Полное руководство по 3D-печати [часть 2]

3D-печать используется в различных отраслях промышленности, как для быстрого создания прототипов, так и для краткосрочного производства.

В различных отраслях промышленности ключевым применением 3D-печати является быстрое прототипирование новых деталей в ходе НИОКР. Ни одна другая технология не обладает такими возможностями для мгновенного изготовления пластиковых или металлических деталей - даже в незаводских условиях.

3D принтеры могут использоваться собственными силами компаний, в то время как некоторые предприятия предпочитают заказывать 3D-печатные прототипы через сервисные бюро.

Медицина

3D-печать может использоваться для изготовления медицинских компонентов, таких как титановые имплантаты и хирургические направляющие (SLM), 3D-печатные протезы (SLS, FDM) и даже 3D-биопечатные человеческие ткани. Компоненты для медицинского оборудования и техники - рентгеновских аппаратов, МРТ и т.д. - также могут быть изготовлены методом 3D-печати.

Технологии SLA и SLS также широко используются в стоматологической промышленности для изготовления моделей, протезов и реставраций.

Аэрокосмическая промышленность

Аэрокосмическая отрасль стала одним из основных потребителей технологии 3D-печати, поскольку с ее помощью можно изготавливать очень легкие детали с отличным соотношением прочности и веса. В качестве примера можно привести такие простые детали, как перегородки кабины (SLS), и вплоть до революционных компонентов двигателя (SLM), таких как 3D-печатный наконечник топливной форсунки, разработанный и изготовленный компанией GE.

Автомобили

Автомобильные компании регулярно используют 3D-принтеры для изготовления разовых запчастей и ремонта, а также быстрых прототипов. К распространенным 3D-печатным деталям автомобилей относятся кронштейны, компоненты приборной панели и антенны (FDM).

Более экстремальные примеры включают автомобили с крупными металлическими 3D-печатными структурными компонентами, как, например, ранние модели от автомобильного стартапа Divergent.

Ювелирные изделия и искусство

Технологии 3D-печати, такие как SLA, широко используются (в качестве непрямого процесса изготовления) в производстве и ремонте ювелирных изделий, в то время как практически все виды 3D-принтеров могут использоваться для создания произведений искусства и скульптур.

Конструирование

Достижения в области аддитивного производства с высоким качеством изготовления расширили сферу применения в строительстве и архитектуре. 3D-печать по бетону, которая немного напоминает FDM, но с очень широконасадочными экструдерами, играет важную роль в этой отрасли, но более распространенные технологии 3D-печати, такие как SLM, могут использоваться для изготовления таких изделий, как мостовые конструкции.

Детали для 3D-печати могут быть разработаны с помощью стандартного программного обеспечения CAD, но 3D-принтеры могут читать только определенные форматы файлов. Существует четыре основных формата файлов для 3D-печати.

STL: Самый распространенный формат файлов для 3D-принтеров, STL содержит информацию о геометрии детали в виде тесселированных треугольников. Он не содержит такой информации, как цвет, материал или текстура. Размер файла пропорционален детализации, что может быть проблемой.

OBJ: Формат файла OBJ, менее распространенный, чем STL, кодирует геометрию 3D-модели и может включать кривые и поверхности свободной формы в дополнение к тесселяции. Он также может содержать информацию о цвете, материале и текстуре, что делает его полезным для полноцветных процессов.

3MF: Изобретенный компанией Microsoft, 3MF - это формат на основе XML с небольшими размерами файлов и хорошим уровнем предотвращения ошибок. Он еще не получил широкого распространения, но его поддерживают такие компании, как Stratasys, 3D Systems, Siemens, HP и GE.

AMF: Преемник формата STL, AMF гораздо более компактен и позволяет тесселировать как изогнутые треугольники, так и плоские, что значительно упрощает кодирование деталей различных форм. С момента своего появления формат принимался медленно.

В 3D-печати используется специфическая терминология, которая может быть непонятна новичкам. Эти термины относятся к настройкам и/или спецификациям принтера, которые могут повлиять на то, какими получатся 3D-печатные детали.

Наполнитель

При изготовлении 3D-печатных деталей может потребоваться указать процент заполнения, который относится к внутренней плотности детали. Низкий процент заполнения приведет к получению в основном полой детали с минимальным количеством материала, удерживающего форму вместе; высокий процент заполнения приведет к получению прочной, плотной и более тяжелой детали.

Высота слоя

Высота слоя, иногда называемая разрешением по оси Z, - это расстояние между одним двухмерным слоем детали и следующим. Меньшая высота слоя означает более тонкое разрешение (и более высокий возможный уровень детализации) вдоль оси Z, т.е. сверху вниз. Небольшая высота слоя является показателем высококачественного принтера, но пользователи могут задать большую высоту слоя для более быстрой и экономичной печати.

Скорость печати

Скорость печати принтера, измеряемая в миллиметрах в секунду, указывает на скорость, с которой машина может обрабатывать исходный материал. Как и высота слоя, это значение может быть либо показателем максимальной скорости принтера, либо определяться пользователем: более низкая скорость печати обычно позволяет получать более точные отпечатки.

Температура печати

Применимо к таким процессам, как FDM, температура печати обычно относится к температуре хотенда - части печатающей головки, которая нагревает термопластичную нить. Некоторые FDM-принтеры также оснащены подогреваемым печатным слоем, температура которого указывается производителем. В обоих случаях температура обычно контролируется пользователем.

Разрешение

В 3D-печати разрешение почти всегда относится к наименьшему возможному перемещению вдоль осей X и Y (ширина и глубина) либо лазерного луча (SLA, SLM и т.д.), либо печатающей головки (FDM). Эту величину труднее измерить, чем высоту слоя, и она не всегда пропорциональна ей.

Оболочки

Как и толщина стенки при литье под давлением, оболочка (или толщина оболочки) относится к толщине внешней стенки 3D-печатной детали. При 3D-печати пользователям обычно приходится выбирать количество оболочек: одна оболочка = внешние стенки толщиной с сопло 3D-принтера; 2 оболочки = в два раза больше толщины и т.д.

Поскольку 3D-печать в основном используется в качестве инструмента для создания прототипов, для большинства приложений достаточно одноцветных отпечатков. Однако существует несколько вариантов цветной 3D-печати, включая высококлассные принтеры для струйной печати материалами, многоэкструдерные FDM-принтеры и варианты постобработки.

Технологии струйной печати

Крупнейшие компании, занимающиеся 3D-печатью, такие как Stratasys, 3D Systems и Mimaki, разработали струйные 3D-принтеры для печати материалов и связующих, которые могут печатать 3D-модели в полном цвете, как и 2D струйные принтеры. Однако эти машины стоят дорого, а детали не всегда обладают отличными механическими свойствами.

Мультиэкструзия

Несколько 3D-принтеров FDM оснащены двумя (или более) печатающими головками, что позволяет одновременно печатать на двух катушках нити - разных цветов или даже из разных материалов - в рамках одного задания печати. Это просто и доступно, но обычно ограничивается двумя цветами.

Замена филамента

На одноэкструдерном FDM 3D-принтере можно делать многоцветные отпечатки. Для этого необходимо приостанавливать печать в определенных точках и заменять катушку с нитью на нить другого цвета. Это очень медленный метод нанесения цвета и не позволяет точно контролировать, куда попадает каждый цвет.

Добавление цвета после печати

Многие 3D-печатные детали могут быть окрашены, тонированы или покрашены после печати. Хотя это добавляет еще один шаг к процессу, часто это обеспечивает наилучший баланс между качеством и экономичностью.

Многие 3D-печатные детали требуют хотя бы некоторого уровня постобработки после схода с печатного стола. Сюда могут входить такие важные процессы, как удаление опор, или дополнительные косметические процессы, например, покраска. Некоторые процессы применимы ко всем или большинству технологий 3D-печати, а некоторые - специфичны для конкретной технологии.

Удаление опоры

Технологии 3D-печати, такие как FDM и SLA, требуют установки опорных конструкций (вертикальных стоек между печатным слоем и самой деталью), чтобы напечатанный объект не разрушился в процессе изготовления.

После завершения изготовления детали эти опоры необходимо удалить. Некоторые принтеры, например, машины FDM с двойной экструзией, могут печатать опорные структуры из растворимого материала, что позволяет легко отсоединить опоры от детали с помощью жидких химикатов. Нерастворимые опоры необходимо отрезать от детали вручную, оставляя след, который, возможно, придется зашлифовать.

Смыв и удаление порошка

Некоторые технологии 3D-печати (например, SLA) оставляют на деталях липкие следы, а другие (SLM, SLS) могут оставлять следы порошка. В этих случаях детали необходимо промыть - вручную или с помощью специальной машины - или удалить порошок с помощью сжатого воздуха.

Тепловая обработка

Многие ключевые технологии 3D-печати печатают детали из материалов, которые после выхода из печатной формы еще не находятся в своем окончательном химическом состоянии. Такие детали иногда называют "зелеными".

Многие металлические 3D-печатные детали требуют термической обработки после печати, чтобы увеличить сплавление слоев и удалить загрязнения. А 3D-принтеры для струйной печати на связующем слое, например, производят детали, которые после печати нуждаются в обдирке и спекании, чтобы удалить полимерные связующее слои изнутри металлических деталей.

Некоторые 3D-печатные детали из смолы нуждаются в последующем отверждении после печати, чтобы повысить их твердость и сделать пригодными для использования.

Обработка поверхности

3D-печатные детали могут быть подвергнуты большому количеству методов обработки поверхности, от текстурных процедур, таких как шлифовка и сглаживание, до визуальных процедур, таких как покраска и тонирование. Некоторые технологии, например FDM, могут создавать довольно грубую поверхность, требующую шлифовки, в то время как другие, например SLA, создают гораздо более гладкую поверхность.

3D-печать не обязательно должна использоваться как отдельный процесс. Вместо того чтобы рассматривать ее как конкурента механической обработке с ЧПУ и литью под давлением, на самом деле она может дополнять эти и другие производственные процессы.

Примеры комбинаций включают:

• 3D-печать основной части детали, а затем фрезерование с ЧПУ тонких деталей с более жесткими допусками;
• 3D-печать мастер-шаблона для литья по выплавляемым моделям или вакуумного литья;
• 3D-печать детали, а затем литье под давлением с использованием вставного литья.

Существуют гибридные производственные системы, сочетающие 3D-печать с другими технологиями. Например, система INTEGREX i-400 AM компании Mazak и Lasertec DED компании DMG MORI могут выполнять как 3D-печать, так и фрезерование с ЧПУ.

Аналитики уже давно рассуждают о том, сможет ли 3D-печать заменить другие производственные процессы, включая:

• Обработку;
• Формовку;
• Литье.

Однако, несмотря на стремление производителей оборудования для AM позиционировать 3D-печать как сквозную технологию производства, на практике 3D-печать по-прежнему ограничена некоторыми конкретными производственными операциями, особенно малосерийным производством конкретных материалов.

В некоторых областях 3D-печать, безусловно, обогнала другие процессы. Например, быстрое прототипирование из недорогих пластмасс, таких как ABS, теперь доминирует над 3D-печатью, поскольку печать ABS обходится дешевле, чем его обработка. 3D-печать также, похоже, закрепила за собой место идеального инструмента для изготовления таких объектов, как титановые медицинские имплантаты для конкретных пациентов: скорость и геометрическая гибкость 3D-печати трудно превзойти в таких специфических ситуациях.

Кроме того, 3D-печать является идеальным инструментом для изготовления таких объектов, как титановые медицинские имплантаты для конкретных пациентов.

Несмотря на это, такие процессы, как механическая обработка с ЧПУ, в настоящее время остаются лучшими для производства высококачественных деталей и прототипов из таких инженерных материалов, как POM, PEI, PPS и PEEK, при этом качество обработки поверхности значительно превосходит 3D-печать. Кроме того, такие процессы, как литье под давлением, по-прежнему бесконечно быстрее для массового производства простых пластмассовых деталей.

Кроме того, хотя аддитивное производство является одним из самых значительных технологических достижений в производстве, что позволяет ему занять более прочные позиции в производстве в целом, более устоявшиеся процессы, такие как ЧПУ и литье под давлением, также совершенствуются для производства деталей более высокого качества.

3D-печать будет продолжать занимать все большую долю рабочих мест в производстве, но она не заменит другие технологии полностью.

Десять лет назад зарождающаяся индустрия 3D-печати готовилась к тому, что, по ее мнению, должно было стать революцией в области 3D-печати: 3D-принтер в каждом доме, позволяющий семьям печатать новые предметы, которые могут им понадобиться, например, запасную часть для холодильника, новую игрушку для детей или даже компоненты для создания второго 3D-принтера.

В 2012-2014 годах производители FDM 3D-принтеров, такие как MakerBot, активно продвигали свои 3D-принтеры на потребительском рынке, пытаясь убедить обычных людей, что 3D-принтер может улучшить их домашнюю жизнь и работу. Однако было ясно, что эти компании пытаются использовать фактор новизны 3D-печати и что их продукция не имеет практического применения; пресс-релиз MakerBot от 2012 года, кажется, доказывает это: Сделайте целый шахматный набор одним нажатием кнопки. Друзья, одноклассники, коллеги и члены семьи увидят то, что вы делаете, и скажут "Вау!".

Спустя всего несколько лет эта так называемая революция 3D-печати явно провалилась, и многие производители 3D-принтеров начали пересматривать свои цели, переходя от потребительской сферы к профессиональным и промышленным рынкам, где было больше конкретных (и прибыльных) применений аддитивной технологии.

Кроме того, те, кто уже работал в профессиональной и промышленной сфере - такие компании, как 3D Systems и Stratasys, - начали пытаться разрушить представление о 3D-печати как о технологии прототипирования, позиционируя ее как жизнеспособный инструмент массового производства (что, очевидно, могло бы быть более прибыльным для индустрии 3D-печати, поскольку производители должны были бы заполнить целые фабрики 3D-принтерами, купить программное обеспечение для управления 3D-принтерами и нанять консультантов по 3D-печати).

Компании, занимающиеся 3D-печатью, отказались от перспективы поставить 3D-принтер в каждый дом. Тем не менее, через 10 лет они могут ожидать появления той или иной формы аддитивного производства на большем количестве заводов.

Хотя сегодня о 3D-печати говорят меньше, чем в 2012 году, технология продолжает набирать обороты в профессиональном и промышленном мире.

Согласно недавнему отчету, компания по исследованию рынка 3DPBM Research ожидает, что стоимость аддитивного производства металлов вырастет с $1,6 млрд в 2020 году до $30 млрд к 2030 году, и это во многом связано с перепозиционированием AM как производственного инструмента и разработкой более высокопроизводительных инженерных материалов. (При этом 3D-печать останется ценным инструментом создания прототипов во многих отраслях, и приложения для создания прототипов получат не меньшую выгоду от технологических усовершенствований).

Однако развивается не только металлическая AM. Такие технологии, как Multi Jet Fusion от HP, открыли новые возможности для печати пластиком, а такие инноваторы, как Carbon, разработали новые высокоскоростные процессы в категории фотополимеризации. Нишевые области, такие как 3D-биопечать и микро 3D-печать, также регулярно открывают новые возможности, а композитная 3D-печать (например, 3D-печать непрерывным углеродным волокном) также находится на подъеме: по прогнозам IDTechEX, к 2030 году объем рынка композитной 3D-печати составит $1,7 млрд.

Одним словом, 3D-печать постепенно станет серьезным конкурентом другим производственным процессам во многих дисциплинах.

Инвестиции в оборудование и программное обеспечение для 3D-печати подходят не для всех предприятий, поэтому многие успешные компании передают свои потребности в 3D-печати третьим лицам, например, онлайновым бюро услуг 3D-печати (для разовых проектов) или партнерам по прототипированию и производству, таким как 3ERP (для разовых проектов или повторных заказов).

При аутсорсинге услуг 3D-печати важно учитывать, нужны ли вашему бизнесу услуги по разработке и производству или только услуги по производству. (Имейте в виду, что плохо выполненная 3D-модель может оказаться неудачной для 3D-печати).

В целом, однако, заказать 3D-печатные детали у третьей стороны проще, чем когда-либо. Многие производители могут приступить к 3D-печати, имея только цифровую 3D-модель, хотя для более важных проектов может потребоваться технический чертеж для передачи дополнительной информации, такой как материалы, цвета и допуски. Некоторые поставщики услуг 3D-печати (в том числе и 3ERP) предложат консультации по подходящим технологиям 3D-печати и материалам для вашего проекта.

Ознакомьтесь с нашими услугами 3D-печати в полном объеме, включая доступные технологии и материалы, или запросите цену для вашего проекта 3D-печати.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Полное руководство по 3D-печати [часть 1]»‎ и «‎Возможности 3D принтеров: 2-ух этажный дом, миллиметровая статуя Давида и веганский стейк‎»‎.

Если вам понравилась статья, то ставьте лайк, делитесь ею со своими друзьями и оставляйте комментарии!