10 технологии 3D-печати в 2018 году

В чем разница между типами 3D-печати, например, FDM и SLS? Или SLS и DLP? Или EBM и DMLS?

Это может быть довольно запутанным. С таким количеством акронимов вы будете прощены за то, что приняли тип 3D-печати за жанр танцевальной музыки. Первое, что нужно понять, это то, что 3D-печать на самом деле является общим термином, который охватывает группу процессов 3D-печати. Стандарт ISO/ASTM 52900 , созданный в 2015 году, направлен на стандартизацию всей терминологии и классификацию каждого из различных типов 3D-принтеров. Всего было идентифицировано и создано семь различных категорий процессов аддитивного производства. Эти семь процессов 3D-печати породили десять различных типов технологий 3D-печати, которые сегодня используют 3D-принтеры. Чтобы узнать больше об этих технологиях, в том числе о правилах проектирования для 3D-печати и о том, как найти лучшие материалы для 3D-печати, мы рекомендуем вам приобрести « Справочник по 3D-печати» в 3D Hubs, который можно приобрести во всех хороших книжных магазинах.

Экстурузия материалов

Экструзия материала — это процесс 3D-печати, при котором нить из твердого термопластичного материала проталкивается через нагретое сопло, расплавляя его в процессе. Принтер наносит материал на платформу для сборки вдоль заданного пути, где нить охлаждается и затвердевает, образуя твердый объект.

  • Тип технологи 3D-печати: моделирование методом наплавки (FDM), иногда называемое изготовлением расплавленной нити (FFF)
  • Материалы: термопластичная нить (PLA, ABS, PET, TPU)
  • Точность размеров: ± 0,5% (нижний предел ± 0,5 мм)
  • Общие применения: электрические корпуса; Тестирование формы и формы; Приспособления и приспособления; Шаблоны инвестиционного кастинга
  • Сильные стороны: лучшая обработка поверхности; Доступны полноцветные и мультиматериалы
  • Слабые стороны: хрупкие, не устойчивы к механическим деталям; Более высокая стоимость, чем SLA / DLP для визуальных целей

Экструзионные устройства являются наиболее доступными и самыми дешевыми в мире технологиями 3D-печати. Возможно, вы знакомы с ними как слитное моделирование осаждения или FDM. Их также иногда называют изготовлением из плавленых нитей или FFF. Это работает так, что катушка с нитью загружается в 3D-принтер и подается в сопло принтера в экструзионной головке. Сопло принтера нагревается до желаемой температуры, после чего двигатель проталкивает нить через нагретую насадку, вызывая ее расплавление. Затем принтер перемещает экструзионную головку по заданным координатам, укладывая расплавленный материал на пластину, где он охлаждается и затвердевает. Когда слой завершен, принтер переходит к другому слою. Этот процесс печати поперечных сечений повторяется, создавая слой за слоем, пока объект не будет полностью сформирован. В зависимости от геометрии объекта иногда необходимо добавить опорные структуры, например, если модель имеет крутые нависающие части.

Полимеризация в чанах

Полимеризация в чане — это процесс 3D-печати, при котором фотополимерная смола в чане избирательно отверждается источником света. Двумя наиболее распространенными формами полимеризации чана являются SLA (стереолитография) и DLP (цифровая обработка света). Принципиальное различие между этими типами технологий 3D-печати заключается в источнике света, который они используют для отверждения смолы. В SLA-принтерах используется точечный лазер, в отличие от воксельного подхода, используемого DLP-принтером.

  • Типы технологий 3D-печати: стереолитография (SLA), прямая обработка света (DLP)
  • Материалы: фотополимерная смола (стандартная, литьевая, прозрачная, высокотемпературная)
  • Точность размеров: ± 0,5% (нижний предел ± 0,15 мм)
  • Распространенные области применения: прототипы полимерных форм для литья под давлением; Ювелирные изделия (литье по выплавляемым моделям); Стоматологические приложения; Слуховые аппараты
  • Сильные стороны: гладкая поверхность; Мелкие детали
  • Слабые стороны: хрупкий, не подходит для механических частей

SLA имеет историческое отличие первой в мире технологии 3D-печати. Стереолитография была изобретена Чаком Халлом в 1986 году, который подал патент на технологию и основал компанию 3D Systems для ее коммерциализации. В принтере SLA используются зеркала, известные как гальванометры или гальванизаторы, одно из которых расположено на оси X, а другое на оси Y. Эти гальваники быстро направляют лазерный луч через ванну со смолой, выборочно отвердевая и затвердевая в поперечном сечении объекта внутри этой области сборки, наращивая его слой за слоем. Большинство принтеров SLA используют твердотельный лазер для отверждения деталей. Недостаток этих типов технологии 3D-печати с использованием точечного лазера заключается в том, что для отслеживания поперечного сечения объекта по сравнению с DLP может потребоваться больше времени.

Если взглянуть на машины для цифровой обработки света, то эти типы технологий 3D-печати практически не отличаются от SLA. Основное отличие состоит в том, что DLP использует цифровой световой проектор для одновременной вспышки одного изображения каждого слоя (или нескольких вспышек для более крупных деталей). Поскольку проектор представляет собой цифровой экран, изображение каждого слоя состоит из квадратных пикселей, в результате чего слой формируется из небольших прямоугольных блоков, называемых вокселями. DLP может добиться более быстрого времени печати по сравнению с SLA. Это связано с тем, что весь слой обнажается одновременно, а не с помощью лазерного луча. Свет проецируется на смолу с использованием светодиодных (LED) экранов или источника ультрафиолетового света (лампы), который направляется на поверхность устройства с помощью цифрового микрозеркального устройства (DMD). DMD — это массив микрозеркал, которые контролируют, где проецируется свет, и генерируют световой рисунок на поверхности сборки.

Fusion Powder Bed (полимеры)

Fusion Powder Bed Fusion — это процесс 3D-печати, при котором источник тепловой энергии будет избирательно вызывать слияние между частицами порошка в области сборки для создания твердого объекта. Многие устройства для плавления с порошковым слоем также используют механизм для нанесения и разглаживания порошка одновременно с изготовляемым объектом, так что конечный элемент заключают в оболочку и поддерживают в неиспользованном порошке.

  • Типы технологий 3D-печати: селективное лазерное спекание (SLS)
  • Материалы: термопластичный порошок (нейлон 6, нейлон 11, нейлон 12)
  • Точность размеров: ± 0,3% (нижний предел ± 0,3 мм)
  • Общие применения: функциональные части; Сложные воздуховоды (пустотелые конструкции); Низкосерийное производство деталей
  • Сильные стороны: функциональные части, хорошие механические свойства; сложные геометрии
  • Слабые стороны: более длительное время выполнения заказа; более высокая стоимость, чем FFF для функциональных приложений

Создание объекта с помощью технологии Powder Bed Fusion и полимерного порошка обычно называется Selective Laser Sintering (SLS). По мере истечения срока действия промышленных патентов технология 3D-печати становится все более распространенной и обходится дешевле.

Сначала бункер из полимерного порошка нагревают до температуры чуть ниже температуры плавления полимера. Затем, лезвие для повторного покрытия или стеклоочиститель наносит очень тонкий слой порошкообразного материала — обычно толщиной 0,1 мм — на строительную платформу. Затем луч СО2-лазера начинает сканировать поверхность. Лазер будет избирательно спекать порошок и затвердевать поперечное сечение объекта. Так же, как SLA, лазер фокусируется на правильном месте с помощью пары галв.

Когда сканируется все поперечное сечение, сборочная платформа сдвигается на одну толщину слоя в высоту. Лезвие для повторного покрытия наносит свежий слой порошка поверх недавно отсканированного слоя, и лазер спекает следующее поперечное сечение объекта на ранее затвердевших поперечных сечениях. Эти шаги повторяются до тех пор, пока все объекты не будут полностью изготовлены. Порошок, который не был спечен, остается на месте, чтобы поддерживать объект, который устраняет необходимость в опорных конструкциях.

Струйная обработка материалов

Струйная обработка материалов — это процесс 3D-печати, при котором капли материала выборочно осаждаются и отверждаются на рабочей пластине. Используя фотополимеры или капли воска, которые отверждаются при воздействии света, объекты создаются по одному слою за раз. Характер процесса струйной обработки материала позволяет печатать разные материалы на одном и том же объекте. Одним из применений этого метода является изготовление опорных конструкций из материала, отличного от производимой модели.

  • Типы технологий 3D-печати: Струйная обработка материалов (MJ), Drop on Demand (DOD)
  • Материалы: фотополимерная смола (стандартная, литьевая, прозрачная, высокотемпературная)
    Точность размеров: ± 0,1 мм
  • Общие применения: Полноцветные прототипы продукции; Прототипы для литья под давлением; Низкочастотные литьевые формы; Медицинские модели
  • Сильные стороны: лучшая обработка поверхности; Доступны полноцветные и мультиматериалы
  • Слабые стороны: хрупкий, не подходит для механических частей; Более высокая стоимость, чем SLA / DLP для визуальных целей

Материал Jetting (MJ) работает аналогично стандартному струйному принтеру. Ключевое отличие состоит в том, что вместо печати одного слоя чернил, несколько слоев строятся друг на друге, чтобы создать сплошную часть.

Печатающая головка выпускает сотни крошечных капель фотополимера, а затем отверждает / отвердевает их с помощью ультрафиолетового (УФ) света. После нанесения и отверждения одного слоя строительная платформа опускается на один слой толщины, и процесс повторяется для создания трехмерного объекта.

MJ отличается от других технологий 3D-печати, которые наносят, спекают или отверждают строительный материал с помощью точечного нанесения. Вместо того, чтобы использовать одну точку для следования траектории, которая очерчивает площадь поперечного сечения слоя, машины MJ наносят строительный материал быстрым линейным способом.

Преимущество линейного осаждения состоит в том, что принтеры MJ могут изготавливать несколько объектов в одну линию, не влияя на скорость сборки. Если модели расположены правильно и пространство внутри каждой линии сборки оптимизировано, MJ может производить детали быстрее, чем другие типы 3D-принтеров.

Для объектов, созданных с помощью MJ, требуется поддержка, которая печатается одновременно во время сборки из растворимого материала, который удаляется на этапе последующей обработки. MJ — это один из немногих видов технологии 3D-печати, предлагающий объекты, выполненные из многокомпонентной и полноцветной печати.

Drop on Demand (DOD) — это технология 3D-печати, в которой используется пара струй чернил. Один наносит строительные материалы, которые обычно являются воскоподобным материалом. Второй используется для растворимого материала поддержки. Как и в типичных типах технологии 3D-печати, принтеры DOD следуют по заранее определенному пути к струйному материалу при точечном осаждении, создавая площадь поперечного сечения объекта слой за слоем.

В принтерах DOD также используется фреза, которая скользит по области сборки после создания каждого слоя, обеспечивая идеально ровную поверхность перед началом следующего слоя. Принтеры DOD обычно используются для создания шаблонов, подходящих для литья по выплавляемым моделям или литья по выплавляемым моделям, а также для других формовочных применений.

Binder Jetting

Струйная обработка — это процесс 3D-печати, при котором жидкий связующий агент избирательно связывает участки порошкового слоя. Binder Jetting — это технология 3D-печати, аналогичная SLS, с требованием для первоначального слоя порошка на строительной платформе. Но в отличие от SLS, который использует лазер для спекания порошка, Binder Jetting перемещает печатающую головку по поверхности порошка, осаждая капли связующего, которые обычно имеют диаметр 80 микрон. Эти капли связывают частицы порошка вместе, чтобы создать каждый слой объекта.

После того, как слой напечатан, слой порошка опускается, и новый слой порошка наносится на недавно напечатанный слой. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет сформирован полный объект. Затем объект оставляется в порошке для лечения и усиления. После этого объект удаляется из слоя порошка, а любой несвязанный порошок удаляется сжатым воздухом.

  • Типы технологий 3D-печати: Binder Jetting (BJ)
  • Материалы: песок или металлический порошок: нержавеющая сталь / бронза, полноцветный песок, кремний (литье в песок)
  • Точность размеров: ± 0,2 мм (металл) или ± 0,3 мм (песок)
  • Общие применения: функциональные металлические детали; полноцветные модели; литье в песчаные формы
  • Сильные стороны: низкая стоимость; большие объемы сборки; функциональные металлические детали
  • Слабые стороны: механические свойства не так хороши, как при расплавлении металлического слоя

Устройства Sand Binder Jetting — это недорогие типы технологий 3D-печати для производства деталей из песка, например из песчаника или гипса.

Для полноцветных моделей объекты изготавливаются с использованием порошка на основе гипса или ПММА в сочетании с жидким связующим веществом. Печатающая головка сначала распыляет связующий агент, в то время как вторичная печатающая головка струится в цвете, позволяя печатать полноцветные модели.

После полного отверждения деталей их снимают с несвязанного порошка и очищают. Для улучшения механических свойств детали часто подвергаются воздействию инфильтрирующего материала.

Доступно большое количество инфильтрантов, каждый из которых обладает разными свойствами. Покрытия могут также быть добавлены, чтобы улучшить яркость цветов.

Струйная связка также полезна для производства литейных форм и стержней. Ядра и формы обычно печатаются песком, хотя искусственный песок (кремнезем) можно использовать для специальных применений.

После печати стержни и формы удаляются из области сборки и очищаются для удаления рыхлого песка. Формы, как правило, сразу же готовы к разливке. После отливки форма разбивается на части, а конечный металлический компонент удаляется.

Большим преимуществом изготовления стержней и форм для литья в песок с помощью Binder Jetting является большая сложная геометрия, которую процесс способен производить при относительно небольших затратах. Кроме того, процесс довольно легко интегрируется в существующий производственный или литейный процесс без сбоев.

Binder Jetting также может быть использован для изготовления металлических предметов. Металлический порошок связывается с помощью полиэфирного связующего. Производство металлических объектов с использованием Binder Jetting позволяет получать сложные геометрические формы, выходящие далеко за рамки возможностей традиционных технологий изготовления.

Функциональные металлические объекты могут быть получены только с помощью вторичного процесса, такого как инфильтрация или спекание. Стоимость и качество конечного результата обычно определяют, какой вторичный процесс является наиболее подходящим для определенного применения. Без этих дополнительных этапов деталь, изготовленная с использованием металлической связующей струи, будет иметь плохие механические свойства.

Вторичный процесс инфильтрации работает следующим образом: первоначально частицы металлического порошка соединяются вместе, используя связующий агент, чтобы сформировать объект «зеленого состояния». Как только объекты полностью отвердели, их вынимают из сыпучего порошка и помещают в печь, где сгорает связующее. Это оставляет объект на 60% плотности с пустотами по всему.

Затем бронза используется для проникновения в пустоты посредством капиллярного воздействия, в результате чего получается объект с плотностью около 90% и большей прочностью. Тем не менее, объекты, изготовленные с использованием металлической Binder Jetting, обычно имеют более низкие механические свойства, чем металлические детали, изготовленные с использованием Fusion Powder Bed Fusion.

Вторичный процесс спекания может применяться там, где металлические детали изготавливаются без инфильтрации. После того, как печать завершена, зеленые объекты отверждены в печи. Затем они спекаются в печи до высокой плотности около 97%. Тем не менее, неравномерная усадка может быть проблемой во время спекания и должна учитываться на этапе проектирования.

Fusion Powder Bed (металлы)

Fusion Metal Powder Bed Fusion — это процесс 3D-печати, который производит твердые объекты с использованием теплового источника, чтобы вызвать плавление между частицами металлического порошка по одному слою за раз.

Большинство технологий Fusion Powder Bed Fusion используют механизмы для добавления порошка при конструировании объекта, в результате чего конечный компонент заключен в металлический порошок. Основные изменения в технологиях металлического порошкового покрытия происходят от использования различных источников энергии; лазеры или электронные лучи.

  • Типы технологий 3D-печати: прямое лазерное спекание металлов (DMLS); Выборочное лазерное плавление (SLM); Электронно-лучевое плавление (EBM)
  • Материалы: металл Порошок: алюминий, нержавеющая сталь, титан
  • Точность размеров: ± 0,1 мм
  • Общие области применения: Функциональные металлические детали (аэрокосмическая и автомобильная); Медицинское; зубоврачебный
  • Сильные стороны: сильные , функциональные части; Сложные геометрии
  • Слабые стороны: небольшие размеры сборки; Высочайшая цена всех технологий

Как прямое лазерное спекание металлов (DMLS), так и селективное лазерное плавление (SLM) производят объекты аналогично SLS. Основное отличие заключается в том, что данные виды технологии 3D-печати применяются для производства металлических деталей.

DMLS не плавит порошок, а нагревает его до такой степени, что он может плавиться вместе на молекулярном уровне. SLM использует лазер для полного расплавления металлического порошка, образующего однородную часть. Это приводит к тому, что деталь имеет единую температуру плавления (то, что не производится из сплава).

В этом главное отличие DMLS от SLM; первый производит детали из металлических сплавов, в то время как последние образуют одноэлементные материалы, такие как титан.

В отличие от SLS, процессы DMLS и SLM требуют структурной поддержки, чтобы ограничить возможность любого искажения, которое может произойти (несмотря на тот факт, что окружающий порошок обеспечивает физическую поддержку).

Детали DMLS / SLM подвержены риску коробления из-за остаточных напряжений, возникающих во время печати, из-за высоких температур. Детали также обычно подвергают термообработке после печати, хотя они все еще прикреплены к рабочей пластине, для снятия любых напряжений в деталях после печати.

В отличие от других методов плавления в порошковом слое, электронно-лучевое плавление (EBM) использует пучок высокой энергии или электроны, чтобы вызвать плавление между частицами металлического порошка.

Сфокусированный электронный пучок сканирует тонкий слой порошка, вызывая локальное плавление и затвердевание на определенной площади поперечного сечения. Эти области созданы для создания твердого объекта.

По сравнению с технологиями 3D-печати типов SLM и DMLS, EBM обычно имеет превосходную скорость сборки из-за более высокой плотности энергии. Однако такие вещи, как минимальный размер элемента, размер частиц порошка, толщина слоя и качество поверхности, как правило, больше.

Также важно отметить, что детали EBM изготавливаются в вакууме, и этот процесс может использоваться только с проводящими материалами.

Back to Top