Теперь, когда они стали достаточно доступными, чтобы иметь их дома, действительно ли стоит приобретать 3D-принтер? Вот о чем вам нужно подумать, включая материалы, возможные области применения и преимущества.
Введение
3D-печать может показаться не совсем обычным увлечением, но с момента своего изобретения эта технология привела к полному пересмотру производственных процессов, что открыло рынок как для малого бизнеса, так и для любителей.
Существует множество других преимуществ 3D-печати, о которых мы расскажем подробнее позже, но, пожалуй, самым важным является тот факт, что она позволяет производить более прочные, более точные, более качественные и более легкие детали и компоненты систем.
Готовы вскочить на поезд 3D-печати? В этой статье мы рассмотрим всю основную информацию, которую необходимо знать о 3D-печати новичкам, и дадим несколько ссылок на вспомогательные материалы по ходу дела, чтобы сделать остановки для дальнейшего чтения.
Сначала мы ответим на вопрос: что такое 3D-печать?
Оглавление
Что такое 3D-печать?
Термин 3D-печать относится к технологии с гораздо большими возможностями, чем можно вместить в одну машину, но процесс 3D-печати, по сути, подразумевает создание трехмерного физического объекта из цифровой модели путем наложения различных материалов.
Это довольно широкое определение того, что такое 3D-печать, поскольку существует несколько различных методов 3D-печати, сочетающих цифровое манипулирование объектами и физическое производство, поэтому я расскажу вам о некоторых из них, чтобы помочь вам понять процесс печати.
Цифровое и аддитивное производство
3D-печать основана на цифровом и аддитивном производстве — технологии, которая использует совершенно иной метод печати, чем все остальные, представленные на рынке в настоящее время.
Вместо того чтобы начинать с большого блока материала и уменьшать его до меньшего прототипа или модели, аддитивные процессы основаны на наслаивании материалов друг на друга.
Программное обеспечение для автоматизированного проектирования (CAD) или сканеры 3D-объектов управляют аппаратным обеспечением принтера по мере наслоения материала для превращения вашего 2D-проекта в 3D-отпечаток, что позволяет решить большинство проблем, возникающих при традиционном печатном производстве.
Аддитивное производство гораздо более эффективно и менее расточительно, особенно по сравнению с субтрактивными методами, которые могут привести к тому, что до 90% исходного материала не будет использовано в конечной модели. Это впоследствии также помогает снизить производственные затраты, связанные с 3D-печатью.
Вы можете услышать термины «3D-печать» и «быстрое прототипирование» в разговорах о аддитивном производстве, но технически это обе подгруппы аддитивного производства.
История 3D-печати
Прежде чем 3D-печать стала считаться явлением, которое «больше, чем интернет», по мнению Financial Times и других СМИ, она развивалась в течение нескольких десятилетий.
Именно история 3D-печати делает ее нынешний успех таким захватывающим, поскольку она показывает, как технология может развиваться с годами, пока не станет лучшей версией самой себя.
Первое официальное упоминание о 3D-печати датировано маем 1980 года в виде патентной заявки, поданной доктором Кодамой в Японии, несмотря на неудачу заявки, несмотря на его историю в качестве патентного юриста… это должно быть неприятно.
Однако ранние истоки 3D-печати восходят к 1986 году, когда Чарльз Халл подал патент на аппарат стереолитографии (SLA). Вы можете узнать это имя, поскольку он был соучредителем корпорации 3D Systems, одного из самых уважаемых брендов в отрасли.
Именно эта компания выпустила первую машину с технологией 3D-печати, и с тех пор в этой области были достигнуты серьезные успехи, хотя полностью ее потенциал был реализован лишь в конце 1990-х годов.
Технология
За кулисами процесса печати стоит множество других технологий, и для 3D-печати все начинается с цифровой 3D-модели, с которой можно работать.
Многочисленные 3D-программы позволяют создавать цифровые модели, и они различаются по своей сложности. В качестве альтернативы вы можете использовать 3D-сканер, чтобы загрузить свой дизайн.
Для профессионалов и тех, кто работает в индустрии 3D-печати, 3D CAD является популярным программным инструментом. Однако любители и те, кто еще только начинает заниматься 3D-печатью, могут предпочесть начать с более простых программ, таких как Tinker Clad или 3D Splash, которые являются бесплатными.
После загрузки файл 3D-модели преобразуется в читаемый формат, совместимый с вашим 3D-принтером, что называется сращиванием. Затем происходит наслоение нити в соответствии с дизайном и процессом печати, поскольку каждый тип технологии обрабатывает материал по-разному.
Вы можете напечатать свою модель, используя несколько различных материалов, при этом обычно используются такие материалы, как функциональные пластмассы, керамика и металлы, хотя на рынке начального уровня вы не найдете много доступного сверх этого.
Как это работает
Чтобы понять, как работает 3D-печать, вам нужно иметь базовое представление о том, как работает 3D-принтер, поэтому вот сводка основных компонентов:
- Платформа Build Platform: Как и следует из названия, это платформа, на которой строится модель, и она обычно нагревается для облегчения склеивания определенных деталей.
- Экструдер(ы): эта часть 3D-принтера расплавляет материал перед послойным нанесением нити для создания цифрового дизайна.
Технически, экструдер может быть разделен на несколько частей.
- Горячая часть: Имеет нагреватель и сопло для подачи расплавленного материала,
- Холодная часть: Имеет двигатель, приводные шестерни и дополнительные компоненты, которые заставляют материал двигаться к горячему концу для его расплавления.
- Радиатор: Для того чтобы холодная сторона оставалась холодной, между каждой из сторон расположен радиатор, который предотвращает заклинивание системы.
- Охлаждающий вентилятор: для предотвращения перегрева часто используется дополнительный охлаждающий вентилятор, который охлаждает материал, поступающий в экструдер.
- Печатающая головка: Экструдеры расположены в верхней части печатающей головки, где также имеется трубка для подачи нити в печатающую головку.
- Пользовательский интерфейс: Вы можете управлять 3D-принтером либо с помощью основного ЖК-экрана, который позволяет изменять настройки с помощью кнопок, либо с помощью более современного сенсорного интерфейса, который можно найти на некоторых моделях высшего класса. Некоторые 3D-принтеры также могут иметь слот для SD-карт и/или порт USB.
Чтобы полностью понять, что такое 3D-печать, как она работает и как разрабатывать для нее дизайн, сначала нужно узнать больше о различных процессах, используемых в разных 3D-принтерах.
Процессы
Как я уже говорил, 3D-печать — это довольно широкое понятие. Существует несколько различных процессов, которые вы можете использовать для создания 3D-проектов, и сейчас мы их рассмотрим.
Стереолитография (смола/SLA)
Стереолитография (SLA) была изобретена Чарльзом Халлом, основателем компании 3D Systems, который обнаружил потенциал технологии в 1986 году. Принято считать, что это первый процесс для 3D-печати, или, по крайней мере, первый, достигший коммерческого успеха.
SLA — это процесс послойной печати, в котором используется ультрафиолетовый лазер и чан с жидким отверждаемым полимером. Лазерный луч «фокусируется на свободной поверхности светочувствительной жидкости, чтобы вызвать полимеризацию жидкости в этой области и превратить ее в полимеризованное твердое вещество», согласно ScienceDirect.
Если говорить проще, SLA — это процесс, который создает твердые объекты из жидких пластмасс. Здорово, да?
SLA-принтер можно разделить на четыре основные части:
- принтер, заполненный жидким пластиком
- перфорированная платформа
- УФ-лазер
- Компьютер для управления платформой и лазером
Все начинается со слоя пластика, толщина которого должна составлять от 0,05 до 0,15 мм. Лазер считывает компьютерные файлы, содержащие ваш дизайн, и как только лазер вступает в контакт с материалом, он затвердевает, оставляя гладкую поверхность вашей модели.
DLP
Еще один популярный процесс печати — цифровая обработка света (DLP), которая использует свет и светочувствительные полимеры для печати 3D-моделей.
В отличие от SLA, в DLP для отверждения фотополимерных смол используется другой тип источника света, например, традиционная дуговая лампа, а также жидкокристаллическая панель или деформируемое зеркальное устройство (DMD), которое используется для покрытия поверхности чана с фотополимерной смолой с гораздо более высокой скоростью.
DLP способна создавать высококачественные детали так же, как и SLA, но с тем дополнительным преимуществом, что для нее требуется только неглубокий чан со смолой, что снижает затраты и отходы материалов.
При использовании процесса лазерного спекания или лазерного плавления происходит трассировка слоя порошкообразного материала для его взаимодействия и затвердевания. После этого излишки можно удалить, чтобы остались только «напечатанные» участки.
Это один из лучших процессов для печати сложных конструкций, хотя вам придется подождать некоторое время, чтобы материал полностью остыл, из-за высоких температур, используемых для плавления.
Экструзия/FDM/FFF
Fused Deposition Modelling (FDM) — это метод 3D-печати, в котором используется термопластичная нить. Это материал, который выдерживает процесс расплавления, выборочного осаждения и охлаждения для печати деталей путем наслоения материалов и их сплавления.
Это самая распространенная технология 3D-печати благодаря ее доступности, простоте использования и возможности быстрого создания прототипов.
Fused Filament Fabrication (FFF) — это тот же самый процесс. Нет, серьезно. Разница между ними только в названии, поскольку FDM изначально была торговой маркой компании Stratasys, поэтому, хотя FFF по умолчанию является более общим термином, они относятся к одной и той же технологии.
В отличие от DLP, процессы FDM/FFF нуждаются в поддерживающих структурах, если дизайн включает геометрию. Более конкретно, FMD требует использования дополнительного, водорастворимого материала, чтобы можно было смыть поддержку. Можно также использовать отрывные материалы поддержки, но в этом случае вероятность повреждения модели выше.
Струйная печать
Струйная 3D-печать была изобретена где-то между 1960-ми и 1970-ми годами, и два различных процесса используют струйную технику.
Струйная печать — это когда связующий материал распыляется в слой порошка, что устраняет необходимость в опорах для удержания структуры во время создания модели.
Каждый нанесенный слой плавится, так как лезвие или валик наносит больше порошка на слой, прежде чем следующий слой связующего материала будет нанесен через струйные головки.
Струйная подача материала — это когда материал, который вы выбрали для печати модели, нагревается до жидкого состояния и подается через струйные головки, хотя жидкие фотополимеры отверждаются во время печати каждого слоя с помощью ультрафиолетового излучения.
Это позволяет печатать одновременными материалами, что означает, что вы можете создавать более сложные и красочные модели без необходимости изготавливать их отдельно и затем собирать.
SDL
Компания Mcor Technologies разработала SDL — процесс 3D-печати, который можно сравнить с Laminated Object Manufacturing (LOM), разработанным Helisys ранее в 1990-х годах, а именно благодаря заключительным этапам наслоения и придания формы бумаге, которые имеют несколько общих черт.
Кроме того, они не могут быть более разными, поскольку SDL использует обычную копировальную бумагу для создания отпечатков. Каждый слой прикрепляется клеем в соответствии с 3D-данными дизайна, который определяет, какие области являются частью модели, поэтому они имеют более высокую плотность, чем отходы.
В отличие от других процессов печати, SDL может производить 3D-печатные детали в полном цвете без постобработки, и это более экологичный процесс благодаря использованию бумаги.
EBM
EBM означает электронно-лучевое плавление — это технология, впервые изобретенная шведской компанией Arcam.
Этот процесс формирует детали с использованием металлического порошка, причем источником тепла является не лазер, а электронный луч, что следует из названия. Готовые детали получаются полностью плотными, а в качестве материала можно использовать несколько металлических сплавов.
Этот метод оказался особенно полезным в медицинском секторе, где он используется для таких целей, как имплантаты, хотя аэрокосмическая и автомобильная промышленность также проявляют интерес к тому, как EBM может быть использован для улучшения их процессов.
Материалы
В наши дни вы практически избалованы выбором, когда дело доходит до выбора материала для печати 3D-моделей, поскольку сейчас существует гораздо большее разнообразие материалов, которые можно использовать. Однако не все из них доступны для начинающих, поскольку требуют более продвинутой технологии.
Чем больше опыта вы приобретете в 3D-печати, тем менее ограниченным будет ваш выбор материала. Другие материалы, такие как пищевые и биоматериалы, менее распространены, но весьма перспективны.
В настоящее время они все еще исследуются и разрабатываются, а некоторые машины начального уровня даже разработаны исключительно для печати 3D-пищи с использованием таких материалов, как шоколад и сахар, но они в основном предназначены для профессиональных или исследовательских целей.
Пластмасса
Пластик, вероятно, является наиболее часто используемым материалом в 3D-печати, поскольку он доступен, надежен и прост в работе, а также является одновременно гибким и прочным.
К наиболее популярным видам пластика для 3D-печати относятся:
- нейлон, или полиамид
- ABS
- PLA
- LayWood
Некоторые виды пластика, например нейлон или полиамид, часто используются в виде порошка. Он может быть окрашен до или после печати модели, но обычно начинается с естественного белого цвета, из-за чего его прозвали «белым пластиком».
Нейлон также может быть объединен с порошкообразным алюминием для создания альтернативного материала для 3D-печати, который хорошо поддается спеканию, под названием алюмид.
ABS, как правило, является предпочтительным выбором для FDM 3D-печати начального уровня и обычно поставляется в виде нити, а не порошкообразного пластика. Его можно приобрести у неофициальных поставщиков, он очень прочный и выпускается в нескольких цветах, что делает его популярным и легко персонализируемым.
В последнее время PLA стал основным материалом для 3D-печати, поскольку его получают из кукурузного крахмала, сахарного тростника или тапиоки, что делает его биоразлагаемым и бездымным.
Независимо от того, используете ли вы PLA (в виде смолы) для DLP/SL или FDM-печати (в виде нити), он уникален тем, что может быть прозрачным, что удобно для некоторых приложений 3D-печати, хотя он не такой прочный и гибкий, как пластик типа ABS.
Наконец, LayWood — это еще один материал начального уровня для 3D-печати, который был разработан специально для экструзионных 3D-печатных машин. Вы также можете увидеть его под названием WPC, а композит из дерева и полимера доступен в виде нитей.
Металлы
Металл, возможно, используется реже, чем пластик, в общих целях 3D-печати, но он не так уж редко встречается в 3D-печати промышленного уровня, где используются профессиональные машины.
Обычно используются производные алюминия и кобальта, включая следующие металлы:
- Нержавеющая сталь
- Золотое/серебряное покрытие
- Титан
Нержавеющая сталь — один из самых прочных материалов, которые можно использовать для печати 3D-моделей, и поэтому это один из самых популярных вариантов, который вы можете выбрать. Она также довольно универсальна, поскольку вы можете использовать порошкообразную нержавеющую сталь для спекания, плавления и/или EBM.
Хотя нержавеющая сталь, естественно, серебряная, что само по себе имеет свое применение, она может быть покрыта золотом или серебром для получения альтернативного металлического цвета. Теперь можно даже напрямую печатать золото и серебро, также из порошкообразной формы, что оказалось весьма полезным, в частности, для ювелирной промышленности.
Если вы стремитесь к максимальной прочности, то лучше всего использовать титан, который имеет надежную репутацию и уже много лет используется для 3D-печати. Опять же, его можно использовать в порошкообразном виде в процессах спекания, плавления и EBM-печати.
Бумага
Что может быть удобнее, чем печать 3D-моделей с помощью бумаги для 2D-печати? У большинства людей, скорее всего, где-то валяются запасные листы, а если нет, то бумага достаточно дешева и легко доступна, что делает ее недорогим способом создания 3D-отпечатков.
Компания Mcor Technologies впервые задумалась об использовании бумаги для 3D-печати в начале 2000-х годов, и ее бизнес-модель работает по-другому благодаря акценту на производстве легкодоступного, экономически эффективного материала, а не на увеличении первоначальной стоимости печатной машины.
Преимущества использования бумажных материалов для 3D-печати заключаются в том, что они полностью безопасны для работы, являются лучшим выбором для окружающей среды, поскольку их можно легко переработать, и имеют дополнительное преимущество — не требуют никакой последующей обработки.
Биоматериалы
По мере того, как ученые проверяют пределы возможностей 3D-печати и то, на что способна эта технология, было проведено огромное количество исследований, касающихся прорывов в медицине, которым она потенциально может помочь, что привело к появлению новой технологии под названием аддитивное производство с подвесным слоем (SLAM).
Использование мягких материалов для аддитивного производства позволяет производить заменяющие биоматериалы. Согласно исследованию, опубликованному в журнале Advanced Functional Materials профессором Лиамом Гровером, возможность «печатать мягкие материалы в действительно мелких деталях» создает «огромный потенциал для успешного производства заменяющих биоматериалов, таких как сердечные клапаны или кровеносные сосуды».
Это может быть использовано для достижения прогресса в производстве таких вещей, как биосовместимые пробки, которые «могут быть использованы для лечения повреждений костей и хрящей». Существует даже возможность создания более сложных типов мягких тканей или устройств для доставки лекарств с различной скоростью высвобождения.
Пища
С развитием любой новой технологии всегда найдется хотя бы один человек, который начнет экспериментировать с неожиданными материалами. Так получилось, что пища стала последним материалом, на который обратила свое внимание индустрия 3D-печати.
И не без оснований, поскольку 3D-печать продуктов питания имеет потенциал для создания более сложных конструкций, массового производства, автоматизированного приготовления пищи и даже может придать персонализацию каждому блюду, которое вы садитесь есть.
Шоколад (что неудивительно) является одним из самых популярных материалов для 3D-печати еды, но другие также работают с сахаром, макаронами и даже мясом!
