3D технологии печати

3D-принтер: виды, характеристики, технологии и схемы печати

3D-принтер – внешнее устройство компьютера, которое является нечем иным, как станком с числовым программным управлением (ЧПУ) предназначенным для быстрого получения прототипов изделий, спроектированных на ПК, методом послойной печати.

Основные характеристики 3D-принтера

Назначение

3D-принтеры выпускаются под конкретные задачи: архитектура, дизайн, медицина, образование, производство, протезирование, прототипирование.

Технология печати

Производители 3D-принтеров используют различные технологии печати. Чтобы у вас не возникло проблем, при выборе конкретной модели, рассмотрим основные виды 3D-печати. Именно от технологии печати зависят такие важные параметры, как минимальная и максимальная толщина слоя и скорость построения изделия. А также цена, как самого 3D-устройства, так и расходных материалов.

В зависимости от принципа создания заготовок, выделяют следующие виды 3D-печати:

  • SLA — лазерная стереолитография,
  • SLS (EBM, SLM) — селективное лазерное спекание,
  • FDM — метод последовательного наплавления,
  • DLP — технология цифрового проецирования,
  • MJM — многоструйная укладка полимера.

Лазерная стереолитография

Суть SLA-технологии заключается в использовании жидкого фотополимера и специального реагента, который позволяет исходному материалу застывать под воздействием ультрафиолетового лазера.

Фотополимер заливается в ванну и нагревается до рабочей температуры. Затем в смесь погружается подвижная платформа, которая постепенно перемещается вверх. В этот момент ультрафиолетовый лазер производит засветку платформы снизу по заданным координатам, в следствие чего затвердевший полимер вначале прилипает к платформе, а последующие слои к ранее застывшему полимеру. Платформа многократно поднимается и опускается с предварительным перемешиванием фотополимера. Процесс повторяется слоем за слоем, а изделие печатается снизу-вверх.

Большинство 3D-принтеров данного вида печатают тонкими слоями, у них небольшая погрешность.

Селективное лазерное спекание

Метод SLS основан на равномерном распределении специального порошка с последующим его плавлением под воздействием лазера, в соответствии с геометрией сечения каждого слоя изделия. По завершении печати, необходимо удалить порошок, снять изделие со вспомогательных подпорок и выполнить минимальные доработки по доведению детали до кондиции.

SLS 3D-принтеры также, как и SLA-модели, обладают высокой точностью печати и приемлемым качеством изделий.

Метод последовательного наплавления

Технология FDM наиболее распространена благодаря своей простоте. В печатающую головку (экструдер) 3D-принтера, подается полимер в виде нити, который подвергается плавлению при воздействии температуры, после чего он наносится на рабочую поверхность в заданную точку координат через специальное сопло. Готовые изделия необходимо подвергать постобработке, чтобы сгладить структуру слоёв.

3D-принтеры, использующие FDM-технологию, позволяют печатать изделия различных цветов.

Технология цифрового проецирования

DLP метод аналогичен лазерной стереолитографии. Отличие заключает в том, что засветка платформы осуществляется проекциями слоев 3D-модели, в следствие чего смола застывает в нужных областях.

Несмотря на продвинутый подход DLP-технологии, в сравнении с SLA-технологией, есть существенный минус — изделие должно остыть после печати, что может привести к возникновению деформаций.

Многоструйная укладка полимера

Принцип MJM-печати заключается в послойном нанесении расплавленного материала через несколько сопел одновременно. При печати модели необходимо использовать поддерживающие элементы (подпорки).

Технология MJM позволяет печатать высокоточные изделия.

Интерфейс подключения

3D-принтеры оснащаются одним или несколькими интерфейсами подключения:

  • LAN – устройство соединяется с компьютером посредствам сетевого протокола и может входить в состав проводной локальной сети,
  • USB – 3D-принтер подключается к компьютеру напрямую через usb-кабель,
  • Wi-Fi – ЧПУ использует беспроводной протокол передачи данных по локальной сети,
  • SD – устройство имеет картридер, что позволяет осуществлять печать изделий c SD-карт.

Программные требования

Обязательно учитывайте такие параметры 3D-принтеров, как:

  • совместимость с операционными системами,
  • возможность использования сторонних программ,
  • поддерживаемые файловые форматы.

Конструктивные особенности 3D-принтеров

Принцип работы 3D-принтера основан на законах кинематики. Выделяют несколько схем 3D-печати, исходя из перемещений платформы и печатающей головки, которые могут двигаться относительно друг друга в различных плоскостях.

Существует четыре основные схемы печати:

I схема

Платформа находится в неподвижном состоянии, положение по осям x, y, z меняет только экструдер. Особенность модели — наличие высокого каркаса. Печатающая головка размещена на трёх стержнях, каждый из которых закреплен на подвижном блоке, размещённом на опоре, с возможностью вертикального перемещения.

Плюсы: высокая скорость печати, хорошая точность.

Дельта

II схема — экструдер движется по осям Х и Y

Печатающая головка находится над платформой и способна двигаться влево-вправо или вперед-назад, а платформа вверх-вниз.

Экструдер движется по осям Х и Y

III схема — экструдер перемещается по осям X и Z

Экструдер, как в предыдущем типе, способен передвигаться влево или вправо, а также менять своё положение в пространстве по высоте. Платформа, в свою очередь, способна двигаться вперед или назад не меняя высоты.

Экструдер перемещается по осям X и Z

IV схема – экструдер движется по осям X, Y и Z

Последняя схема предполагает использование неподвижной платформы. Как в случае со схемой «Дельта», экструдер способен перемещаться по трём осям [x, y, z], однако в данном случае нет сложного механизма фиксации печатающей головки.

Как выбрать 3D-принтер?

Рынок переполнен дешёвыми моделями 3D-принтеров потребительского уровня с ограниченным функционалом, которые, несомненно, подойдут для печати малогабаритных изделий. Данные 3D-принтеры имеют большую погрешность в точности и низкую скорость печати. Несмотря на это, открывается возможность ознакомиться с технологией 3D-печати и сделать простые детали.

3D-принтеры начального уровня

Установки данного плана годятся для моделирования, способны печатать методом FDM, в редких случаях поддерживают технологии SLA и SLS. В комплектации предоставляется одно сопло, используются недорогие полимерные материалы. У моделей низкая скорость печати, а также отсутствуют дополнительные функции.

  • подходит для знакомства с оборудованием,
  • простая установка,
  • возможность быстрой настройки.
  • открытая камера,
  • поддерживает не все виды пластика.

Профессиональные 3D-принтеры

К особенностям профессиональных 3D-принтеров приписывают огромный функционал, плюс высокую скорость печати. Установки способны работать с широким спектром расходных материалов. При печати используются тонкие слои, поэтому изделия получаются гладкими.

  • возможность печати больших объектов,
  • в комплекте несколько экструдеров,
  • поддержка пластика от различных производителей.
  • дорогая стоимость,
  • сложность проведения ремонта.

ТЕХНОЛОГИИ 3D ПЕЧАТИ

ЧТО ТАКОЕ 3D ПЕЧАТЬ И КАКАЯ ОНА БЫВАЕТ.

Современные технологии не стоят на месте и вот уже сейчас в нашем обыденном мире крепко закрепилось такое понятие как 3D печать. Вообще сама 3D печать была придумана компанией Charles Hull и появилась еще в 1984г. Сейчас же технология 3D печати стала настолько популярной и обширной, что выполнение задачи по созданию какой-то детали или модели может быть реально воплощена в жизнь не только на крупном предприятии, но и у вас дома.
Сама технология 3D печати – это последовательное выполнение действий, которые приведут к созданию изделия, а именно:

  • Сначала создается 3D модель на компьютере с использованием специальных программ для 3D моделирования, она может быть создана на основе чертежей или при помощи 3D сканера
  • Дальше созданную модель необходимо сохранить в формат STL-файла. После STL-файл загружается в еще одну программу слайсер, где и формируются слои печати и настраиваются остальные настройки
  • Теперь сохраняем в формате gcode-файла (примечание некоторые принтеры поддерживают свои код-форматы )
  • Последний этап — это создание изделия на 3D принтере по загруженному в него gcode-файлу Технология печати на всех 3D принтерах почти одинаковая.
    Процесс печати происходит по принципу нанесения (разогретого материала до полужидкого состояния) материала на первый – нижний слой, а потом экструдер совершая циклические движения (по созданным на компьютере путям) по направляющим слой за слоем формирует изделие, каждый последующий слой накладывается на предыдущий.

    ВИДЫ 3D ПЕЧАТИ.

    1) Печать наплавлением Fused deposition modeling (FDM)

    Технология аддитивного производства, которая сейчас наиболее широко и активно используется при создании трехмерных моделей.
    Даёт возможность создавать не только модели, но и конечные детали из стандартных, конструкционных и высокоэффективных термопластиков. Это единственная технология, использующая термопластики производственного класса, обеспечивающие не имеющие аналогов по механическим, термическим и химическим свойства деталей. Так же при такой технологии печати возможно применение растворимых вспомогательных материалов, позволяющих создавать сложные многоуровневые формы, отверстия и сильно нависающие элементы, которые было бы проблематично получить обычными методами.

  • Прочные износостойкие изделия;
  • Низкая стоимость материалов;
  • Широкие возможности пост-обработки.

  • Небольшая разрешающая способность как по горизонтали, так и по вертикали;
  • Проблемы с фиксацией модели на рабочем столе;
  • Для нависающих элементов требуется создание поддерживающих структур, которые впоследствии приходится удалять;
  • Невысокая скорость работы.

    2) Селективное лазерное спекание (SLS)

    Метод аддитивного производства. Технология использует лазер высокой мощности для спекания небольших частиц пластика, керамики, стекольной муки или металла в трехмерную структуру.
    Главной особенностью этой технологии является применение порошков состоящих из частиц металла, покрытых полимером. После процесса спекания деталь помещается в высокотемпературную печь, где пластик выгорает, а его место занимает легкоплавкая бронза.
    Функционирование таких SLS-принтеров невозможно в домашних условиях, потому что они имеют большие размеры и высокую стоимость из-за того, что процесс спекания детали проходит в вакуумной или инертной среде.

  • Отсутствие необходимости в материалах поддержки. Деталь погружена в порошок, который и выполняет функцию поддержки нависающих деталей;
  • Большой выбор материалов, включая металлы;
  • Высокая скорость печати (до 35 мм/час).

  • Шероховатая структура моделей, требующая дальнейшей обработки;
  • Большое время подготовки принтера к работе (нагрев и стабилизация температуры);
  • Невозможность печати металлом в домашних условиях.

    3) Цифровая обработка светом (DLP)

    Метод аддитивного производства, вариант стереолитографической 3D-печати. Метод основан на использовании фотополимерных смол, затвердевающих при облучении ультрафиолетовым светом. Однако Альтернативный метод использует цифровые светодиодные проекторы (DLP), позволяя снижать себестоимость устройств. В отличие от лазерных установок, сканирующих поверхность материала одним или несколькими лазерными головками, DLP принтеры проецируют изображение целого слоя до затвердевания полимерной смолы, после чего наносится новый слой материала и проецируется изображение нового слоя цифровой модели.
    Такие принтеры применяются в стоматологии, ювелирной промышленности, машиностроении, а также в дизайне и производстве сувениров.

  • Высокая точность печати при минимальной толщине слоя;
  • Применение различных материалов от твердых пластиков до резины;
  • Низкая стоимость расходных материалов.

  • Печать одним цветов, но ограничений палитры не существует;
  • Медленная скорость печати.

    4) Спекание металлического порошка (EBM)

    Технология использует электронно-лучевую плавку для создания трехмерных объектов. Для послойного наплавления высокоточных деталей был разработан специальный материал — металлоглина (металлический порошок). Данный материал изготавливается из смеси органического клея, металлической стружки и воды.
    На сегодняшний день продаются только промышленные принтеры. Их профильное направление — в авиа-космической, оборонной и автомобильной сфере, в медицине для создания протезов и имплантатов.

  • Высокое качество печати;
  • Отличная прорисовка мелких деталей;
  • Электронные импульсы вместо лазерного луча;
  • Высокая скорость печати;
  • Детали, полученные по данной технологии, обладают лучшей микроструктурой чем такие же, изготовленные методом литья;
  • Возможность производства сразу нескольких изделий.

    В данный момент электронно-лучевая плавка ограничена точностью 0,2 мм, из-за размера электронного пучка, который составляет 0,2-1,0 мм. Это приводит к небольшой шероховатости готовых изделий.

    5) PolyJet

    Технология 3D-печати, основанная на послойном отверждении жидкого фотополимерного материала под воздействием ультрафиолетового излучения. Используется в 3D-принтерах серии Objet.
    Печатающий блок 3D-принтера тонкими слоями (16/30 мкм) распыляет материал модели и материал поддержки, согласно данным математической 3D-модели. Каждый слой полимеризуется светом ультрафиолетовой лампы сразу же после нанесения. В итоге получается объект, не требующий какой-либо дополнительной обработки поверхности. Модель, отпечатанную по технологии PolyJet, можно использовать сразу же после завершения процесса печати, такие модели обладают различными свойствами – в зависимости от используемого материала. Материалы различаются между собой по механическим, термическим, электрическим и химическим характеристикам.

  • Гладкая поверхность готовых изделий;
  • Отличные физические и механические свойства прототипов (включая стабильность геометрических размеров);
  • Возможность обработки поверхности (склейка, покраска и т.п.).

    Высокая удельная себестоимость 3D печати.

    6) Лазерная стереолитография (SLA)

    Технология позволяет наиболее быстрое построение объектов. Она основана на послойном отверждении жидкого материала под действием луча лазера.
    Рабочий стол (элеватор) находится в ёмкости с фотополимером. После прохождения через полимер лазерного луча и отвердения слоя рабочая поверхность стола смещается вниз.
    В емкость с жидким фотополимером помещается сетчатая платформа, на которой будет происходить выращивание прототипа. Изначально платформа устанавливается на такой глубине, чтобы ее покрывал тончайший слой вещества, толщиной всего 0.05-0.13 мм — по сути это и есть толщина слоя в лазерной стереолитографии. Далее включается лазер, воздействующий на те участки полимера, которые соответствуют стенкам заданного объекта, вызывая их затвердевание. После этого вся платформа погружается ровно на один слой, то есть на глубину 0.05-0.13 мм. По завершению построения объект погружают в ванну со специальным составом для удаления лишних элементов и полной очистки. И, наконец, финальное облучение светом для окончательного отвердевания.

  • Изготовление моделей любой сложности (тонкостенные детали, мелкие детали);
  • Легкая обработка изготовленного прототипа;
  • Высокая точность построения и высокое качество поверхности;
  • Низкий процент расходного материала на поддержку;
  • Низкий уровень шума производства деталей.

  • Деформируется под действием атмосферной влаги;
  • Необходимость механически отделять стержневидную поддержку от созданных прототипов;
  • Необходимость в процессе окончательной UV засветки. Выращенную деталь необходимо промыть, после чего поместить в ультрафиолетовую камеру для окончательного отверждения.

    7) Лазерная плавка- SLM или Selective laser melting

    Инновационная технология производства сложных изделий посредством лазерного плавления металлического порошка по математическим CAD-моделям. С помощью SLM создают как точные металлические детали для работы в составе узлов и агрегатов, так и неразборные конструкции, меняющие геометрию в процессе эксплуатации.
    Производственный цикл состоит из нанесения тонкого слоя порошка на рабочую поверхность – как правило, металлический стол, способный передвигаться в вертикальном направлении. Процесс печати протекает в рабочей камере, заполняемой инертными газами (например, аргоном). Отсутствие кислорода позволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан. Каждый слой модели сплавляется, повторяя контуры слоев цифровой модели. Плавка производится с помощью лазерного луча, направляемого по осям X и Y двумя зеркалами с высокой скоростью отклонения. Мощность лазерного излучателя достаточно высока для плавки частиц порошка в гомогенный материал.

  • Производство изделий со сложной геометрией, с внутренними полостями и каналами конформного охлаждения;
  • Возможность построения сложных изделий без изготовления дорогостоящей оснастки;
  • Экономия материала при производстве;
  • Абсолютно безотходный процесс.

  • Невозможность установки и работы дома;
  • Применение вредного газа.

    8) Color Jet Printing

    Технология 3D-печати, в основе которой лежит послойное склеивание и окрашивание композитного порошка на основе гипса или пластика.
    Принтер распространяет порошкообразный материал тонким слоем по платформе с помощью ролика. После этого по форсункам поступает связующий элемент и происходит затвердение. Поршень платформы снижается с каждым новым слоем и в результате получается полноцветная 3D-модель. Основанием для каждого нового слоя выступает неиспользованный материал, он остается внутри емкости с моделью до конца процесса. Такая технология позволяет создавать объекты со сложной геометрией. После завершения цикла печати остаточный порошок легко удаляется с изделия кистью или сжатым воздухом. Оставшийся в камере материал может быть собран и использован вторично. Прототипы, выращенные по технологии CJP, имеют немного шершавую гигроскопичную (способность поглощать водяные пары из воздуха) поверхность средней прочности.

    Читайте также:  Широкоформатная печать в профессиональной типографии
  • Возможность создавать полноцветные изделия;
  • Высокая точность построения;
  • Прототипы легко шлифуются, клеятся и красятся.

  • Поверхность средней прочности;
  • Имеют немного шершавую гигроскопичную поверхность изделия.

    9) Multi Jet modeling

    Технология 3D-печати, основанная на многоструйном моделировании с помощью фотополимерного или воскового материала. Принцип печати напоминает струйную. В основе технологии — печатающая головка c целой батареей мельчайших сопел, расположенных линейно в несколько рядов. Количество сопел начинается от 96 для младших моделей принтеров и достигает 448 для топовых моделей. Одно сопло — одна мельчайшая капля модельного материала для построения изделия.
    Печатающий блок движется вдоль рабочей поверхности и наносит слоя жидкого полимера. Следом за печатным блоком следует УФ-лампа, которая засвечивает только что нанесенные частицы материала, в результате чего тот затвердевает, формируя заданное изделие.
    Кроме основного материала в процессе печати используется вспомогательный (или материал поддержки) — VisiJet S300. Это восковая структура, служащая опорой для навесных элементов будущей модели. После окончания печати восковые поддержки выплавляются в специальной печи.

  • Объекты получаются с невероятно гладкими поверхностями и качественной детализацией;
  • Большой выбор материалов (в том числе, восковых);
  • Механическая прочность получаемых образцов достаточно высока, они могут выдерживать температуру до 100?°С.

  • Малая скорость печати, максимум 10–20 миллиметров в час по вертикали;
  • Большой вес принтеров.;

    10) DMT (Laser-aided Direct Metal Tooling)

    Печать металлических изделий методом прямого послойного построения в процессе сплавления мелкодисперсных частиц металлического порошка лазером непосредственно по CAD-модели.
    Основным отличием от SLM является способ подачи металлического порошка. В процессе SLM порошок равномерно многократно распределяется на платформе построения и послойно сплавляется лазером при вертикальном перемещении платформы, в процессе DMT материал в необходимом количестве подается точечно в область плавления образованную на поверхности заготовки при воздействии на нее лазерного излучения. Благодаря способу прямой подачи порошка, технология DMT имеет 2 уникальных преимущества.

    а) Метод простого построения (Метод DMT, позволяющий изготавливать объемные металлические детали «с нуля»);
    б) Метод гибридного построения. В целях экономии металлического порошка и времени на изготовление изделия, независимо от его размеров и сложности, целесообразно применять технологию DMT для наращивания металлической структуры на поверхности детали изготовленной традиционными методами, такими как механическая обработка, литье, ковка, и т.д. В данном случае не имеет значения наличие у подложки криволинейных поверхностей, также DMT позволяет строить на подложке структуры из разных сплавов, создавая биметаллические изделия.

  • Ремонт и восстановление штамповой или другой технологической оснастки;
  • Нанесение жаропрочных и износостойких покрытий любой толщины;
  • Система автоматического интуитивного воссоздания поверхности заготовки;
  • Отсутствие ограничений по габаритным размерам изготавливаемых деталей.

    11) Многоструйный синтез (“Multi Jet Fusion”)

    Технология MJF использует порошковые термопласты, формируемые с помощью струйных массивов. Массивы выборочно наносят на слои порошка связующий материал, активируемый нагреванием. Композиция связующего вещества может варьироваться для получения различных механических характеристик, а в будущих вариантах этот метод позволит реализовать цветную 3D-печать.
    Помимо 3D-принтеров компания Hewlett Packar предлагает перерабатывающие установки, предназначенные для подготовки неиспользованного расходного материала к повторному применению. Такая схема позволит свести уровень отходов к практическому минимуму. Как отмечают разработчики, доля использованного заново порошка в изделиях будет составлять порядка 80%. Как и принтеры, станции для переработки предлагаются в двух взаимозаменяемых вариантах, отличающихся скоростью охлаждения готовых моделей и неиспользованных порошков перед переработкой. Процесс удаления порошка, смешивания старого материала с новым, просеивания смеси и зарядки картриджей максимально автоматизирован и почти не требует вмешательства оператора. По заявлениям разработчиков, одного оператора с легкостью хватит для обслуживания нескольких систем сразу.

  • Высокая точность и скорость печати;
  • Единая интегрированная система для работы;
  • Инновационные технологии печати.

  • Пока довольно дорогие расходные материалы;
  • Большие габариты.

    Обзор технологий 3D печати

    3D печать – это выполнение ряда повторяющихся операций, связанных с созданием объёмных моделей путём нанесения на рабочий стол установки тонкого слоя расходных материалов, смещением рабочего стола вниз на высоту сформированного слоя и удалением с поверхности рабочего стола отработанных отходов. Циклы печати непрерывно следуют друг за другом: на предыдущий слой материалов наносится следующий слой, стол снова опускается и так повторяется до тех пор, пока на элеваторе (так называют рабочий стол, которым оснащён 3D принтер) не окажется готовая модель.

    Существует несколько технологий 3D печати, которые отличаются друг от друга по типу прототипирующего материала и способам его нанесения. В настоящее время наибольшее распространение получили следующие технологии 3D печати: стереолитография, лазерное спекание порошковых материалов, технология струйного моделирования, послойная печать расплавленной полимерной нитью, технология склеивания порошков, ламинирование листовых материалов и УФ-облучение через фотомаску. Охарактеризуем перечисленные технологии подробнее.

    Стереолитография

    Стереолитография – она же Stereo Lithography Apparatus или сокращённо SLA благодаря низкой себестоимости готовых изделий получила наибольшее распространений среди технологий 3D печати.

    Технология SLA состоит в следующем: сканирующая система направляет на фотополимер лазерный луч, под действием которого материал твердеет. В качестве фотополимера используется хрупкий и твёрдый полупрозрачный материал, который коробится под действием атмосферной влаги. Материал легко склеивается, обрабатывается и окрашивается. Рабочий стол находится в ёмкости с фотополимерной композицией. После прохождения лазерного луча и отверждения очередного слоя его рабочая поверхность смещается вниз на 0,025 мм – 0,3 мм.

    Оборудование для SLA печати изготавливают компании F & S Stereolithographietechnik GmbH, 3DSystem, а также Институт проблем лазерных и информационных технологий РАН.

    Ниже показаны шахматные фигуры, созданные методом SLA печати.

    Шахматные фигуры, созданные методом SLA печати

    Лазерное спекание порошковых материалов

    Лазерное спекание порошковых материалов – оно же Selective Laser Sintering или просто SLS является единственной технологией 3D печати, которая может быть использована для изготовления металлических формообразующих для металлического и пластмассового литья. Пластмассовые прототипы обладают хорошими механическими свойствами, благодаря которым они моту быть использованы для изготовления полнофункциональных изделий.

    В SLS печати используются материалы, близкие по своим свойствам к конструкционным маркам: металл, керамика, порошковый пластик. Порошковые материалы наносятся на поверхность рабочего стола и запекаются лазерным лучом в твёрдый слой, соответствующий сечению 3D модели и определяющий её геометрию.

    Оборудование для SLS-печати изготавливают следующие заводы: 3D Systems, F & S Stereolithographietechnik GmbH, The ExOne Company / Prometal, EOS GmbH.

    На рисунке представлена скульптурная модель «Так держать», изготовленная методом SLS печати.

    Скульптурная модель «Так держать», изготовленная методом SLS печати, автор Лука Ионеску

    Послойная печать расплавленной полимерной нитью

    Послойная печать расплавленной полимерной нитью – она же Fused Deposition Modeling или просто FDM применяется для получения единичных изделий, приближенных по своим функциональным возможностям к серийным изделиям, а также для изготовления выплавляемых форм для литья металлов.

    Технология FDM печати заключается в следующем: выдавливающая головка с контролируемой температурой разогревает до полужидкого состояния нити из ABC пластика, воска или поликарбоната, и с высокой точностью подаёт полученный термопластичный моделирующий материал тонкими слоями на рабочую поверхность 3D принтера. Слои наносятся друг на друга, соединяются между собой и отвердевают, постепенно формируя готовое изделие.

    Технология FDM печати

    В настоящее время 3D принтеры с технологией FDM печати изготавливаются компанией Stratasys Inc.

    На картинке изображена модель, напечатанная 3D принтером с технологией FDM печати.

    Модель, напечатанная 3D принтером с технологией FDM печати

    Технология струйного моделирования

    Технология моделирования или Ink Jet Modelling имеет следующие запатентованные подвиды: 3D Systems (Multi-Jet Modeling или MJM), PolyJet (Objet Geometries или PolyJet) и Solidscape (Drop-On-Demand-Jet или DODJet).

    Перечисленные технологии функционируют по одному принципу, но каждая из них имеет свои особенности. Для печати используются поддерживающие и моделирующие материалы. К числу поддерживающих материалов чаще всего относят воск, а к числу моделирующих – широкий спектр материалов, близких по своим свойствам к конструкционным термопластам. Печатающая головка 3D принтера наносит поддерживающий и моделирующий материалы на рабочую поверхность, после чего производится их фотополимеризация и механическое выравнивание.

    Технология струйного моделирования позволяет получить окрашенные и прозрачные модели с различными механическими свойствами, это могут быть как мягкие, резиноподобные изделия, так и твёрдые, похожие на пластики.

    Технология струйного моделирования

    Принтеры для 3D печати с использованием технологии струйного моделирования изготавливают следующие компании: Solidscape Inc, Objet Geometries Ltd, 3D Systems.

    Технология склеивания порошков

    Технология склеивания порошков – она же Binding powder by adhesives позволяет не просто создавать объёмные модели, но и раскрашивать их.

    Принтеры с технологией binding powder by adhesives используют два вида материалов: крахмально-целлюлозный порошок, из которого формируется модель, и жидкий клей на водной основе, проклеивающий слои порошка. Клей поступает из печатающей головки 3D принтера, связывая между собой частицы порошка и формируя контур модели. После завершения печати излишки порошка удаляются. Чтобы придать модели дополнительную прочность, её пустоты заливаются жидким воском.

    Технология склеивания порошков

    1-2 – ролик наносит тонкий слой порошка на рабочую поверхность; 3 – струйная печатающая головка печатает каплями связующей жидкости на слое пороша, локально укрепляя часть сплошного сечения; 4 – процесс 1-3 повторяется для каждого слоя до готовности модели, оставшийся порошок удаляется

    В настоящее время 3D принтеры с технологией склеивания порошков изготавливаются компанией Z Corporation.

    Ламинирование листовых материалов

    Ламинирование листовых материалов – оно же Laminated Object Manufacturing или LOM предполагает изготовление 3D моделей из бумажных листов при помощи ламинирования. Контур очередного слоя будущей модели вырезается лазером, а ненужные обрезки режутся на небольшие квадратики, которые впоследствии удаляются из принтера. Структура готового изделия похожа на древесную, но боится влаги.

    Технология ламинирования листовых материалов

    До недавнего времени 3D принтеры для ламинирования листовых материалов производила компания Helisys Inc, но в настоящее время компания прекратила выпуск такого оборудования.

    Объект, напечатанный на 3D принтере с технологией ламинирования листовых материалов, показан на фото ниже.

    Модель, напечатанная 3D принтером с технологией LOM

    Облучение ультрафиолетом через фотомаску

    Облучение ультрафиолетом через фотомаску – оно же Solid Ground Curing или SGC предполагает создание готовых моделей из слоёв распыляемого на рабочую поверхность фоточувствительного пластика. После нанесения тонкого слоя пластика он через специальную фотомаску с изображением очередного сечения обрабатывается ультрафиолетовыми лучами. Неиспользованный материал удаляется при помощи вакуума, а оставшийся затвердевший материал повторно облучается жёстким ультрафиолетом. Полости готового изделия заполняются расплавленным воском, который служит для поддержки следующих слоёв. Перед нанесением последующего слоя фоточувствительного пластика предыдущий слой механически выравнивается.

    Технология облучения ультрафиолетом через маску

    До недавнего времени 3D принтеры с технологией облучения УФ-лампой через фотомаску выпускала компания Cubital Inc, но в настоящее время производство таких машин прекращено.

    Точность создания прототипов различными 3D принтерами находится в диапазоне между 0,05 мм и 0,2 мм по каждой координате. Точность создания прототипов увеличивается при уменьшении толщины слоя, но при этом падает скорость печати и повышается её себестоимость. В свою очередь, себестоимость прототипа зависит от его объёма. В зависимости от выбранной технологии 3D печати цена 1 см3 модели составляет от 1$ США до 5$ США.

    3D-принтер — технологии, использование, как работает

    Что такое 3D-принтер

    3D-принтер — это устройство, работающее по принципу послойного формирования физического объекта из цифровой 3D-модели.

    Процесс трехмерной печати еще называется быстрым прототипированием или аддитивным производством.

    Технологии послойного формирования объектов называются аддитивные технологии от английского слова additive – добавлять. В отличии от традиционных способов получения деталей (фрезеровка, точение, распил и т.п.), на 3D-принтере детали получаются методом добавления материала (слоев), что позволяет добиться высокой экономии материалов. 3D-печать может осуществляться разнообразными материалами (от пластика до металла), а также несколькими технологиями, подробнее о которых мы расскажем ниже.

    Управление 3D-принтером осуществляется программным способом. Для того, чтобы принтер воспроизводил физический объект, просчет задания на печать должен происходить в специализированном программном обеспечении, в которое загружается цифровая модель в формате для 3D-печати (STL). Специальная программа слайсер разбивает цифровую 3D-модель на слои и выдает сформированный бинарный код понятный для 3D-принтера. Далее полученный код может быть запущен на печать в программном обеспечении для принтера или записан на карту памяти для непосредственной печати без ПК.

    Способы позиционирования печатающей головки 3D-принтера

    В зависимости от расположения и механики работы (кинематической модели) печатающего механизма, они подразделяются на следующие основные способы:

    • Декартова, когда в конструкции используются три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели.
    • Дельта-робот: три радиально-симметрично расположенных двигателя согласованно смещают основания трёх параллелограммов, прикреплённых к печатающей головке
    • Автономная: когда печатающая головка размещена на собственном шасси, и эта конструкция передвигается целиком за счёт какого-либо двигателя, приводящего шасси в движение.

    Сферы применения 3D-принтеров

    • быстрое прототипирование
    • мелкосерийное производство
    • изготовление мастер-моделей и форм для литейного производства
    • изготовление бытовых предметов
    • производство готовых изделий со сложной геометрией и внутренней структурой
    • макетирование
    • реклама
    • в медицине для изготовления протезов и имплантатов, также ведутся исследования по 3D-печати внутренних органов человека
    • строительство зданий и сооружений
    • производства корпусов экспериментальной техники (от телефонов до оружия)
    • пищевое производство
    • другое

    Основные технологии 3D-печати

    • Лазерная стереолитография (SLA)
    • Полимеризация фотополимерного пластика ультрафиолетовой лампой (DLP)
    • Выборочное лазерное спекание (SLS)
    • Выборочное лазерное сплавление (SLM)
    • Моделирование методом послойного наплавления (FDM)
    • Электронно-лучевая плавка (EBM)
    • Технология многоструйного моделирования (MJM)
    • Технология цветной струйной печати (CJP)
    • Ламинирование (LOM)
    • Биопринтеры (экспериментальные)

    Лазерная стереолитография (англ. laser stereolithography, SLA) — 3D-печать, с помощью которой объект формируется из жидкого фотополимера, затвердевающего под воздействием лазерного или ультрафиолетового излучения. Процесс формирования объекта происходит в ванне с жидким фотополимером. На платформе, погруженной в фотополимер путем засветки формируется изображение первого слоя объекта и происходит кристаллизация фотополимера. Затем платформа перемещается на толщину одного слоя (6-100 мкм) вверх и происходит формирование следующего слоя. Процесс формирования слоев продолжается до полного построения объекта, при этом жидкий полимер затвердевает и превращается в достаточно прочный пластик.

    Схема 3D-печати SLA

    Этот метод 3D-печати немного отличается от других, так как в качестве «строительного материала» используются не порошки, а фотополимеры в жидком состоянии. SLA технология применяется в промышленных 3D-принтерах. С помощью лазерной стереолитографии получаются объекты с высокой (до 6 микрон) точностью и гладкой, почти глянцевой, поверхностью не требующей постобработки.

    Читайте также:  Принцип работы узо

    Фотополимерный 3D-принтер и модель из фотополимера

    Полимеризация фотополимерного пластика ультрафиолетовой лампой (англ. Digital Light Processing, DLP) — технология похожа на предыдущую (SLA), но пластик твердеет под действием ультрафиолета. DLP технология может использоваться как в промышленных, так и бытовых 3D-принтерах.

    Выборочное лазерное спекание (англ. selective laser sintering, SLS) — 3D-печать, с помощью которой объект формируется из порошкового материала (пластик, металл) в следствие его расплавления лазерным лучом. При SLS печати, материал наносится на платформу тонким равномерным слоем (специальным выравнивающим скребком), после чего на поверхности платформы лазерным излучением формируется первый слой объекта. Затем платформа опускается на толщину одного слоя (16-80 мкм) и на неё вновь наносится порошковый материал. Температура в рабочей камере в процессе 3D-печати поддерживается на уровне чуть ниже точки плавления рабочего материала, что позволяет уменьшить необходимую для сплавления мощность лазера. Для предотвращения окисления материала процесс проходит в бескислородной среде.

    Схема 3D-печати SLS

    Метод SLS-печати позволяет получать, в том числе, прочные металлические изделия, не уступающие аналогам произведенным традиционными способами, но в отличии от последних, имеющие сложную внутреннюю структуру. SLS применяется только в промышленных 3D-принтерах.

    Изделие из металла полученное на 3D-принтере

    Выборочное лазерное сплавление (англ. Selective laser melting, SLM) — технология лазерного плавления металлического порошка по математическим CAD-моделям. С помощью SLM-печати создаются сложные металлические детали узлов и агрегатов, а также неразборные конструкции с изменяемой геометрией.

    Технология селективного лазерного плавления SLM очень похожа на SLS, однако в отличии от последней, материалы (порошки) подвергаются не спеканию, а плавлению до образования гомогенной (густой, пастообразной) массы, как это происходит в EBM-печати. В отличии от EBM, в SLM используется лазер. Данный процесс успешно заменяет традиционные методы производства, так как физико-механические свойства изделий, построенных по технологии SLM, зачастую превосходят свойства изделий, изготовленных традиционным способом. По принципу SLM построены только промышленные 3D-принтеры.

    Технология 3D-печати FDM

    Моделирование методом послойного наплавления (англ. Fused deposition modeling, FDM) — технология послойного создания трехмерных объектов за счет укладки расплавленной нити из плавкого материала (пластика, металла, воска). В качестве материалов для FDM-печати в большинстве случаев используются термопластики (ABS, PLA и др.), выпускаемые в виде катушек нитей или прутков.

    FDM-печать была разработана в конце 1980-х годов С. Скоттом Крампом. Ее коммерческое распространение началось в 1990 году. На сегодняшний день FDM является самой распространенной технологией 3D-печати из-за простоты конструкции и низкой стоимости подобных устройств.

    Термин «Fused Deposition Modeling» и аббревиатура FDM являются торговыми марками компании Stratasys. Участники проекта RepRap, придумали аналогичный термин «Fused Filament Fabrication» или FFF (Производство способом наплавления нитей) для использования в обход юридических ограничений. Термины FDM и FFF равнозначны по смыслу и назначению.

    Принцип печати по FDM/FFF технологии заключается в нанесении расплавленного материала на рабочую платформу. Нанесенный материал быстро остывает и переходит из вязкого состояния в твердое. Следующий слой наносится на предыдущий и тем самым спаивается с ним. В процессе печати пластиковая нить или пруток под воздействием высокой температуры в экструдере размягчается и выдавливается на платформу. Часто в данном способе печати используют две рабочие головки (экструдера) — одна выдавливает на платформу рабочий материал, другая — растворимый материал поддержки. Материал поддержки позволяет строить сложные объекты без провисания слоев.

    FDM-печать применяется как в промышленных, так и в подавляющем большинстве современных бытовых 3D-принтерах. Технология на сегодняшний день настолько распространена, что понятия «бытовой принтер» и «FDM принтер» многие пользователи считают синонимами.

    Электронно-лучевая плавка (англ. Electron Beam Melting, EBM) — аналогична SLS/DMLS, только здесь объект формируется путём плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.

    Электронно-лучевая плавка — метод плавки металла путем применения электронного пучка. Используется при плавке особо чистых материалов, например, сталей и титана, и материалов, стойких к высокой температуре и химическим воздействиям. При EBM-печати практически отсутствует загрязнение материала посторонними примесями, так как процесс проходит в вакууме. Промышленные электронные плавильные печи позволяют производить изделия длиной в несколько метров и весом несколько тонн.

    Технология многоструйного моделирования (англ. Multi Jet Modeling, MJM) — основана на многоструйном моделировании с помощью фотополимерного или воскового материала. Используется в 3D-принтерах компании 3D Systems серии ProJet. Аналогичной технологией является PolyJet от компании Stratasys, которая сопоставима по качеству, но использует более дешевые материалы.

    Схема 3D-печати MJM

    Принцип MJM-печати заключается в следующем. Печатающая головка со множеством мельчайших сопел, расположенных линейно в несколько рядов наносит материал на рабочую поверхность по принципу струйной печати. Количество сопел начинается от 96 для младших моделей 3D-принтеров и достигает 448 для продвинутых моделей. Блок сопел движется вдоль рабочей поверхности и наносит слой жидкого фотополимера. Затем, УФ-лампа засвечивает только что нанесенные частицы материала, в результате чего тот затвердевает, формируя прочный слой. Операции нанесения и засвечивания материала повторяются до полного построения объекта.

    Технология цветной струйной печати (англ. Color Jet Printing, CJP) — построена на принципе послойного склеивания и окрашивания композитного порошка на основе гипса или пластика. CJP применяется в 3D-принтерах компании 3D Systems серии ProJet. До этого данный принцип печати назывался 3D Printing (3DP) и был разработан в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 1993 году. CJP (3DP) позволяет быстро создавать как одноцветные, так и полноцветные прототипы из композитного порошка.

    Изделие полученное на CJP 3D-принтере

    Принцип CJP-печати основан на склеивании основного материала (композитного порошка) связующим. Связующий материал — склеивает и окрашивает вместе частицы в нужных местах, формируя изделие. Построение объекта происходит послойно. Сначала материал модели равномерно тонким слоем распределяется по всей поверхности платформы камеры построения. Потом на этот слой наносится связующий материал, склеивая и окрашивая частицы между собой согласно цифровой 3D-модели. Затем платформа смещается вниз на толщину слоя (100 мкм). Операции нанесения материалов повторяются слой за слоем до полного построения модели.

    Ламинирование (англ. laminated object manufacturing, LOM) — способ формирования объектов послойным склеиванием (нагревом, давлением) тонких листов рабочего материала с вырезанием (с помощью лазерного луча или режущего инструмента) соответствующих контуров на каждом слое.

    Объекты, напечатанные техникой LOM, могут быть дополнительно модифицированы путем механической обработки или сверления после печати. Толщина слоя при печати таким способом зависит от используемого материала, как правило, равна толщине обычной бумаги для копирования.

    Схема 3D-печати LOM

    Ламинирование не совсем относится к традиционным технологиям 3D-печати, поэтому не очень распространено. 3D-печатm таким способом требует использования материала поддержки, который затем очень затруднительно удалять, особенно на объектах с высокой детализацией.

    Биопринтеры — экспериментальные установки, в которых печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится каплями, содержащими живые клетки. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта.

    Технологии 3d печати

    В данной статье мы рассмотрим основные технологии 3d печати (но не все), с точки зрения рабочего процесса и материалов. О принципах работы 3d принтера в целом Вы можете прочитать здесь, о том как они появись здесь.

    FDM (Fused Deposition Modeling) или FFF (Fused Filament Fabrication)

    Технология послойного направления материала. Это самая распространенная на рынке технология, а материалом, как правило является пластиковая нить определенного диаметра (самый распространенный 1.75 мм). Среди пластиков самыми популярными являются ABS и PLA.

    Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки и модель подготавливается к печати (“нарезается на слои”). При необходимости генерируются поддерживающие структуры, необходимые для печати нависающих элементов. 3d печать происходит посредством выдавливания («экструзией») расплавленного термопластика в виде последовательных слоев, застывающих сразу после экструдирования. Матрицей (основой) движения печатающей головки является 3д модель. Печатающая головка перемещается по 2-м плоскостям и еще по 1 плоскости перемещается печатная платформа. Конфигурации могут быть разными, однако самой популярной является схема, при которой печатающая головка с экструдером двигается в горизонтальной плоскости по 2-м осям а платформа опускается вниз на заданную при подготовке модели высоту слоя. По мере движения вниз материал (и поддерживающие структуры) выкладываются послойно на печатную платформу, при этом материал почти мгновенно остывает. По завершению печати платформа отъезжает вниз. после чего ее можно вынимать и извлекать готовую модель.

    FFF является самой доступной по цене (как оборудование, так и услуги) технологией 3d печати и имеет ряд технологических особенностей:

    1) В первую очередь стоит отметить сами слои – они, зачастую ощущаются тактильно, и всегда видны визуально. На поверхностях сложной (например овальной) формы, с малым изменением высоты это особо ощутимо. Так же слоистость сказывается на прочностных характеристиках детали: так прочность параллельно слоям может быть до 5 раз меньше, чем прочность поперек.

    2) На прочность так же влияет параметр заполнения. Модели по умолчанию (как правило) печатаются с внешним контуром (0.8-1.2 мм или более) внутри которого печатается сетчатая структура, различного рисунка (как правило квадраты или шестиугольники) по форме напоминающая соты. Это настраиваемый параметр заполнения, средне минимальное значение которого 10%, при выборе 10% сетчатая структура будет по объему занимать 10% внутреннего пространства модели. Чем выше параметр заполнения, тем больше прочность. Однако мы не рекомендуем 100% заполнение, так как некоторые тесты/исследования показывают, что наиболее прочными являются модели с заполнением 75%, так как внутри модели остается свободное пространство для амортизации при нагрузках.

    3) Точность. Точность размеров и усадка материала так же являются важными нюансами при использовании технологии послойного направления материала. Точность размеров в среднем может быть в пределах +-1мм. в зависимости от используемого оборудования, материалов и параметров печати. Например, у нас допустимые расхождения для пластика ABS находиться в пределах 0.6 мм на 200 мм размера и редко превышают 0.2-0.4 мм, что является очень хорошим показателем для описываемой технологии. Усадка происходит по причине быстрого (неравномерного) остывания материалов и проявляется в виде деформации уже напечатанных нижних слоев модели. Особенно это заметно, если печатать куб 10/10/10 см, углы, прилегающие к печатной платформе, будут загибаться наверх. Усадка варьируется от материала к материалу, так же зависит от настроек печати и расположения модели на платформе. Есть определенное количество способов, чтобы нивелировать лили свести к минимуму проявление усадки, однако многие модели (особенно при печати целиком) все равно будут в той или иной степени ей подвержены.

    4) Материалы. В данной технологии преимущественно используются термопластики, и их количество постоянно расширяется. На сегодняшний день существует около нескольких десятков различных видов и модификаций пластиков для 3d печати, однако львиную долю среди них по прежнему занимают ABS и PLA пластики. Такое разнообразие обусловлено различными свойствами пластиков, как применительно к процессу 3д печати, так и готового изделия.

    Конечно, это далеко не все, что можно сказать о технологии послойного наплавления, однако основные момент мы изложили. Все эти момент стоит учитывать как при разработке 3d модели, так и непосредственно при подготовке модели к печати и выборе материала.

    Зачастую, для улучшения качества внешней поверхности (а иногда и прочности), применяется постобработка.

    SLS (selective laser sintering – выборочное лазерное спекание) относиться к классу Powder Bed Fusion (слияние слоев порошка)

    Технология, основанная на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. Материалом как правило выступает полиамид и его модификации, а так же различные металлы (технология DMLS).

    Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки и модель подготавливается к печати (“нарезается на слои”). Так как построение идет по слоям, особенно важно для финальной поверхности модели ее расположение (ориентация) на печатной платформе. Так на поверхностях сложной (например овальной) формы, с малым изменением высоты (угла наклона поверхности) будет образовываться “лесенка” из слоев. Толщина слоя, как правило, составляет около 0.1 мм. После загрузки подготовленного задания на принтер, начинается процесс 3д печати.

    3d Принтер, работающий по технологии SLS представляет из себя закрытую камеру с лотком, наполненным порошком, выравнивателем слоя, местом подачи нового порошка (с одной стороны лотка, вместе с выравнивателем), а так же местом для сброса лишнего порошка (с другой стороны лотка). Так же в камере находиться сканирующая лазерная головка.

    В процессе подготовки к печати камера прогревается до температуры, близкой к температуре плавления порошка, чтобы облегчить/ускорить процесс печати и снизить энергозатраты а так же деформацию моделей от разницы в температурах. После прогрева лазерная головка начинает сканировать плоскость порошка и выборочно спекать контуры, соответствующие подготовленной 3д модели. Как только слой закончен, лоток сдвигается вниз на толщину слоя (0.1 мм), подается новый порошок, который равномерно распространяется выравнивателем поверх напечатанного слоя. И печать продолжается до полного завершения (слой за слоем). Порошок вокруг спекаемых контуров остается на месте и служит поддерживающим материалом, что подводит нас к самому большому преимуществу данной технологии – отсутствии необходимости в поддерживающих структурах. Что позволяет создавать практически неограниченные по сложности объемы моделей.

    После завершения процесса печати камера остывает, модель извлекается и продувается под струей сжатого воздуха, для удаления остатков порошка. После продувки модель можно подвергнуть пост обработке, для улучшения ее физических и эстетических свойств, например ее можно покрасить.

    SLS в ценовом диапазоне стоит посередине между FFF (FDM) и MJM, и может быть сопоставлена по цене с бюджетными фотополимерами по технологии SLA. Технология имеет ряд особенностей:

    1) Слои. Как правило высотой 0.1 мм и, как правило не заметны, за исключением малого отклонения (описанного выше), когда появляется лесенка. Прочность вдоль и поперек слоя практически равнозначны. При использовании материалов с добавками (например стекло или угленаполненный полиамид), прочность по слоям начинает разница и может доходить до 50% разницы.

    2) Поверхность. После печати изделия имеют слегка шероховатую поверхность, примерно одинаковую со всех сторон. Поверхность может шлифоваться, но возможности “ручного редактирования” сильно ограничены, так как можно просто-напросто сломать или отколоть часть детали. Так как материал (полиамид) сделан из порошка методом спекания, он имеет пористую структуру и без дополнительной обработки не может контактировать с водой или находиться в условиях повышенной влажности долгое время, в противном случае это приведёт к деформации/деградации поверхности. На это же стоит обратить внимание при покраске (противопоказаны краски на водной основе).

    Читайте также:  Скважина или колодец: как выбрать, что лучше?

    3) Точность. Как правило (в зависимости от оборудования и материала) варьируется в пределах от 0.1 мм до 0.3 мм. Как правило, редко превышает 0.2 мм. Как и в технологии FFF (FDM), существует проблема усадки (деформации), по причине неравномерного остывания слоев, однако в данном случае она обстоит слегка иным образом. Стоимость избегать расположения больших (продольных/плоских) кросс секций вертикально, располагать такие модели под углом или горизонтально, чтобы сократить площадь слоя. Так же, если Вы печатаете большую (более 100/150 мм) плоскость с небольшой толщиной (до 2-3 мм), вероятность деформации очень высока (90%), в таких случаях нужно предусматривать ребра жесткости.

    4) Материалы. Используются порошковые материалы, самый популярный – полиамид. Как правило делается на основе нейлона. Марок полиамида может быть довольно много (в зависимости от конкретного химического состава и добавок). Так же могут использоваться специальные добавки, такие как стекло или угле волокно или алюминий, которые придают изделиям специальные свойства.

    SLA (стереолитография) или DLP (Направленная световая обработка)

    Технология аддитивного производства , работающая по принципу отверждения фотополимерных смол посредством лазерной засветки (SLA) и засветки проектором (DLP). Материалами выступают фотополимерные смолы самых различных составов и свойств.

    Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки (например толщина слоя) и модель подготавливается к печати (“нарезается на слои”). Важным параметром является ориентация модели на платформе: это важно не только для внешнего вида отдельных деталей модели (слоистость или “елочка”), сколько размещения поддерживающих материалов и успешной печати как таковой. Хотя последний пункт во многом зависит от конкретного типа оборудования и материалов, так дорогостоящие промышленные установки позволяют располагать модели как угодно (почти), что никак не будет сказываться на качестве печати. Тем не менее, все же общей рекомендацией будет располагать модели под углом около 45 градусов ко всем осям.

    После подготовки модели и загрузки кода в принтер, принтер приступает к работе. Принтер устроен из лотка (где находиться полимер), в большинстве оборудования лоток оснащен системой автоматической подачи и дозирования материала, в более простых (любительских) 3д принтерах, материал необходимо в нужном количестве налить в лоток вручную. После этого принтер начинает проецировать лазерный луч через систему зеркал, по контуру слоя (SLA) или слой целиком через проектор (DLP) на фотополимерную поверхность. После завершения платформа поднимается на высоту слоя и специальная планка выравнивает поверхность для следующего слоя, после чего начинается его засветка.

    После того, как модель построена, она (как правило вместе с платформой) извлекается из 3д принтера, она содержит на себе много лишней сломы. Для удаления смолы модель помещается (как правило) в резервуар со специальной жидкостью, где проходит процедуру отмывки. После отмывки (как правило) модель помещается в специальную “печь” в которой проходит световую (ультрафиолетовые лучи) или тепловую обработку, такая обработка помогает модели дополимерезоваться и может значительно повысить ее физические свойства, такие как прочность.

    По окончанию обработки модель очищается от поддерживающих структур (можно сделать и ранее) и может быть подвергнута постобработке.

    3d печать по технологии SLA (DLP) в ценовом диапазоне находиться выше FFF и SLS и уступает, по большому счету, только MJM и 3д печати металлами. Хотя стоимость будет сильно зависеть от типа используемого оборудования и материалов. Например мы предлагаем 3d печать от 130 руб. по технологии SLA..Технология имеет ряд особенностей:

    1) Отличие SLA от DLP. Принципиальным отличием технологий является источник засветки каждой. SLA использует лазер, который передвигается по контуру (обозначенному моделью) и засвечивает слой постепенно, тогда как DLP при помощи “проектора” засвечивают слой целиком (или по большим секциям). В результате, точность мелких элементов у SLA выше а у DLP выше скорость.

    2) Поверхность. Самым большим преимуществом является качество поверхности, за счет технологических особенностей и возможности печати с небольшой толщиной слоя (до 0.15 мм), поверхность может быть гладкой (максимально, на сколько это возможно для 3д печати) и с высокой детализацией (минимальными размерами элементов). Однако как и для технологии FFF, под нависающими частями необходимы поддерживающие структуры. Обычно они отличаются по виду от поддержек технологии FFF и представляют из себя тонкие стержни с заостренными окончаниями, приходящими непосредственно на поверхность модели. Если небольшой недостаток поддержки при 3д печати пластиком может вызвать незначительную деформацию модели (или никак не отразиться), то при 3d печати по технологии SLA (DLP), наличие поддержки всех необходимых местах критически важно. Отсутствие поддерживающих структур там, где они нужны, зачастую приводит к браку всей модели.

    Поддержка оставляет после себя следы (хоть и небольшие). Для придания поверхности необходимого вида может быть использована постобработка.

    3) Точность. Этот параметр во многом зависит от типа используемого оборудования и материала и в среднем составляет от 0.1 до 0.3 мм. Мы предлагаем 3d печать по технологии SLA с точностью до 0.25 мм. на рабочую камеру. Наряду с точностью стоит отдельно выделить настраиваемый параметр толщины слоя (движение по оси Z), который может составлять от 0.025 до 0.3 мм. Малая высота слоя значительно увеличивает время (и себестоимость) 3д печати, однако способствует формированию более гладкой поверхности и более высокого качества мелких деталей. Стоимость так же упомянуть о деформации при печати (и как следствии брака), деформации подвержены большие плоские поверхности (особенно тонкие). Стоит избегать расположения детали, при котором площадь слоя будет иметь большое сечение. Его, по возможности, необходимо сократить как можно больше, переориентировав модель под углом или вертикально.

    4) Материалы. В качестве материалов используются различные полимеры в жидком виде, обладающие различными свойствами, например: термостойкий полимер, прочный полимер, полупрозрачный полимер, выжигаемый полимер. Линейка постоянно пополняется, что постоянно расширяет и без того широкий спектр возможностей для применения данной технологии.

    MJM (много струйное моделирование)

    Технология аддитивного производства, работающая по принципу нанесения материала печатной головкой с массивом сопел (количество сопел от 96 до 446). Материалом может выступать жесткий пластик, застывающий посредством постепенного охлаждения, воск или жидкий полимер, обрабатываемый ультрафиолетовым излучением для затвердевания.

    Все начинается с обработки трехмерной цифровой модели. Модель в формате STL загружается в ПО принтера, где выбираются настройки (например толщина слоя, материал) и модель подготавливается к печати (“нарезается на слои”). Важным параметром является ориентация модели на платформе: это важно для внешнего вида отдельных деталей модели (слоистость или “елочка”).

    После подготовки модели и загрузки кода в принтер, принтер приступает к работе.

    После того, как модель построена, она (как правило вместе с платформой) извлекается из 3д принтера, модели извлекаются с платформы и помещаются в специальную камеру, где происходит постобработка и удаление поддерживающих структур.

    1) Слои. Толщина слоя может быть очень маленькой и начинается от 0,016мм (16 микрон). Однако даже такие слои могут быть заметны. при невыгодном расположении модели при печати (например изменение плоскости по оси Z под небольшим углом). Тем не менее, это наименьший показатель из возможных, и, как правило, слои остаются незаметны.

    2) Поверхность. Поверхность, как и при технологии SLA, получается максимально гладкой. Это достигается малой высотой слоя а так же высокой точностью (самой высокой их возможных). Погрешность не превышает 0.035 мм. ЗА счет использования поддерживающих материалов их легкоплавкого воска, поверхность под поддерживающими структурами, после их удаления (автоматического в специальной камере), не будет ничем отличаться от остальной поверхности.

    3) Точность. 3d печать по технологии MJM является самой точной из доступных. Допуск по размерам не превышает 0.035 мм (35 микрон) на камеру построения. Как и в других технологиях, существуют проблемы с деформацией моделей. Они могут незначительно варьироваться, в зависимости от материала, однако в основном деформации подвержены тонкие, плоские стенки без ребер жесткости.

    4) Материалы. В качестве материалов в основном используются различные фотополимеры и полимер на основе воска с различными механическими свойствами. Например используется легкоплавкий воск, обладающий низкой зольностью, используемый в основном для ювелирной 3д печати. А сверхточный полимер обладает максимальным из возможных при 3d печати качеством поверхности и точностью и используется в основном, для создания литейных мастер-моделей.

    Классификация 3D принтеров (7 технологий 3D печати)

    На хабре уже были статьи о технологиях печати, которые используют 3D принтеры, однако в данной статье я постарался подойти к вопросу системно, чтобы в голове у читателя сложилась четкая картина о том, какие принципы заложены в технологии 3D печати, какие материалы используются и в конечном итоге какую технологию лучше использовать для получения определенного результата, будь то деталь из титана, или мастер-модель для последующего тиражирования.
    Статья основана на книге Fabricated: The New World of 3D printing

    I. Те которые что-то выдавливают или выливают или распыляют

    1) FDM (fused deposition modeling) принтеры которые выдавливают какой-то материал слой за слоем через сопло-дозатор, не буду расписывать подробно, мы про них все знаем. Все мэйкерботоподобные принтеры + принтеры Stratasys + различные кулинарные принтеры (используют глазурь, сыр, тесто) + медицинские которые печатают “живыми чернилами” (когда какой-либо набор живых клеток помещается в специальный медицинский гель которые используется далее в биомедицине)

    2) Технология Polyjet , была изобретена израильской компанией Objet в 2000 г. в 2012 их купили Stratasys. Суть технологии: фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности изготавливаемого девайса под воздействием УФ излучения. Важная особенность, отличающая PolyJet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами.
    Преимущества технологии: а) толщина слоя до 16 микрон (клетка крови 10 микрон) б) быстро печатает, так как жидкость можно наносить очень быстро. Недостатки технологии: а) печатает только с использованием фотополимера — узко-специализированный, дорогой пластик, как правило, чувствительный к УФ и достаточно хрупкий.
    Применение: промышленное прототипирование и медицина

    3) LENS (LASER ENGINEERED NET SHAPING)
    Материал в форме порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера. Часть порошка пролетает мимо, а та часть, которая попадает в фокус лазера мгновенно спекается и слой за слоем формирует трехмерную деталь. Именно по такой технологии печатают стальные и титановые объекты.
    Поскольку до появления этой технологии печатать можно было только объекты из пластика, к 3D печати особенно серьезно никто не относился, а эта технология, открыла двери для 3D печати в “большую” промышленность. Порошки различных материалов можно смешивать и получать таким образом сплавы, на лету.
    Применение: например, титановые лопатки для турбин с внутренними каналами охлаждения. Производитель оборудования: Optomec

    4) LOM (laminated object manufacturing)
    Тонкие ламинированные листы материала вырезаются с помощью ножа или лазера и затем спекаются или склеиваются в трехмерный объект. Т.е. укладывается тонкий лист материала, который вырезается по контуру объекта, таким образом получается один слой, на него укладывается следующий лист и так далее. После этого все листы прессуются или спекаются.
    Таким образом печатают 3D модели из бумаги, пластика или из алюминия. Для печати моделей из алюминия используется тонкая алюминиевая фольга, которая вырезается по контуру слой за слоем и затем спекается с помощью ультразвуковой вибрации.

    II. Те которые что-то спекают или склеивают

    1) SL (Stereolithography) Стереолитография.
    Есть небольшая ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ полимеризуется. После того как один слой готов платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту далее запекается следующий слой и так далее. Иногда происходит наоборот: платформа с деталью поднимается вверх, лазер соответственно расположен снизу…
    После печати таким методом, требуется постобработка объекта — удаление лишнего материала и поддержки, иногда поверхность шлифуют. В зависимости от необходимых свойств конечного объекта модель запекают в т.н. ультрафиолетовых духовках.
    Фотополимер зачастую бывает токсичным поэтому при работе с ним нужно пользоваться средствами защиты и респираторами. Содержать и обслуживать такой принтер дома — сложно и дорого
    Преимущества: быстро и точно, точность до 10 микрон. Для спекания фотополимера достаточно лазера от Blu-ray проигрывателя, благодаря чему на рынке появляются дешевые при этом точные принтеры работающие по такой технологии (e.g. Form1).

    2) LS (laser sintering)
    Лазерное спекание. Похоже на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок, который спекается лазером.
    Преимущества: а) менее вероятно, что деталь сломается в процессе печати, так как сам порошок выступает надежной поддержкой б) материалы в порошковой форме довольно легко найти в продаже в том числе это могут быть: бронза, сталь, нейлон, титан
    Недостатки: а) поверхность получается пористая б) некоторые порошки взрывоопасны, поэтому должны храниться в камерах, заполненных азотом в) спекание происходит при высоких температурах, поэтому готовые детали долго остывают, в зависимости от размера и толщины слоев, некоторые предметы могут остывать до одного дня.

    3) 3DP (three dimensional printing)
    Технология изобретена в 1980 году в MIT студентом Paul Williams, технология была продана в несколько коммерческих организаций, одна из которых — zCorp, в настоящее время поглощена 3D Systems.
    На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так далее. На выходе, как правило, получается материал sandstone (похожий по свойствам на гипс)
    Преимущества: а) так как используется клей, в него можно добавить краску и таким образом печатать цветные объекты б) технология относительна дешевая и энергоэффективная в) можно использовать в условиях дома или офиса в) можно печатать использовать порошок стекла, костный порошок, переработанную резину, бронзу и даже древесные опилки. Используя похожу технологию можно печатать съедобные объекты например из сахара или шоколадного порошка. Порошок склеивается специальным пищевым клеем, в клей может добавляться краситель и ароматизатор. Как пример, новые 3D принтеры от компании 3D systems, которые были продемонстрированы на CES 2014 — ChefJet и ChefJet Pro
    Недостатки: а) на выходе получается достаточно грубая поверхность, с невысоким разрешение

    100 микрон б) материал нужно подвергать постобработке (запекать), чтобы придать ему необходимые свойства.

    Надеюсь материал будет для вас полезен.
    Дополнения принимаются.

  • Ссылка на основную публикацию