Миниатюризация повышает спрос на маленькие 3D-печатные детали

Поскольку многие отрасли промышленности требуют все более мелких деталей, неудивительно, что популярность 3D-микропечати растет. Сегодня различные технологии микропечати позволяют получать детали с размерами, измеряемыми микронами. А для более сложных задач современные системы печати могут создавать еще более мелкие детали.

Конечно, микропечать - не единственный вариант изготовления очень маленьких деталей. Альтернативными вариантами являются микромасштабная механическая обработка и литье под давлением.

Но эти процессы могут быть дороже, чем аддитивное производство, по словам Хуана Шнайдера, генерального директора монреальской компании Nanogrande Inc, разработчика 3D-принтеров для мелких деталей.

Рассмотрим литье под давлением. Инструменты для создания прототипов для этого процесса обычно изготавливаются из алюминия. Однако для микролитья требуются дорогостоящие высокоточные стальные инструменты, изготовление которых занимает несколько месяцев, отметил Пьер Виауд-Мурат, основатель Qualified3D, сервисного бюро в Саутфилде, штат Мичиган, которое занимается печатью мелких деталей.

С другой стороны, при использовании микропечати не нужно ждать, пока будут изготовлены дорогостоящие производственные инструменты, говорит Виауд-Мурат. Использование микропечати в процессе создания прототипов позволяет проверить фактическую геометрию детали, хотя материал детали и не правильный .

Он также сообщил о растущем интересе к микропечати для систем с небольшим объемом деталей. Эта тенденция частично обусловлена небольшими компаниями, представляющими новые продукты. Эти компании обычно имеют ограниченное финансирование для проведения испытаний и тестирования и не знают, насколько велик будет спрос, сказал Виауд-Мурат. "Это большой шаг - инвестировать несколько сотен тысяч долларов в набор производственных инструментов".

Кроме того, микропечать привлекает компании, которые знают, что им потребуется лишь ограниченное количество определенных деталей. Для них микропечать имеет больше смысла, так как не требуется предварительных инвестиций в оснастку. "Вы платите по мере того, как работаете", - говорит Виауд-Мурат.

В некоторых случаях, которые он видел, микропечать была признана лучшим вариантом производства, чем микролитье, при объемах производства до нескольких сотен тысяч деталей в год.

Есть также случаи, связанные со сложными конструкциями изделий, для которых микропечать является единственным вариантом из-за ограничений обычных методов производства. В качестве примера Виауд-Мурат приводит работу, которую его компания выполняет для отрасли микрогидродинамики (микрофлюидики), которая исторически была ограничена двумерной геометрией компонентов. Микропечать позволяет этой отрасли производить трехмерные геометрии, открывая дополнительные возможности для проектирования микрофлюидных чипов.

Наряду с впечатляющими возможностями, микропечати пришлось преодолеть ряд трудностей. Например, в прошлом, по словам Виауд-Мурата, разрешение, обеспечиваемое микропринтерами, значительно уступало разрешению, обеспечиваемому микроформовкой. Однако сегодня на рынке представлены принтеры, способные работать в наноразмерном диапазоне.

Среди наиболее точных принтеров, доступных в настоящее время, - принтеры, основанные на двухфотонной технологии, которая предполагает обстрел лазером светочувствительного материала. По словам Шнайдера, двухфотонный процесс может производить детали размером менее миллиметра и разрешением менее микрона. Примерами могут служить оптические детали, такие как волноводы и линзы, а также разъемы и компоненты каркаса для выращивания клеток.

С другой стороны, двухфотонные принтеры очень медленные и дорогие, сказал Виауд-Мурат. "Первоначальные инвестиции по меньшей мере в пять раз превышают стоимость принтеров, которые мы используем, а печать некоторых деталей может занять несколько недель".

Вместо того чтобы пытаться достичь максимально возможного разрешения и тем самым увеличить время и стоимость печати, Виауд-Мурат решил, что хорошим компромиссом будет печать с разрешением 10 микрон по X-Y и толщиной слоя 20 микрон.

Эти параметры достигаются принтерами nanoArch™ от BMF Precision Technology. По словам Виауд-Мурата, в принтерах используется та же технология цифровой обработки света, что и для печати более крупных деталей, за исключением того, что программное обеспечение, оптика и управление движением были скоординированы для повышения точности.

Типичные детали, изготавливаемые этими принтерами для Qualified3D, имеют размеры примерно 10 на 15 на 5 миллиметров, а меньшие размеры деталей находятся в диапазоне от 40 до 50 микрон. В дополнение к микрофлюидным чипам, обычно печатаемые детали включают либо небольшие компоненты медицинского оборудования с геометрией, которая не может быть достигнута литьем под давлением, либо детали, изготавливаемые в таких малых объемах, что стоимость пресс-формы не может быть оправдана.

Чтобы ограничить вибрацию, которая может разрушить мелкие детали, принтеры BMF весят около 300 килограммов и установлены на демпфирующем столе. Виауд-Мурат рекомендует проводить печать мелких деталей в помещении с регулируемым климатом, чтобы минимизировать влияние температуры и влажности на механическое поведение материала печати.

Еще одна важная проблема микропечати - это особые свойства мелких частиц материала. Для порошков с размером частиц 20 микрон и меньше когезионные силы оказывают большее влияние на процесс, чем гравитация. По словам Шнайдера, когезионные силы, действующие на частицы размером 17 микрон, в 100 раз сильнее, чем гравитационные силы, действующие на частицы.

По его словам, "очень трудно" создать однородные слои с помощью этих липких частиц. В ответ на это компания Nanogrande разработала подход, основанный на взаимодействии жидкостей и химических свойств, который маскирует когезионные силы в процессе нанесения. Технология позволяет этим силам вновь проявить себя через несколько секунд, так что частицы снова становятся очень липкими. По словам Шнайдера, эта вновь возникающая липкость устраняет необходимость в опорных структурах, обычных для 3D-печати, которые составляют до 60% стоимости печатных деталей в металлургической промышленности.

По словам Шнайдера, принтер MPL-1 компании Nanogrande может создавать одночастичные слои толщиной до 1 нанометра. Однако в настоящее время MPL-1 не печатает для клиентов слои нанометровой толщины и работает в основном в масштабе 1 микрон.

Примеры деталей, изготовленных с помощью MPL-1, включают циферблаты часов, шестеренки и вставки, а также электронные разъемы, крепежные элементы, компоненты для мобильных телефонов и медицинских препаратов. Длина деталей составляет от 1 мм до 1 см, толщина - до 300 мкм, а размеры - до 20 мкм.

Материалы, которые в настоящее время 3D-печатает MPL-1, включают нержавеющую сталь, титан и медь. В целом, по словам Шнайдера, процесс был протестирован более чем с 50 материалами, включая такие экзотические, как графен, углеродные нанотрубки и наноалмазы.

Некоторые из самых больших проблем, с которыми сталкиваются те, кто занимается микропечатью, возникают после процесса печати. "Мы все еще изучаем постпечатные операции", - говорит Виауд-Мурат.

Основные вопросы, на которые необходимо ответить в связи с постпечатной обработкой, включают:

- Каковы ожидания заказчика в отношении адекватного контроля деталей?

- Как удовлетворить эти ожидания, несмотря на трудности, связанные с точным контролем таких маленьких деталей?

- Как следует упаковывать и транспортировать миниатюрные и хрупкие детали, чтобы предотвратить их повреждение?

"Эти вопросы требуют обсуждения с клиентами", - говорит Виауд-Мурат.

Советуем вам прочитать статьи опубликованные в нашем блоге ранее: «‎Полное руководство по 3D-печати [часть 1]»‎ и «‎Подвижная фигурка штурмовика из Звездных Войн на 3D-принтере — файлы для печати прилагаются!»‎.

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