Что такое 3D-печать? Подробно о принципах и возможностях

Что такое 3D-печать?

Трехмерная печать — самый простой и технологичный способ воплотить цифровой чертеж в физическом материале. Ей не нужны станки машинной обработки, аппаратура для литья под давлением. Сегодня 3D-печать не ограничена узкоспециализированными задачами: её применяют энтузиасты, художники, инженеры медицинской и аэрокосмической отраслей. Разбираем историю аддитивных технологий, их базовые принципы и потенциал развития.

Принцип работы и история 3D-печати

В основе трехмерной модели лежит цифровой файл, который содержит набор инструкций для принтера. Оборудование для 3D-печати построено вокруг аддитивных процессов: объект создают послойно, укладывая один пласт материала за другим. Чем тоньше толщина слоя, тем дольше и сложнее производство, но детализированнее изделие.

• 1981 – Первый 3D-принтер. Доктор Хидео Кодама изобрел раннюю машину для быстрого прототипирования, которая создавала детали слой за слоем, используя смолу, полимеризующуюся под воздействием ультрафиолетового света.
• 1986 – Запатентована стереолитография. Её принцип описал Чак Халл, которого считают отцом 3D-печати. Именно он создал и коммерционализировал метод SLA и формат .stl, который до сих пор остается одним из самых популярных стандартов.
• 1988 – Лицензирован метод выборочного лазерного спекания. Его разработал Карл Декард, студент Техасского университета. SLS использует лазер для спекания порошкообразного сырья в твердые структуры.
• 1992 – Первая коммерческая машина на базе FDM. Компания Stratasys применила метод экструзии термопластика, который и сегодня использует большинство потребительских устройств.
• 2005 – Первый принтер потребительского уровня. Команда RepRap Project во главе с доктором Адрианом Бойером начала работу над открытой версией технологии FDM. Стандарт получил название FFF.

Первоначальной целью RepRap Project было переосмыслить аддитивное производство, сделать его доступным и открытым для обычных пользователей. Компания начала работать с экструзией термопластика, поскольку это было самое простое решение, которое требовало минимального количества специальных компонентов. RepRap стал первым «самовоспроизводящимся» принтером — его владелец мог напечатать еще один экземпляр устройства.

Сохраняя общий принцип работы, с годами техника для 3D-печати получила поддержку продвинутого программного обеспечения, которое автоматизирует процесс подготовки моделей, устраняет дефекты на стадии прототипирования. Промышленные устройства используют новые типы сырья, например, биосовместимыми полимерами и металлическими сплавами, которые используют в медицине.

Этапы работы

Объемную модель производят в шесть этапов:

1. Дизайн. Этап проектирования начинается с создания 3D-чертежа объекта. Для этого используют программы автоматизированного проектирования (CAD), 3D-сканеры, фотограмметрию, генеративный дизайн, параметрический дизайн и скриптинг.
2. Предварительная доработка. Модель анализируют и готовят к 3D-печати; устраняют неточности, которые могут привести к производственному дефекту. Этот этап включает сегментацию объекта на отдельные слои (слайсинг), создание опорных конструкций и настройку параметров машины, при котором изделие получит нужную структурную прочность и детализацию.
3. Печать. Машина выполняет инструкции, полученные из цифрового чертежа, чтобы построить объект постепенно, слой за слоем. Если у изделия сложная геометрия, например, большое количество мостов и нависающих компонентов, его элементы печатают по отдельности, затем собирают.
4. Постобработка. Объект дорабатывают механическими инструментами, повышают его визуальное качество, улучшают функциональность. Этот этап включает удаление несущих конструкций, шлифовку, покраску.
5. Сборка (опционально). Если изделие состоит из нескольких компонентов или становится частью более крупной композиции, ее собирают воедино, скрепляют с другими деталями. Для этого используют клей, винтовое соединение, крепление типа «шип-паз», пайку и другие способы, выбор которых зависит от размера, расчетных нагрузок и функциональности.
6. Отделка и упаковка. Завершающий этап включает в себя финишную отделку, нанесение покрытия, маркировку. После этого изделие упаковывают и готовят к транспортировке.

Подробнее об этом процессе мы писали в статье «3D-моделирование: от создания до применения».

Какие материалы используют при трехмерной печати

Чтобы достичь целевых характеристик и выполнить задачи проекта, в производстве изделий используют различное сырье, включая:

• ABS (акрилонитрилбутадиенстирол). Прочный и ударостойкий пластик, который хорошо переносит температуры до 100 °C. Его используют для корпусов электроники, игрушек и функциональных деталей. Легко поддается обработке, но требует дополнительного нагрева платформы в процессе.
• PLA (полимолочная кислота). Биорасщепляемое сырье, простое в производстве и не дающее усадки. Подходит для создания декоративных моделей и прототипов. Однако PLA — хрупкий полимер, он плохо переносит температуры выше 50–60 °C.
• PETG (гликолизированный полиэтилентерефталат). Прочный и гибкий, устойчивый к влаге, химическим воздействиям и ультрафиолету. Его используют для контейнеров, функциональных деталей и предметов уличного декора. Главное преимущество PETG — с ним легче работать, чем с ABS, но он требует точной настройки температуры.
• Полиамид (нейлон). Прочный и гибкий, устойчивый к износу и химическим воздействиям. Его используют для шестерней, подшипников и других функциональных деталей. Однако нейлон гигроскопичен, поэтому сырье нужно высушить перед работой.
• Стеклонаполненный пластик. Использование стекловолокна в составе полимера существенно повышает его прочность и устойчивость к высоким температурам. Стеклонаполненный пластик применяют для промышленных деталей и конструктивных элементов. Однако из-за высокой абразивности материал требует сопел из закаленной стали.
• Негорючий пластик. Содержит добавки, препятствующие возгоранию, и соответствует стандартам пожарной безопасности. Его используют для корпусов электроники, деталей для авиатехники и автомобилей, где важна устойчивость к сверхвысоким температурам. Такой пластик дороже стандартного сырья.
• Декоративный полимер. Сырье на основе PLA или ABS, с добавлением древесной пыли, металлической стружки или пигментов, которые придают ему нужный цвет и другие косметические особенности. Подходит для эстетических компонентов, декора и сувенирных моделей, но его прочность уступает чистому полимеру.

Область применения

3D-принтинг универсален: его используют во всех отраслях гражданской промышленности. Специфика технологии позволяет масштабировать производство под разные объемы серий и сложность моделей.

Индивидуальное изготовление

Производство объемных изделий не требует долгой наладки и переоснастки оборудования. Этот метод используют:

• для прототипов изделий и их отдельных компонентов;
• уникальных фигурок;
• макетов для образовательных и научных целей;
• запчастей и аксессуаров для винтажной техники;
• художественных элементов: статуэток, скульптур, сувениров и арт-объектов.

Серийное производство

Этот метод изготовления помогает отказаться от длительной разработки пресс-форм, сократить время подготовки с нескольких месяцев до нескольких дней. Подходит для партий объемом в несколько тысяч изделий. С его помощью изготавливают:

• игрушки и декоративные компоненты;
• корпуса и аксессуары для электроники;
• фурнитуру мебели;
• промоматериалы: объемные карточки, фигурки маскотов;
• сложные компоненты для крупной техники.

Будущее 3D-печати

Распространение технологии упрощает логистические задачи, диверсифицирует производство изделий. Изготовителям больше не нужно транспортировать компоненты для отверточной сборки из одного завода в другой, поскольку каждое предприятие сможет наладить выпуск комплектующих на основе электронных чертежей и предзаписанных параметров 3D-печати.

Внедрение новых полимерных составов и металлических сплавов помогает решать комплексные инженерные задачи, которые раньше были ограничены традиционными методами машинной обработки. Это изготовление конструктивных компонентов сложной геометрической формы, индивидуальных протезов и имплантов, легких и прочных запчастей техники.

Почему выбирают 3DPrintum?

Компания изготавливает объемные изделия на высокоточных станках промышленного уровня. Более 100 компаний и частных заказчиков ежемесячно выбирают 3DPrintum за подход к производственному процессу и широкий отраслевой опыт:

• Портфолио. Компания больше 10 лет работает с профессиональной 3D-печатью. Изделия 3DPrintum используют в проектах «Альфа Банк», «Росатом», Yandex и других предприятий по всей России.
• Скорость. Производственные линии 3DPrintum работают 24/7, без праздников и выходных. Компания выполняет авральные заказы, включая индивидуальные проекты, серийное изготовление крупных партий.
• Качество. Компания сопровождает проект на всех стадиях, от подготовки 3D-модели до постобработки и отправки.

Свяжитесь с менеджером через форму обратной связи или воспользуйтесь онлайн-калькулятором, чтобы рассчитать цену, выбрать подходящий вариант исполнения и заказать изделие с доставкой по Москве и регионам России.