Все, что вам нужно знать о 3D-печати!

Если говорить о разных сегментах рынка, то 3D-печать — одна из самых распространенных технологий. Однако, когда мы начинаем исследовать его концептуальное значение и историю, нам еще многое предстоит узнать.

В этой статье начнется подробное обсуждение истории 3D-печати, ее основных рынков, процессов и используемых материалов.

Без дальнейших промедлений, давайте начнем обсуждение!

Обзор истории 3D-печати

История 3D-печати восходит к 1980-м годам в Японии, когда Хидео Кодама искал способ создать ускоренную и быструю систему прототипирования. Это была одна из первых попыток найти послойный подход, который можно было бы применить и к производству. В результате своих экспериментов Хидео разработал подходящий для производства дифференцированный подход, предполагающий использование светочувствительной смолы. Кроме того, его полимеризовали с помощью ультрафиолета. Хотя его изобретение еще не запатентовано, ему приписывают то, что он был первым изобретателем первых производственных систем 3D-печати.

Основной рост 3D-печати наблюдался в период с 1990 по 2010 год, когда тысячи компаний и стартапов начали экспериментировать с различными технологиями аддитивного производства. Таким образом, это десятилетие знаменует собой начало значительных изменений в технологии 3D-печати, особенно в производстве.

Основные методы 3D-печати

Технология 3D-печати включает в себя ряд различных производственных процессов, в которых необходимые материалы создаются слой за слоем. В любой форме существующие процессы 3D-печати предлагают дизайнеру широкий спектр возможностей, облегчая ему выбор наиболее идеального и подходящего процесса. Вот некоторые из ведущих процессов 3D-печати:

Стереолитография (SLA)

Стереолитография, также известная как оригинальный процесс промышленной 3D-печати, идеально подходит для изготовления деталей с высокой детализацией и гладкой поверхностью. Полученное качество стереолитографических деталей выглядит хорошо и может помочь проверить функциональность и соответствие сборки. Этот процесс печати используется, среди прочего, в медицине и для анатомических моделей.

Многоструйный синтез

Этот процесс очень похож на предыдущие, так как позволяет создавать функциональные детали из нейлонового порошка. При многоструйной сварке струйные принтеры используются для нанесения фьюзера на слой нейлонового порошка. После создания этого слоя нагревательный элемент проходит по отдельным слоям, чтобы сплавить их вместе. По сравнению с другими процессами этот процесс также проще в механической обработке и обеспечивает лучшее качество поверхности. Таким образом, этот метод является идеальным, поскольку он сочетает в себе преимущества традиционных методов с ускорением сроков строительства, что приводит к повышению качества продукции.

ПолиДжет

Это популярный процесс 3D-печати, который позволяет создавать детали с различными свойствами, включая материалы и цвета. Используя этот метод, конструкторы могут усовершенствовать технологию производства литьевых деталей и прототипов. Однако конструкция однородная и жесткая. Поэтому обычно идеально придерживаться обычных процедур. Когда процесс также включает в себя создание прототипа существующей структуры, этот процесс устраняет необходимость вкладывать средства в ранние циклы разработки и ускорять проектирование для экономии необходимых ресурсов.

Селективное лазерное спекание (SLS)

Селективное лазерное спекание — это процесс 3D-печати, при котором порошок на основе нейлона расплавляется и превращается в твердый пластик. Поскольку этот процесс создает детали из настоящего термопластичного материала, полученный материал также долговечен и идеально подходит для функциональных испытаний. По сравнению с другими методами детали, изготовленные с помощью этого процесса, являются твердыми, но имеют более шероховатую поверхность. Этот процесс также устраняет необходимость в опорной конструкции, что делает его идеальным для больших объемов, не характерных для других процессов 3D-печати.

электронно-лучевая плавка

Электронно-лучевое плавление — еще один важный процесс 3D-печати. Он очень популярен, потому что в нем используется электронный луч, регулируемый и управляемый электромагнитной катушкой, которая помогает расплавить металлический порошок. Это повышает температуру слоя краски и стабилизирует условия вакуума во время наплавки. Температура также определяет материал, используемый для расплавления деталей. Еще одна причина, по которой электронно-лучевое плавление так широко распространено, заключается в том, что оно помогает интегрировать технологию 3D-печати, чтобы ресурсы, используемые в процессе, не тратились впустую.

Цифровая обработка света (DLP)

Этот процесс очень похож на селективное лазерное спекание, поскольку он помогает улучшить качество жидкой смолы с помощью света. Основное различие между этими двумя методами заключается в том, что при цифровой обработке света используются цифровые световые проекционные экраны. Напротив, в другом методе используется УФ-лазер. Это означает, что технология цифровой обработки света использует 3D-принтеры, которые могут создавать сразу целый слой изображений, увеличивая общую скорость сборки. Хотя этот метод часто используется для ускорения процесса прототипирования, он также полезен для мелкосерийного производства изделий, в том числе пластиковых деталей.

Моделирование методом наплавления (FDM)

Это один из наиболее распространенных процессов настольной 3D-печати, используемый специально для пластиковых деталей. Моделирование наплавленного осаждения также является недорогим и сопоставимым процессом диффузии, когда необходимо создавать физические модели. Любой 3D-принтер, используемый для моделирования методом наплавления, помогает выдавливать пластиковые нити, фрагментируя отдельные слои и создавая целую платформу. Этот метод также идеален для функционального тестирования, но технология обычно ограничена, так как детали имеют относительную эталонную поверхность и недостаточную прочность.

Прямое лазерное спекание металла

Это процесс 3D-печати металлом, который расширяет существующие и возможные возможности проектирования металлических деталей. Этот процесс чаще всего используется для уменьшения объема металла, используемого при обработке, и для сборки многокомпонентных функций в один компонент. Кроме того, он также идеально подходит для изготовления легких компонентов с внутренними каналами со специально разработанными характеристиками. Этот процесс также идеально подходит для прототипирования и производства, поскольку в нем используются детали, достаточно плотные, чтобы выдержать традиционные процессы изготовления металлов, такие как литье и механическая обработка. Таким образом, производство металлических компонентов путем прямого лазерного спекания металла также идеально подходит для тех областей применения, где ключевым требованием является проектирование деталей с органической структурой.

Основные материалы для 3D-печати

Разнообразие основных материалов для 3D-печати столь же велико, как и методы, которые мы представили в предыдущем разделе. Вот основные материалы для печати, используемые в стандартных процессах 3D-печати.

пластик

Пластик является одним из наиболее часто используемых материалов для 3D-печати, поскольку это разнообразный материал для таких отраслей, как игрушки и домашнее хозяйство. Изделия из пластика с использованием технологии 3D-печати позволяют конструировать изделия прозрачной формы и ярких цветов, которые наиболее читаются и особенно ценятся за глянцевую фактуру. Это также сравнительно доступный вариант, поскольку он легкий и удобный как для разработчиков, так и для потребителей. Кроме того, пластиковые изделия, изготовленные с помощью 3D-принтеров, бывают различной формы и консистенции, что способствует дальнейшему разнообразию области применения.

При классификации типов пластика, используемых в 3D-печати, различают следующие:

Акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС)

Это один из самых надежных и безопасных вариантов, особенно для домашнего или другого личного использования, включая приложение для 3D-принтера. Он также известен как пластик LEGO, потому что его основной материал состоит из структур, похожих на лапшу, которые обеспечивают гибкость и прочность. Из-за этого особого свойства этот тип пластика также идеально подходит для таких продуктов, как игрушки и наклейки.

Поликарбонат (ПК)

Хотя поликарбонат менее популярен, чем другие пластики, он предлагает дизайнерам уникальные конструкции сопел, которые возможны только при высоких температурах. В дополнение ко многим другим категориям продуктов поликарбонат также подходит для производства недорогих пластиков и формованных корпусов, что делает его идеальным, в частности, для этих отраслей.

Поливинилспиртовой пластик (ПВА)

Пластик на основе поливинилового спирта обычно используется в недорогих домашних принтерах, потому что он обычно является подходящей подложкой для материалов с достаточной устойчивостью и наблюдаемостью. Однако пластик из поливинилового спирта не подходит для изделий, требующих высокой прочности, но является экономичным вариантом, когда речь идет об изготовлении предметов, предназначенных только для временного использования.

Полилактид (PLA)

Это один из самых экологичных вариантов материала, подходящего для 3D-печати. Эта кислота получена из природных источников, таких как кукурузный крахмал и сахарный тростник, и часто доступна как в твердой, так и в мягкой форме. Кроме того, он изготовлен из твердых материалов и поэтому подходит для широкого спектра продуктов. Поэтому технические специалисты и дизайнеры часто рассматривают его как один из самых универсальных и экологически чистых вариантов процессов 3D-печати, в том числе с использованием пластика.

Порошок

Даже в современных процессах 3D-печати различные типы порошка часто используются для создания широкого спектра продуктов. Однако, учитывая принцип работы 3D-принтеров, порошки обычно плавятся и наносятся слоями до тех пор, пока не будет достигнута желаемая толщина, текстура и рисунок. Этот порошок может быть в разных формах и из разных источников и материалов. Тем не менее, некоторые из наиболее распространенных включают следующее:

Полиамид (ПА)

Известный своей прочностью и гибкостью, этот тип порошка обеспечивает высокий уровень детализации при изготовлении 3D-печатных изделий. Он также идеально подходит для сборки деталей и соединения различных деталей для создания 3D-печатных моделей. Кроме того, это полезно для печати всего, от ручек и защелок до креативных фигурок и игрушечных машинок.

алюминид

Алюминид представляет собой смесь серого алюминия, алюминиевой пудры и полиамида, что делает его одной из самых стабильных моделей для 3D-печати. Кроме того, он имеет зернистую и песчаную текстуру, что делает его идеальным для промышленных моделей и прототипов, требующих высокой прочности. Кроме того, в форме порошка сравнительно легче транспортировать и формировать любую желаемую форму, в которой нуждается продукт. Следовательно, он имеет более высокую ценность по сравнению с другими формами порошка, обычно используемыми в 3D-печати.

Синтетическая смола

Синтетические смолы являются одним из наименее используемых материалов в 3D-печати. По сравнению с другими материалами смолы используются для ограниченного применения и обеспечивают ограниченную безопасность и прочность конечного продукта. Они сделаны из жидких полимеров, которые дольше подвержены воздействию УФ-излучения, и поэтому обычно доступны в черном, белом и прозрачном вариантах. Тем не менее, различные продукты и варианты также могут быть выполнены в оранжевом, красном, синем и зеленом цветах. Смолы обычно классифицируют по трем различным категориям, включая следующие:

Окрашиваемые смолы

Это 3D-отпечатки с гладкой поверхностью, известные своей эстетикой и прочностью. Эти смолы также используются для создания деталей лица, таких как Б. для изображения фей, до которых часто трудно добраться.

Прозрачная смола

Это самая важная категория смол, поскольку она лучше всего подходит для 3D-печати. Они характеризуются гладкой поверхностью и прозрачным внешним видом, что делает их идеальным выбором для синтетических смол. Однако прозрачные и цветные варианты прозрачных смол чаще всего используются для изготовления шахматных фигур, статуэток и мелких бытовых аксессуаров, которые обычно имеют прозрачные поверхности.

Высокодетализированные смолы

Они обычно используются для небольших моделей, которые должны иметь сложные и мелкие детали. Например, смолы с высокой детализацией чаще всего используются для изготовления 4-дюймовых пальцев, которые содержат сложные структуры гардероба и детали, напечатанные с помощью этой категории смол.

металлы

Металлы также являются одними из самых популярных материалов для 3D-печати. Чаще всего они используются при прямом лазерном спекании металлов и других соответствующих процессах. Методы, в которых используются металлы, включают производство аэрокосмического оборудования, для которого требуется 3D-печать тяжелых металлов для ускорения и упрощения проектирования деталей. Металлы также широко используются в производстве ювелирных изделий. В таких случаях производство должно быть быстрым и в больших количествах. Поэтому есть возможность создать более детализированную работу с помощью технологии 3D-печати.

Использование металлов в 3D-печати чаще всего используется в аэрокосмической промышленности для изготовления топливных форсунок для реактивных двигателей. По оценкам, к 2020 году производство увеличится на 10%, что указывает на более широкое использование металлов в 3D-печати в аэрокосмической промышленности. В процессе печати металлы помогают достичь определенной твердости, поэтому печатники могут использовать эти материалы непосредственно для изготовления металлических деталей. Как только продукт достигает окончательной обработки, он подвергается электрополировке и передается на следующий сегмент рынка.

Углеродное волокно

Углеродное волокно — это композитный материал, используемый в 3D-принтерах в качестве верхнего слоя поверх пластиковых материалов. Основная цель использования углеродного волокна в 3D-печати — укрепить пластик, поскольку комбинация обеспечивает более быструю и удобную альтернативу металлу.

Бумага

Бумага используется в 3D-печати, когда дизайн требует более реалистичного прототипа, чем 2D-иллюстрации. Такие интеграции позволяют 3D-печатным моделям с большей точностью и детализацией передавать основную идею дизайна. Кроме того, это делает конечный продукт убедительным и привлекательным, а также дает лучшее представление о техническом гении, который вложился в процессы для достижения желаемого результата.

графит

Хотя графит не входит в число самых обычных материалов для 3D-печати, он постепенно набирает популярность благодаря своей проводимости и прочности. Этот материал идеально подходит для изготовления изделий, требующих гораздо большей гибкости, таких как B. солнечные панели и строительные детали.

Материалы для высоких температур в 3D-печати

В 3D-печати, особенно в моделировании методом наплавления, высокотемпературные материалы играют важную роль, поскольку они являются наиболее перспективными. Эти материалы обычно требуют более высоких температур, чем обычные материалы, и обладают исключительными термохимическими и механическими свойствами. Некоторые из наиболее известных высокотемпературных материалов для 3D-печати включают следующие материалы.

Полиэфиркетонкетон (PEEK)

Полиэфиркетонкетон является одной из самых популярных альтернатив для приложений, которые позволяют легко обрабатывать аморфный материал. Широко известный как PEEK, он обеспечивает дополнительный и улучшенный адгезионный слой, что делает его наиболее предпочтительным высокотемпературным материалом, который также может проявлять высокую прочность при сжимающих нагрузках.

Он также известен своей высокой термостойкостью по сравнению с другими материалами для 3D-печати, поскольку обладает лучшими механическими и химическими свойствами, которые придают ему более высокую термостойкость. По этой причине полиэфиркетонкетон является одним из самых популярных материалов для 3D-печати, который подходит для высоких температур.

УЛЬТЕМ (ПЭИ)

ULTEM, более известный как полиэфиримид, представляет собой высокотемпературный материал, обладающий отличными свойствами по чрезвычайно низкой цене, что делает его одним из предпочтительных высокотемпературных материалов для 3D-печати. Одним из самых больших преимуществ его использования в качестве высокотемпературного материала для 3D-печати является то, что его можно стерилизовать благодаря его превосходной химической и термической стойкости. Таким образом, это идеальный выбор для многочисленных применений, требующих высокой прочности, прочности и жесткости.

Поливинилиденфторид (ПВДФ)

Поливинилхлорид, также называемый PVDF, известен своей высокой механической прочностью и способностью выдерживать температуру до 150 градусов Цельсия. Это также очень инертный термопласт, близкий к тефлону, что делает его одним из предпочтительных вариантов.

Основные рынки для 3D-печати

Технология 3D-печати существует уже несколько десятилетий и завоевала популярность в различных сегментах рынка и отраслях. Последовательные приложения для 3D-печати развиваются, но они завоевали популярность на некоторых ключевых рынках.

Вот некоторые из наиболее распространенных вариантов использования 3D-печати в отраслях:

Медицина

3D-печать широко используется в медицине, особенно в биопечати, где техническим специалистам необходимо использовать такие материалы, как клетки и факторы роста, для изучения тканеподобных структур. Применение 3D-печати в медицине также способствует широкому использованию металлических имплантатов при остеопорозе. Биопечать также помогает печатать искусственные органы на 3D-принтере, что может помочь пациентам с органной недостаточностью, когда более быстрый рост является важным требованием для лечения.

строительство

Строительная отрасль — еще один популярный вариант использования 3D-печати. Бетонная 3D-печать считается более ранним и менее дорогим способом строительства зданий. Это позволило дизайнерам создавать проекты на месте, специально адаптированные к бетонным фундаментам и зданиям.

искусство и украшения

Сектор искусства и ювелирных изделий также является популярным применением технологии 3D-печати. Достижения в области 3D-печати позволили и вдохновили миллионы художников по всему миру на создание своих индивидуальных и уникальных произведений искусства и ювелирных изделий с использованием 3D-печати металлом. Особенно в области ювелирных изделий 3D-принтеры помогают дизайнерам экспериментировать с дизайном, чего не могут сделать традиционные процессы изготовления ювелирных изделий. Кроме того, они помогают создателям создавать собственные уникальные украшения на заказ.

Производство и прототипирование

Как известно, 3D-печать изначально была разработана для более быстрого прототипирования. Однако технология 3D-печати внесла значительный вклад в рост сегмента рынка производства и прототипирования. Объединив технологии облачных вычислений, компании теперь предлагают потребителям услуги аддитивного производства без затрат на покупку 3D-принтера.

Взгляд на будущее

Как технология, 3D-печать изменила мир. Он не только ограничивается целевой отраслью, но и влияет на повседневную жизнь миллионов потребителей по всему миру. Кроме того, он сделал сегмент потребительских товаров более персонализированным и востребованным, тем самым расширив источники для производства в будущем.

Забегая вперед, эксперты предсказывают, что 3D-принтеры также смогут строить материалы атом за атомом, выводя технологию легкого строительства на новый уровень. Технологии также помогут создавать легкие и высокоэффективные материалы. Однако необходимо также учитывать существующие проблемы 3D-печати и аддитивного производства в отдельных отраслях. Существующие технологии находятся на пути к совершенствованию и удешевлению, предоставляя исследователям множество возможностей для интеграции 3D-печати с другими технологически продвинутыми процессами.

Чтобы промышленность могла использовать существующие технологии 3D-печати в будущем, промышленность и политика должны объединиться и дать дальнейшие рекомендации по укреплению политики. Кроме того, также необходимо иначе смотреть на вопрос, чтобы будущие технологии давали лучший результат.