Теоретичний матеріал. 3D друк

Огляд

Термін 3D друк об'єднує в собі безліч процесів і технологій, які пропонують повний спектр можливостей для виробництва деталей і виробів з різних матеріалів. По суті, для всіх процесів і технологій загальним є спосіб, яким здійснюється виробництво – поступове нашарування, додавання матеріалу – адитивний процес (від англ. add - додавати), який відрізняється від традиційних субтрактивных (від англ. subtract - віднімати) або ливарних процесів.

Ідеї застосування 3D друку з'являються мало не щодня, і, оскільки ця технологія дедалі глибше проникає в промисловість, споживчий сектор також продовжує зростати.

Більшість авторитетних коментаторів цієї технологічної області згодні з тим, що, станом на сьогодні, ми тільки починаємо бачити справжній потенціал 3D друку.

3D FOR YOU намагається бути в курсі всіх останніх подій, новин, думок, процесів розробки і областей застосування, і по мірі їх появи в цій захоплюючій області, буде ділитися інформацією зі своєю аудиторією.

Вступ. Що таке 3D друк?

Ця технологія вплинула на хід недавньої історії, ймовірно, більше, ніж будь-яка інша область. Згадайте лампочку, парову машину або, більш сучасні винаходи, автомобілі та літаки, не кажучи вже про зліт всесвітньої павутини. Ці технології значною мірою покращили і спростили наше життя, відкрили нові напрямки і можливості, але, як правило, проходило багато часу, іноді навіть десятиліття, перш ніж прогресивність цих технологій ставала очевидною.

Широко поширена думка, що 3D друк, або адитивне виробництво, має величезний потенціал, щоб стати однією з галузей промисловості. Він обговорюється зараз на багатьох телевізійних каналах, газетах та інтернет ресурсах. Чи насправді 3D друк, як стверджують деякі, покладе кінець традиційному виробництву, зробить революцію в дизайнерських областях, і покладе початок геополітичним, економічним, соціальним, демографічним, екологічним наслідкам нашого повсякденного життя?

Основна відмінність технології 3D друку полягає в тому, що це адитивний виробничий процес. І це справді ключовий момент, тому що 3D друк - це радикально інший метод виробництва на основі передової технології, яка за допомогою нашарування матеріалу виконує побудову об'єкта. Це в корені відрізняється від будь-яких інших існуючих традиційних технологій.

Існує ряд обмежень у традиційній промисловості, де широко використовується людська праця. Тим не менш, промисловий світ зазнає зміни, з'являються автоматизовані процеси, механічна обробка, лиття, формування, фрезерування та інші складні процеси, які вимагають наявності автоматів, комп'ютерів і робототехніки.

Проте всі ці технології вимагають вилучення об'єкта з великого блоку (виробництво за рахунок видалення зайвого матеріалу) – незалежно від того, чи потрібен вам кінцевий продукт, або ви виготовляєте інструмент для лиття або фрезерування – це серйозне обмеження в рамках загального виробничого процесу.

Для багатьох галузей традиційного дизайну виробничі процеси накладають ряд неприйнятних обмежень, включаючи дорогі інструменти і необхідність складання складних деталей. Крім того, субтрактивні виробничі процеси, наприклад, механічна обробка, можуть призвести до того, що 90% вихідного матеріалу буде витрачено даремно. На противагу цьому, 3D друк – це процес створення об'єктів безпосередньо, шляхом додавання матеріалу шар за шаром різними способами, в залежності від використовуваних технологій.

Спрощення ідеології 3D друку для тих, хто ще намагається зрозуміти концепцію (а таких багато), говорячи простою мовою можна прирівняти до процесу побудови об'єктів з конструктора Lego автоматичним способом.

3D друк – це високоефективна технологія, яка заохочує і стимулює інновації, дає безпрецедентну свободу для дизайну, істотно знижує витрати і терміни виготовлення. Компоненти можуть бути розроблені спеціальним чином, що дозволить уникнути складання деталей з хитромудрою геометрією, що виконують складні функції, без додаткових витрат. 3D друк стає також енергозберігаючою технологією, яка може забезпечити екологічну ефективність, як безпосередньо у процесі виробництва, так і протягом усього строку експлуатації продукту за рахунок легких і міцних конструкцій.

В останні роки 3D друк вже вийшов за рамки промислового прототипування і виробничих процесів, так як технологія стала більш доступною для невеликих компаній і навіть приватних осіб. Якщо раніше 3D принтери могли придбати тільки крупні корпорації, то в даний час невеликі (менше функціональні) настільні 3D принтери можна придбати за ціною близько 1000 $.

Це відкрило технологію набагато більш широкої аудиторії, завдяки чому з'являється все більше систем, матеріалів, областей застосування, послуг та допоміжних даних.

Як з'явився 3D-принтер?

Перший прилад, призначений для виготовлення об'ємних фігур, був створений і запатентований американцем Чарльзом Халлом в 1986 році. Принцип дії цієї SLA-установки заснований на застосуванні стереолітографії. Тут створювані об'єкти нарощувалися пошарово, а використовувана сировина була одного кольору.

У 1988 році Скоттом Крампом розробляється новий спосіб створення об'ємних фігур. Він був названий методом наплавлення. У цей час з'явилися поняття лазерного і струменевого 3D-друку. Цей напрямок активно розвивався компанією Stratasys.

У 1995 році два студенти з Массачусетського технологічного інституту видозмінили струменевий принтер. З'явилася можливість створювати зображення не на паперовому носії, а в невеликому резервуарі. Вони стали об'ємними.

Xерез пару років була розроблена технологія PolyJet. Вона заснована на застосуванні фотополімерної рідкої пластмаси. Друк об'єктів мав на увазі використання спеціальної головки, яка створювала зображення. Застосовуваний матеріал практично моментально засвічувався лампою і застигав. < a href="/uk/4-3d-printery">Ціна 3D-принтера < / a>, Що працює за допомогою цієї технології, була істотно нижче, ніж у попередніх моделей. Пристрій створював готові до використання виробу.

З плином часу 3D-друк постійно розвивалася. Початкові моделі мали великі габарити. На сьогоднішній день Тривимірні принтери зовні нагадують класичний пристрій, який друкує на папері. Обладнання займає мало місця, тому може використовуватися в домашніх умовах. Створювані сучасними 3D-принтером об'ємні предмети мають високі показники міцності, не бояться випадкових механічних впливів.

Принцип створення об'ємних моделей

В основі кожного 3D-принтера закладена певна технологія друку. Залежно від цього використовуються найрізноманітніші матеріали: смоли, полімери, металевий або керамічний порошок. Найбільш поширеною і зручною для використання навіть в домашніх умовах вважається FDM-технологія. Витратним матеріалом для друку в цьому випадку служить полімерна нитка.

В принципі роботи будь-якого 3D-принтера лежить пошарове створення моделі. Спочатку створюється тривимірне креслення майбутнього виробу, а потім в спеціальній програмі відбувається підготовка завдання для друку. Модель розбивається на шари, кожній точці присвоюються координати. Якщо у виробі є елементи, що звисають, під них можуть створюватися опори, щоб друкуючій голівці було куди нанести матеріал. По завершенні процесу ці опори можна без праці відокремити, для їх створення може використовуватися інший матеріал, наприклад який розчиняється за допомогою миючого засобу.

В конструкції принтера передбачений робочий стіл і відбувається створення об'єкта. Друкуюча головка (екструдер) рухається за заданими координатами Х і У, подаючи розплавлений матеріал. Полімер миттєво твердне. Кожен раз, коли завершується створення шару, робочий стіл опускається по осі Z на висоту, рівну висоті шару.

По завершенні друку виріб очищається від надлишків матеріалу (в разі необхідності) і відразу ж готовий до застосування. Сучасні термопластики для друку дозволяють створювати міцні моделі, стійкі до перепаду температур і впливу агресивних середовищ.

Як працює 3D друк?

Є 3 основних етапи 3D друку.

Перший етап – це підготовчий етап 3D друку, він полягає в проектуванні 3D файлу об'єкта, який ви хочете надрукувати. Цей 3D файл може бути створений за допомогою програмного забезпечення САПР, скануванням 3D сканером або ви можете просто завантажити готову модель з інтернету. Після того, як ви переконалися в тому, що ваш 3D файл готовий для друку, сміливо переходите до другого етапу.

Другий етап –це безпосередньо процес друку. По-перше, вам необхідно визначити матеріал, який найкращим чином дозволить вам досягти конкретних параметрів, необхідних для вашого об'єкта. Різноманітність матеріалів, що використовуються для 3D друку досить широка. Вона включає в себе пластик, кераміку, смолу, метал, пісок, текстиль, біоматеріал, скло, папір, продукти харчування і навіть місячний пил! Більшість з цих матеріалів також відрізняється великою кількістю варіантів обробки для досягнення більш точних, міцних або гладких моделей, відповідно до ваших критеріїв. Інші поки ще знаходяться в стадії розробки, такі як скло, або не є легкодоступними.

Третій етап є завершальним процесом. Цей етап вимагає певних навичок та інструментів. Коли об'єкт тільки надрукований, часто він не може бути відразу використаний поки не буде відшліфований, пофарбований або розкритий лаком відповідно до первісної задумки.

Матеріал, обраний для об'єкта, допоможе визначити найбільш підходящу технологію 3D друку.

Як це працює

Різні типи 3D принтерів використовують різні технології. Важливо розуміти, що одним з основних обмежень 3D друку є те, що не існує єдиного рішення, яке б підійшло всім. Наприклад, деякі 3D принтери використовують світло/джерело тепла для агломерації/розплаву порошкоподібних матеріалів (нейлон, пластик, кераміка, метал) для отримання заданої форми. Інші технології використовують світло/лазер для затвердіння ультратонких шарів фотополімерної смоли. Ще один процес 3D друку нагадує звичайний струменевий друк, але, використовується інший тип чорнила, яке дозволяє зв'язувати і фіксувати шари. Мабуть, найпоширеніше і легко впізнаване - це моделювання методом пошарового наплавлення, яке використовується для більшості бюджетних настільних принтерів. При цій технології пластикова нитка, зазвичай PLA або ABS, видавлюється через нагрітий екструдер і шар за шаром формує 3D-модель заданої конфігурації. За рахунок безпосереднього 3D друку деталей, можна робити дуже складні і хитромудрі об'єкти, що володіють певною функціональністю, виключаючи необхідність подальшої збірки.

Тим не менш, необхідно підкреслити ще один важливий момент. Жоден процес 3D друку не проходить просто як Plug and Play. Часто упускають з виду, що до натискання кнопки «друк» необхідно виконати дуже багато кроків. Крім реалій проектування 3D-моделі, що вимагають певних навичок, підготовка файлів і перетворення моделей також можуть виявитися досить трудомістким і складним процесом, особливо для деталей, які вимагають складних опор в процесі побудови. Однак існують постійні оновлення та модернізації програмного забезпечення для виконання цих функцій, і, в цілому, ситуація покращується.