Технологии 3D печати

3D-печать — широкое понятие, объединяющее ряд технологий и методов изготовления изделий. К базовым технологиям 3D-печати относят следующие:

  • экструзия,
  • фотополимеризация,
  • лазерная стереолитография,
  • струйная печать,
  • порошковая печать (спекание/плавка),
  • ламинирование.

Многие из этих технологий реализуются различными методами. Они отличаются видом используемых материалов, техническими деталями процесса печати, способами наложения слоев.

Уже разработаны новые технологии, которые условно можно назвать синтетическими или комплексными, поскольку они объединяют сразу несколько базовых технологий 3D-печати в одном процессе.

Перечислим наиболее распространенные технологии и методы 3D-печати.

Экструзия

Метод FDM

FDM (Fused Deposition Modeling) — печать послойным наплавлением. Готовые изделия формируются последовательным наращением слоев материала, в точности повторяющих формы компьютерной модели.

Материалом для экструзионной печати служат термопластики: ABS, PLA, поликарбонаты, полиамиды, полистирол, нейлон, полиэтилен и другие. Они могут быть термостойкими, огнеупорными, устойчивыми к агрессивным средам, а также композитными. В последнем случае термопластики служат связующей основой, в которую добавлены различные наполнители — например, древесная или металлическая пыль.

Пластиковая нить (или пруток) поступает в печатающую головку (экструдер) и нагревается. Через сопло расплав «выдавливается» на рабочий стол. Под управлением специальной программы головка перемещается в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Изделие формируется снизу вверх последовательными слоями, которые застывают и соединяются в одно целое.

Печатающих головок может быть несколько. Это позволяет использовать разные материалы одновременно при создании одного изделия. Возможна цветная печать.

Метод FDM является одним из наиболее востребованных и распространенных. Он используется для построения прототипов деталей и оперативного производства единичных и мелкосерийных образцов в промышленном проектировании, авто- и авиастроении, космической отрасли, в производстве рекламных материалов, игрушек, сувениров.


Фотополимеризация

Метод DLP

DLP (Digital Light Processing, Direct Light Projection) — печать изделий путем полимеризации фотополимерных смол при ультрафиолетовом облучении. Метод основан на свойстве фотополимерных смол затвердевать при ультрафиолетовом облучении. Подвижный рабочий стол 3D-принтера погружается в емкость с жидкой смолой. На фотополимер направляется поток света из ультрафиолетового DLP-проектора. Конфигурация светового потока определяется зеркалом или линзой и соответствует форме слоя изделия. Тончайший слой смолы под воздействием света затвердевает (полимеризуется). После построения одного слоя рабочий стол перемещается на высоту, равную толщине этого слоя. Затем на уже твердеющем слое формируется следующий слой. Процесс повторяется до готовности изделия. В дальнейшем его подвергают финальной засветке УФ-лампой для полного отверждения.

Метод DLP отличается высокой скоростью и точностью построения изделий сложной формы. Он намного быстрее давно известного метода SLA, также работающего по технологии фотополимеризации. DLP-принтеры доступны по цене, и этот метод пользуется все большей популярностью как у любителей, так и в профессиональной среде.

Метода применяется в стоматологии, ювелирном деле, производстве прототипов, деталей и сувениров.


Метод LCD

LCD (Liquid Crystal Display) — печать изделий путем полимеризации фотополимерных смол при ультрафиолетовом облучении. Технология процесса идентична методу DLP. Разница в том, что поток УФ-излучения здесь генерируется светодиодной матрицей, а его конфигурация, соответствующая форме слоя изделия, определяется LCD-дисплеем.

Метод LCD также отличается высокой скоростью построения изделий сложной формы. Он точнее метода DLP и намного быстрее метода SLA. Среди этих трех методов LCD-печать наиболее доступна по цене, и потому стремительно развивается, завоевывая позиции в стоматологии, ювелирном деле, производстве прототипов, деталей и сувениров.

Метод SLA

SLA (Laser Stereolithography) — получение изделий путем лазерного облучения фотополимерной смолы. Источником облучения служит ультрафиолетовый лазер. Его узкий луч направляется на фотополимер и как бы «сканирует» слой изделия согласно цифровой модели. В точках фокусировки луча смола затвердевает (полимеризуется). После построения одного слоя рабочий стол перемещается на высоту, равную толщине этого слоя. Затем на уже твердеющем слое лазерным лучом формируется следующий слой. Процесс повторяется до готовности изделия. В дальнейшем его поверхность можно механически обрабатывать и окрашивать.

Метод SLA отличается очень высокой точностью и позволяет печатать изделия сложной формы. Недостаток метода — относительно медленное сканирование лазером слоя фотополимера. В этом он существенно уступает методам DLP и LCD. Но при этом SLA обеспечивает очень высокое качество поверхности изделия. Поэтому он широко используется для изготовления прототипов деталей, стоматологических и прочих протезов, ювелирных изделий.


Метод GDP

GDP (Gel Dispensed Printing) — метод 3D-печати, объединивший преимущества методов FDM (печать послойным наплавлением) и DLP (фотополимеризация). Рабочим материалом служит уникальный фотополимерный акриловый гель Dimengel, обладающий высокой степенью вязкости. Печатающая головка экструдирует на рабочий стол тонкий слой геля. Он практически мгновенно затвердевает под воздействием УФ-излучения мощных ламп, расположенных в одном блоке с головкой. Наслаивание и отверждение материала происходит с очень высокой скоростью. Поэтому при GDP-печати не нужна поддержка горизонтальных поверхностей, в которой нуждаются другие методы. GDP-принтер позволяет сразу печатать наклонные и даже горизонтальные поверхности без расходования геля на печать поддерживающих структур. Это обеспечивает экономию материала и рекордно высокую скорость печати.

GDP-принтер оснащен двумя независимыми печатающими головками. Поэтому в рабочей камере можно одновременно печатать два разных изделия или две части одного крупного объекта. С учетом большого объема области печати (1200×1500×1800 мм) GDP-печать позволяет создавать фигуры размером свыше 3 метров при склейке их из нескольких частей. Готовые изделия прекрасно поддаются шлифовке и окрашиванию.

Метод разработан совсем недавно, но уже показал свою эффективность в таких областях, как изготовление уникальных выставочных экспонатов и образцов, декораций, манекенов, скульптур, различных рекламных материалов, прототипов и мастер-моделей.

Струйная печать

Метод 3DP

3DP (Three-Dimensional Printing) — струйная трехмерная печать. Этот метод сочетает порошковую и струйную печать. Исходный материал — гипсовый, полимерный, песчаный или металлический порошок — наносится тонким слоем на рабочий стол и разравнивается. Печатная головка разбрызгивает связующее вещество (бесцветный клей, вода или специальная смесь) по площади сечения первого слоя изделия согласно цифровой модели. Слой закрепляется, рабочий стол опускается на толщину слоя и цикл повторяется. Готовое изделие обжигается для выжигания связующего вещества.

Метод отличается очень высокой скоростью и точностью печати. Готовые изделия могут иметь самую сложную форму с мелкими деталями, но не отличаются высокой прочностью. Возможна цветная печать.

Метод недорог и экономичен. 3DP-печать применяют для быстрого создания прототипов, изготовления пресс-форм и деталей, работающих в условиях трения (валы, втулки, шестерни и т. д.), создания архитектурных макетов и сувениров.

Метод CJP

CJP (Color Jet Printing) — цветная струйная печать, разновидность метода 3DP.
На рабочий стол наносятся тонкие слои порошкообразных исходных материалов. Затем на них выборочно разбрызгивается связующий полимер. Этот полимер является разноцветным, что позволяет создавать красочные и насыщенные цветом готовые изделия. Исходным материалом служат термопластики с различными механическими свойствами — гибкостью, прочностью, упругостью и другими.

CJP-метод позволяет создавать изделия с высокой точностью и скоростью. CJP-принтеры достаточно дороги, но сама печать имеет низкую себестоимость за счет невысокой стоимости расходных материалов и их практически безотходного использования. Метод широко применяется в медицине, образовании, науке, промышленном и архитектурном дизайне для создания прототипов, единичных и мелкосерийных партий изделий сложной формы и разнообразной цветовой гаммы.

Также CJP-печать — единственная технология 3D-печати, способная полностью передать в изделии цвета полиграфической палитры CMYK, а также качественно имитировать на поверхности изделий разнообразные фактуры. Поэтому метод востребован при изготовлении архитектурных и подобных макетов и моделей, используется в кинематографе, мультипликации и рекламе для создания фигур персонажей и различных объектов.


Метод MJM

MJM (Multi Jet Modeling) — метод многоструйного моделирования. Синтез методов 3DP, FDM и SLA. Исходные материалы — фотополимерная смола и воск. При этом воск играет роль поддерживающего и формирующего пустоты внутри готового изделия вспомогательного материала. Печатающая головка, как в методе 3DP, имеет сопла для распыления. Но их количество достигает нескольких сотен. Как в FDM-печати, из головки на рабочий стол выдавливается горячий материал. Формируется слой изделия. Затем полученный слой подвергается УФ-облучению, как в методе SLA.

В ходе печати фотополимер отверждается, а воск застывает. Затем готовое изделие нагревается. Воск выплавляется. Это позволяет создавать изделия сложной формы с очень высокой точностью, сравнимой с показателями метода SLA.

Метод MJM применяют для создания высокоточных прототипов, различных форм и готовых изделий в стоматологии, ювелирном деле, энергетике, машиностроении, промышленном и архитектурном дизайне, производстве бытовых изделий.

Плавка или спекание порошка

Метод SLS / SLM / DMLS

SLS (Selective Laser Sintering) — селективное (выборочное) лазерное спекание. Исходный материал — мелкодисперсные порошки из керамики, металла, стекла, пластика (нейлон, полистирол). Порошок наносится на рабочий стол, разравнивается и спекается лучом лазера высокой мощности в твердый гомогенный слой. Слои последовательно наращиваются и спекаются, формируя единое целое изделие.

Метод позволяет создавать высокоточные (толщина слоя — до 20 микрон) и прочные изделия. Готовые детали непосредственно пригодны для промышленного использования. Они могут иметь самую сложную форму, различные полости и тонкие перегородки. Такие формы очень сложно либо невозможно изготовить традиционными способами металлообработки. Поэтому метод SLS широко используется в машиностроении, авиастроении, космонавтике для изготовления сложных единичных и мелкосерийных деталей машин, летательных аппаратов и силовых установок. С помощью SLS создают также медицинские импланты и различные предметы искусства.

Среди специалистов есть мнение, что для описания данного метода больше подходит термин «плавка», а сам метод тогда именуется SLM — Selective Laser Melting, выборочная лазерная плавка.

В случае, когда речь идет о работе только с металлическими порошками, метод именуется DMLS (Direct Metal Laser Sintering) — прямое лазерное спекание металла. Исходниками служат обычная, нержавеющая или инструментальная сталь, алюминий, титан, золото, металлические сплавы. Печать выполняется в рабочей камере принтера, которая заполнена инертным газом для предотвращения окисления порошка. Отходы дорогого рабочего материала практически отсутствуют.

Готовые изделия имеют пористую структуру и часто нуждаются в обжиге для достижения требуемой механической прочности.


Метод EBM

EBM (Electron-Beam Melting) — электронно-лучевая плавка, при которой для сплавления слоев металлического порошка используются электронные излучатели, испускающие пучки электронов высокой мощности. Пучок плавит порошок в точках фокусировки. Печать происходит в вакуумной рабочей камере для исключения окисления порошка. Недавно разработан более эффективный материал — металлоглина (смесь клея, воды и металлической стружки). При нагреве клей и вода испаряются, а стружка сплавляется в монолит. Готовые изделия не имеют пористой структуры. По механическим свойствам они практически идентичны литым. Дополнительный обжиг не требуется.

От методов SLS/SLM/ DMLS технология EBM отличается не только большей прочностью изделий, но и более высокой скоростью печати. Причина — в высокой мощности излучателей и отклонении пучков при печати электронным, а не электромеханическим способом.

Метод EBM обеспечивает высокую точность печати. Его используют в медицине для производства имплантов, в авиа- и ракетостроении для изготовления деталей двигателей и элементов конструкции летательных аппаратов.

Метод SHS

SHS (Selective Heat Sintering) — выборочное тепловое спекание. Слои термопластического или металлического порошка сплавляются в единое целое за счет нагрева тепловым излучателем.

Тепловая печатающая головка компактнее лазерной. Поэтому SHS-принтеры имеют небольшие габариты. Но отдача энергии у них ниже, чем у SLS-принтеров. Это ограничивает выбор исходных материалов для печати — ими служат порошки легкоплавких металлов или термопластики. Готовые детали зачастую нуждаются в обжиге для повышения прочности.

Метод SHS отлично подходит для изготовления прототипов различных деталей.

Ламинирование

Метод LOM

LOM (laminated object manufacturing) — печать объектов путем ламинирования. Исходный материал (лист бумаги или тонкого пластика) с клейким покрытием разогретым роликом прикрепляется к поверхности рабочего стола. Лазерным лучом в листе прорезаются контуры сечения будущего изделия. Затем накладывается следующий лист, операция повторяется до завершения постройки объекта.

В ходе печати листы склеиваются друг с другом по всей площади. Лист вокруг изделия режется лазером на мелкие фрагменты для упрощения удаления излишков. Тем не менее, при извлечении готового изделия и отделении лишнего материала требуется особая осторожность.

Метод LOM имеет более низкую точность воспроизведения деталей поверхности изделия, чем методы SLA и SLS. Он позволяет производить достаточно крупногабаритные изделия. По своим физическим характеристикам изделия из бумаги близки к древесине. Это позволяет проводить их механическую обработку. Вообще, объекты, изготовленные данным методом, обычно нуждаются в дополнительной механической обработке.

Достоинством метода является низкая себестоимость. Он используется в науке и образовании для изготовления архитектурных макетов, моделей, экспонатов.

Метод SDL

SDL (Selective Deposition Lamination) — ламинирование методом селективного нанесения (усовершенствованная технология LOM).

3D-печать на обычной офсетной бумаге. Клей на бумажные листы наносится не сплошь, а выборочно. В местах, образующих сечение будущего изделия, наносится клеящий материал более высокой плотности, в остальных (лишний материал и поддерживающие структуры) — более низкой. В ходе печати листы спрессовываются между собой. Получается, что между слоями «внутри» изделия связь более прочная, чем между поддерживающими материалами. К тому же лишний и поддерживающий материал рассекается на мелкие составные части. В целом это сильно облегчает процесс извлечения готового изделия из принтера.
Для резки листов используется не лазер, а лезвие из карбида вольфрама.

Метод допускает многоцветную печать и отличается невысокой стоимостью. Можно создавать большие по размерам изделия, соединяя их шарнирами и замками. Готовые изделия требуют обработки для повышения их влагостойкости.

Возврат к списку статей