированных моделей, прототипов и компонентов для таких отраслей, как автомобилестроение, медицина и производство потребительских товаров.

Преимущества

• Печать с высоким разрешением и гладкой поверхностью.
• Идеально подходит для сложных и детализированных моделей.
• Точные и стабильные результаты.

Недостатки

• Материал из смолы может быть дорогим.
• Требуется УФ-покрытие.
• Ограниченный выбор материалов по сравнению с Моделирование методом наплавленного осаждения

Селективное лазерное спекание

Селективное лазерное спекание — это метод аддитивного производства, в котором используется мощный лазер для послойного спекания порошкообразного материала. Под воздействием тепла лазера частицы порошка сплавляются, образуя твердый объект. Селективное лазерное спекание известен своей способностью создавать сложные геометрические формы, включая внутренние структуры, и используется в таких отраслях, как аэрокосмическая, автомобильная и медицинская.

Преимущества

• Отлично подходит для сложных геометрических форм и внутренних структур.
• Поддерживает широкий спектр материалов, включая металлы.
• Функциональные и прочные детали с хорошими механическими свойствами.

Недостатки

• Высокая стоимость оборудования и технического обслуживания.
• Поверхность более шероховатая по сравнению с Стереолитография
• Ограниченная точность для очень мелких деталей.

Прямое лазерное спекание металлов

Прямое лазерное спекание металлов — это технология аддитивного производства, в которой используется мощный лазер для выборочного послойного спекания или расплавления металлического порошка, обычно сплавов, таких как нержавеющая сталь, титан или алюминий. В результате этого процесса получаются полностью плотные и функциональные металлические детали с отличными механическими свойствами. Прямое лазерное спекание металлов широко используется в аэрокосмической, медицинской и автомобильной промышленности для производства сложных металлических компонентов и прототипов.

Преимущества

• Производит полностью плотные металлические детали с отличными механическими свойствами.
• Высокая точность и аккуратность.

Недостатки

• Дорогие машины и высокие эксплуатационные расходы.
• Ограниченный выбор материалов по сравнению с другими методами.
• Может потребоваться последующая обработка для улучшения качества поверхности и точности размеров.

Полиструйная печать

Полиструйная печать — это технология 3D-печати, которая основана на нанесении крошечных капель жидкой фотополимерной смолы на платформу. Каждая капля отверждается ультрафиолетовым излучением сразу после нанесения, что позволяет точно накладывать несколько материалов и цветов за одну печать. PolyJet предпочитают за высокое разрешение и возможности работы с несколькими материалами, что делает его подходящим для самых разных сфер применения — от дизайна изделий до медицинского моделирования.

Преимущества

• Высокое разрешение и возможность работы с несколькими материалами.
• Полноцветная печать для создания реалистичных прототипов.
• Поддерживает различные жесткие и гибкие материалы.

Недостатки

• Относительно дорогие в эксплуатации и обслуживании.
• Ограниченный размер сборки по сравнению с некоторыми другими технологиями.
• Напечатанные детали могут потребовать постобработки для достижения оптимальной прочности.

Материалы для 3D-печати

Выбор материалов для 3D-печати — важнейший этап в процессе аддитивного производства, и он требует тщательного учета различных факторов для обеспечения успеха вашего проекта. Вот важные соображения при выборе материалов для 3D-печати:

Назначение и применение: Определите назначение вашего 3D-печатного объекта. Он предназначен для создания прототипов, функциональных деталей, художественных моделей или для других целей?

Технология печати: Различные технологии 3D-печати (например, моделирование методом наплавленного осаждения, стереолитография, селективное лазерное спекание) работают с определенными материалами. Убедитесь в совместимости с вашим принтером.

Свойства материала: Учитывайте механические (например, прочность, гибкость, вязкость), термические (например, температура плавления, теплостойкость) и другие специфические свойства (например, электропроводность, химическая стойкость), необходимые для вашего применения.

Стабильность размеров: Выбирайте материал с минимальной усадкой или деформацией, чтобы сохранить точность размеров при окончательной печати.

Распространенные материалы для SLS

Селективное лазерное спекание использует лазер для спекания порошкообразного материала в твердые слои. Эта технология отличается разнообразием выбора материалов:

• Нейлон11
• Нейлон12
• TPU
• Нейлоновый композит

Распространенные материалы для Моделирование плавленым напылением

В технологии Моделирование плавленым напылением объекты создаются слой за слоем путем экструзии нагретой нити. Рассмотрим некоторые из основных материалов, обычно используемых в Моделирование плавленым напылением:

• ABS
• PLA
• PETG
• нейлон
• HIPS
• TPU
• PVA

Композит (например, углеродное волокно, стекловолокно, кевлар)

Распространенные материалы для стереолитография

В стереолитографии используются жидкие фотополимерные смолы, которые застывают под воздействием ультрафиолетового света для получения точных отпечатков с высоким разрешением. Вот некоторые распространенные материалы для стереолитографии:

• Стандартная смола.
• Прозрачная смола.
• Черновая смола.
• Прочная и долговечная смола.
• Жесткая смола.
• Полиуретановая смола.
• Гибкая и эластичная смола.
• Медицинская и стоматологическая смола.
• Смола ESD (электростатический разряд).
• Огнестойкая смола.
• Керамическая смола.

Распространенные материалы для DMLS

При прямом лазерном спекании металлов используется мощный лазер для выборочного сплавления металлического порошка в твердые слои. Это универсальный процесс, особенно подходящий для создания сложных металлических деталей. Вот некоторые распространенные материалы, используемые при прямом лазерном спекании металлов:

• Нержавеющая сталь
• Алюминий
• Титан
• Кобальтовый хром
• Инконель

Распространенные материалы для Polyjet

PolyJet — это технология, при которой крошечные капли жидкого фотополимерного материала распыляются и отверждаются ультрафиолетовым излучением, что позволяет создавать объекты с точными деталями и несколькими материалами или цветами за один отпечаток. Вот некоторые распространенные материалы, используемые в PolyJet:

• Цифровые материалы
• Цифровой ABS-пластик
• Резиноподобные материалы
• Высокотемпературные материалы
• Прозрачные материалы
• Жесткие непрозрачные материалы
• Материалы, имитирующие полипропилен
• Биосовместимые материалы

Примеры 3D-печати

3D-печать совершает революцию в промышленности. Она создает объекты путем послойного добавления материала. Эта технология обеспечивает гибкость, персонализацию и эффективность. В следующих примерах мы увидим, как она меняет способы производства и совершенствует различные отрасли.

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмическая промышленность находится в авангарде внедрения 3D-печати. Она использует эту технологию для изготовления сложных компонентов, таких как детали двигателей, лопатки турбин и структурные кронштейны, которые требуют одновременно легких свойств и высоких эксплуатационных характеристик. 3D-печать позволяет создавать сложные геометрические формы, которые зачастую недостижимы при использовании традиционных методов производства. Это особенно выгодно для снижения общего веса самолетов, что повышает топливную эффективность и снижает эксплуатационные расходы.

Тематическое исследование: Ракетные двигатели SpaceX

SpaceX, компания-первопроходец в области освоения космоса, широко использует 3D-печать для производства компонентов ракет. В частности, эта технология используется для двигателей SuperDraco в космическом корабле Crew Dragon. 3D-печать позволяет SpaceX быстро создавать прототипы и производить сложные детали двигателей, способствуя инновациям и снижению стоимости космических путешествий.

Медицина и здравоохранение

3D-печать произвела революцию в медицине, предлагая широкий спектр применений — от имплантатов и протезов для конкретного пациента до анатомических моделей для планирования операций. Она позволяет медицинским работникам настраивать медицинские устройства, улучшая результаты и комфорт пациентов. Кроме того, 3D-печать используется для создания фармацевтических препаратов с точной дозировкой.

Тематическое исследование: Имплантаты с учетом особенностей пациента

Ведущие медицинские компании, такие как Stryker, используют 3D-печать для производства имплантатов, ориентированных на конкретного пациента. Эти имплантаты, будь то замена суставов или черепные имплантаты, точно соответствуют уникальным анатомическим особенностям человека. Такой уровень индивидуализации обеспечивает лучшую совместимость, сокращает время восстановления и повышает общее качество лечения.

Автомобильная промышленность

В автомобильном секторе 3D-печать используется для быстрого создания прототипов, производства сложных и легких деталей, а также для изучения инновационных концепций дизайна автомобилей. Эта технология значительно ускоряет цикл разработки продукта, позволяя создавать детали сложной геометрии и применять новые технологии производства.

Тематическое исследование: Автомобиль Strati от Local Motors

Компания Local Motors попала в заголовки газет, напечатав на 3D-принтере Strati, один из первых в мире автомобилей, напечатанных на 3D-принтере. Этот инновационный подход продемонстрировал потенциал производства автомобилей по заказу. Strati продемонстрировал гибкость и эффективность 3D-печати в автомобильной промышленности.

Бытовая электроника

В индустрии бытовой электроники 3D-печать используется для создания сложных и индивидуальных компонентов для различных устройств, включая смартфоны, носимые устройства и аудиотехнику. Эта технология позволяет улучшить эстетику, функциональность и свободу дизайна.

Тематическое исследование: 3D-печатный аудиодинамик Carbon

Компания Carbon, специализирующаяся на 3D-печати, сотрудничала с брендом бытовой электроники для создания аудиоколонки с решетчатой структурой. Дизайн колонки был оптимизирован как с точки зрения эстетики, так и качества звука, демонстрируя творческий потенциал 3D-печати на рынке потребительской электроники.

Мода и ювелирные изделия

В моде и ювелирном дизайне 3D-печать позволяет создавать уникальные, настраиваемые и замысловатые изделия, которые раньше было сложно изготовить традиционными методами. Эта технология позволяет дизайнерам расширить границы творчества.

Кейс: Кинематическое платье нервной системы

Дизайн-студия Nervous System получила признание благодаря платью Kinematics, напечатанному на 3D-принтере и сочетающему в себе моду и технологии. Это платье продемонстрировало слияние дизайнерских инноваций и 3D-печати в индустрии моды.

Архитектура и строительство

Архитекторы и строители используют 3D-печать для создания детальных архитектурных моделей, сложных строительных компонентов и даже для строительства целых домов с помощью технологии 3D-печати. Это способствует улучшению визуализации и экспериментированию с инновационными проектами.

Кейс: Bjarke Ingels Group (BIG)

Архитектурная компания BIG использует 3D-печать для создания сложных масштабных моделей своих архитектурных проектов. Эти модели помогают эффективно представлять идеи клиентам и заинтересованным сторонам, позволяя им детально представить конечную структуру.

Пища и кулинарное искусство

3D-печать завоевывает все большую популярность в кулинарном мире, предлагая возможность создавать сложные, художественные и настраиваемые блюда. Шеф-повара и рестораны используют 3D-принтеры, чтобы повысить уровень обслуживания гостей, предлагая уникальные и визуально ошеломляющие блюда.

Тематическое исследование: 3D-печатный обед от Food Ink

Food Ink — ресторан и поп-ап-ресторан, использующий технологию 3D-печати для создания съедобных скульптур, замысловатых десертов и персонализированных блюд. Этот захватывающий кулинарный опыт демонстрирует творческий потенциал 3D-печати в гастрономии.

Резюме

В этой статье рассказывается о технологии 3D-печати: что это такое, как она работает, различные типы технологий 3D-печати, популярные материалы, используемые в различных технологиях 3D-печати, и промышленные примеры 3D-печати.

Чтобы узнать больше об услугах 3D-печати и выбрать оптимальную технологию 3D-печати и материал для ваших проектов, свяжитесь с представителем SogaWorks. SogaWorks предлагает широкий спектр услуг 3D-печати для ваших индивидуальных проектов. Получите бесплатное предложение без лишних хлопот с помощью нашей системы мгновенных расценок.