Не так давно идея3D-печати - создания трехмерных объектов с помощью машин, которые накладывают слои материала друг на друга - казалась новой. Если вы говорите, что собираетесь что-то печатать со своего компьютера, большинство людей по-прежнему думают о двумерной печати, нанося тонер или чернила на лист бумаги. Теперь, хотя многие люди, возможно, сами не сталкивались с 3D-печатью, они могут очень хорошо знать, о чем вы говорите. И 3D-принтеры стали достаточно доступными, чтобы начать появляться в домах, на рабочих местах и в классах.
3D-печать использует семейство производственных технологий под названиемаддитивное производство(AM). AM - это средство создания объекта путем добавления материала к объекту слой за слоем. AM - это текущая терминология, установленная ASTM International (ранее Американское общество испытаний и материалов). На протяжении всей своей истории аддитивное производство в целом называлось под разными названиями:стереолитография,3-D многослойностьи3-D печать. В этой статье используется термин 3D-печать, поскольку он более известен.
Вы можете увидеть некоторые из основных принципов AM в пещерах; на протяжении тысячелетий капающая вода создает слои и слои минеральных отложений, которые накапливаются, образуя сталагмиты и сталактиты. Однако, в отличие от этих естественных образований, трехмерная печать выполняется намного быстрее и следует заранее определенному плану, предоставленному компьютерным программным обеспечением. Компьютер указывает 3D-принтеру добавлять каждый новый слой в виде точного поперечного сечения конечного объекта.
Аддитивное производство и, в частности, 3D-печать, продолжают расти. Технология, которая начиналась как способ создания быстрых прототипов, теперь является средством создания продуктов для медицинской, стоматологической, аэрокосмической и автомобильной промышленности. Трехмерная печать также проникает в производство игрушек и мебели, искусство и моду.
В этой статье рассматривается широкий спектр 3D-печати, от ее истории и технологий до широкого спектра применений, включая печать собственных 3D-моделей в домашних условиях. Во-первых, давайте посмотрим, как зародилась 3D-печать и как она развивается сегодня.
История 3D-печати
Самое раннее использование аддитивного производства было в быстром прототипировании (RP) в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Прототипы позволяют производителям более внимательно изучить дизайн объекта и даже протестировать его перед выпуском готового продукта. RP позволяет производителям производить эти прототипы намного быстрее, чем раньше, часто в течение нескольких дней, а иногда и часов после разработки дизайна. В RP дизайнеры создают модели с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР), а затем машины следуют этой программной модели, чтобы определить, как построить объект. Процесс создания этого объекта путем «печати» его поперечных сечений слой за слоем стал известен как трехмерная печать.
Первая разработка технологий 3D-печати произошла в Массачусетском технологическом институте (MIT) и в компании под названием 3D Systems. В начале 1990-х годов Массачусетский технологический институт разработал процедуру, зарегистрированную под торговой маркой 3-D Printing, официально сокращенную до 3DP. По состоянию на сентябрь 2019 года Массачусетский технологический институт предоставил лицензии шести компаниям на использование и продвижение процесса 3DP в своих продуктах.
Компания 3D Systems, базирующаяся в Рок-Хилле, Южная Каролина, с момента своего основания в 1986 году стала пионером и использовала множество подходов к 3D-печати. аппарат для стереолитографии(SLA) иселективное лазерное спекание(SLS), каждый из которых описан далее в этой статье. В то время как Массачусетский технологический институт и 3D Systems остаются лидерами в области 3D-печати, другие компании также представили инновационные продукты на профессиональном рынке, опираясь на эти технологии AM.
Сегодня некоторые из тех же технологий 3D-печати, которые внесли свой вклад в RP, теперь используются для создания готовых продуктов. Технология продолжает совершенствоваться по-разному: от точности деталей, которые машина может печатать, до количества времени, необходимого для очистки и завершения объекта после завершения печати. Процессы ускоряются, материалы и оборудование дешевеют, и можно использовать больше материалов, включая металлы и керамику. Размеры печатных машин сейчас варьируются от размера небольшого автомобиля до размера микроволновой печи.
Аддитивное производство часто сравнивают или даже ошибочно принимают за другой распространенный производственный процесс, называемыйобработкой с числовым программным управлением (ЧПУ). Однако CNC является субтрактивным, что противоположно AM. При обработке с ЧПУ материал удаляется из некоторого ранее существовавшего блока до тех пор, пока не останется готовое изделие, что очень похоже на вырезание статуи из камня.
Теперь, когда у вас есть некоторая справочная информация об этой области, давайте рассмотрим некоторые технологии 3D-печати.
Прямая и связующая 3D-печать
Одним из подходов к 3D-печати являетсяпрямая 3D-печать Для прямой 3D-печати используется струйная технология, доступная для 2D-печати с 1960-х годов. Как и в двухмерном струйном принтере, сопла в трехмерном принтере движутся вперед и назад, распределяя жидкость. Однако, в отличие от 2D-печати, сопла или поверхность печати перемещаются вверх и вниз, поэтому одну и ту же поверхность можно покрыть несколькими слоями материала. Кроме того, эти принтеры не используют чернила; они распределяют густые воски и пластиковые полимеры, которые затвердевают, образуя каждое новое поперечное сечение прочного трехмерного объекта.
Быстрое прототипирование (RP), которое мы описали ранее в статье, стало основным фактором роста прямой 3D-печати. В 1994 году ModelMaker, машина, произведенная компанией Solidscape, стала первой коммерчески успешной технологией, применяющей струйный подход к RP. Затем последовали другие коммерческие продукты RP. Например, в современных передовых продуктах для быстрого прототипирования используются такие технологии, какмногоструйное моделирование (MJM), позволяющее быстро создавать восковые прототипы с помощью десятков сопел, работающих одновременно.
Binder 3D-печать, как и прямая 3D-печать, использует струйные сопла для нанесения жидкости и формирования каждого нового слоя. Однако, в отличие от прямой печати, в связующей печати используются два отдельных материала, которые объединяются для формирования каждого печатного слоя: мелкий сухой порошок плюс жидкий клей илибиндер 3-D принтеры связующего делают два прохода. для формирования каждого слоя. При первом проходе наносится тонкий слой порошка, а при втором проходе используются сопла для нанесения связующего. Затем строительная платформа немного опускается, чтобы разместить новый слой порошка, и весь процесс повторяется до тех пор, пока модель не будет готова.
Процесс 3DP MIT, упомянутый ранее, использует этот связующий подход. MIT выдает компаниям лицензии на разработку продуктов, использующих 3DP, но для этого компания должна использовать уникальную комбинацию порошковых и связующих материалов.
Binder 3D-печать имеет несколько преимуществ по сравнению с прямой 3D-печатью. Во-первых, она быстрее, чем прямая печать, потому что через сопла наносится меньше материала. Еще одно преимущество заключается в том, что вы можете использовать в процессе более широкий спектр цветов и материалов, включая металлы и керамику.
Моделирование методом наплавления (FDM)
Моделирование методом наплавления (FDM) - это метод аддитивного производства, который похож, хотя и не идентичен, на прямую трехмерную печать. Процесс FDM, зарегистрированный под торговой маркой Stratasys, Inc., включает впрыск расплавленного пластика в тесно расположенные линии с использованием очень маленьких сопел. FDM может создавать объекты размером до доли миллиметра.
Фотополимеризация и спекание
Фотополимеризация - это технология трехмерной печати, при которой капли жидкого пластика облучаются лазерным лучом ультрафиолетового света. Во время этого воздействия свет превращает жидкость в твердое тело. Термин происходит от корня фото, означающего свет и полимер, который описывает химический состав твердого пластика.
В 2000-х годах Центр передового производства Piedmont Triad (PTCAM) представлял собой партнерство школ и предприятий, которые проводили практическое обучение навыкам металлообработки в Северной Каролине. Часть обучения PT CAM включалааппарат для стереолитографии (SLA)от 3D Systems. SLA использует фотополимеризацию, направляя лазер через чан с жидким пластиком, который называетсяфотополимер Как и в случае струйной 3D-печати, SLA повторяет этот процесс слой за слоем, пока печать не будет завершена.
Спекание- это еще одна технология аддитивного производства, которая включает плавление и сплавление частиц вместе для печати каждого последующего поперечного сечения объекта. Селективное лазерное спекание (SLS) - это одна из форм спекания, используемая в 3D-печати. SLS использует лазер для расплавления огнестойкого пластикового порошка, который затем затвердевает, образуя печатный слой. Это похоже на механизм 2D-принтеров: они плавят тонер, чтобы он прилипал к бумаге и создавал изображение.
Спекание, естественно, совместимо со строительством металлических объектов, потому что производство металла часто требует плавления и изменения формы. Одним из примеров использования металла в качестве материала для спекания является компания 3D Systems. Объекты, созданные с помощью LaserForm A6, имеют ряд преимуществ по сравнению с металлическими изделиями, изготовленными другими способами, такими как литье под давлением. Одним из самых больших преимуществ является высокий уровень точности, которого может достичь SLS.
До сих пор мы рассматривали развитие 3D-печати и четыре широко применяемые технологии 3D-печати. Далее давайте рассмотрим общий процесс печати трехмерных объектов, который применим независимо от того, какой подход вы используете.
Процесс 3D-печати
Независимо от того, какой подход использует 3D-принтер, общий процесс печати обычно одинаков. В своей книге «Технологии аддитивного производства: от быстрого прототипирования до прямого цифрового производства» Ян Гибсон, Дэвид В. Розен и Брент Стакер перечисляют следующие восемь шагов общего процесса АП:
- Шаг 1: САПР - Создайте 3-D модель с помощью программного обеспечения для автоматизированного проектирования (САПР). Программное обеспечение также может подсказывать структурную целостность готового продукта, используя научные данные об определенных материалах для создания виртуальных симуляций того, как объект будет вести себя в определенных условиях.
- Шаг 2: Преобразование в STL -Преобразование чертежа САПР в формат STL. STL, который является аббревиатурой отстандартного языка тесселяции, представляет собой формат файла, разработанный для 3D Systems в 1987 году для использования его стереолитографическими аппаратами (SLA). Большинство 3D-принтеров могут использовать файлы STL в дополнение к некоторым проприетарным типам файлов, таким как ZPR от Z Corporation и ObjDF от Objet Geometries.
- Шаг 3: Передача на AM-машину и обработка файла STL - Пользователь копирует файл STL на компьютер, управляющий 3D-принтером. Там пользователь может указать размер и ориентацию для печати. Это похоже на то, как вы настроили бы двухмерную распечатку для двусторонней печати или в альбомной или книжной ориентации.
- Шаг 4: Настройка аппарата - У каждого аппарата свои требования к подготовке к новому заданию на печать. Это включает в себя заправку полимеров, связующих и других расходных материалов, которые будут использоваться принтером. Сюда также относится добавление поддона, который будет служить фундаментом, или добавление материала для создания временных водорастворимых опор.
- Шаг 5: Сборка - Пусть машина делает свое дело; процесс сборки в основном автоматический. Каждый слой обычно имеет толщину около 0,1 мм, хотя он может быть намного тоньше или толще. В зависимости от размера объекта, используемого оборудования и материалов этот процесс может занять часы или даже дни. Обязательно периодически проверяйте машину, чтобы убедиться в отсутствии ошибок.
- Шаг 6: Удаление - Удалите напечатанный объект (или в некоторых случаях несколько объектов) с машины. Обязательно примите все меры предосторожности, чтобы избежать травм, например, наденьте перчатки, чтобы защитить себя от горячих поверхностей или токсичных химикатов.
- Шаг 7: Постобработка - Многие 3D-принтеры требуют некоторой постобработки напечатанного объекта. Это может включать в себя удаление оставшегося порошка или купание напечатанного объекта для удаления водорастворимых подложек. На этом этапе новый отпечаток может быть слабым, так как для отверждения некоторых материалов требуется время, поэтому может потребоваться осторожность, чтобы убедиться, что он не сломается и не развалится.
- Шаг 8: Приложение - Используйте только что напечатанный объект или объекты.
Революция в 3D-печати
Увеличение доступности и доступности решений для 3D-печати сделало эту технологию привлекательной для людей во многих отраслях. Например, автомобильная промышленность уже много лет использует технологию 3D-печати для быстрого прототипирования новых конструкций автомобильных деталей. На изображении выше показан прототип коллектора, созданный Центром передового производства Piedmont Triad (PTCAM).
Медицинская профессия охотно приняла 3D-печать для ряда применений, таких как печать протезов. Традиционные профессиональные протезы могут быть дорогими, но 3D-принтер может изготовить протез руки всего за 50 долларов. Точно так же Армейский медицинский центр Уолтера Рида использовал 3D-печать для создания моделей, которые хирурги могут использовать в качестве руководства для реконструктивной хирургии лица. Несколько профессиональных производителей 3D-принтеров продают машины, специально предназначенные для стоматологических работ.
Инженеры аэрокосмической отрасли внедряют 3D-печать, чтобы тестировать и улучшать свои конструкции, а также демонстрировать, насколько хорошо они работают. У исследовательской компании EADS есть еще более смелые амбиции в отношении 3D-печати: самостоятельно производить детали самолетов, в том числе целое крыло для большого самолета. Исследователи EADS рассматривают это как «зеленую» технологию, полагая, что напечатанные на 3D-принтере крылья уменьшат вес самолета и, таким образом, снизят расход топлива. Это может сократить выбросы углекислого газа и сократить расходы авиакомпании примерно на 3000 долларов в течение года.
3D-печать также имеет несколько интересных эстетических применений. Дизайнеры и художники творчески используют его для создания предметов искусства, моды и мебели. Художник-график Торольф Зауэрманн создал красочные геометрические скульптуры с помощью 3D-печати. Нидерландская компания Freedom of Creation (FOC) продавала трехмерную печатную продукцию из спеченного лазером полиамида, в том числе осветительные приборы со сложными геометрическими узорами и одежду, состоящую из переплетенных пластиковых колец, напоминающих кольчугу. FOC также имеет ряд корпоративных клиентов, пользующихся его услугами дизайна и печати, включая Philips, Nokia, Nike, Asics и Hyundai.
Более вкусное применение технологии 3D-печати пришло из шоколадной промышленности, которая разработала машины, которые могут создавать уникальные кондитерские изделия. Несмотря на то, что 3D-принтеры непригодны для массового производства, они могут создавать объекты, созданные с помощью компьютера, в качестве прототипов или просто уникальных, индивидуальных угощений. Ищете что-то более пикантное? Вы можете использовать 3D-принтеры для создания многих видов еды - это должно быть что-то, что вы можете превратить в пюре, чтобы отправить в машину, - но вы можете делать гамбургеры с помощью 3D-печати. Одно замечание: печатная еда имеет другую текстуру, чем традиционная еда.
Недостатки 3D-печати
Исторически трехмерная печать была дорогой технологией. Соглашение об уровне обслуживания PTCAM, описанное ранее в статье, стоит более 250 000 долларов; жидкий пластик стоит около 800 долларов за галлон. Организации, владеющие этим типом оборудования, могут продавать услуги стереолитографии другим или разрешать компаниям покупать блоки времени для использования оборудования.
Сегодня многие крупные промышленные АД-машины по-прежнему дороги, хотя и не так дорого, как раньше. Например, в сентябре 2019 года ProJet CPX 3000MJP 3600 от 3D Systems продавался менее чем за 100 000 долларов и мог производить модели в высоком разрешении до 11,75 дюймов на 7,3 дюйма на 8 дюймов (298 миллиметров на 185 миллиметров на 203 миллиметра).
Помимо цены, у 3D-принтеров есть и другие недостатки. Они потребляют много энергии, примерно в 100 раз больше электроэнергии, чем обычное производство. Исследователи также обнаружили, что они могут выделять много канцерогенных частиц и летучих органических соединений, особенно при использовании в небольшом пространстве, таком как дом. Пластик, используемый для большинства 3D-проектов, также имеет свои проблемы. Пластиковые остатки от 3D-проектов, вероятно, окажутся на свалках и будут способствовать земному кризису одноразового пластика. Кроме того, прочность пластика варьируется и может не подходить для всех составных частей проекта. 3D-принтеры также работают медленно, и на печать проекта может уйти несколько дней или часов.
Вероятно, многие из этих проблем со временем будут устранены по мере совершенствования технологии. Но могут остаться и другие проблемы. Например, люди уже изготавливали оружие с помощью 3D-принтеров, в том числе один человек, которому ранее было отказано в разрешении на оружие. Можно ли предпринять шаги, чтобы люди не использовали 3D-принтеры для изготовления пистолетов, ножей и другого оружия? Также есть опасения по поводу нарушения авторских прав. Люди могли получить чертежи и распечатать объект, а не покупать его у владельца патента или авторских прав. Владельцу патента может быть сложно отследить человека (или сотни людей), который печатает что-то запатентованное и заявляет о нарушении авторских прав.
3D-печать дома
Хотя это все еще не является обычным явлением, 3D-принтеры появляются во все большем количестве домов, библиотек, школ и мастерских.
Цены на эти машины также снизились по мере развития технологии. Например, по состоянию на 2019 год MakerBot Replicator Mini+ стоит от 1 299 долларов. Компания продает небольшие катушки своего PLA-материала 12 стандартных цветов по цене от 18 долларов, а также цвета ограниченного выпуска (светящиеся в темноте, кто-нибудь?) за дополнительную плату.
Если вы не хотите тратить деньги на машину для домашнего использования, вы всегда можете собрать ее самостоятельно. Например, физик и блогер Уинделл Оскей в 2007 году построил свой собственный 3D-принтер, который изготавливает объекты из сахара методом спекания. У проекта под названием CandyFab есть специальный веб-сайт CandyFab.org. Хотя проект закрыт, вы все еще можете прочитать о нем и о том, как он заставил его работать.
Для более профессионального подхода вы можете вместо этого приобрести услуги 3D-печати. Эти услуги позволяют вам отправлять свои собственные файлы САПР и получать высококачественную продукцию вашего объекта или объектов, созданных на промышленном 3D-принтере. Онлайн-компании, предлагающие услуги 3D-печати, включают Shapeways и Ponoko. Эти сайты также дают вам возможность создать интернет-магазин, что позволит вам зарабатывать деньги, когда другие покупают 3D-принтеры вашего дизайна.
3D-печать продолжает улучшаться по мере снижения ее стоимости. Возможно, в будущем эти машины станут обычными инструментами, которые будут использоваться для решения повседневных проблем, таких как распечатка школьных проектов или печать нового ключа вместо того, чтобы ехать в хозяйственный магазин за заменой.