3D-принтеры: для чего нужны, как работают, почему за ними будущее

3d-принтеры все шире используются в качестве альтернативы традиционным методам промышленного производства. По своей конструкции такие принтеры напоминают офисные устройства для распечатки бумажных документов, только с добавлением третьего измерения. На них можно распечатать объекты самых разных габаритов, технических характеристик и предназначения. Процесс печати по целому ряду параметров получается намного менее затратным и более эффективным, чем традиционное производство.

В этой статье рассмотрены принципы функционирования 3d-принтеров по металлу и пластику, их сильные и слабые стороны, а также особенности создаваемой с их помощью продукции. Также перечислены наиболее востребованные технологии 3d-печати и приведены их отличительные характеристики.

• Как работает 3D-принтер?
  • 3D-принтеры по пластику
  • 3D-принтеры по металлу
• Принцип работы 3D-принтера
  • FDM принтер
  • Стереолитография (SLA)
  • DLP 3D-принтеры
  • SLS 3D-принтеры
  • Polyjet трехмерные принтеры
• Видео

Как работает?

Управление процессом печати осуществляется через компьютер, в который загружают 3d-модель будущего изделия. Именно на компьютере происходит моделирование изделий, задаются их габариты, формы и технические параметры.

Задача принтера же состоит в том, чтобы превратить эскиз из компьютера в материальный осязаемый объект. Независимо от модели устройства и конкретной технологии печати, создание изделия происходит послойно. Работа осуществляется быстрыми темпами и избавлена от негативного воздействия человеческого фактора — там, где глаз или рука мастера могли бы допустить погрешность, принтер предельно точно воспроизведет полученный от компьютера эскиз.

Принципиальная разница между печатью по металлу и пластику состоит в способе применения расходного материала — сейчас эти нюансы будут рассмотрены более детально.

По пластику

Работа  3d-принтера по пластику  основывается на том, что расходные материалы плавятся до жидкой консистенции. Расходный материал, то есть пластик, подается в устройство в формате литой трубки и разогревается с помощью экструдера (этим термином специалисты обозначают печатающую головку принтера). Затем пластик расплавленной консистенции подается в нужные места через нижнюю часть экструдера.

Устройства для печати по пластику гораздо чаще применяются в домашних условиях или на предприятиях малого бизнеса, чем для печати по металлу. С их помощью удобно изготавливать сувенирную продукцию, элементы интерьера, различного рода макеты, прототипы одежды и обуви.

Эта методика ценится за высокое качество готовой продукции и обширные возможности ее кастомизации, экологичность производства и минимальное количество отходов, разнообразие материалов и предельно быстрое прототипирование.

По металлу

Во время печати головка устройства распыляет связующее вещество, то есть клей, на те места, которые указывает компьютер. Затем посредством вала на всю рабочую поверхность наносится металлическая пудра, которая застывает и затвердевает при попадании на клей. За нанесением одного слоя пудры следует нанесение очередного слоя клея и так далее.

Большинство моделей 3d-принтеров по металлу представляют собой промышленное оборудование весом свыше тонны. Их стоимость измеряется сотнями тысяч евро. Они востребованы в первую очередь для выращивания изделий со сложной геометрией, процесс литья или механической обработки которых является крайне трудоемким и ощутимо удорожает производство.

Чаще всего  3d-принтеры по металлу  задействуют для создания:

• ювелирных изделий;
• индивидуальных медицинских имплантатов;
• стоматологических мостов и зубных коронок;
• прототипов деталей серийного производства, предназначенных для тестирований и испытаний (в первую очередь в автомобильной и авиационной промышленности).

По сравнению с традиционными методами, 3d-принтеры создают металлические детали с массой на 60% меньше. Также традиционное производство оставляет чрезмерно много отходов: так, для авиационной промышленности доля отходов может доходить до 90%, а 3d-печать поможет существенно сократить этот показатель и позволит предприятию сэкономить миллионы долларов в год. Наконец, по энергопотреблению 3d-принтеры значительно экономнее, чем традиционное заводское оборудование.

Принцип работы

Все модели 3d-принтеров оснащены следующими элементами:

• экструдером (то есть печатающей головкой);
• рабочей поверхностью, на которой непосредственно происходит печать;
• линейным мотором, приводящим подвижные части устройства в движение;
• фиксаторами, контролирующими движение подвижных частей;
• рамой;
• картезианским роботом, передвигающимся по трем осям координат.

ВНИМАНИЕ: Это лишь базовые компоненты, на которых строится процесс 3d-печати. Разработчики принтеров постоянно внедряют в новые модели все более совершенные и функциональные детали, однако сохраняют информацию о них в статусе коммерческой тайны.

Сегодня существует свыше десятка технологий 3d-печати. В ближайшем будущем некоторые из них выйдут из обихода как устаревшие и вытесненные более эффективными аналогами. В то же время появится множество принципиально новых методик, которые сегодня неизвестны либо находятся на стадии разработки. Все актуальные на сегодняшний день методы печати объединены двумя тенденциями:

1. С течением времени они будут становиться все более дешевыми и доступными широкому кругу потребителей.
2. 3d-печать сейчас в большей степени характерна для промышленного применения, чем для домашнего использования — однако в будущем домашние 3d-принтеры станут настолько же распространенным явлением, как и индустриальные.

Ниже рассмотрены наиболее востребованные технологии 3d-печати, их специфика и используемые материалы.

FDM

Аббревиатура  FDM  расшифровывается как Fused Deposition Modeling, что означает «моделирование методом наплавления». Также эта технология известна под названием Fused Filament Fabrication (сокращенно FFF), то есть «производство методом наплавления нитей». Эти два термина являются абсолютными синонимами.

Изделия выращиваются послойно из пластиковой нити, которую предварительно расплавляют. Головка принтера плавит нить и укладывает ее в положение, задаваемое 3d-моделью в компьютере. Если готовому продукту необходима безупречно гладкая поверхность, его шлифуют. Если же допустимы незначительные неровности рельефа, образуемые за счет толщины нити, товар готов к использованию сразу после завершения печати.

С помощью FDM можно изготавливать не только дорогостоящие компоненты для высокоточного оборудования, но и товары повседневного спроса: мебель, игрушки, детали для бытовой техники. Удобнее всего по этой технологии печатать крупногабаритные объекты.

ВНИМАНИЕ: FDM/FFF является наиболее перспективным методом выращивания объемных моделей с экономической точки зрения и представляет наибольший коммерческий интерес для малого и среднего бизнеса.

Стереолитография (SLA)

В английском языке эту технологию обозначают синонимичными аббревиатурами  SLA  либо SL. Первая расшифровывается как stereolithography apparatus, то есть «стереолитографический аппарат», а вторая — как stereolithography, то есть «стереолитография». Этот метод основан на послойном затвердевании жидких материалов под воздействием лазерных лучей.

Вещества, чьи свойства изменяются под воздействием УФ-лучей, называются фотополимерами. Ультрафиолет делает их менее податливыми и наделяет прочностью. Характеристики вещества могут варьироваться в зависимости от длины УФ-волны и продолжительности ее воздействия.

При 3d-печати внутри емкости с фотополимером жидкой консистенции размещают сетчатую платформу для выращивания прототипа. Платформа опускается на такую глубину, чтобы оставаться покрытой одним слоем фотополимера. Определенные участки подвергаются воздействию лазера, что приводит к затвердеванию вещества — а потом платформа вновь опускается на глубину еще одного слоя.

Готовое изделие опускают в наполненную специализированным составом ванну, чтобы удалить с поверхности лишние элементы. После извлечения из ванны изделие вновь облучают светом, чтобы оно окончательно затвердело.

Стереолитографию особенно часто задействуют в стоматологии (для распечатки моделей зубов и костей пациента), в научных изысканиях (в том числе для визуализаций гидро- и газодинамических потоков внутри прозрачных моделей), при создании скульптур и ювелирных изделий.

DLP

 DLP  расшифровывается как Digital Light Processing и обозначает цифровую обработку светом. Воздействию света подвергают фитополимерные смолы, чтобы они затвердели. Для печати задействуют светодиодную матрицу, каждый пиксель которой является микроскопическим зеркалом.

DLP напоминает стереолитографию в том аспекте, что в результате облучения смола затвердевает. Принципиальная разница же состоит в следующем: в отличие от SLA, каждый слой не прорисовывается лучами лазера, а штампуется сразу на всю площадь поверхности. Благодаря матрице с микрозеркалами процесс удается ощутимо ускорять, не жертвуя точностью печати.

Область применения у этого метода печати такая же, как у стереолитографии. Однако готовую продукцию из фотополимеров следует беречь от воздействия света, иначе она рискует стать хрупкой и покрыться трещинами.

ВНИМАНИЕ: DLP признана одной из наиболее скоростных и высокоточных технологий 3d печати.

SLS

Аббревиатурой  SLS  обозначают технологию селективного лазерного спекания. На английском она расшифровывается как Selective Laser Sintering, а на русском также известна под названием выборочного лазерного спекания. Она функционирует на базе углекислотного лазера, сырьем для нее служат порошки из стекла, металлов, керамики либо полимеров. Нередко ядро гранул изготавливают из металлического порошка, а оболочку — из легкоплавких материалов.

Посредством лазера порошок разогревается почти до температуры плавления, и его гранулы спекаются воедино, образуя твердую структуру. Мощность лазера должна быть тем больше, чем выше температура спекания. Если принтер оснащен не одним, а двумя лазерами, скорость печати увеличивается.

ВНИМАНИЕ: SLS подразумевает лишь частичное плавление поверхности гранул. Полное плавление является характерной чертой другой технологии, SLM, что расшифровывается как Selective Laser Melting и означает «селективное лазерное плавление».

SLS оптимально для создания объектов со сложной геометрией, компонентов двигателей и механизмов, точных промышленных изделий для функционального тестирования.

Polyjet

Эта технология предполагает, что жидкий полимерный материал послойно отвердевает под воздействием ультрафиолета. Каждый слой распыленного материала полимеризуется под излучением УФ-лампы, и в итоге поверхность готового изделия не нуждается в дополнительной обработке.

Исходный материал не обязан быть однородным, данная технология успешно справляется с композитами. То же относится и к расцветке продукции: методика позволяет воспользоваться возможностями сложной цветопередачи с палитрой свыше 1000 оттенков.

 ВНИМАНИЕ:  принтеры Polyjet обычно оснащены несколькими печатающими головками. Это позволяет повысить скорость печати одного объекта либо печатать несколько объектов одновременно.

Продукция, изготовленная по такой методике, отличается стабильностью геометрических форм и гладкостью поверхностей. Ее чрезвычайно легко красить, шлифовать, склеивать, сверлить и пилить. Продукция готова к применению незамедлительно после печати.

Polyjet оптимален для производства прототипов продукции, тестовых моделей, образцов для литья в силикон.

Видео

3d-печать по металлу и пластику представляет собой эффективную и современную альтернативу традиционным методам промышленного производства. Эта методика отличается экологичностью, экономичностью и возможностью создавать высококачественные изделия с минимальными трудовыми и временными затратами. Ее область применения расширяется год от года.

Наиболее востребованными технологиями 3d-печати являются:

1. FDM. Предусматривает послойное выращивание изделий из расплавленной пластиковой нити. Имеет большой потенциал для производства товаров повседневного потребления.
2. SLA (стереолитография). Базируется на обработке фотополимеров лазерными лучами. Пользуется спросом в стоматологии, науке и искусстве.
3. DLP. Цифровая обработка светом отличается от SLA тем, что слои штампуются сразу по всей своей площади, что заметно ускоряет процесс печати.
4. SLS. При селективном лазерном спекании гранулы сплавляются воедино под воздействием лазера. Эта методика удобна для создания объектов со сложной геометрией.
5. Polyjet. Предполагает воздействие УФ-лучей на полимеры. Оптимальна для создания объектов с безупречно гладкой поверхностью.

Год от года 3d-принтеры и расходные материалы к ним становятся все более дешевыми и доступными широкому кругу потребителей. Коммерческие перспективы этого формата производства несомненны, и уже в ближайшем будущем 3d-печать станет повсеместным явлением.