Все, что вы хотели знать о 3D печати
Содержание:
- Основы 3D печати
- Что такое 3D печать?
- История 3D печати
- Процесс 3D печати
- Технологии 3D печати
- Материалы для 3D печати
- Влияние 3D печати на разные отрасли
- Преимущества 3D печати
- 3D технологии в разных отраслях
Основы 3D печати
О 3D печати сейчас говорят больше, чем о какой-либо другой технологии. Оптимисты считают такое внимание вполне заслуженным, а другие утверждают, что такая шумиха напрасна. Так что же такое 3D печать, кто вообще пользуется 3D принтерами и для чего?
Термин 3D печать охватывает множество процессов и технологий, которые предлагают полный спектр возможностей для производства деталей и продуктов из различных материалов . По сути, то, что объединяет все процессы и технологии, - это способ производства слой за слоем, который отличается от традиционных методов производства (например формования или литья).
Разработки в области 3D печати ведутся довольно активно, поскольку эта технология продолжает все более широко и глубоко проникать в промышленный, производственный и потребительский секторы. Именно поэтому многие согласны с тем, что на сегодняшний день мы только начинаем осознавать истинный потенциал 3D печати.
Что такое 3D печать?
3D печать - это процесс создания физического объекта на основе трехмерной цифровой модели, обычно путем последовательного наложения множества тонких слоев материала. Он превращает цифровой объект (его представление в САПР) в его физическую форму, добавляя материал слой за слоем.
Существует несколько различных методов 3D печати. Более подробно мы остановимся на этом в одном из следующих разделов. 3D печать приносит с собой два фундаментальных нововведения: манипулирование объектами в их цифровом формате и создание новых форм путем добавления материала.
Технологии повлияли на современную историю человечества, вероятно, больше, чем какая-либо другая область. Начиная от лампочки и двигателя до автомобилей, самолетов и всемирной сети. Эти технологии во многих отношениях сделали нашу жизнь лучше, открыли новые возможности, но обычно требуется время, иногда даже десятилетия, прежде чем станет очевидным польза этой технологии.
Что на самом деле представляет собой 3D печать, которая, как утверждают некоторые, заменит традиционное производство, произведет революцию в дизайне и повлечет за собой изменения в нашей повседневной жизни?
3D печать - это аддитивный производственный процесс. И это действительно ключевой момент, потому что это радикально другой метод производства, основанный на передовых технологиях, в которых детали аддитивно собираются слоями в масштабе менее миллиметра. Такое производство принципиально отличается от любых других существующих традиционных технологий.
Существует ряд ограничений для традиционного производства, которое широко основывалось на человеческом труде. Однако мир производства изменился, и автоматизированные процессы, такие как механическая обработка, литье и формование, являются (относительно) новыми, сложными процессами, для которых требуются машины, компьютеры и робототехника.
Все эти технологии имеют один недостаток - для производства требуется большое количество материала и после процесса остается много отходов.
Для многих отраслей традиционные процессы проектирования и производства накладывают ряд непреодолимых ограничений, среди которых дорогостоящее оборудование, инструменты и необходимость дополнительной сборки сложных деталей. Упрощая идеологию 3D печати, ее можно сравнить с процессом автоматического создания чего-либо из блоков Lego.
3D печать - это эффективная технология, которая поощряет и стимулирует инновации свободу проектирования, при этом не требуя дорогостоящих инструментов, что снижает непомерно высокие затраты и время выполнения заказа. 3D печать становится энергоэффективной технологией, которая может обеспечить экологическую эффективность как с точки зрения самого производственного процесса, так и на протяжении всего срока эксплуатации продукции.
В последние годы 3D печать вышла за рамки промышленного прототипирования и производства, поскольку технология стала более доступной для небольших компаний и даже отдельных лиц. Когда-то принадлежавшие огромным многонациональным корпорациям менее функциональные 3D принтеры теперь может приобрести практически любой желающий.
Это открыло технологию для гораздо более широкой аудитории, вследствие чего на рынке появляется все больше и больше оборудования, материалов, приложений и услуг.
История 3D печати
Первые технологии 3D печати стали известны в конце 1980-х годов, когда их называли технологиями быстрого прототипирования. Это связано с тем, что процессы изначально задумывались как быстрый и более рентабельный метод создания прототипов для разработки продуктов в промышленности. Интересно отметить, что самая первая заявка на патент на технологию была подана доктором Кодама в Японии в мае 1980 года. К сожалению доктор Кодама не предоставил полное описание патента до истечения одного года после подачи заявки. Ситуация достаточно комичная, учитывая то, что он был патентным юристом!
Истоки 3D печати можно проследить до 1986 года, когда был выдан первый патент на стереолитографическое устройство (SLA). Этот патент принадлежал Чарльзу (Чак) Халлу, который первым изобрел свою машину SLA в 1983 году. Затем Халл стал соучредителем 3D Systems Corporation - одной из крупнейших и наиболее плодотворных организаций, работающих сегодня в сфере 3D печати.
Первая коммерческая система от 3D Systems, SLA-1, была представлена в 1987 году, и после тщательных испытаний была продана в 1988 году. Это была не единственная технология, которая разрабатывалась в то время, поскольку в 1987 году Карл Декард, работавший в Техасском университете, подал в США патент на процесс селективного лазерного спекания (SLS). Этот патент был выдан в 1989 году, и позже лицензия SLS была передана DTM Inc, которая затем была приобретена 3D Systems.
1989 был также годом, когда Скотт Крамп, соучредитель Stratasys Inc., подал патент на технологию FDM, которая до сих пор принадлежит компании, но также используется во многих устройствах начального уровня на основе модели RepRap с открытым исходным кодом. Патент на FDM был выдан компании Stratasys в 1992 году.
В Германии в 1989 году также была создана компания EOS GmbH в Германии, основанная Хансом Лангером. После увлечения процессами SL, исследования и разработки EOS были в значительной степени сосредоточены на процессе лазерного спекания (LS), который продолжал набирать обороты. Сегодня системы EOS признаны во всем мире за их качественную продукцию для промышленного прототипирования и производственных приложений для 3D печати. EOS продала свою первую систему Stereos в 1990 году. Процесс прямого лазерного спекания металла (DMLS) компании стал результатом первоначального проекта с подразделением Electrolux Finland, которое позже было приобретено EOS.
В эти годы появились и другие технологии 3D печати, а именно: производство баллистических частиц (BPM), первоначально запатентованное Уильямом Мастерсом, производство ламинированных объектов (LOM), первоначально запатентованное Майклом Фейгиным, твердое грунтовое отверждение (SGC), первоначально запатентованное Ицхаком Померанцем, «трехмерная печать» (3DP), первоначально запатентованная Emanuel Sachs и другие. Таким образом, в начале девяностых годов на рынке выросло количество конкурирующих компаний, но сегодня остались только три оригинала - 3D Systems, EOS и Stratasys.
На протяжении 1990-х и начала 2000-х годов продолжалось внедрение множества новых технологий, по-прежнему полностью ориентированных на промышленное использование. Более продвинутые создатели технологий проводили исследования и разработки для конкретных инструментов, литья и создания прямых производственных приложений. Это привело к появлению новой терминологии, а именно Rapid Tooling (RT), Rapid Casting и Rapid Manufacturing (RM) соответственно.
Что касается коммерческих организаций, Sanders Prototype (позже Solidscape) и ZCorporation были созданы в 1996 году, Arcam была основана в 1997 году, Objet Geometries была запущена в 1998 году, MCP Technologies (признанный OEM-производитель вакуумного литья) представила технологию SLM в 2000 году, EnvisionTec была Основанная в 2002 году компания ExOne была основана в 2005 году как дочерняя компания Extrude Hone Corporation, и Sciaky Inc была пионером в разработке собственного аддитивного процесса, основанного на собственной технологии электронно-лучевой сварки. Все эти компании способствовали пополнению рядов западных компаний, работающих на мировом рынке. Терминология также развивалась с распространением производственных приложений, и общепринятым общим термином для всех процессов было Аддитивное производство (AM). Примечательно, что в Восточном полушарии происходило много параллельных событий. Однако эти технологии, хотя сами по себе значительны и пользовались некоторым успехом на местном уровне, в то время практически не влияли на мировой рынок.
В середине нулевых в этом секторе начали проявляться признаки явной диверсификации с двумя конкретными областями, которые сегодня определены гораздо более четко. Во-первых, это была высококлассная 3D печать с дорогим оборудованием, которая была ориентирована на производство дорогостоящих, высокотехнологичных и сложных деталей. Эта область все еще продолжает расти, но результаты только сейчас начинают проявляться в производственных процессах в аэрокосмическом, автомобильном, медицинском и ювелирном секторах, поскольку годы исследований и разработок теперь окупаются. Многое еще остается за закрытыми дверями и/или в соответствии с соглашениями о неразглашении (NDA).
Другая область - это создание экономичного оборудования для функционального прототипирования, которое могло бы использоваться в офисах. Эти принтеры можно с уверенностью назвать прародителями современных настольных устройств, которые пользуются популярностью. Однако все эти системы по-прежнему предназначались для промышленного применения.
Оглядываясь назад, можно сказать, что это было действительно затишье перед бурей.
Производители начали настоящую войну на нижнем уровне рынка, снижая цены на оборудование и одновременно с этим повышая точность, скорость и доступность своих 3D принтеров.
В 2007 году на рынке появилась первая система от 3D Systems стоимостью менее 10 000 долларов, но она так и не достигла той популярности, которой предполагалось. Частично это было связано с самим продуктом, но также с другими факторами рынка. В то время целью многих производителей было создание 3D принтера стоимостью менее 5000 долларов. Это было воспринято многими инсайдерами отрасли, пользователями и комментаторами как ключ к открытию технологии 3D печати для гораздо более широкой аудитории. На протяжении большей части 2007 года появление долгожданной Desktop Factory (дословно “настольная фабрика”), было объявлено как событие, на которое стоит обратить внимание. Но организация пошатнулась на этапе подготовки к производству. Desktop Factory и ее руководитель Кэти Льюис были приобретены вместе с IP компанией 3D Systems в 2008 году и почти исчезли. Но как оказалось, 2007 год стал годом, который действительно стал поворотным моментом для доступных технологий 3D печати. Хотя немногие понимали это в то время, но феномен RepRap пустил корни.
Доктор Бойер задумал концепцию RepRap 3D принтера с открытым исходным кодом еще в 2004 году, и в последующие годы его идеи были реализованы его командой в Бате, в первую очередь Виком Оливером и Рисом Джонсом. 2007 год стал годом, когда зарождающееся движение 3D печати с открытым исходным кодом начало набирать популярность.
Но только в январе 2009 года первый коммерчески доступный 3D принтер, основанный на концепции RepRap был выставлен на продажу. Это был 3D принтер BfB RapMan. За ним последовала Makerbot Industries в апреле того же года, основатели которой активно участвовали в разработке RepRap. С 2009 года появилось множество аналогичных принтеров. Хотя феномен RepRap породил целый новый сектор коммерческих 3D принтеров начального уровня, дух сообщества RepRap заключается в разработке оборудования для 3D печати с открытым исходным кодом и сдерживании коммерциализации.
2012 год стал годом, когда альтернативные процессы 3D печати были представлены на начальном уровне рынка. B9Creator (использующий технологию DLP) появился первым в июне, за ним в декабре последовала Form 1 (использующая стереолитографию). Оба были запущены через сайт финансирования Kickstarter - и оба пользовались огромным успехом.
В результате значительных достижений на промышленном уровне, резкого увеличения осведомленности и охвата новым движением производителей, 2012 год также стал годом, когда медиа каналы стали активно освещать эту технологию. С 2013 года наблюдается значительный рост и объединение более мелких компаний с крупными игроками рынка. Одним из наиболее заметных шагов стало приобретение Makerbot компанией Stratasys.
Нельзя отрицать то влияние, которое 3D печать оказывает на промышленный сектор, и огромный потенциал, который 3D печать демонстрирует для будущего потребителей.
Процесс 3D печати
Отправной точкой для любого процесса 3D печати является цифровая 3D модель, которую можно создать с помощью различных программ 3D - в промышленности это CAD, а для широкого круга потребителей доступны более простые программы или сканирование с помощью 3D сканера.
Затем модель «нарезается» на слои, тем самым преобразуясь в файл, читаемый на 3D принтере. Документ, обработанный 3D принтером, затем поступает в печать, где слой за слоем создается новое изделие.
Существуют разные технологии 3D печати, которые по-разному используют материалы для создания конечного объекта. В настоящее время для промышленного прототипирования и производства обычно используются пластмассы, металлы, керамика и песок. Также проводятся исследования для 3D печати биоматериалов и различных видов продуктов питания. На начальном уровне рынка материалы гораздо более ограничены. В настоящее время единственным широко используемым материалом является пластик, обычно это ABS или PLA, но количество альтернатив, включая нейлон и декоративные материалы, постоянно растет. Также растет количество доступного оборудования для печати пищевыми продуктами, такими как сахар и шоколад.
Как это работает
В разных типах 3D принтеров используются разные технологии для обработки материалов. Важно понимать, что одно из основных ограничений 3D печати (с точки зрения материалов и оборудования) заключается в том, что не существует «единого решения, подходящего для всех». Например, некоторые 3D принтеры работают с порошками (нейлон, пластик, керамика, металл). В них используется источник света / тепла для спекания / плавления / сплавления слоев порошка вместе в определенной форме. Другие работают с полимерами и используют свет / лазер для отверждения смолы в ультратонких слоях. Распыление мелких капель - это еще один процесс 3D печати, напоминающий двухмерную струйную печать, но с использованием других материалов и связующего вещества для фиксации слоев. Пожалуй, наиболее распространенный и легко распознаваемый процесс - это наслоение. Эта технология используется большинством 3D принтеров начального уровня. В этом процессе производится экструзия пластмасс, самыми распространенными из которых являются PLA или ABS.
Поскольку печать деталей производится напрямую, можно создавать очень детализированные и замысловатые объекты, которые не нуждаются в последующей сборке.
Тем не менее, еще один важный момент, который следует подчеркнуть, заключается в том, что ни один из процессов 3D печати на сегодняшний день не является опцией plug and play. Есть много шагов перед началом печати и еще несколько шагов после того, как деталь снимается с принтера - они часто упускаются из виду. Это и создание 3D модели и подготовка файлов к печати, сложность которых зависит от сложности самой детали. Однако разработчики программного обеспечения делают все, чтобы облегчить эти процессы.
Кроме того, после завершения печати многие изделия необходимо подвергать дополнительной обработке - удалить поддержки, отшлифовать, нанести лак или краску, а при печати некоторыми материалами поместить в печь или сушилку.
Технологии 3D печати
Стереолитография
Стереолитография (SL) широко известна как первая технология 3D печати. SL - использует лазер для спекания слоев, а в качестве материала - фотополимерные смолы, которые вступают в реакцию с лазером и отверждаются, образуя твердое тело. Если объяснить это проще, то лазерный луч направляется в неподвижную ванну со смолой по заданной программой траектории. В результате чего смола затвердевает именно там, где лазер попадает на поверхность. После того, как слой будет завершен, платформа внутри чана поднимается по оси Z, и процесс повторяется вновь слой за слоем.
Из-за характера процесса SL для некоторых деталей требуются поддержки, особенно для изделий с выступами или полостями. Эти конструкции затем удаляются вручную.
Что касается других этапов постобработки, многие объекты, напечатанные на 3D принтере с использованием SL, необходимо очищать и сушить.
Стереолитография считается одной из самых точных технологий 3D печати, которая позволяет получить детали с отличным качеством поверхности. К недостаткам можно отнести обязательную постобработку и свойства самих материалов, которые могут становиться более хрупкими со временем.
DLP
DLP - или цифровая обработка света - похож на стереолитографию в том, что это технология 3D печати, которая работает с фотополимерами. Основное отличие - источник света. DLP использует более традиционный источник света, такой как линза, в сочетании с жидкокристаллическим дисплеем или системой зеркал. Благодаря такой системе слой затвердевает сразу же, а не под точечным направлением лазера, что делает печать быстрее чем SL.
Как и SL, DLP производит высокоточные детали с отличным разрешением, но сходство технологий также заключается в необходимости поддержек и дополнительной засветки.
Однако одним из преимуществ DLP перед SL является то, что для облегчения процесса требуется неглубокий резервуар со смолой, что сокращает отходы и затраты на материалы.
SLS
Лазерное спекание и лазерное плавление - это взаимозаменяемые термины, которые относятся к процессу 3D печати, использующего в качестве материала специальный порошок. Лазер отверждает слой порошка в соответствии с заданной программой последовательностью. Когда лазер взаимодействует с поверхностью порошка, он спекает или плавит частицы друг с другом, образуя твердое тело. По мере того, как каждый слой завершается, слой порошка постепенно опускается, и новый материал подается и разравнивается для следующего слоя.
Камера печати полностью герметична, так как во время процесса необходимо поддерживать точную температуру, соответствующую температуре плавления выбранного материала. После завершения весь порошок удаляется из машины, а неизрасходованный материал может быть очищен и использован заново. Одним из ключевых преимуществ этого процесса является то, что слой порошок одновременно служит в качестве поддержек, поэтому с помощью этой технологии можно создавать сложные формы, которые невозможно изготовить каким-либо другим способом.
Однако с другой стороны, из-за высоких температур, необходимых для лазерного спекания, время охлаждения может быть значительным. Кроме того, проблемой этой технологии была и есть пористость пористость деталей.
Лазерное спекание позволяет работать с пластмассами и металлическими материалами, хотя спекание металлов требует гораздо более мощного лазера и более высоких рабочих температур. Детали, произведенные с помощью этого процесса, намного прочнее, чем с SL или DLP, хотя обычно качество поверхности и точность не так хороши.
FFF/FDM
3D печать с использованием экструзии термопластичного материала - это самый распространенная и узнаваемая технология 3D печати. Самым популярным названием этого процесса является Fused Deposition Modeling (FDM), однако это торговое название, зарегистрированное Stratasys, компанией, которая первоначально разработала его.
Технология FDM компании Stratasys существует с начала 1990-х годов и сегодня представляет собой процесс 3D печати промышленного уровня. Тем не менее, общедоступные 3D принтеры, которые появились с 2009 года, в основном используют аналогичный процесс, обычно называемый Freeform Fabrication (FFF), но в более простой форме из-за патентов, все еще принадлежащих Stratasys. Самые ранние машины RepRap и все последующие разработки (с открытым исходным кодом и коммерческие) используют метод экструзии.
Процесс заключается в плавлении пластиковой нити, которая наносится с помощью нагретого экструдера, слой за слоем, на платформу для печати. Каждый слой затвердевает по мере нанесения и сцепляется с предыдущим слоем.
Компания Stratasys разработала ряд запатентованных материалов промышленного класса для технологии FDM, которые подходят для некоторых производственных сценариев. Для непрофессионального использования материалы более ограничены, но их ассортимент постоянно растет. Наиболее распространенными материалами для 3D принтеров FFF являются ABS и PLA.
Процессы FDM / FFF требуют поддержек для любых изделий с выступающими элементами. Так были созданы водорастворимые материалы, которые позволяют относительно легко удалять поддержки после завершения печати. В качестве альтернативы также возможны поддержки, которые можно удалить вручную, просто оторвав их от детали. Печать на с поддержками на FFF 3D принтерах была проблемой до тех пор, пока не появилось оборудование с двойными экструдерами и печатными головками.
Детали, изготовленные на FDM принтере имеют довольно высокую точность, что делает их востребованными как дома, так и в офисе. К недостаткам можно также отнести необходимость постобработки и невысокую скорость печати. Кроме того, для получения качественного результата необходима точная настройка для каждого вида материала.
Jetting (Струйная печать)
Струйная 3D печать имеет 2 вида реализации.
Распыление связующего вещества: распыляемый материал является связующим и избирательно распыляется на слой порошкообразного материала. Связующий компонент сплавляет порошок слой за слоем, постепенно создавая деталь. Как и в случае с другими технологиями, работающими с порошком, после того, как слой завершен, порошок постепенно опускается, а затем сверху подается новый слой материала.
Преимущества этого процесса, как и SLS, заключаются в том, что отпадает необходимость в опорах, поскольку сам слой порошка обеспечивает поддержку. Кроме того, можно использовать целый ряд различных материалов, включая керамику и гипс. Еще одним отличительным преимуществом технологии является возможность печатать с добавлением колера, что упрощает и ускоряет постобработку изделий.
Однако только что напечатанные детали, не так прочны, поэтому требуют дополнительной обработки для обеспечения долговечности.
Распыление материалов: процесс 3D печати, при котором материалы (в жидком или расплавленном состоянии) выборочно пропускаются через несколько струйных головок (при этом другие одновременно впрыскивают вспомогательные материалы). Для работы, как правило, используются жидкие фотополимеры, которые отверждаются под действием УФ света при нанесении каждого слоя.
Эта технология позволяет одновременно наносить несколько материалов, а это означает, что одна деталь может быть изготовлена из разных материалов с различными характеристиками и свойствами. Распыление материалов - это очень точный метод 3D печати, позволяющий производить точные детали с очень гладкой поверхностью.
SDL
SDL - это запатентованный процесс 3D печати, разработанный и производимый Mcor Technologies. Есть соблазн сравнить этот процесс с процессом производства ламинированных объектов (LOM), разработанным Helisys в 1990-х годах из-за сходства в наслоении и формировании бумаги. Однако на этом сходство заканчивается.
В процессе 3D печати SDL детали создаются слой за слоем с использованием стандартной копировальной бумаги. Каждый новый слой прикрепляется к предыдущему слою с помощью клея, который наносится выборочно в соответствии с данными, поступающими в машину. Это означает, что гораздо более высокая плотность клея наносится в области, которая станет деталью, и гораздо более низкая плотность клея наносится на окружающую область, которая будет служить опорой, обеспечивая относительно легкое удаление опор.
После того, как новый лист бумаги подается в 3D принтер из механизма подачи бумаги и помещается поверх нанесенного клея на предыдущий слой, рабочая пластина перемещается к нагревательной пластине, которая оказывает дополнительное давление. Это давление обеспечивает надежное соединение двух листов бумаги. Затем рабочая пластина возвращается на высоту сборки, где регулируемое лезвие из карбида вольфрама разрезает по одному листу бумаги за раз по контуру. Когда эта резка завершена, 3D принтер наносит следующий слой клея и так далее, пока деталь не будет готова.
SDL - один из немногих процессов 3D печати, который позволяет производить полноцветные 3D печатные детали с использованием цветовой палитры CYMK. А поскольку детали изготовлены из стандартной бумаги, не требующей постобработки, они полностью безопасны и экологичны. Если этот процесс не может конкурировать с другими процессами 3D печати, так как с помощью него можно производить детали со сложной геометрией, а размер сборки ограничен размером исходного материала.
EBM
Технология 3D печати Electron Beam Melting - это запатентованный процесс, разработанный шведской компанией Arcam. Этот метод печати на металле очень похож на процесс прямого лазерного спекания металла (DMLS) с точки зрения формирования деталей из металлического порошка. Ключевым отличием является источник тепла, который, как следует из названия, представляет собой электронный луч, а не лазер, что требует проведения процедуры в условиях вакуума.
EBM имеет возможность создавать полнотелые детали из различных металлических сплавов, даже медицинских, в результате чего этот метод оказался особенно успешным в медицинской промышленности. Тем не менее, другие высокотехнологичные секторы, такие как аэрокосмическая и автомобильная промышленность, также обратились к технологии EBM для выполнения производственных задач.
Материалы для 3D печати
В настоящее время существует большое количество материалов, которые поставляются в разных состояниях (порошок, нить, пеллеты, гранулы, смола и т. Д.).
Материалы обычно разрабатываются для конкретных устройств, выполняющих специальные задачи (например, в стоматологической отрасли), со свойствами материалов, которые удовлетворяют потребности пользователей.
Существует много запатентованных материалов от разных поставщиков 3D принтеров, но мы не будем рассматривать каждый отдельно. Вместо этого в этой статье мы сделаем акцент на более популярные и редкие типы материалов.
Пластики
Для селективного лазерного спекания и FDM печати используются порошки или нити из нейлона и полиамида. Это прочные, гибкие и долговечные пластики, которые доказали свою пригодность для 3D печати. Они имеют натуральный цвет, но могут быть окрашены до или после печати. Эти материалы можно комбинировать (в виде порошка) с порошкообразным алюминием для производства другого распространенного материала для 3D печати для спекания - алюминия.
ABS - еще один распространенный пластик, используемый для 3D печати, который широко применяется в FDM принтерах в виде нитей. Это особо прочный пластик, доступный в широкой цветовой гамме.
PLA - это биоразлагаемый пластик, который завоевал популярность в 3D печати именно по этой причине. Его можно использовать в формате смолы для DLP/SL принтеров, а также в виде нити для FDM устройств. Он предлагается в различных цветах, включая прозрачный. Материал не такой прочный и гибкий, как ABS.
Wood - композитный материал для FDM принтеров. Он поставляется в виде нити и представляет собой сочетание древесного наполнителя и полимера.
Металлы
Для промышленной печати используются разные металлы и композитные материалы с металлическими компонентами. Двумя наиболее распространенными являются производные алюминия и кобальта.
Одним из самых прочных и поэтому наиболее часто используемых металлов для 3D печати является нержавеющая сталь в виде порошка. Он имеет серебристо-серый цвет, но легко покрывается другими материалами для придания золотого или бронзового оттенка.
За последние несколько лет к ассортименту металлических материалов было добавлено золото и серебро. Они нашли свое применение в ювелирном деле. Эти материалы очень прочны и поставляются в виде порошка.
Титан - один из самых прочных металлов, который в течение некоторого времени использовался в промышленных 3D принтерах в виде порошка.
Керамика
Керамика - это относительно новая группа материалов, которые можно использовать для 3D печати. Следует особо отметить то, что после печати керамические детали должны пройти те же этапы обработки, что и любые керамические изделия, изготовленные традиционным способом, а именно обжиг и глазурование.
Бумага
Стандартная бумага формата А4 - это материал для 3D печати, используемый в запатентованном процессе SDL от Mcor Technologies. 3D печатные модели из бумаги безопасны, экологичны, легко перерабатываются и не требуют дополнительной обработки.
Биологические материалы
В настоящее время проводится огромное количество исследований в области создания биоматериалов для 3D печати в медицине и других отраслях. Живая ткань исследуется в ряде ведущих учреждений с целью разработки оборудования, которое может печатать человеческие органы для трансплантации, а также внешние ткани. Другие исследования в этой области сосредоточены на разработке продуктов питания, главным примером которых является мясо.
Еда
За последние пару лет количество экспериментов с 3D печатью пищевыми продуктами резко возросло. Шоколад - один из самых распространенных. Также есть принтеры, работающие с сахаром, и некоторые экспериментальные, печатающие макаронами и мясом.
Другие
Компания Stratasys предлагает новый подход к материалам для печати с Objet Connex. Это универсальные материалы, которые можно комбинировать в процессе печати в разных пропорциях. Такой процесс печати позволяет создавать до 140 различных материалов из базовых.
Влияние 3D печати на разные отрасли
Влияние на производство
3D печать оказывает влияние на способ производства продукции - аддитивные технологии позволяют по-новому взглянуть на социальные, экономические и экологические последствия производственного процесса.
3D печать может сделать производство более доступным не только для крупных промышленных отраслей, но и для отдельных пользователей. Доставка запасных частей и продуктов из одной части мира в другую потенциально может в скором времени н понадобиться, поскольку любая деталь может быть напечатана на 3D принтере. Конечная цель состоит в том, чтобы потребители могли использовать свой собственный 3D принтер дома, при этом цифровые дизайны любого продукта будут доступны для загрузки через Интернет. В настоящее время ведутся споры о том, сбудется ли это когда-нибудь, и еще более серьезные споры о сроках, в которые это может произойти.
Более широкое распространение 3D печати, вероятно, приведет к изобретению совершенно новых продуктов. Сегодня с помощью 3D принтера можно создавать ранее невозможные формы и геометрии, но на самом потенциал аддитивного производства огромен.
Возможное влияние на мировую экономику
Использование аддитивных технологий потенциально может повлиять на мировую экономику, если они будут использоваться во всем мире. Новые локализации и модели производства могут уменьшить дисбаланс между странами-экспортерами и странами-импортерами.
3D печать может создать новые отрасли и совершенно новые профессии, например, связанные с производством 3D принтеров. Существует возможность для предоставления профессиональных услуг в области 3D печати, начиная от дизайнеров новых продуктов, операторов принтеров, поставщиков материалов до юристов по урегулированию конфликтов в сфере интеллектуальной собственности.
Феномен 3D печати для развивающегося мира - палка о двух концах. Одним из примеров положительного эффекта является снижение производственных затрат за счет переработанных материалов, но потеря рабочих мест в обрабатывающей промышленности может серьезно ударить по многим развивающимся странам, и потребуется время, чтобы ее преодолеть.
Преимущества 3D печати
3D печать дает множество преимуществ, по сравнению с традиционными методами производства.
Персонализация
3D печать дает возможность персонализировать продукты в соответствии с индивидуальными потребностями и требованиями конечных пользователей. Даже на одном настольном 3D принтере можно одновременно изготовить несколько отличающихся объектов.
Сложность
Появление 3D печати привело к увеличению количества продуктов, разработанных в цифровой среде, которые просто невозможно произвести физически никаким другим способом. Хотя это преимущество в основном используется дизайнерами и художниками, оно также оказало значительное влияние на разработку и материализацию сложных компонентов. Сейчас сложные изделия разрабатываются в аэрокосмической отрасли, где прочность и надежность компонентов играет важную роль.
Без инструментов
Для промышленного производства одним из наиболее затратных (по времени и трудозатратам) этапов разработки продукта является изготовление инструментов. Для малого и и среднего производства промышленная 3D печать может устранить проблему создания инструментов и, связанных с этим затрат.
Так как 3D печать позволяет создавать сложные компоненты, грамотное проектирование может полность исключить сам процесс сборки как таковой.
Экологичность
3D печать может обеспечить экологическую эффективность как с точки зрения самого производственного процесса, так и с точки зрения эксплуатации конечного продукта.
Кроме того, 3D печать имеет большие перспективы с точки зрения реализации модели местного производства, при которой продукты производятся по запросу в том месте, где они необходимы, что устраняет огромные запасы и неустойчивую логистику для доставки больших объемов продукции по всему миру.
3D технологии в разных отраслях
Истоки 3D печати были основаны на принципах промышленного прототипирования как средства ускорения первых этапов разработки продукта. Быстрое прототипирование позволяло представить сразу несколько вариантов продукта для выбора оптимального решения.
Прототипирование по-прежнему является крупнейшим, хотя иногда и упускаемым из виду, применением 3D печати сегодня.
Развитие процесса и материалов позволили включить 3D печать в более поздние этапы разработки продукта.На сегодняшний день многие отрасли получают большую выгоду от аддитивного производства.
Медицина и стоматология
Медицинский сектор был одним из первых пользователей 3D печати. Благодаря персонализации потенциал роста этой технологии остается большим. Многие материалы и оборудование разрабатываются с учетом медицинских стандартов.
Помимо создания прототипов аддитивные технологии также используются для изготовления инструментов, медицинских изделий, имплантов и индивидуальных изделий для пациентов. Сейчас разрабатываются технологии для 3D печати кожи, костей, тканей, фармацевтических препаратов и даже человеческих органов. Однако до коммерциализации этих технологий еще далеко.
Аэрокосмическая промышленность
Как и медицинский сектор, аэрокосмический сектор одним из первых начал применять технологии 3D печати для разработки продуктов и создания прототипов. Предприятия, работающие в партнерстве с академическими и научно-исследовательскими институтами, остро нуждались в новых производственных технологиях.
Из-за особенностей производства летательных аппаратов, исследования и разработки требуют больших усилий, стандарты имеют решающее значение, а системы 3D печати промышленного уровня подвергаются более тщательным испытаниям.
Среди известных пользователей - GE / Morris Technologies, Airbus / EADS, Rolls-Royce, BAE Systems и Boeing. Хотя большинство из этих компаний действительно придерживаются реалистичного подхода к новым технологиям, но есть и те, кто действительно настроен оптимистично в отношении будущего.
Автомобильная промышленность
Еще одним первооткрывателем технологий быстрого прототипирования был автомобильный сектор. Многие автомобильные компании (особенно в автоспорте) пошли по той же траектории, что и аэрокосмические компании. Они используют технологии для создания прототипов, но также адаптируют производственные процессы и внедряют 3D оборудование в рабочий цикл создания продукции.
Многие автомобильные компании рассматривают потенциал 3D печати с точки зрения производства запасных частей.
Ювелирное дело
Традиционно процесс проектирования и производства ювелирных изделий всегда требовал высокого уровня знаний и опыта в конкретных дисциплинах, включая изготовление форм, литье, гальванику, ковку, резку камня, гравировку и полировку. Каждая из этих дисциплин развивалась на протяжении многих лет, и каждая из них требует специальных знаний. Одним из примеров является литье по выплавляемым моделям, истоки которого насчитывают более 4000 лет.
Ювелирный сектор получил гораздо большее влияние на производственные процессы, чем остальные. Это и новые возможности для дизайна и само производство украшений с изготовлением выжигаемых форм и даже печатью металлами.
Искусство, дизайн, скульптура
Художники и скульпторы используют 3D печать для исследования формы. Это позволяет найти новые оригинальные решения или перенять опыт мастеров прошлых столетий. Некоторые творческие люди сделали себе репутацию, работая с аддитивными технологиями.
3D сканирование в сочетании с 3D печатью позволяют воспроизвести работы мастеров прошлого и создать точные копии древних скульптур.
Архитектура
Многие успешные архитектурные фирмы используют 3D печать как важную часть рабочего процесса для улучшения коммуникации с заказчиками.
Некоторые дальновидные архитекторы рассматривают 3D печать как прямой метод строительства. Некоторые организации занимаются исследованиями исключительно в этой области.
Мода
Появление более гибких материалов позволило создавать аксессуары, головные уборы, обувь и сумки на 3D принтерах. Дальновидные модельеры продемонстрировали возможности этой технологии для высокой моды - платья, накидки, длинные платья и даже нижнее белье дебютировали на различных модных площадках по всему миру.
Еда
Продукты питания - это одно из новых направлений для 3D печати, которое очень воодушевляет людей и может сделать эту технологию мейнстримом. Первоначально в качестве материала использовались шоколад и сахар, и специально для этого были созданы новые 3D принтеры.
В будущем 3D печать рассматривается как полноценный метод приготовления пищи и способ сбалансировать питательные вещества.