Что означает 3D-печать? Полное руководство

«Что вы подразумеваете под 3D-печатью?»

Этот вопрос я слышу постоянно, и это один из самых важных вопросов в современном производстве.

Проще говоря, «3D-печатный» объект — это объект, созданный слой за слоем на основе цифрового проекта. Вот и всё. Вместо того, чтобы начать с блока материала и отсекая лишнее, 3D-печать начинается с нуля и добавляет материал только там, где это необходимо, по одному микроскопическому слою за раз, пока не появится конечный объект.

Вот почему официальный промышленный термин для 3D-печати — Производство добавок. Это полная противоположность методам производства, господствовавшим в истории человечества.

Великий разрыв: аддитивное и субтрактивное производство

Чтобы по-настоящему понять значение 3D-печати, необходимо понять ее противоположность: Субтрактивное производство. На протяжении тысячелетий, если мы хотели что-то создать, мы использовали субтрактивный процесс.

• Скульптор берёт кусок мрамора (исходный материал) и откалывает от него всё, что не похоже на статую. Это субтрактивный процесс.
• Механик начинает с цельного бруска алюминия и использует токарный станок или фрезерный станок разрезать, просверлить и отшлифовать его, превратив в прецизионную деталь двигателя. Это субтрактивный процесс.
• Даже простой плотник, вырезающий ложку из куска дерева, использует субтрактивный процесс.

Субтрактивное производство — мощный и точный метод, но по своей сути он расточителен. Отрезанный материал, называемый стружкой или стружкой, часто трудно перерабатывать, что приводит к потере затрат и ресурсов. Что ещё важнее, оно ограничивает возможности создания форм. Если невозможно обработать определённую область режущим инструментом, невозможно создать нужную деталь.

Производство добавок Это переворачивает всю эту парадигму с ног на голову. Моя любимая аналогия такова:

Субтрактивное производство похоже на вырезание статуи слона из куска мрамора. Добавка производство это как строить того же слона из LEGO, по одному маленькому кирпичику за раз.

Метод LEGO исключает отходы. Вы используете только те кирпичики, которые вам необходимы. Более того, внутри слона можно создавать невероятно сложные внутренние конструкции, недоступные даже резцу скульптора. В этом и заключается основная магия 3D-печати.

Так почему же мы называем это «печатью»?

Термин «печать» может показаться немного запутанным. Мы ассоциируем его с нанесением чернил на бумагу. Но на самом деле эта аналогия вполне уместна.

Подумайте о том, как струйный принтер 2D типография работаетПечатающая головка движется вперёд и назад, нанося крошечные капли чернил линия за линией, создавая двумерное изображение. 3D-принтер работает по схожему принципу, но вместо одного слоя чернил он наносит слой материала (например, расплавленного пластика). Затем платформа печати слегка опускается (или печатающая головка поднимается), и печатает следующий слой непосредственно поверх предыдущего.

Это буквально означает печать двухмерного среза объекта снова и снова, пока тысячи плоских слоев не сложатся вместе, создавая трехмерную форму.

Краткая история «мгновенной» революции

Хотя 3D-печать кажется футуристической технологией, которая буквально взорвала общественное сознание в последнее десятилетие, её корни уходят в 1980-е годы. Первая успешная коммерческая технология 3D-печати, получившая название Стереолитография (SLA), был изобретен Чаком Халлом в 1984 году.

На протяжении десятилетий эта и подобные ей технологии были невероятно дорогими и сложными, ограничиваясь исследовательскими лабораториями и отделами прототипирования крупных корпораций, таких как автомобильные и аэрокосмические. Они использовали эту технологию для так называемого «быстрого прототипирования» — возможности быстро создавать физическую модель новой детали, чтобы проверить её форму и соответствие требованиям перед использованием дорогостоящей оснастки для массового производства.

Революция, сделавшая 3D-печать доступной широким массам, произошла в середине 2000-х годов. Произошло два ключевых события:

1. Проект RepRap: В Великобритании был запущен проект с открытым исходным кодом, целью которого было создание 3D-принтера, способного печатать большинство своих компонентов самостоятельно. Это демократизировало аппаратное и программное обеспечение, сделав его доступным для любителей и мастеров-любителей.
2. Истекающие патенты: Срок действия основополагающих патентов на наиболее распространённую технологию настольной 3D-печати (FDM) начал истекать. Это открыло путь сотням новых компаний к созданию доступных настольных машин, что привело к снижению цены с десятков тысяч долларов до всего нескольких сотен.

Инструмент, ранее доступный только компаниям из списка Fortune 500, внезапно стал доступен студентам, художникам, предпринимателям и любителям прямо у них дома.

Универсальный рабочий процесс: от идеи к объекту

Независимо от конкретной используемой технологии, каждый напечатанный на 3D-принтере объект следует одному и тому же основному рабочему процессу:

1. Цифровое проектирование (САПР): Во-первых, вам нужен цифровой чертеж. Он создается с помощью системы автоматизированного проектирования (САПР). Это могут быть как простые бесплатные программы, такие как Tinkercad, так и профессиональные инженерные пакеты, такие как SolidWorks или Fusion 360.
2. Экспорт в STL: Затем модель САПР сохраняется в универсальном Файл для 3D-печати формат, чаще всего STL (стандартный язык тесселяции) Файл. Этот формат файла описывает геометрию поверхности объекта с помощью сетки взаимосвязанных треугольников.
3. Нарезка: Затем STL-файл импортируется в программу-слайсер. Слайсер делает именно то, что следует из его названия: он нарезает 3D-модель на сотни или тысячи тонких горизонтальных слоёв. Он также генерирует траектории и инструкции, которым должен следовать принтер.
4. Печать (G-код): Слайсер выводит файл инструкций, называемый G-код. Это машинный язык Он точно указывает принтеру, куда двигаться, с какой скоростью и сколько материала наносить на каждом этапе процесса. Вы отправляете этот файл на принтер, и он начинает печатать ваш объект слой за слоем.

Теперь, когда мы имеем полное представление о базовой концепции, её истории и базовом рабочем процессе, мы можем подробнее рассмотреть конкретные методы, которые 3D-принтер использует для преобразования G-кода в физический объект. В следующей части мы рассмотрим «большую тройку» технологий 3D-печати: FDM, SLA и SLS.

Моделирование методом послойного наплавления (FDM): рабочая лошадка

Если вы когда-либо видели настольный 3D-принтер в школе, библиотеке или мастерской любителя, то это почти наверняка был FDM-принтер. Это, безусловно, самая распространённая, доступная и понятная технология 3D-печати в мире.

Название, Моделирование сплавленного осаждения, звучит сложно, но процесс удивительно прост. Моя любимая аналогия: FDM-принтер работает как роботизированный пистолет для горячего клея.

Вот как это работает:

1. Состав: Сырьё представляет собой сплошную термопластиковую нить, намотанную на катушку. Представьте себе толстый рулон пластиковой лески для прополки сорняков. Распространенные материалы включают: PLA (биоразлагаемый и простой в печати пластик из кукурузного крахмала), PETG (то же семейство пластиков, которое используется в бутылках для воды и известно своей прочностью), и ABS (прочный, ударопрочный пластик, используемый для изготовления кубиков LEGO).
2. Экструзия:  нить подается с катушки в нагретую печатную машину голова называется ЭкструдерВнутри экструдера нагревательный элемент плавит пластик до точной полужидкой температуры.
3. Депонирование: Затем принтер проталкивает расплавленный пластик через крошечное сопло, нанося тонкий, точный слой материала на платформу для печати.
4. Здание: Принтер перемещает печатающую головку (или платформу печати) по осям X и Y, «рисуя» первый двухмерный слой объекта. После завершения печати слоя платформа печати опускается на доли миллиметра, и принтер начинает печатать следующий слой непосредственно поверх первого. Расплавленный пластиковые предохранители в расположенный ниже слой по мере его охлаждения и затвердевания.

Этот процесс повторяется, слой за слоем, пока не будет готов конечный объект. Видимые линии, которые часто можно увидеть и почувствовать на поверхности FDM-печать отдельные слои — явный признак производственного процесса.

• Ключевые Сильные стороны: FDM популярен не просто так. Он невероятно экономичен, машины надёжны, и существует огромное разнообразие материалы доступны в разных цветах и ​​с разными свойствами (например, гибкий, с добавлением древесины, армированный углеродным волокном). Идеально подходит для быстрого прототипирования, создания функциональных деталей, любительских моделей и специальных приспособлений и приспособлений.
• Основные недостатки: Основная проблема — разрешение. Поскольку материал выдавливается через сопло, невозможно добиться микроскопической детализации, доступной другими методами. Послойный процесс также создаёт «анизотропную» деталь, то есть она значительно слабее по оси Z (между слоями), чем по осям X и Y.

Стереолитография (SLA): Художник

Если FDM — рабочая лошадка, то SLA — художник. Это была самая первая в истории технология 3D-печати, и она остаётся золотым стандартом для достижения потрясающих результатов. чистота поверхности и замысловатые детали.

Вместо плавления пластиковой нити, SLA-печать работает по принципу отверждения жидкой светочувствительной смолы с помощью точного источника ультрафиолетового излучения. Это можно сравнить с лазерной указкой, которой вы рисуете по ванночке с жидкостью, мгновенно затвердевая в местах попадания света.

Вот как работает современный «перевернутый» процесс SLA:

1. Состав: Сырье представляет собой жидкость фотополимерная смола выдерживается в неглубокой емкости с прозрачным дном.
2. Отверждение: Платформа для печати опускается в ванну, оставляя между ней и дном ванны тонкий слой смолы. Ультрафиолетовый лазер или цифровой проектор (технология DLP) просвечивает сквозь прозрачное дно, сканируя форму первого слоя и мгновенно затвердевая.
3. Здание: Затем платформа для сборки поднимается, отделяя затвердевший слой от дна ванны. Затем она снова опускается, оставляя новый тонкий слой жидкой смолы, и процесс повторяется. Объект строится вверх дном, слой за слоем, медленно вытаскивая его из ванны с жидкой смолой.

После завершения печати требуется двухэтапная постобработка: во-первых, промывка в изопропиловом спирте для удаления остатков незатвердевшей жидкой смолы, а во-вторых, окончательное отверждение в УФ-камере для придания детали максимальной прочности и стабильности.

• Ключевые Сильные стороны: Детали, детали, детали. Технология SLA позволяет производить детали абсолютно гладкие, почти литые под давлением. чистота поверхности. Он способен создавать настолько малые детали, что их трудно увидеть невооруженным глазом. Это делает его незаменимой технологией для ювелиров, создающих литейные модели, зуботехнических лабораторий, изготавливающих хирургические шаблоны, и инженеров, создающих высокодетализированные прототипы, которые должны выглядеть как конечный продукт.
• Основные недостатки: Процесс может быть сложным из-за использования жидких смол. Детали требуют последующей обработки, что увеличивает время и трудозатраты. Эти материалы дороже и менее долговечны, чем многие FDM-термопластики, и со временем могут стать хрупкими под воздействием солнечного света.

Селективное лазерное спекание (SLS): The Industrialist

Если FDM — это рабочая лошадка, а SLA — художник, то SLS — промышленник. Это мощная, передовая технология, используемая для производства прочных, долговечных и сложных функциональных деталей без ограничений, присущих другим методам.

Технология SLS работает по принципу использования мощного лазера для сплавления или «спекания» порошкообразного материала слой за слоем.

Вот как выглядит процесс:

1. Состав: Сырьем является гранулированный полимерный порошок, обычно нейлон (например, PA11 или PA12). Этот порошок заполняет контейнер принтера.
2. Спекание: Валик или лезвие наносят тонкий, как бумага, слой порошка по рабочей платформе. Затем мощный CO2-лазер сканирует поперечное сечение детали, находя этот слой, и нагревает порошок до температуры чуть ниже его температура плавления, заставляя частицы сливаться вместе.
3. Здание: Платформа для сборки опускается, сверху наносится новый слой порошка, и лазер спекает следующий слой, сплавляя его с нижним.

Это продолжается до тех пор, пока деталь не будет полностью заключена в блок неспеченного порошка. После охлаждения блок извлекается, а готовые детали извлекаются из порошка, который затем перерабатывается для следующего задания печати.

Именно здесь, на мой взгляд, SLS становится поистине революционным. Неспечённый порошок, окружающий деталь во время печати, служит ей же собственной поддерживающей структурой. Это означает, что SLS позволяет создавать невероятно сложные, взаимосвязанные и замысловатые геометрические формы, которые невозможно изготовить методами FDM или SLA, требующими одноразовых поддерживающих структур, которые впоследствии необходимо удалять.

• Ключевые Сильные стороны: Метод SLS позволяет производить прочные и функциональные детали с механическими свойствами, аналогичными свойствам деталей, полученных литьём под давлением. Отсутствие необходимости в опорных конструкциях даёт конструкторам практически полную геометрическую свободу. Этот метод также отлично подходит для серийного производства, поскольку позволяет размещать десятки более мелких деталей в одном объёме для одновременной печати, что значительно снижает стоимость изготовления одной детали.
• Основные недостатки: машины SLS очень дороги и требуют контролируемой среды, что делает их недоступными для любителей. чистота поверхности На ощупь слегка зернистый или песчаный, а детали обладают некоторой пористостью. Выбор материалов также более ограничен по сравнению с FDM.

Прямое сравнение

Чтобы облегчить выбор, вот краткая справочная таблица, сравнивающая большую тройку:

Понимание этих трёх основных технологий — ключ к пониманию возможностей 3D-печати объекта. Выбор технологии определяет окончательную прочность, внешний вид, стоимость и сложность объекта.

Теперь, когда мы знаем, что такое 3D-печать и основные способы ее осуществления, остается последний вопрос: Почему Так ли это важно? Каковы основные преимущества построения послойно? заключительная частьмы рассмотрим основные преимущества аддитивного производства и рассмотрим реальные приложения, которые меняют наш мир.

Четыре суперспособности аддитивного производства

За свою карьеру я работал как с традиционным, так и с аддитивным производством и пришёл к выводу, что преимущества 3D-печати можно разделить на четыре отдельные «суперспособности». Вот основные причины, по которым инженеры, дизайнеры, врачи и предприниматели обращаются к этой технологии для решения своих самых сложных задач.

1. Геометрическая свобода: сложность бесплатна

Это, на мой взгляд, самое важное и революционное преимущество. В мире традиционного производства сложность означает стоимость. Каждое дополнительное отверстие, изгиб или элемент, добавляемый к детали в процессе фрезерный станок с ЧПУ требуется больше времени на программирование, больше смен инструмента и больше времени на обработку на станке, что повышает стоимость.

В мире 3D-печати это правило полностью противоположно. Сложность по сути бесплатна.

Поскольку объект создаётся слой за слоем, 3D-принтеру всё равно, представляет ли собой слой простой сплошной круг или невероятно сложную решётчатую структуру. Время сканирования такого слоя одинаково. Это разрушает традиционные ограничения дизайна и открывает целый мир новых возможностей:

• Облегчение: Теперь мы можем проектировать детали, которые являются полыми или имеют внутреннюю сотовую или гироидную структуру, устраняя материал там, где он не нужен, без ущерба для прочности. Это абсолютный прорыв в таких отраслях, как аэрокосмическая и автомобильная, где каждый сэкономленный грамм напрямую влияет на топливную экономичность и производительность.
• Объединение частей: Сборка, которая когда-то требовала 20 различных небольших детали, которые будут изготовлены А затем скреплённые болтами, сваркой или склейкой детали теперь можно перепроектировать и напечатать как единое целое. Это сокращает время сборки, устраняет потенциальные точки отказа и зачастую приводит к получению более прочного и лёгкого конечного изделия.
• Невозможные геометрии: Мы можем создавать объекты с внутренними каналами, взаимосвязанными компонентами, напечатанными на месте, и органическими формами, которые невозможно фрезеровать, отливать или формовать.

Эта свобода означает, что когда деталь печатается на 3D-принтере, ее конструкция часто оптимизируется для производительность, а не из-за ограничений производственного процесса.

2. Скорость и итерация: возможность «быстро терпеть неудачи»

Разработка продукта — это цикл проектирования, создания прототипа, его тестирования и повторения процесса до достижения идеального результата. Раньше этап «создание прототипа» был серьёзным препятствием. Изготовление одного прототипа традиционными методами могло занять недели, а то и месяцы, и обойтись в тысячи долларов.

3D-печать устраняет это узкое место.

Я могу спроектировать новую деталь утром и к полудню получить в руки физический, функциональный прототип. Эта возможность перейти от цифровой идеи к реальному объекту всего за несколько часов — настоящая трансформация. Она позволяет командам дизайнеров:

• Быстрая итерация: Испытать десятки различных конструкций за время, которое потребовалось бы для изготовления одного прототипа традиционным способом.
• Выход из строя быстрее и дешевле: Обнаружить изъян в дизайне 20D-принтера стоимостью 3 долларов гораздо лучше, чем обнаружить его на модели стоимостью 10,000 XNUMX долларов. Литьевая пресс-форма Инструмент. Это стимулирует эксперименты и приводит к получению более качественных и совершенных конечных продуктов.
• Улучшить общение: Физическая модель — это универсальный язык. Гораздо эффективнее, если дизайнер передал спроектировать деталь, напечатанную на 3D-принтере, чем пытаться объяснить сложная 3D-модель на 2D-экране.

Когда вы слышите о том, что продукт был «напечатан на 3D-принтере» на этапе разработки, это означает, что у его создателей была возможность быстро развивать свои идеи, что привело к более инновационной и надежной окончательной конструкции.

3. Массовая кастомизация и производство по запросу

Традиционная модель производства построена на Экономия от масштаба. Создание сборочной линии стоит целое состояние, поэтому, чтобы она приносила прибыль, приходится производить сотни тысяч одинаковых изделий. Это мир массового производства.

3D-печать основана на экономика одного, Так как нет для определенной детали требуются специальные инструменты или настройкиСтоимость производства одного товара равна стоимости производства десятого или сотого. Это полностью меняет экономическую модель и делает возможными две невероятные вещи:

• Массовая персонализация: Теперь мы можем создавать продукты, идеально подходящие каждому пользователю. Например, слуховые аппараты, идеально подходящие к внутренней части уха человека, хирургические имплантаты, разработанные по результатам компьютерной томографии пациента, или кроссовки с решетчатой ​​структурой межподошвы, оптимизированной под походку конкретного человека.
• Производство по требованию: Компаниям больше не нужно держать огромные склады, полные запасных деталей, которые могут никогда не пригодиться. Вместо этого они могут вести «цифровой инвентарь» 3D-файлов и просто печатать детали по мере необходимости. Это настоящая революция для цепочек поставок, сокращающая отходы и обеспечивающая мгновенное производство деталей даже для машин, которым десятки лет.

4. Эффективность материалов и цепочки поставок

Субтрактивное производство по своей природе расточительно. Чтобы изготовить небольшой металлический кронштейн, можно взять цельный кусок алюминия и отфрезеровать 80%, превратив этот дорогостоящий материал в кучу стружки на полу.

Аддитивное производство — это полная противоположность. Вы начинаете с нуля и добавляете материал только там, где он необходим. Это приводит к значительному сокращению отходов, что не только дешевле, но и гораздо более экологично. Более того, возможность печатать детали локально и по запросу значительно упрощает цепочки поставок, снижая потребность в международных поставках и связанный с ними углеродный след.

Где 3D-печать меняет мир

Эти суперспособности — не просто теория; они ежедневно применяются практически в каждой отрасли. Когда вы слышите о чём-то, «напечатанном на 3D-принтере», это, скорее всего, часть одной из этих историй:

• Aerospace: Инженеры таких компаний, как Boeing и GE, печатают на 3D-принтере сложные топливные форсунки и лёгкие кронштейны для самолётов и ракет. Эти объединённые, лёгкие детали позволяют экономить миллионы долларов на топливе за весь срок службы самолёта.
• Здравоохранение: Это, пожалуй, самое инновационное применение. Хирурги используют анатомические модели, напечатанные на 3D-принтере, для отработки навыков проведения сложных операций. Пациенты получают индивидуальные коленные имплантаты, спинальные кейджи и протезы конечностей, напечатанные на 3D-принтере, идеально соответствующие их телу.
• Автомобили: Авто Производители 3D-печатных прототипов двигателей компоненты, специальные приспособления и приспособления для ускорения своих сборочных линий, а теперь начинают печатать детали конечного использования для высокопроизводительных и роскошных автомобилей.
• Потребительские товары: Компании используют 3D-печать для создания самых разных товаров: от индивидуальных очков и ювелирных изделий до высокопроизводительных решеток в межподошве кроссовок Adidas.

Окончательный вердикт: новый образ мышления

Так что же означает, когда что-то «напечатано на 3D-принтере»?

Это означает нечто большее, чем просто процесс его изготовления. Это знаменует собой фундаментальный сдвиг в нашем подходе к созданию физических объектов. Это означает, что объект, вероятно, был разработан без традиционных ограничений, что позволило достичь уровня сложности и оптимизации, который ранее был немыслим. Это означает, что он, вероятно, разрабатывался быстрее, с большим количеством итераций и доработок. И это означает, что он может стать частью нового мира производства по требованию, персонализированного и экологичного производства.

3D-печать — это не волшебная палочка, которая заменит все остальные формы производства. Нам по-прежнему будут нужны эффективность литья под давлением и точность CNC-обработка. Но это невероятно мощный и универсальный набор инструментов, который занял прочное место в современной мастерской. Он изменил не только то, как мы создаём вещи, но, что ещё важнее, что мы можем сделать.

Референсы

• ASTM International – Комитет F42 по технологиям аддитивного производства – Официальный орган, устанавливающий стандарты и терминологию для отрасли аддитивного производства.
• Отчет Волерса – Неоспоримая «библия» индустрии 3D-печати, предоставляющая исчерпывающие данные и анализ состояния технологии на каждый год.

Условия использования

Информация на этой странице предназначена только для информационных целей. RM Компания не предоставляет никаких гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности или полноты данной информации. Для любых услуг третьих лиц, приобретённых через RM сеть, покупатель несет ответственность за указание и подтверждение параметров производительности, допусков, материалыи качество работы в процессе составления сметы. Для получения более подробной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами.o Свяжитесь с нами.

RM: Ваш партнер в области точного производства

RM является лидером отрасли в индивидуальные производственные решения. Обладая более чем 20-летним богатым опытом, мы стали надежным партнером для более чем 5,000 клиентов по всему миру. Мы специализируемся на широком спектре производственных услуг, включая высокоточную обработку. CNC-обработка, изготовление листового металла, 3D печать, литье под давлением и металлическое тиснение— чтобы предоставить вам истинную опыт комплексного обслуживания.

Наше предприятие мирового класса оснащено более чем 100 современными Обработка по оси 5 центры и работают в строгом соответствии с ISO 9001:2015 Система контроля качестваМы стремимся предоставлять решения, сочетающие в себе скорость, эффективность и исключительное качество, клиентам в более чем 150 странах. Быстрое прототипирование до крупномасштабного производства мы гарантируем доставку в течение 24 часов, помогая вам получить конкурентное преимущество на рынке. Выбор РМ означает выбор эффективного, надежного и профессионального производственного партнера.

Ознакомьтесь с нашими возможностями уже сегодня, посетив наш веб-сайт: www.rapmaf.com