ЩО ТАКЕ 3D-ДРУК?

ЩО ТАКЕ 3D-ДРУК? - ВИЗНАЧЕННЯ І ТИПИ ТЕХНОЛОГІЇ

3D-друк, також відомий як адитивне виробництво, - це метод пошарового створення тривимірного об'єкта за допомогою створеного на комп'ютері дизайну.

3D-друк - це адитивний процес, при якому шари матеріалу нарощуються для створення тривимірної деталі. Це протилежно до субтрактивної технології виробництва, при якій кінцева конструкція вирізається з більшого блоку матеріалу. В результаті при 3D-друку утворюється менше відходів матеріалу.

3D-друк також відмінно підходить для створення складних виробів на замовлення, що робить його ідеальним для швидкого створення прототипів .

  1. Які матеріали можна використовувати?
  2. Історія
  3. Технології
  4. Типи процесів
  5. Скільки часу це займає?
  6. Переваги і недоліки
  7. Що таке файл STL?
  8. Галузі
  9. Послуги
  10. Поширені запитання

Які матеріали можна використовувати у 3D-друкі?
Існує безліч матеріалів для 3D-друку, включаючи термопласти, такі як акрилонітрил-бутадієн-стирол (ABS) , метали (включаючи порошки) , смоли та кераміку.

Історія 3D-друку


Хто винайшов 3D-друк?


Найбільш раннє обладнання для 3D-друку було розроблено Хідео Кодамою з Муніципального промислового дослідницького інституту Нагої, коли він винайшов два адитивні методи виготовлення 3D-моделей.

Коли було винайдено 3D-друк?
Грунтуючись на роботах Ральфа Бейкера з виготовлення декоративних виробів (патент US423647A), проведених у 1920-х роках, Хідео Кодама в 1981 завершив ранню роботу з швидкого створення прототипів зі смоли лазерного затвердіння. Його винахід було розширено протягом наступних трьох десятиліть, з появою стереолітографії у 1984 році. Чак Халл із компанії 3D Systems винайшов перший 3D-принтер у 1987 році, який використовував процес стереолітографії. За ним були такі розробки, як селективне лазерне спікання і селективне лазерне плавлення, серед інших. У 1990-х - 2000-х роках були розроблені інші дорогі системи 3D-друку, хоча їхня вартість різко знизилася після закінчення терміну дії патентів у 2009 році, що відкрило технологію для більшої кількості користувачів.

Технології 3D-друку


Існує три основні типи технологій 3D-друку: спікання, плавлення та стереолітографія.

Спікання - це технологія, за якої матеріал нагрівається, але не до точки плавлення, для створення виробів високої роздільної здатності. Металевий порошок використовується для прямого лазерного спікання металів, а термопластичні порошки для селективного лазерного спікання.


Плавильні методи 3D-друку включають плавлення порошкового шару, електронно-променеве плавлення та пряме енергетичне осадження. Для друку об'єктів використовують лазери, електричні дуги або електронні промені, які розплавляють матеріали при високих температурах.


Стереолітографія використовує фотополімеризацію для створення деталей. Ця технологія використовує правильне джерело світла для виборчої взаємодії з матеріалом для затвердіння та затвердіння поперечного перерізу об'єкта тонких шарах.


Процеси 3D-друку


Типи 3D-друку


Процеси 3D-друку, також відомі як адитивне виробництво, були поділені на сім груп відповідно до ISO/ASTM 52900 Адитивне виробництво – загальні принципи – термінологія. Всі види 3D-друку належать до одного з наступних типів:

  1. Струмене нанесення зв'язуючої речовини
  2. Пряме термічне нанесення
  3. Екструзія матеріалу
  4. Струменева обробка матеріалу
  5. Сплавлення порошкового шару
  6. Ламінування листів
  7. ФОТО Полімеризація матеріалів

Струмене нанесення зв'язуючої речовини

При струминній обробці сполучного на платформу наноситься тонкий шар порошкоподібного матеріалу, наприклад, металу, полімерного піску або кераміки, після чого голівка друкує наносить краплі клею для скріплення частинок разом. Таким чином, деталь формується шар за шаром, і після цього може знадобитися подальша обробка для завершення складання. Як приклади подальшої обробки металеві деталі можуть бути термічно спечені або просочені металом з низькою температурою плавлення, таким як бронза, а повнокольорові полімерні або керамічні деталі можуть бути просочені ціаноакрилатним клеєм.

Струмене нанесення сполучного може використовуватися в різних областях, включаючи 3D-друк металу, повнокольорові прототипи та великомасштабні керамічні форми.

Пряме термічне нанесення

При прямому термічному нанесенні використовується сфокусована теплова енергія, така як електрична дуга, лазер або електронний промінь для сплавлення дроту або порошкової сировини в процесі нанесення. Процес проходить горизонтально до створення шару, а шари укладаються вертикально до створення деталі.

Цей процес може використовуватися з різними матеріалами, включаючи метали, кераміку та полімери.

Видавлювання матеріалів


Екструзія матеріалу або моделювання методом наплавлення (FDM) використовує котушку нитки, яка подається в екструзійну голівку з нагрітим соплом. Екструзійна головка нагріває, розм'якшує та укладає нагрітий матеріал у заданих місцях, де він остигає, створюючи шар матеріалу, після чого платформа для складання переміщається вниз для наступного шару.

Цей процес є економічно ефективним і має короткі терміни виготовлення, але при цьому відрізняється низькою точністю розмірів і часто вимагає подальшої обробки для створення гладкої поверхні. Цей процес також має тенденцію до створення анізотропних деталей, що означає, що вони слабші в одному напрямку і тому не підходять для критичних застосувань.

Струменева обробка матеріалів

Струменева обробка матеріалів працює аналогічно струминного друку, тільки замість нанесення чорнила на сторінку, цей процес наносить шари рідкого матеріалу за допомогою однієї або кількох друкуючих головок. Потім шари отверждаются, після чого процес починається заново наступного шару. Струменева обробка матеріалу вимагає використання опорних конструкцій, але вони можуть бути виготовлені з водорозчинного матеріалу, який можна змити після завершення процесу.

Точний процес, струминна обробка матеріалів є одним із найдорожчих методів 3D-друку, а деталі, як правило, тендітні і з часом руйнуються. Однак цей процес дозволяє створювати повнокольорові деталі різних матеріалів.

Сплавлення порошкового шару

Сплавлення порошкового шару (PBF) - це процес, в якому теплова енергія (наприклад, лазер або електронний промінь) вибірково сплавляє ділянки порошкового шару для формування шару, і шари нашаруються один на одного для створення деталі. Слід зазначити, що PBF охоплює процеси спікання, так і плавлення. Основний метод роботи всіх систем з порошковим шаром однаковий: лезо або валик наносять тонкий шар порошку на платформу для збирання, потім поверхня порошкового шару сканується джерелом тепла, яке вибірково нагріває частинки, щоб зв'язати їх разом. Після того, як шар або поперечний переріз проскановано джерелом тепла, платформа переміщається вниз, щоб процес почався з наступного шару. Кінцевим результатом є обсяг, що містить одну або кілька сплавлених деталей, оточених незачепленим порошком. Коли складання завершено, платформа повністю піднімається, щоб можна було витягти деталі з незачепленого порошку і почати будь-яку необхідну подальшу обробку.

Селективне лазерне спікання (SLS) часто використовується для виготовлення полімерних деталей і добре підходить для прототипів або функціональних деталей завдяки отриманим властивостям, а відсутність опорних структур (шар порошку виступає як опора) дозволяє створювати деталі зі складною геометрією. Отримані деталі можуть мати зернисту поверхню та внутрішню пористість, що означає необхідність подальшої обробки.

Пряме лазерне спікання металів (DMLS), селективне лазерне плавлення (SLM) та електронно-променеве сплавлення порошкового шару (EBPBF) схожі на SLS, за винятком того, що ці процеси створюють деталі з металу, використовуючи лазер для пошарового з'єднання частинок порошку. У той час як SLM повністю розплавляє частинки металу, DMLS нагріває їх лише до точки плавлення, внаслідок чого вони з'єднуються на молекулярному рівні. І SLM, і DMLS вимагають наявності опорних конструкцій через високі теплові витрати, необхідні в процесі. Ці опорні конструкції потім видаляються при подальшій обробці або вручну або за допомогою ЧПУ. Нарешті, деталі можуть піддаватися термічній обробці зі зняттям залишкових напруг.

І DMLS, і SLM виробляють деталі з відмінними фізичними властивостями – часто міцніше, ніж звичайний метал, та з гарною обробкою поверхні. Вони можуть використовуватися для обробки металевих суперсплавів та іноді кераміки, які важко обробляти іншими способами. Однак ці процеси можуть бути дорогими, а розмір деталей, що одержуються, обмежений обсягом використовуваної системи 3D-друку.

Ламінування листів


Ламінування листів можна розділити на дві різні технології: виробництво ламінованих об'єктів (LOM) та ультразвукове адитивне виробництво (UAM). LOM використовує шари матеріалу і клею, що чергуються, для створення виробів з візуальною та естетичною привабливістю, а UAM з'єднує тонкі листи металу за допомогою ультразвукового зварювання. UAM – це низькотемпературний, низькоенергетичний процес, який може використовуватися з алюмінієм, нержавіючою сталлю та титаном.

Фото Полімеризація матеріалів

Фотополімеризацію можна розділити на дві технології: стереолітографію (SLA) та цифрову обробку світла (DLP). Обидва ці процеси створюють пошарово деталі за допомогою світла для вибіркового затвердіння рідкої смоли у ванні. У SLA для процесу затвердіння використовується одноточковий лазер або джерело ультрафіолетового випромінювання, а DLP на поверхню ванни наноситься зображення кожного шару. Після друку деталі необхідно очистити від надлишків смоли, а потім піддати дії джерела світла для підвищення міцності деталей. Будь-які опорні конструкції також необхідно видалити, а для створення якіснішої обробки можна використовувати додаткову пост-обробку.

Ідеально підходить для деталей з високим рівнем точності розмірів, ці процеси дозволяють створювати складні деталі з гладкою поверхнею, що робить їх ідеальними для виробництва прототипів. Однак, оскільки деталі виходять крихкішими, ніж при моделюванні методом наплавленого осадження (FDM), вони менше підходять для функціональних прототипів. Крім того, ці деталі не підходять для використання на відкритому повітрі, оскільки колір та механічні властивості можуть погіршитись під впливом ультрафіолетового випромінювання сонця. Необхідні опорні конструкції можуть залишати плями, для видалення яких потрібна подальша обробка.

Скільки часу займає 3D-друк?


Час друку залежить від ряду факторів, включаючи розмір деталі та параметри для друку. Якість готової деталі також важлива при визначенні часу друку, оскільки якісніші вироби вимагають більше часу на виготовлення. 3D-друк може займати від декількох хвилин до кількох годин або днів - швидкість, роздільна здатність та обсяг матеріалу є тут важливими факторами.

Переваги і недоліки


До переваг 3D-друку належать:

Індивідуальне, економічно ефективне створення складних геометричних форм:
Ця технологія дозволяє легко створювати геометричні деталі на замовлення, причому додаткова складність не вимагає додаткових витрат. У деяких випадках 3D-друк дешевший, ніж субтрактивні методи виробництва, оскільки не використовуються додаткові матеріали.
Доступні початкові витрати:
Оскільки не потрібні прес-форми, витрати, пов'язані з цим виробничим процесом, є відносно низькими. Вартість деталі безпосередньо залежить від кількості матеріалу, часу, витраченого на виготовлення деталі, і будь-якої подальшої обробки, яка може знадобитися.
Повна налаштовуваність:
Оскільки процес заснований на автоматизованому проектуванні (CAD), будь-які зміни у виробі легко вносяться без шкоди вартості виробництва.
Ідеально підходить для швидкого створення прототипів:
Оскільки технологія дозволяє виготовляти невеликі партії та виробляти продукцію на власному виробництві, цей процес ідеально підходить для створення прототипів, що означає, що продукція може бути створена швидше, ніж при використанні традиційніших методів виробництва, і без залежності від зовнішніх ланцюжків поставок.
Дозволяє створювати деталі зі специфічними властивостями:
Хоча пластмаси та метали є найбільш поширеними матеріалами, що використовуються у 3D-друку, існує також можливість створення деталей із спеціально розроблених матеріалів з бажаними властивостями. Так, наприклад, можна створювати деталі з високою термостійкістю, водовідштовхувальні властивості або підвищеною міцністю для конкретних застосувань.

До недоліків 3D-друку належать:

Міцність може бути нижчою, ніж при традиційному виробництві:
Хоча деякі деталі, наприклад, виготовлені з металу, мають відмінні механічні властивості, багато інших 3D-друкованих деталей більш крихкі, ніж ті, які створюються традиційним способом. Це тому, що деталі створюються пошарово, що знижує їх міцність на 10-50%.
Збільшення вартості за великих обсягів виробництва:
Великі обсяги виробництва обходяться дорожче при використанні 3D-друку, оскільки економія від масштабу не впливає на цей процес, так як це відбувається при використанні інших традиційних методів. Оцінки показують, що за прямого порівняння ідентичних деталей 3D-друк менш рентабельна, ніж обробка на верстатах з ЧПУ або лиття під тиском за обсягом понад 100 одиниць, за умови, що деталі можуть бути виготовлені традиційним способом.
Обмеження точності:
Точність надрукованої деталі залежить від типу використовуваного верстата та/або процесу. Деякі настільні принтери мають більш низькі допуски, ніж інші, що означає, що кінцеві деталі можуть трохи відрізнятися від ескізів. Хоча це можна виправити за допомогою постобробки, слід враховувати, що 3D-друковані деталі не завжди можуть бути точними.
Вимоги до постобробки:
Більшість 3D-друкованих деталей потребують певної форми постобробки. Це може бути шліфування або вирівнювання для створення необхідної обробки, видалення опорних стійок, які дозволяють матеріалам набувати заданої форми, термічної обробки для досягнення певних властивостей матеріалу або остаточної механічної обробки.

Що таке STL-файл?


STL-файл - це простий формат, що переноситься, використовуваний системами автоматизованого проектування (CAD) для визначення твердої геометрії деталей для 3D-друку. STL-файл надає вхідну інформацію для 3D-друку, моделюючи поверхні об'єкта у вигляді трикутників, що мають спільні грані та вершини з іншими сусідніми трикутниками для платформи збирання. Роздільна здатність файлу STL впливає на якість 3D-друку - при надто високій роздільній здатності файлу трикутники можуть перекриватися, при надто низькому - модель матиме зазори, що зробить її непридатною для друку. Багато 3D-принтерів вимагають STL-файл для друку, однак ці файли можна створити в більшості програм CAD.

Галузі 3D-друку


Завдяки універсальності процесу, 3D-друк знаходить застосування у різних галузях промисловості, наприклад:

Аерокосмічна промисловість


3D-друк використовується в аерокосмічній (і астрокосмічній) промисловості завдяки можливості створення легких, але геометрично складних деталей, таких як блиски. Замість того, щоб збирати деталь з декількох компонентів, 3D-друк дозволяє створювати виріб як єдине ціле, скорочуючи час виготовлення та відходи матеріалів.

Автомобільна промисловість


Автомобільна промисловість прийняла 3D-друк завдяки властивому їй зниженню ваги та вартості. Вона також дозволяє швидко створювати прототипи нових або виготовлених на замовлення деталей для випробувань чи дрібносерійного виробництва. Так, наприклад, якщо певна деталь більше не випускається, її можна виготовити в рамках невеликої партії на замовлення, включаючи виробництво запасних частин. Або ж елементи або пристрої можуть бути надруковані за одну ніч і готові до тестування перед більшим виробництвом.

Медицина


Медичний сектор знайшов застосування 3D-друку у створенні імплантатів та пристроїв, виготовлених за індивідуальними розмірами. Наприклад, слухові апарати можуть бути швидко створені на основі цифрового файлу, який можна порівняти зі сканом тіла пацієнта. 3D-друк також може значно скоротити витрати та час виробництва.

Залізничний транспорт


Залізнична галузь знайшла ряд застосувань для 3D-друку, включаючи створення деталей на індивідуальне замовлення, таких як підлокітники для машиністів та кришки корпусів для зчіпних пристроїв поїздів. Виготовлення деталей на замовлення – лише одне із застосувань у залізничній промисловості, яка також використовує цей процес для ремонту зношених рейок.

Робототехніка


Швидкість виробництва, свобода дизайну та простота налаштування конструкції роблять 3D-друк ідеально придатним для робототехніки. Сюди входить робота зі створення екзоскелетів на замовлення та маневрених роботів з покращеною маневреністю та ефективністю.