Как работает трехмерная печать

Не так давно идея трехмерной печати - создание трехмерных объектов с помощью машин, которые складывают слои материала друг на друга - казалась новой. Если вы говорите, что собираетесь что-то напечатать со своего компьютера, большинство людей все еще думают о двухмерной печати, когда тонер или чернила наносятся на лист бумаги. Теперь, хотя многие люди, возможно, не испытали на себе трехмерную печать, они могут очень хорошо знать, о чем вы говорите. А 3-D принтеры стали достаточно доступными, чтобы их можно было использовать дома, в производственных помещениях и в учебных классах.

В трехмерной печати используется семейство производственных технологий, называемых аддитивным производством (AM). AM - это средство создания объекта путем добавления материала к объекту слой за слоем. AM - это текущая терминология, установленная ASTM International (ранее Американское общество испытаний и материалов) [источник: Gibson, et, al. ]. На протяжении своей истории аддитивное производство в целом носило различные названия: стереолитография , трехмерное наслоение и трехмерная печать . В этой статье используется термин «трехмерная печать», потому что он более известен.

Вы можете увидеть некоторые из основных принципов AM в пещерах; за тысячи лет капающая вода создает слои и слои минеральных отложений, которые накапливаются, образуя сталагмиты и сталактиты . Однако, в отличие от этих естественных образований, трехмерная печать выполняется намного быстрее и следует заранее определенному плану, предоставленному компьютерным программным обеспечением. Компьютер дает указание трехмерному принтеру добавлять каждый новый слой в виде точного поперечного сечения конечного объекта.

Аддитивное производство и, в частности, трехмерная печать, продолжают развиваться. Технологии, которые начинались как способ создания быстрых прототипов, теперь являются средством создания продуктов для медицинской, стоматологической, аэрокосмической и автомобильной промышленности. Трехмерная печать также проникает в производство игрушек и мебели, искусство и моду.

В этой статье рассматривается широкий спектр трехмерной печати, от ее истории и технологий до широкого спектра использования, включая печать ваших собственных трехмерных моделей в домашних условиях. Во-первых, давайте посмотрим, как появилась трехмерная печать и как она развивается сегодня.

1. История 3-D печати
2. Прямая и переплетная трехмерная печать
3. Фотополимеризация и спекание
4. Процесс трехмерной печати
5. Революция в трехмерной печати
6. Недостатки трехмерной печати
7. 3-D печать дома

Самое раннее использование аддитивного производства было в быстром прототипировании (RP) в конце 1980-х - начале 1990-х годов. Прототипы позволяют производителям более внимательно изучить конструкцию объекта и даже протестировать его перед выпуском готового продукта. RP позволяет производителям производить эти прототипы намного быстрее, чем раньше, часто в течение нескольких дней, а иногда и часов после разработки дизайна. В RP дизайнеры создают модели с помощью программного обеспечения автоматизированного проектирования (САПР), а затем машины следуют этой программной модели, чтобы определить, как построить объект. Процесс создания этого объекта путем «печати» его поперечных сечений слой за слоем стал известен как трехмерная печать.

Первые разработки технологий трехмерной печати произошли в Массачусетском технологическом институте (MIT) и в компании под названием 3D Systems. В начале 1990-х годов Массачусетский технологический институт разработал процедуру под торговой маркой «3-D Printing», которая официально была сокращена как «3DP». По состоянию на сентябрь 2019 года MIT предоставил лицензии шести компаниям на использование и продвижение процесса 3DP в своих продуктах [источник: MIT ].

Компания 3D Systems, базирующаяся в Рок-Хилле, Южная Каролина, является пионером и использовала различные подходы к трехмерной печати с момента ее основания в 1986 году. Она даже зарегистрировала товарные знаки некоторых своих технологий, таких как устройство стереолитографии (SLA) и селективное лазерное спекание (SLS), каждый из которых описан далее в этой статье. В то время как MIT и 3D Systems остаются лидерами в области трехмерной печати, другие компании также представили инновационные новые продукты на профессиональном рынке, опираясь на эти технологии AM.

Сегодня некоторые из тех же технологий трехмерной печати, которые способствовали созданию RP, теперь используются для создания готовой продукции. Технология продолжает улучшаться различными способами: от детализации деталей, которые машина может напечатать, до количества времени, необходимого для очистки и завершения объекта после завершения печати. Процессы ускоряются, материалы и оборудование дешевеют, и можно использовать больше материалов, включая металлы и керамику. Печатные машины сейчас варьируются от размера маленькой машины до размера микроволновой печи.

Аддитивное производство часто сравнивают или даже ошибочно принимают за другой распространенный производственный процесс, называемый обработкой с числовым программным управлением (ЧПУ). Однако ЧПУ является вычитающим, что противоположно AM. При обработке с ЧПУ материал удаляется из некоторого ранее существовавшего блока до тех пор, пока не останется готовый продукт, что очень похоже на вырезание статуи из камня.

Теперь, когда у вас есть некоторая справочная информация об этой области, давайте рассмотрим некоторые технологии трехмерной печати.

Один из подходов к трехмерной печати - это прямая трехмерная печать . Прямая трехмерная печать использует струйную технологию, которая была доступна для двумерной печати с 1960-х годов [источник: Gibson, et al. ]. Как и в двухмерном струйном принтере, сопла в трехмерном принтере перемещаются вперед и назад, распределяя жидкость. Однако, в отличие от двумерной печати, сопла или поверхность для печати перемещаются вверх и вниз, поэтому несколько слоев материала могут покрывать одну и ту же поверхность. Более того, в этих принтерах не используются чернила; они распределяют густые воски и пластмассовые полимеры, которые затвердевают, образуя каждое новое поперечное сечение прочного трехмерного объекта.

Быстрое прототипирование (RP), которое мы описали ранее в статье, стало основным фактором роста прямой трехмерной печати. В 1994 году ModelMaker, машина, произведенная компанией, известной как Solidscape, стала первой коммерчески успешной технологией, применившей струйный подход к RP [источник: Gibson, et al. ]. За этим последовали и другие коммерческие продукты RP. Например, современные передовые продукты для быстрого прототипирования используют такие технологии, как многоструйное моделирование (MJM), которое позволяет быстро создавать восковые прототипы с одновременной работой десятков сопел [источник: GWP ].

Трехмерная печать на подшивке , как и прямая трехмерная печать, использует струйные сопла для нанесения жидкости и формирования каждого нового слоя. Однако, в отличие от прямой печати, в переплетной печати используются два отдельных материала, которые образуют каждый напечатанный слой: мелкий сухой порошок плюс жидкий клей или связующее . 3D-принтеры Binder делают два прохода для формирования каждого слоя. Первый проход раскатывает тонкий слой порошка, а второй проход использует сопла для нанесения связующего. Затем строительная платформа немного опускается, чтобы разместить новый слой порошка, и весь процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет закончена.

Упомянутый ранее процесс 3DP Массачусетского технологического института использует этот подход связующего. Массачусетский технологический институт лицензирует компании на разработку продуктов, использующих 3DP, но для того, чтобы получить квалификацию, компания должна использовать некую уникальную комбинацию порошковых и связующих материалов.

Трехмерная печать на подшивке имеет несколько преимуществ по сравнению с прямой трехмерной печатью. Во-первых, это обычно быстрее, чем прямая печать, потому что через сопла наносится меньше материала. Еще одно преимущество заключается в том, что вы можете использовать в процессе более широкий выбор цветов и материалов, включая металлы и керамику.

Моделирование наплавленного осаждения (FDM)

Моделирование методом наплавления (FDM) - это подход к аддитивному производству, который похож, но не идентичен прямой трехмерной печати. Процесс FDM, зарегистрированный под торговой маркой Stratasys, Inc., включает впрыскивание расплавленного пластика в плотно упакованные линии с использованием очень крошечных форсунок. FDM может создавать объекты с элементами размером до долей миллиметра. [источник: Гримм ]

Фотополимеризация - это технология трехмерной печати, при которой капли жидкого пластика подвергаются воздействию лазерного луча ультрафиолетового света. Во время этого воздействия свет превращает жидкость в твердое вещество. Термин происходит от фотографии корней, означающей свет и полимер, которая описывает химический состав твердого пластика .

В 2000-х годах Центр перспективного производства в Пьемонте (PTCAM) был партнерством школ и предприятий, которые обеспечивали практическое обучение навыкам металлообработки в Северной Каролине. Часть обучения PT CAM включала стереолитографический аппарат (SLA) от 3D Systems. SLA использует фотополимеризацию, направляя лазер через чан с жидким пластиком, называемым фотополимером . Как и в случае струйной трехмерной печати, SLA повторяет этот процесс слой за слоем, пока печать не будет завершена.

Спекание - это еще одна технология аддитивного производства, которая включает плавление и сплавление частиц вместе для печати каждого последующего поперечного сечения объекта. Селективное лазерное спекание (SLS) - это одна из форм спекания, используемая в трехмерной печати. SLS использует лазер для плавления огнестойкого пластикового порошка, который затем затвердевает, образуя печатный слой. Это похоже на механизм, лежащий в основе двумерных принтеров: они плавят тонер, так что он прилипает к бумаге и создает изображение.

Спекание естественно совместимо со строительством металлических объектов, потому что производство металла часто требует плавления и изменения формы. Одним из примеров использования металла в качестве спекаемого материала является компания 3D Systems [источник: 3D Systems ]. Объекты, созданные с помощью LaserForm A6, имеют ряд преимуществ перед металлическими изделиями, изготовленными другими способами, такими как литье под давлением. Одно из самых больших преимуществ - это высокая точность, которую может достичь SLS.

До сих пор мы рассмотрели, как развивалась трехмерная печать и четыре широко применяемые технологии трехмерной печати. Затем давайте рассмотрим общий процесс печати трехмерных объектов, который применяется независимо от того, какой подход вы используете.

Независимо от того, какой подход использует трехмерный принтер, общий процесс печати, как правило, одинаков. В своей книге « Технологии аддитивного производства: быстрое прототипирование для прямого цифрового производства » Ян Гибсон, Дэвид В. Розен и Брент Стакер перечисляют следующие восемь шагов в общем процессе AM:

Повышение доступности и доступности решений для трехмерной печати сделало эту технологию привлекательной для людей во многих отраслях. Например, автомобильная промышленность уже много лет использует технологию трехмерной печати для быстрого создания прототипов новых конструкций автомобильных запчастей. На изображении выше показан разнообразный прототип, созданный Центром перспективного производства Пьемонта Триада (PTCAM).

The medical profession eagerly adopted 3-D printing for a number of uses, such as printing prosthetics. Traditional professionally made prosthetics can be expensive, but a 3-D printer could make a prosthetic hand for as little as $50 [source: Amputee Coalition]. Similarly, Walter Reed Army Medical Center has used 3-D printing to produce models that surgeons can use as a guide for facial reconstructive surgery [source: King]. Several professional 3-D printer manufacturers sell machines specifically designed for dental work.

Инженеры в аэрокосмической отрасли используют трехмерную печать, чтобы помочь протестировать и улучшить свои конструкции, а также продемонстрировать, насколько хорошо они работают [источник: Гордон ]. У исследовательской компании EADS есть еще более смелые амбиции в отношении трехмерной печати: производить сами детали самолетов, в том числе целое крыло для большого самолета . Исследователи EADS считают это зеленой технологией, полагая, что крылья с трехмерной печатью уменьшат вес самолета и, таким образом, уменьшат расход топлива. Это может сократить выбросы углекислого газа и авиакомпании примерно на 3000 долларов в течение года. [источник: The Economist ]

У трехмерной печати также есть несколько интересных эстетических применений. Дизайнеры и художники творчески используют его для производства предметов искусства, моды и мебели. Художник-график Торольф Зауэрманн создал красочные геометрические скульптуры с помощью трехмерной печати [источник: Jotero GbR ]. Компания Freedom of Creation (FOC) в Нидерландах продавала трехмерную печатную продукцию из полиамида, спеченного лазером, включая освещение с замысловатыми геометрическими узорами и одежду, состоящую из переплетенных пластиковых колец, напоминающих кольчугу. У FOC также есть ряд корпоративных клиентов, пользующихся услугами по дизайну и печати, в том числе Philips, Nokia, Nike, Asics и Hyundai [источник: FOC ].

A tastier application of 3-D printing technology comes from the chocolate industry, which has developed machines that can create unique confectionary items. Although unsuitable for mass production, 3-D printers can make computer-designed objects as prototypes, or just as unique, customized treats [source: Ooi]. Looking for something a little more savory? You can use 3-D printers to create many types of food – it has to be something you can puree to get it into the machine – but you can make burgers with 3-D printing. One thing to note: Printed food has a different texture than traditional food [source: Houser].

Historically, 3-D printing has been an expensive technology. PTCAM's SLA, described earlier in the article, cost more than $250,000; the liquid plastic costs about $800 per gallon. Organizations that owned this type of equipment might sell stereolithography services to others or allow companies to purchase blocks of time to use the equipment.

Today, many large industrial AM machines are still pricey, though less so than before. For example, in September 2019, 3D Systems' ProJet CPX 3000MJP 3600 was selling for less than $100,000 and could produce models in high definition up to 11.75 inches by 7.3 inches by 8 inches (298 millimeters by 185 millimeters by 203 millimeters) [sources:BasTech].

Помимо цены, у 3D-принтеров есть и другие недостатки. Они потребляют много энергии, примерно в 100 раз больше электроэнергии, чем при обычном производстве. Исследователи также обнаружили, что они могут выделять много канцерогенных частиц и летучих органических соединений, особенно при использовании в небольшом пространстве, таком как дом. У пластика, используемого в большинстве трехмерных проектов, тоже есть свои проблемы. Пластиковые остатки от трехмерных проектов, вероятно, попадут на свалки и внесут свой вклад в кризис Земли из-за одноразового пластика. Прочность пластика различается и может не подходить для всех компонентов проекта. Трехмерные принтеры также работают медленно, и печать проекта может занять несколько дней или часов [источник: 3-D Insider ].

Вероятно, что многие из этих проблем будут устранены со временем по мере совершенствования технологии. Но другие проблемы могут сохраниться. Например, люди уже изготавливают оружие с помощью трехмерных принтеров , в том числе один человек, которому ранее было отказано в разрешении на оружие . Можно ли предпринять шаги для предотвращения использования людьми трехмерных принтеров для изготовления пистолетов, ножей и другого оружия? Также есть опасения по поводу нарушения авторских прав . Люди могли получить чертежи и напечатать объект, а не покупать его у патентообладателя или правообладателя. Владельцу патента может быть сложно отследить человека (или сотни людей), который печатает что-то запатентованное и заявляет о нарушении авторских прав.

Хотя это все еще не обычное явление, 3D-принтеры все чаще появляются в домах, библиотеках , школах и производственных помещениях.

Цены на эти машины также снизились по мере развития технологий. Например, по состоянию на 2019 год цена MakerBot Replicator Mini + начинается с 1299 долларов [источник: MakerBot ]. Компания продает небольшие катушки из своего материала PLA в 12 стандартных цветах по цене от 18 долларов США и цвета ограниченного выпуска (светящиеся в темноте, кому-нибудь?) За дополнительную плату.

If you don't want to splurge on a machine for home use, you could always build one yourself. For example, physicist and blogger Windell Oskay built his own 3-D printer in 2007 that fabricates objects from sugar using a sintering approach. The project, called CandyFab, has a dedicated website at CandyFab.org. Although the project has shut down, you can still read about it and how he made it work.

For a more professional approach, you can purchase 3-D printing services instead. These services allow you to send in your own CAD files and get back a high-quality production of your object or objects created by an industrial 3-D printer. Online companies that offer 3-D printing services include Shapeways and Ponoko. These sites also give you the option of setting up an online store, allowing you to make money when others purchase 3-D prints of your design. [source: Shapeways, Ponoko]

3-D printing continues to improve as its cost comes down. Perhaps in the future these machines will be commonplace tools used to remedy everyday problems like printing out school projects or printing a new housekey instead of driving to the hardware store for a replacement.

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок