На сегодняшний день существует множество технологий для создания реальных объектов из 3D моделей. Наиболее распространенная и доступная технолология — это печать пластиком (технология FDM).
В нашей статье мы приводим классификацию технологи печати и расскажем и каждой из них.
В настоящее время технологии 3D печати разделяются на 4 основных категории:
1. Экструдирование — выдавливание расплавленного материала;
2. Фотополимеризация — отверждение полимера УФ или лазерным излучением.
3. Печать методом спекания и плавления материалов
4. Ламинирование — склеивание слоев материала с последующим вырезанием;
Помимо этого, существуют другие технологии, не попавшие в вышеуказанные категории, мы рассказывем о них в конце этой статьи.
- 1. Экструзия материала
1.1. Моделирование методом наплавления (Fused Deposition Modeling, FDM)
Наиболее распространенная технология 3D печати, особенно среди персональных и настольных 3D принтеров.
Технология работает по принципу наплавления материала слоями. Пластиковые или металлические нити разматываются из рулона (картриджа) и поступают в печатающую головку (экструдер). Экструдер разогревает нити до жидкого состояния и выдавливает материал через сопло, перемещаясь в горизонтальном и вертикальном направлениях, слой за слоем формируя объект.
Преимущества технологии 3D-печати по технологии FDM
- • скорость и простота изготовления моделей
- • доступность;
- • безопасность, экологическая чистота и нетоксичность большинства материалов;
- • точность построения;
- • простота использования и обслуживания;
- • прочность деталей;
- • простота утилизации.
Материал для печати: Термопластики (PLA, ABS, PVA, HIPS и т. п.), легкоплавкие металлы и сплавы, съедобные материалы (шоколад и др.)
1.2. Моделирование методом напыления с последующим фрезерованием слоя (Drop On Demand Jet, DODJet)
В этой технологии 3D-печати также используется два вида материалов — модельный и материал поддержки.
Печатающая головка одновременно распыляет оба типа «расходников». Затем специальная фрезеровочная головка производит охлаждение распыленного слоя и его механическую обработку. Технология DODJet позволяет строить высокоточные модели с абсолютно гладкой поверхность. Так как распыление рабочего слоя происходит за счет механически движущийся головки, то скорость изготовления прототипа во многом зависит от сложности печатной модели.
Материал для печати: Литейный воск
- 2. Фотополимеризация
2.1. Лазерная стереолитография (Laser Stereolithography, SLA)
Технологию изобрел Чарльз Халл. Получив патент на нее, Халл основал компанию 3D Systems, которая и сегодня остается ведущей компанией-производителем SLA-машин.
Технология предполагает использование специального фотополимера — светочувствительной смолы в качестве модельного материала. Основой в данном процессе является ультрафиолетовый лазер, который последовательно переводит поперечные сечения модели на поверхность емкости со светочувствительной смолой. Фотополимер затвердевает только в том месте, где прошел лазерный луч. Затем новый слой смолы наносится на затвердевший слой, и новый контур намечается лазером. Процесс повторяется до завершения построения модели. Стереолитография — наиболее популярная технология быстрого прототипирования для получения высокоточных моделей. Она охватывает практически все отрасли материального производства от медицины до тяжелого машиностроения. SLA-технология позволяет быстро и точно построить модель изделия практически любых размеров. Качество поверхностей зависит от шага построения. Современные машины обеспечивают шаг построения 0,025 — 0,15 мм.
SLA-технология дает наилучший результат при изготовлении мастер-моделей для последующего изготовления силиконовых форм и литья в них полимерных смол, а также используется для выращивания ювелирных мастер-моделей.
Материал для печати: Фотополимерная смола
2.2. Цифровая обработка светом (Digital Light Processing, DLP)
Аналог SLA технологии. В отличии от традиционной технологии стереолитография, использующей сканирующий ультрафиолетовый лазер для того, чтобы сделать жидкий материал твердым, DLP принтер работает по схожему принципу, однако использует DLP-прожектор, который воздействует на каждый слой. Как только первый слой застывает на платформе, платформа опускается немного глубже в резервуар со смолой, а прожектор засвечивает новое изображение, чтобы затвердел следующий слой.
Материал для печати: Жидкая смола
2.3. Технология MJM (Multi-Jet-Modeling)
Технология разработана и запатентована компанией 3D Systems.
В основе MJM - технологии 3D-печати, лежит послойное сечение СAD файла на горизонтальные слои, которые последовательно отправляются на 3D-принтер. Каждый слой формируется печатающей головкой, которая через группы сопел выпускает на горизонтальную движущуюся платформу или расплавленный (температура около 80 C) фотополимер или расплавленный воск. Фотополимер или воск расплавляются в системе подачи материала до того как попадают в печатающую головку. Если 3D-печать выполняется из фотополимера, то после печати каждого слоя, платформа, на которой выращен слой, отъезжает за печатающую головку под ультрафиолетовую лампу. Вспышка ультрафиолетовой лампы вызывает реакцию фотополимера, вследствие которой материал твердеет. После этого платформа отъезжает опять под печатающую головку и цикл формирования слоя повторяется. Печатающая головка образует новый слой. Особенностями технологии MJM является возможность воспроизводить 3D-модели с высокой точностью. В процессе 3D-печати используется материал поддержки: воск (поставляется отдельными картриджами). Если 3D-печать выполняется из фотополимера, то материал поддержки удаляется посредством высокой температуры: деталь с поддержкой помещается в печь с температурой ~60 C. Если 3D-печать выполняется из воска, то поддержка удаляется с помощью специального раствора.
Немаловажно и то, что в клей можно добавлять красящие вещества, а, следовательно, есть возможность получить не только объемную модель, но и разноцветную.
Материал для печати: Фотополимерная смола, акриловый пластик, литейный воск
2.4. Полиструйная технология (PolyJet, PJET)
Представлена в 2000 году компанией Objet, которая затем в 2012 году было приобретена компанией Stratasys.
Трехмерная печать PolyJet похожа на струйную печать документов, но вместо струйной подачи чернил на бумагу 3D-принтеры PolyJet выпускают струи жидкого фотополимера, который образует слои на модельном лотке и мгновенно фиксируется ультрафиолетовым излучением. Тонкие слои ложатся последовательно и образуют точную трехмерную модель или прототип. Модели готовы к использованию сразу по извлечении из 3D-принтера, не требуется никакая дополнительная фиксация. Помимо выбранного модельного материала, 3D-принтер также выпускает струи гелеобразного вспомогательного материала, предназначенного для поддержки выступов и сложных геометрических форм. Его легко удалить вручную или с помощью воды.
Технология трехмерной печати PolyJet обладает множеством преимуществ для быстрого прототипирования, быстро и точно образуя потрясающе тонкие детали и гладкие поверхности. Технология использует широкий ряд материалов, в том числе жесткие непрозрачные материалы сотен ярких цветов, прозрачные и цветные полупрозрачные тона, гибкие эластичные материалы и специализированные фотополимеры для 3D-печати в стоматологической и медицинской отраслях, а также в производстве товаров широкого потребления.
Материал для печати: Фотополимерная смола
- 3. Печать методом спекания и плавления материала
3.1. Селективное лазерное спекание (Selective Laser Sintering, SLS)
Метод SLS был изобретен Карлом Декартом (Carl Deckard) в 1986 г.
По данной технологии модели создаются из порошковых материалов за счет эффекта спекания при помощи энергии лазерного луча. В отличие от SLA-процесса, в данном случае лазерный луч является не источником света, а источником тепла. Попадая на тонкий слой порошка, лазерный луч спекает его частицы и формирует твердую массу, в соответствие с геометрией детали. В качестве материалов используются полиамид, полистирол, песок и порошки некоторых металлов. Существенным преимуществом SLS-процесса является отсутствие так называемых поддержек при построении модели. В процессах SLA и MJM при построении нависающих элементов детали используются специальные поддержки, предохраняющие свежепостроенные тонкие слои модели от обрушения. В SLS-процессе в таких поддержках нет необходимости, поскольку построение ведется в однородной массе порошка. После построения модель извлекается из массива порошка и очищается.
Ведущими производителями SLS-машин являются компании Concept Laser (Германия), 3D Systems (США) и EOS GmbH (Германия).
Материал для печати: Термопластик, металлический порошок, керамический порошок, стеклянный порошок
3.2. Прямое металлическое лазерное плавление (Direct Metal Selective Laser Melting, SLM)
Разновидность технологии SLS. Материалом выступают металлы и сплавы в виде порошка. Для печати доступны следующие металлы и сплавы: сталь, нержавеющая сталь, инструментальная сталь, алюминий, сплав кобальт-хром, титан.
Тонкие слои качественного порошка металла равномерно распределяются с использованием специального покрывающего механизма, платформа на которой расположен порошок при этом может опускаться по вертикали. Весь процесс происходит внутри камеры, которая поддерживает жесткий контроль атмосферных инертных газов таких, как аргон, азот, кислород на уровне ниже 500 частей на миллион. Затем каждый слой формируется путем избирательного воздействия лазеров на поверхность порошка с помощью двух высокочастотных сканеров X и Y осей. Процесс повторяется слой за слоем, пока деталь не будет завершена.
Материал для печати: Практически любой металлический сплав в виде гранулы/крошки/порошка
3.3. Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting, EBM)
Эта технология была разработана компанией Arcam AB в Швеции.
Технология представляет собой изготовление деталей путем плавления мощным электронным пучком металлического порошка, наносимого слой за слоем, в вакууме. В отличие от некоторых методов спекания металла, части получаются без пустот, очень прочными.
Технология позволяет изготавливать детали любой геометрической формы с параметрами используемого материала. Машина EBM считывает данные из модели 3D, расположенной, как правило, в CAD файле, и последовательно формирует ее слой за слоем. Эти слои сплавляются вместе с использованием электронного пучка, управляемого компьютером. Таким образом он строит целые части. Процесс происходит в вакууме, что делает его подходящим для изготовления деталей из материалов, сильно подверженных влиянию кислорода, например, титана.
Важным преимуществом является то, что порошок представляет собой чистый конечный материал без каких бы то ни было наполнителей. Так что Вам не нужно подвергать напечатанную деталь дополнительной термической обработке.
EBM работает при температуре, находящейся обычно между 700 и 1000° С. Детали получаются готовыми практически сразу же после остывания.
Титановые сплавы, как уже отмечалось выше, без труда обрабатываются этой технологией, что делает ее подходящим выбором для рынка медицинских имплантатов.
Материал для печати: Сплавы титана
3.4. Выборочное тепловое спекание (Selective Heat Sintering)
Аналог селективного лазерного спекания (SLS), однако в данной технологии вместо высокоточного лазера используется направленное должным образом тепло. Специальная лампа закрывается маской, и таким образом появляется возможность выборочно воздействовать на исходный материал.
Для того, чтобы иметь возможность тепловым потоком, в данной технологии применяют специальные ультрафиолетовые лампы. Одним из основных преимуществ является то, что для данной длины волны ИК-излучения возможно подобрать 2 вида материала: один будет пропускать тепло, а другой будет отражать. Также одним из основных свойств ИК излучения является возможность подобрать такую длину волны, при которой конкретный материал будет поглощать или отражать все излучение.
Интересно отметить, что один слой толщиной 100 микрон (0,1мм) печатается всего за 1-2 секунды. Данная технология — это настоящий прорыв в скоростной печати. Важно подчеркнуть, что модель формируется из порошка, причем весь не использованный порошок можно использовать повторно.
Данная технология позволяет изготавливать модели самых сложных геометрических форм, а также позволяет печатать несколько деталей одновременно.
Материал для печати: Термопластичный порошок
3.5. Послойное распределение клеящего вещества по гипсовому порошку (Powder bed and inkjet head 3d printing, Plaster-based 3D printing, 3DP)
3DP - это специфическая аддитивная технология производства, основанная на использовании порошка и связующего материала. Данная технология запатентована в 1993 году Эли Sachs и Майком Cima из Массачусетского технологического института (MIT) и продана в 1995 году компании Z Corporation, которая, в свою очередь, была приобретена компанией 3D Systems в январе 2012 года.
3DP использует порошковый метод производства аналогичный SLS, но вместо спекания или плавления порошка используется связующее вещество (клей), которое вводится в порошок. Для этих целей используется печатающая головка аналогичная головке струйного 3D принтера.
Технология очень проста: есть слой порошка, по нему сверху проходит печатающая головка и избирательно (по форме сечения) наносит специальную связующую жидкость. Свежий слой порошка распространяется по всей поверхности модели, и процесс повторяется. Когда модель завершена, несвязанный порошок автоматически удаляется.
Материал для печати: Гипс, композит на основе гипса, гипсовый порошок
- 4. Изготовление объектов с использованием ламинирования (Laminated Object Manufacturing, LOM)
В этой технологии модель изготавливается из тонких слоев полимерной пленки. Предварительно каждый слой будущего изделия вырезается из рабочего материала лазером или механическим резаком. Готовые формы слоев размещаются в установленном порядке и склеиваются. Послойное соединение может происходить разными способами — при помощи местного нагрева, спрессовкой под давлением или обычным химическим склеиванием.
Материал для печати: Бумага, металлическая фольга, полиэтиленовая пленка
- 3D-печать от Mcor Technologies
Недавно появившаяся технология, которая позволяет печатать изделия из обычной бумаги формата А4. Резец из твердосплавной стали вырезает каждый слой будущей модели из листа бумаги. Затем слои проклеиваются обычным канцелярским клеем на водной основе. Такую технологию печати использует инновационный 3D-принтер MATRIX 3000.
Материал для печати: стандартная офисная бумага
- Контурное изготовление (Contour Crafting, CC)
Изобрел технологию профессор Бехрох Хошневис (Behrokh Khoshnevis) из университета Южной Калифорнии СС - это строительная технология и её используют не 3D-принтеры. Устройство для печати более похоже на козловой кран. Вместо многотонного крюка, у которого находится распыляющая бетонную смесь головка со встроенными пневматическими формирователями поверхностей. Мгновенно застывающий бетонный раствор слой за слоем наносится на основу дома. Стены, вместе с проемами, вентиляционными отверстиями, дымоходами в прямом смысле этого слова растут на глазах. На возведение полой «коробки» одного коттеджа площадью 100 метров квадратных уходит примерно восемь часов непрерывной работы.
Материал для печати: бетонная смесь