3D-печать: технологии аддитивного производства

Сторонники 3D-печати или аддитивного (от лат. additio — прибавление) производства считают, что развитие подобных технологий изменит экономику в целом: конечные пользователи смогут самостоятельно производить для себя многие объекты, не вступая в торговые отношения. Одна из конечных целей развития аддитивной печати — производство на 3D-принтере электроники и других высокотехнологичных изделий. При этом совершенствуются и сами методы трехмерной печати, становясь доступнее.

Аддитивная технология

3D-печать, или аддитивная печать, — это процесс создания трехмерных объектов из цифрового файла. Технология предусматривает, что объект создается посредством последовательного наложения слоев материала вплоть до придания ему необходимой формы. Каждый из этих слоев можно представить как тонкое горизонтальное сечение окончательного объекта.

3D-печать — это прямая противоположность субтрактивному производству, при котором осуществляется вырезание/протачивание металлической или пластиковой заготовки на токарном или другом подобном станке.

Трехмерные технологии предоставляют доступную возможность изготавливать сложные (функциональные) формы, используя меньше материала, чем при традиционных методах изготовления.

Существует несколько методов 3D-печати. Все эти технологии являются аддитивными, но отличаются сами способы наложения слоев для создания объекта.

С 2010 года международная организация ASTM сформировала группу «ASTM F42 — аддитивное производство», которая разработала набор стандартов, согласно которому процессы аддитивного производства можно разделить на 7 категорий. Самыми популярными считаются SLA, DLP, FDM и FFF.

Фотополимеризация в ванне

3D-принтер, который использует метод фотополимеризации в ванне, оборудован емкостью с фотополимерной смолой, отверждение которой выполняется с помощью источника УФ-излучения.

Рисунок 1: Схема процесса фотополимеризации в ванне. Источник изображения: lboro.ac.uk

Самой распространенной технологией в этом процессе является стереолитография (SLA). Эта методика была изобретена Чарльзом Халлом в 1986 г., который в это время также основал компанию 3D Systems.

В SLA используется ванна с жидкой фотополимерной смолой, которая твердеет под действием УФ-излучения. Для каждого слоя луч лазера падает на площадь на поверхности жидкой смолы, соответствующую сечению объекта на этом уровне. Благодаря воздействию УФ-лазера область выбранной формы отвердевает и спекается со слоем ниже.

После обработки лазерным лучом, подъемная платформа SLA-принтера опускается на расстояние, равное толщине одного слоя (обычно от 0,05 мм до 0,15 мм). Затем пластина, заполненная смолой, проходит по сечению детали и повторно покрывает ее новым материалом. На этой жидкой поверхности формируется следующий слой и присоединяется к предыдущему. Таким образом формируется весь трехмерный объект.

В стереолитографическом принтере должны использоваться опорные конструкции, с помощью которых деталь присоединяется к подъемной платформе и которые удерживают объект, поскольку он плавает в жидкой смоле. Эти опоры удаляются вручную по завершении процесса.

Цифровая светодиодная проекция (DLP) представляет собой метод печати, в котором также используются фоточувствительные полимеры. Хотя в целом метод очень похож на стереолитографию, ключевым отличием является источник света. В методе DLP используются традиционные источники света, такие как дуговые лампы.

В большинстве видов DLP каждый слой формируемого объекта проецируется в ванну с жидкой смолой, которая слой за слоем твердеет по мере подъема или опускания строительной пластины. За счет такой обработки этот метод быстрее, чем большинство форм 3D-печати.

Примерами DLP-принтеров являются Envision Tec Ultra, MiiCraft High Resolution 3D printer и Lunavast XG2. На технологии DLP специализируются такие компании, как ONO и Carbon (последняя изобрела разновидность DLP, которая называется CLIP).

Другие технологии, использующие метод фотополимеризации в ванне, — это новая сверхбыстрая технология непрерывного производства на границе с жидкой средой или CLIP, а также популярные в прошлом методы масочной стереолитографии и сплошного отверждения.

Выдавливание строительного материала

Наиболее часто используемая технология в этой группе — послойное наплавление (FDM). Технология FDM была изобретена Скоттом Крампом в конце 1980-х годов. Запатентовав ее, он основал компанию Stratasys в 1988 г. Права на термин «Fused Deposition Modeling» (послойное наплавление) и на его аббревиатуру, FDM, принадлежат компании Stratasys Inc.

Рисунок 2: Послойное наплавление (FDM) — один из методов быстрого прототипирования: 1 — выдавливание из сопла расплавленного материала (пластмассы), 2 — наплавленный материал (смоделированный объект), 3 — контролируемый передвижной столик. Источник изображения: Wikipedia, создано пользователем Zureks по международной лицензии CC Attribution-Share Alike 4.0.

В технологии FDM используется пластмассовая нить или металлический провод, который разматывается из катушки и подается в экструзионное сопло, которое может активировать и деактивировать подачу материала. Сопло нагревается, чтобы материал расплавился. Станок с ЧПУ может перемещать сопло в горизонтальном и вертикальном направлениях.

Программу для станка можно задать с помощью CAM-системы. Объект формируется из слоев, образуемых посредством выдавливания расплавленного материала, который немедленно застывает.

Эта технология наиболее широко используется с двумя видами пластмассовых нитей: ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA (полилактидная кислота). В то же время доступны также и другие материалы с разными свойствами: от нитей с древесными волокнами до гибких материалов и даже проводников.

Членами проекта RepRap, которым нужно было подобрать формулировку, которая не была защищена законом об авторском праве, было предложено альтернативное название процессу — наплавление нити (FFF). Существует множество конфигураций 3D-принтеров, использующих технологию FFF.

Еще одна технология выдавливания строительного материала — контурное строительство. Первопроходцем в нем стал д-р Берох Хосневис из компании USC. Этот метод буквально использует возможности аддитивного производства для строительства домов.

В контурном строительстве робототехника автоматизирует строительство больших конструкций, например, домов. Робот печатает стены слой за слоем, выдавливая бетон. В процессе строительства стены выравниваются благодаря применению роботизированного шпателя.

В аддитивном производстве используется 6 основных видов материалов:

• полимеры;
• металлы;
• бетон;
• керамика;
• бумага;
• некоторые продукты питания (например, шоколад). 

Материалы часто поставляются в виде мотков проволоки (нитей), порошка или жидкой смолы. Все 7 технологий 3D-печати используют эти виды материалов.

Источник: 3DPrinting.com