В статье представлен обзор самых распространенных технологий 3D печати. Освещены вопросы их применения в различных областях промышленности, целесообразности и преимущества использования, а также особенности применения.
Ключевые слова: 3D-печать, технологии 3D-печати, материалы 3D-печати, прогрессивные технологии.
The article provides an overview of the most common 3D printing technologies. The article discusses their application in various fields of industry, the feasibility and advantages of use, as well as the features of the application.
Keywords: 3D-printing, 3D-printing technologies, 3D-printing materials, advanced technologies.
Технологии 3D-печати принято разделять по способу печати на семь групп:
– струйное нанесение связующего;
– прямой подвод энергии и материала;
– экструзия материала;
– струйное нанесение материала;
– синтез на подложке;
– листовое ламинирование;
– фотополимеризация в ванне.
Разнообразие технологий 3D-печати обусловлено тем, что в процессе разработки перед инженерами всегда стоят новые задачи, и их реализация требует новых технологий с различным набором функций. Так как каждая технология имеет свою практическую область применения, споров о том, какая из них лучше не возникает. В настоящее время технологии 3D-печати уже не ограничиваются использованием прототипов, а все чаще используется для изготовления разнообразных изделий.
Струйное нанесение связующего (Binder jetting)
Струйное нанесение связующего — это быстрый процесс прототипирования и 3D-печати, в котором жидкий связующий агент избирательно осаждается для соединения частиц порошка. Данная технология использует химическое связующее на распыляемом порошке для образования слоя. Данная технология используется для создания литьевых шаблонов, необработанных, спеченных изделий или аналогичных крупногабаритных изделий из песка. Печать может осуществляться различными материалами, например, металлом, песком, полимерами, гибридными материалами и керамикой. Некоторые материалы, такие как песок, не требуют дополнительной обработки. Технология струйного нанесение связующего позволяет печатать очень большие изделия. Кроме того, процесс печати является простым, быстрым и дешевым, поскольку частицы порошка склеиваются между собой.
Данная технология разработана специально для производства литейных форм для высокотехнологичных средне и крупноразмерных изделий, таких как блок цилиндров и головка блока цилиндров двигателя внутреннего сгорания для судостроения, автомобилестроения, тепловозостроения и т. д. [1]
Прямой подвод энергии и материала (Directed energy disposition)
Данная технология подразумевает более сложный процесс печати, использующийся в первую очередь для ремонта или добавления материалов на существующие компоненты. Прямой подвод энергии и материала имеет высокую степень контроля структуры зерна и может обеспечить хорошее качество объекта. Процесс печати похож по принципу на экструзию, но сопло не закреплено на определенной оси и может перемещаться в нескольких направлениях.
Благодаря высокой скорости работы, возможности печати сложных форм и минимальной дополнительной обработке, технология DED может выгодно отличаться от традиционных принципов производства и других аддитивных технологий. [2]
В качестве материалов печати при данном методе используется керамика, полимеры, но чаще металлы и гибриды на основе металлов, в форме из проволоки или порошка. Примерами данной технологии являются лазерное осаждение и лазерное спекание распыляемого порошкового материала. Лазерное осаждение является новой технологией и может использоваться для производства или ремонта деталей с размерным рядом от миллиметра до нескольких метров. Технология лазерного осаждения приобретает все большую популярность в инструментальной, транспортной, аэрокосмической и нефтегазовой промышленности, поскольку может обеспечить масштабируемость и разнообразные возможности в единой системе.
Экструзия материалов (Materials extrusion)
Технология 3D-печати на основе экструзии материалов может использоваться для печати несколькими материалами одновременно и многоцветной печати пластиков, изделий пищевой промышленности или даже живых клеток.
Этот технология широко используется в том числе благодаря низким затратам. Более того, данный процесс может построить полностью функциональные части изделия. Главным преимуществом этого процесса является широкий ассортимент материалов, которые он может использовать (почти все типы термопластов). [3]
Моделирование методом послойного наплавления (FDM) является первым примером системы экструзии материалов. Данный метод был разработан в начале 1990 годов, в качестве основного материала используются полимеры. При FDM технологии детали строятся послойно снизу-вверх путем нагрева и экструзии термопластичной нити.
Операции FDM следующие:
- Термопластик нагревают до полужидкого состояния и осаждают его в ультратонких гранулах вдоль пути экструзии.
- Там, где требуется поддержка или буферизация, 3D-принтер размещает съемный материал, который действует в качестве поддержки.
Струйное нанесение материала (Materials jetting)
Струйная нанесение материала — это процесс 3D-печати, при котором по каплям материал для печати выборочно депонирован. При использовании данной технологии печатающая головка распределяет капли из светочувствительного материала, который затвердевает, создавая слой за слоем в ультрафиолетовом свете. Полученные детали отличаются очень гладкой поверхностью и высокой точностью. Многослойная печать использует широкий ассортимент материалов, таких как: полимеры, керамика, композит, биологические и гибридные материалы.
Технология имеет много преимуществ. В том числе отличное разрешение (до 0,016 мм), гладкие поверхности (отсутствие эффекта лестничной клетки в отличие от объектов, напечатанных с использованием технологии FDM). А также широкий выбор материалов и цветов при относительно низкой стоимости и времени печати. [4]
Синтез на подложке (Powder bed fusion)
Печать данным методом происходит за счёт термической обработки порошкообразного материала. Под тепловым воздействием порошки металла/пластика спекаются либо плавятся слой за слоем, образуя распечаток. Методы PBF отличаются друг от друга используемым источником энергии и видом применяемых порошков. [5]
Синтез на подложке включает следующие разновидности печати: электронно-лучевую плавку (EBM), селективное лазерное спекание (SLS) и технику селективного термического спекания (SHS). Данный метод использует электронный луч или лазер для плавления, соединения материала и порошка вместе. Материалами используемых в этом процессе служат металлы, керамика, полимеры, композитные и гибридные материалы. Селективное лазерное спекание является основным примером технологии порошковой 3D-печати. Карл Декарт разработал технологию SLS в 1987 году. SLS — это технология 3D-печати, которая обладает высокой скоростью и точность., а также варьирует качество поверхности. Селективное лазерное спекание может использоваться для создания изделий из металла, пластмассовых и керамических предметов. SLS использует лазер высокой мощности для спекания полимерных порошков для создания трехмерного продукта.
Между тем, технология SHS является еще одной составляющей технологии 3D-печати, в которой используется термопечать головки для расплавления термопластичного порошка и создания 3D-печатного объекта. Наконец, электронно-лучевое плавление ускоряет процесс нагрева материала.
Листовое ламинирование (Sheet lamination)
Ламинирование листа — это процесс 3D-печати, при котором листы материала склеиваются вместе для создания объекта. Примером технологии 3D-печати, использующей этот процесс, являются производство ламинированных изделий (LOM) и производство ультразвуковых добавок (UAM). Данный процесс позволяет делать полноцветные печатные изделия.
Технология относительно недорогая, удобна в обращении с материалом, при этом лишний материал может быть переработан. Из явных достоинств технологии отметим общедоступность материалов. При этом изделия, напечатанные при использовании бумажных листов, по физическим характеристикам напоминают древесину, благодаря чему можно проводить соответствующую постобработку. [6]
Производство ламинированных изделий (LOM) способно изготавливать сложные геометрические детали с меньшими затратами на изготовление и меньшими затратами на эксплуатацию. Производство ультразвуковых добавок (УАМ) является инновационной технологией, которая использует звук, чтобы объединить слои металла, полученные из специальной фольги.
Фотополимеризация в ванне (Vat photopolymerization)
Основным часто используемым методом 3D-печати является фотополимеризация. 3D-принтер, который использует метод фотополимеризации в ванне, оборудован емкостью с фотополимерной смолой, отверждение которой выполняется с помощью источника УФ-излучения. [7]
Примером данной технологии является стереолитография (SLA) и цифровая обработка света (DLP). В SLA существуют особые условия облучения, а также красители, пигменты или другие добавленные поглотители ультрафиолета. Между тем, цифровая обработка света аналогична стереолитографии, которая работает с фотополимерами. Отличием является использование другого источника света, например, дуговой лампы с жидкокристаллической панелью дисплея. Важными параметрами фотополимеризации в ванне являются время воздействия, длина волны и количество энергии. Первоначально используемые материалы являются жидкими, затем они затвердевают, когда жидкость подвергается воздействию ультрафиолетового света. Фотополимеризация подходит для изготовления изделий премиум-класса с хорошими деталями и высоким качеством поверхности.
Выводы
Трудно не заметить все многообразие технологий 3D-печати. С каждым годом их количество будет неумолимо расти, открывая перед инженерами новые возможности. Каждая из них будет иметь множество преимуществ и особенностей, способных предложить современные решения для модернизации инфраструктуры многих отраслей промышленности. В комбинации с многообразием материалов для печати в данной сфере в будущем открываются невероятные возможности, которые могут значительно повлиять на жизнь человека и его восприятие.
Литература:
- Технология Binder Jetting // DDM Lab [Электронный ресурс] URL: https://www.ddmlab.ru/technology/bj_technology/ (дата обращения: 20.03.2020)
- Технология DED // DDM Lab [Электронный ресурс] URL: https://www.ddmlab.ru/technology/ded/ (дата обращения: 22.03.2020)
- Экструзия материалов // ad-ma [Электронный ресурс] URL: https://ad-ma.ru/material-extrusion/ (дата обращения: 26.03.2020)
- Material Jetting // ad-ma [Электронный ресурс] URL: https://ad-ma.ru/material-jetting/ (дата обращения: 27.03.2020)
- Плавка порошков // Qbed.space [Электронный ресурс] URL: https://www.qbed.space/knowledge/blog/additive-manufacturing-technologies (дата обращения 30.03.2020)
- Ламинирование // 3D-expo [Электронный ресурс] URL: https://3d-expo.ru/article/izgotovlenie-obektov-metodom-laminirovaniya-lom-78841 (дата обращения 02.04.2020)
- Фотополимеризация // Sldonline [Электронный ресурс] URL: https://sldonline.ru/article/3d-pechat-tehnologii-additivnogo-proizvodstva/ (дата обращения 06.04.2020)
