Всё что вам нужно знать про 3D-печать, чтобы начать ею заниматься

Что такое 3D-печать

3D печать – это производственный процесс - технология создания объемных изделий методом послойного наращивания объектов.

Почему «печать»? — Здесь используется прямая аналогия с печатью изображений на бумаге, при котором оно создаётся путём нанесения отдельных точек красителя на бумагу или другую основу. Принтер регулирует количество и цвет красителя (при цветной печати), используемого для печати точки, в результате чего получается изображение. Примерно так же работает 3D-принтер, только здесь добавляется ещё одно пространственное измерение (ось Z)— объект произвольной формы строится из множества слоёв материала, наносимых последовательно друг на друга.

3D-печать называют ещё аддитивной технологией: деталь создаётся путем послойного наращивания. Традиционные технологии, например, фрезерование или вытачивание детали на токарном станке, используют для изготовления детали заготовку, из которой тем или иным способом удаляется лишний материал.

Технологии 3D-печати

Существует несколько технологий 3D-печати, каждая из которых имеет свои особенности. Ниже мы расскажем о самых популярных из них.

FDM технология (FDM - англ. Fused Deposition Modeling)

Материал расплавляется и поступает в движущийся экструдер, который слой за слоем формирует объект. Модельный материал подается в экструдер, который выдавливает на платформу тонкую нить расплавленного пластика, формируя слой изделия. Далее платформа опускается для нанесения следующего слоя. Часто в данной технологии используются 2 печатные головы (2 экструдера) – одна выдавливает модельный материал, другая – материал поддержки. Большинство персональных принтеров как раз используют данную технологию.

SLS технология (SLS - англ. Selective Laser Sintering)

Объект формируется путем выборочного спекания лазером мелкодисперсного порошкового материала (пластик). Материал наносится на платформу тонким слоем, после чего лазер формирует на поверхности геометрию изготавливаемого изделия. Затем платформа опускается, на нее вновь наносится материал и процесс повторяется. Данная технология не нуждается в поддержках при печати пластиком навесных элементов объекта, за счет заполнения пустот не спечённым порошком. Процесс печати происходит в камере где поддерживается бескислородная среда.

SLA технология (SLA – англ. Laser Stereolithography)

Деталь формируется из специального жидкого фотополимера, затвердевающего под действием лазерного излучения (или излучения ламп). При этом лазерное излучение формирует на поверхности текущий слой разрабатываемого объекта, после чего объект погружается в фотополимер (резервуар) на толщину одного слоя, чтобы лазер мог приступить к формированию следующего слоя. При печати строятся поддерживающие структуры, которые удаляются вручную после окончания печати.

DMLS/SLM технология (DMLS – Direct Metal Laser Sintering, SLM – Selective Laser Melting)

Изделие изготавливается путем выборочного плавления лазером металлического порошкового материала. Материал наносится на платформу тонким слоем, после чего лазер формирует на поверхности геометрию изготавливаемого изделия. Затем платформа опускается, на нее вновь наносится материал и процесс повторяется. Необходимо наличие поддерживающих конструкций при печати металлом навесных элементов объекта. Процесс печати происходит в камере где поддерживается бескислородная среда.

MJMтехнология/POLYJETтехнология (MJM – англ. MultiJetModeling)

Идентичные технологии от разных производителей оборудования: 3DSystems – MJM и Stratasys - POLYJET, соответственно. Процесс печати осуществляется путем нанесения жидкого материала через множество мелких сопел в печатающей голове. Первоначально на платформу наносится материал поддержки, на который уже в дальнейшем наносится непосредственно модельный материал – фотополимер. Процесс отверждения жидкого фотополимера происходит под воздействием ультрафиолета. Материал поддержки при печати по технологии MJM – выплавляется, при печати по технологии POLYJET – вымывается в специальном растворе.

CJP технология (CJP – англ. Colour Jet Printing)

Печать из гипсополимера.В основе данной технологии трехмерной печати лежит метод послойного синтеза материала(Layer-by-Layer). Суть данного метода заключается в том, что высококачественный композитный материал – гипсополимер, роликом послойно накладывается на платформу принтера и проклеивается печатной головой специальным связующим веществом. Уникальность данной технологии заключается в том, что она позволяет печатать цветные прототипы. Это возможно благодаря тому, что при печати используется несколько печатающих головок, через которые поступает связующее вещество того или иного цвета. Путем смешивания 4 основных цветов (прозрачный, красный, желтый, синий) нам открывается доступ ко всей цветовой гамме.

Преимущества 3D-печати:

1. Методом 3D печати можно изготавливать конструкции, изделия, которые невозможно или очень дорого изготавливать обычными способами.
2. Аддитивная технология очень гибкая: для изготовления другой детали достаточно загрузить в принтер новый файл, никаких перенастроек самого принтера не требуется. Это даёт возможность изготавливать детали в единичном экземпляре или легко изменять, дорабатывать их форму.
3. Стоимость подготовки файла для печати гораздо ниже, чем замена оснастки, например, форм для литья в традиционных технологиях. Отсутствуют расходы на изнашивающиеся инструменты — резцы, свёрла, фреза и т.п.
4. Новый продукт разрабатывается с помощью 3D-печати быстрее и при меньших затратах

Сравнительные недостатки 3D-печати:

1. Относительно высокая себестоимость изделия при массовом производстве.
2. Диапазон используемых в 3D-печати материалов пока у́же, чем в традиционном производстве.
3. Проблема прочности и износостойкости изделий.

Впрочем, технология быстро совершенствуется — прочность изделий и точность их изготовления растут. Материалов, используемых в 3D-печати, становится больше.

3D-печать — отличное решение для создания прототипов, небольшой партии или сверхсложных изделий, но для массового производства – многотысячные тиражи одинаковых деталей традиционные технологии пока предпочтительнее.

Где применяется 3D-печать сегодня

Сферы успешного применения 3D-печати расширяются по мере совершенствования этой технологии. Быстро пройдемся по некоторым областям.

1. Прототипирование при разработке новых товаров, приборов, деталей.

3D-печать позволяет быстро и недорого изготовить полноразмерные модели для габаритных и прочностных испытаний. Авиакосмическая и автомобильная, приборостроение и другие отрасли широко используют 3D-печать.

2. Изготовление моделей в архитектуре и конструкторских разработках.

3. Образовательная сфера - оснащение учебных учреждений конструкторских или дизайнерских специальностей 3D принтерами поспособствует повышению эффективности образовательного процесса и быстрому усвоению знаний учащимися и студентами.

4. Опытное и мелкосерийное производство, функциональное тестирование в промышленной сфере

5. Медицина: зубопротезирование, изготовление различных имплантов и др.

6. Искусство и творчество, фэшн индустрия, дизайн.

7. Пищевое производство: например, в качестве исходного материала можно использовать шоколад и делать из него оригинальные торты и другие кондитерские изделия.

8. Разработаны и опробованы технологии для строительства домов методом 3D-печати.

9. Ювелирное производство – изготовление восковых прототипов.

Этапы 3D-печати

Любая технология 3D-печати включает 2 этапа: 1. Дизайн Первым этапом создания любой детали является создание её трехмерной модели. Для этого могут использоваться практически любые программы для 3d-моделирования – SolidWorks, 3DSMax, Blender, ZBrush и др. 3Dмодель необходима в формате STL. На основании модели 3Dпринтер в собственном программном обеспечении выстроит алгоритм построения изделия. 2. Печать

В принтер загружается подготовленный файл, где скомпонованы и разбиты по слоям модели и запускается печать. По её окончании получается полностью готовое изделие или почти готовое, требующее, в зависимости от особенностей конкретной технологии, минимальной доводки — удаления элементов поддержки, шлифования поверхности и т.п.

Профессиональные и персональные принтеры: особенности и отличия

Главное различие между профессиональными персональными 3D-принтерами — это возможности.

Ключевые отличия профессиональных принтеров:

• они обладают высокой производительностью, благодаря чему работают быстрее;
• размеры области построения у них больше — можно печатать изделия бо́льших габаритов;
• работают с материалами, недоступными для персональных принтеров: например, печатают металлами в атмосфере инертного газа;
• точность печати существенно выше;
• требуют для работы особые условия, например, мощное электроснабжение, дополнительное оборудование для постобработки изделий и т.п.

Особенности персональных моделей 3D-принтеров:

• компактные размеры;
• низкая стоимость;
• простая конструкция;
• невысокая производительность;
• относительно невысокая точность печати;
• могут работать в домашних условиях.

Если вы хотите заняться 3D-печатью

Стоимость настольных 3D-принтеров снизилась настолько, что они стали доступны практически любому, кто желает освоить эту технологию.

В продаже представлены десятки моделей 3D-принтеров, поэтому подобрать подходящий вариант не составит труда. Практически все они реализуют технологию экструзионной печати FDM и используют различные виды пластиков в виде нити на катушках. В продаже есть различные виды пластиков; чтобы перейти на печать другим материалом, нужно просто заменить в принтере катушку с нитью.

Для начала работы специальные знания не потребуются, достаточно быть компьютерным пользователем.

1. Обзаведитесь принтером, распакуйте его и подготовьте к работе, как описано в руководстве по эксплуатации.
2. Скачайте из интернета файл цифровой модели предмета, который вы собираетесь напечатать в формате .stl загрузите его в программное обеспечение принтера.
3. Запустите печать и дождитесь её окончания.

Вот, в общем-то, и всё. В интернете есть множество сайтов, на которых вы можете найти и скачать бесплатно файл цифровой модели.

При желании вы сможете научиться самостоятельно создавать цифровые модели — это откроет перед вами широкие возможности для творчества и экспериментов. Если же вы, например, занимаетесь ремонтом бытовой техники и 3D-печать интересует вас как возможность изготавливать по мере необходимости нужные запчасти, вы можете делегировать её дизайн специалистам и заказывать изготовление цифровой модели через интернет.

Впрочем, вы можете заказать не только создание модели, но и саму печать. Закажите несколько изделий на пробу, и, если открывающиеся возможности вас заинтересуют, подумайте о покупке собственного принтера.

Слабые места 3D-печати на персональном оборудовании

Эти слабые места стоит знать заранее, чтобы не разочароваться в 3D-печати.

В 3D-печати по технологии FDM, которая используется в большинстве моделей персональных принтеров, есть несколько особенностей, сужающих её возможности:

• принтер не может печатать висящие элементы — приходится создавать элементы поддержки и удалять их у готового изделия;
• прочность послойно создаваемого изделия ниже, чем у монолитного;
• размеры создаваемых объектов ограничены габаритами рабочей камеры принтера (в некоторых случаях это ограничение можно обойти, изготовив объект по частям, а затем склеив их между собой);
• качество (гладкость) поверхности невелико, и её приходится доводить уже на готовом изделии или удовлетвориться тем что есть.
• стабильность работы оборудования не такая высокая как на профессиональном оборудовании

Будущее и перспективы 3D-печати

Технологии 3D-печати совершенствуются и область их использования расширяется. В перспективе она может существенно изменить сложившуюся экономику.

• Массовое производство одинаковых вещей исчезнет. 3D-печать позволяет создавать разные предметы по одной и той же низкой себестоимости.
• Отпадает необходимость выпускать запчасти впрок: любую деталь можно будет изготовить тогда, когда в ней возникнет необходимость. Огромные склады с запасами различных запчастей исчезнут; транспорт тоже разгрузится — товары можно будет изготавливать по мере необходимости там, где они потребляются.
• Домашний 3D-принтер станет такой же привычной частью быта, как персональный компьютер — многие вещи можно будет изготавливать, не выходя из дома.
• Сложные изделия, которые невозможно изготовить в домашних условиях, можно будет заказать в специализированных мастерских — это будет востребованный вид услуг.

Разумеется, все эти грандиозные изменения будут сопровождаться болезненной ломкой старой экономики. Смягчить этот переход — вот задача, решить которую будет по-настоящему непросто.