Какую технологию 3D-печати выбрать

Новые технологии 3D-печати появляются ежемесячно. Какая из них больше подойдет для конкретного производства? В этом поможет разобраться Европейский стандарт ISO/ASTM 52900, который объединяет терминологию типов 3D-печати и классификацию каждого из различных видов 3D-принтеров. В настоящее время идентифицировано 7 различных категорий процессов аддитивного производства, на основе которых созданы 11 типов технологий 3D-печати: DMLS, FDM, SLA, MSLA, DLP, SLS, SLM, EBM, DOD струйная обработка материалов и струйная обработка связующих.

В списке не хватает только строительной 3D-печати, которая не вошла в этот европейский стандарт.

Экструзия материала – это процесс 3D-печати, в котором нить твердого термопластичного материала плавится в нагретом до высокой температуры сопле и подается к экструзионной головке. 3D-принтер в соответствии с программой доставляет материал на сборную платформу по заданной траектории, где материал охлаждается. Послойное нанесение материала создает объект.

Типы технологии 3D-печати: моделирование плавленого осаждения (FDM), которое иногда называют изготовлением плавленых нитей (FFF).

Материалы: термопластичная нить (PLA, ABS, PET, PETG, TPU).

Размерная точность: ±0,5% (нижний предел ±0,5 мм).

Область применения: сувениры, игрушки, предметы дизайна, бытовые электротовары, изготовление прототипов и моделей, формы для отливки легкоплавких материалов.

Достоинства: полноцветные доступные по цене материалы, качественная отделка поверхности.

Слабые стороны: хрупкий материал, более высокая стоимость производства, чем SLA/DLP.

3D-принтеры для экструзии материалов являются наиболее распространеннымы и самыми дешевыми. 

Технология работы заключается в том, что катушка нити загружается в 3D-принтер и подается через сопло к экструзионной головке. Сопло принтера нагревается до нужной температуры, после чего двигатель проталкивает нить через нагретое сопло, заставляя ее плавиться.

Затем принтер перемещает экструзионную головку по заданным координатам, укладывая расплавленный материал на сборную пластину, где он охлаждается и затвердевает.

Как только слой завершен, принтер приступает к укладке следующего слоя. Этот процесс печати поперечных сечений повторяется, создавая слой за слоем, пока объект не будет полностью сформирован.

В зависимости от геометрии объекта иногда необходимо добавлять опорные конструкции, например, если модель имеет нависающие части.

Полимеризация в ванне – это процесс 3D-печати, при котором источник света избирательно отверждает фотополимерную смолу в ванне. Двумя наиболее распространенными формами полимеризации в ванне являются SLA (стереолитография) и DLP (Цифровая обработка светом).

Разница между этими типами технологий 3D-печати заключается в источнике света, который они используют для отверждения смолы. SLA-принтеры используют точечный лазер, а DLP-принтер – светодиодный проектор или УФ-лампу.

Виды технологии 3D-печати: стереолитография (SLA), маскированная стереолитография (MSLA), прямая световая обработка (DLP).

Материалы: фотополимерная смола (стандартная, литая, прозрачная, высокотемпературная).

Размерная точность: ±0,5%, нижний предел ±0,15 мм.

Область применения: изготовление прототипов из полимера для литья металлов, ювелирных изделий и зубопротезирования.

Преимущества: ровная поверхностная отделка, точные размеры детали.

Недостатки: хрупкость материала.

SLA-принтер использует зеркала, одно из них расположено на оси X, а другое – на оси Y. Они направляют лазерный луч через ванну со смолой, избирательно отверждая засвеченные участки на дне ванны, которая поднимается с определенным шагом и так создается слой за слоем. Получается, что изделие растет вниз головой.

Большинство принтеров SLA используют твердотельный лазер для отверждения деталей. Но трассировка поперечного сечения объекта может занять больше времени, по сравнению с DLP, которая использует цифровой световой проектор для одновременного отверждения при вспышке каждого слоя, либо нескольких вспышек для больших и сложных изделий.

Поскольку проектор представляет собой цифровой экран, изображение каждого слоя состоит из квадратных пикселей, в результате чего образуется слой из небольших прямоугольных блоков, называемых вокселями.

DLP может обеспечить более быстрое время печати по сравнению с SLA. Это происходит потому, что обнажается сразу весь слой, а не прослеживается площадь поперечного сечения острием лазера.

Свет проецируется на дно ванны с помощью светодиодных экранов или УФ-лампы, который направляется на поверхность сборки с помощью цифрового микромира DMD – массива микрозеркал, которые контролируют направление проецирования света, и генерируют световой узор на поверхности сборки.

Маскированная стереолитография использует в качестве источника света светодиодную матрицу, излучающую ультрафиолетовый свет через жидкокристаллический экран, отображающий однослойный срез.

Жидкокристаллический фотошаблон отображается в цифровом виде и состоит из квадратных пикселей. Размер пикселя определяет степень детализации печати. Таким образом, точность XY фиксирована и не зависит от того, насколько хорошо вы можете увеличить/масштабировать объектив, как в случае с DLP. Еще одно различие между принтерами на основе DLP и технологией MSLA заключается в том, что последняя использует массив из сотен отдельных излучателей, а не один источник света с точечным излучателем, таким как лазерный диод или лампа DLP.

MSLA печатает быстрее по сравнению с SLA. Это происходит потому, что весь отверждаемый слой подвергается воздействию сразу, а не засвечивается последовательно лазером.

Благодаря низкой стоимости жидкокристаллических блоков MSLA стала основной технологией для бюджетного сегмента настольных полимерных принтеров.

Слияние порошкового слоя – это процесс 3D-печати, в котором источник тепловой энергии избирательно индуцирует слияние частиц порошка внутри области сборки для создания твердого объекта.

Многие устройства для плавления порошкового слоя также используют механизм для одновременного нанесения и сглаживания порошка на изготавливаемый объект, так что изделие упаковывается и поддерживается в неиспользованном порошке.

Технология 3D-печати: селективное лазерное спекание (SLS).

Материалы: термопластичный порошок (нейлон).

Размерная точность: ±0,3%

Область применения: функциональные части, сложные полые конструкции, детали механизмов.

Сильные стороны: функциональные детали, отличные механические свойства, сложная геометрия.

Слабые стороны: более длительное время выполнения заказа, более высокая стоимость, чем FDA для функциональных приложений.

Селективное лазерное спекание (SLS) – это создание объекта с технологией слияния порошкового слоя и полимерного порошка. Эти типы технологий 3D-печати становятся все более распространенными и более дешевыми.

Емкость с полимерным порошком нагревается до температуры чуть ниже температуры плавления полимера, затем лезвие депозирует очень тонкий слой материала около 0,1 мм толщиной в область построения.

Затем лазерный луч CO2 начинает сканировать поверхность. Лазер будет избирательно спекать порошок в поперечном сечении объекта. Лазер сфокусирован на правильном положении парой зеркал.

При сканировании всего поперечного сечения платформа сборки перемещается вниз на одну толщину слоя по высоте. Покрывающее лезвие наносит новый слой порошка поверх недавно отсканированного слоя, и лазер спекает следующий поперечный разрез объекта на ранее затвердевший слой.

Неиспользованный порошок остается на месте для того, чтобы поддержать объект, что исключает необходимость печати структур поддержки.

Струйная 3D-печать, при которой капельки материала выборочно депозированы и размещены в области построения. Используя фотополимеры или капельки воска, которые отверждаются при воздействии света, объекты строятся по одному слою за один процесс.

Природа процесса струйной обработки материала позволяет печатать различные материалы на одном и том же объекте. Одним из применений этого метода является изготовление опорных конструкций из другого материала для создаваемой модели.

Типы технологии 3D-печати: струйная обработка материала (MJ), падение по требованию (DOD).

Материалы: фотополимерная смола (стандартная, литая, прозрачная, высокотемпературная).

Размерная точность: ±0,1 мм.

Область применения: полноцветные прототипы изделий, литьевые пресс-формы, низкопробные литьевые формы, медицинские модели.

Преимущества: полноцветная печать и качественная поверхностная отделка.

Слабые стороны: хрупкость, более высокая стоимость по сравнению с SLA/DLP.

Струйная обработка материалов (MJ) работает аналогично стандартному струйному принтеру. Ключевое отличие заключается в том, что вместо печати одного слоя чернил, несколько слоев строятся друг на друге, чтобы создать твердую деталь.

Печатающая головка выпускает капли фотополимера, а затем отверждает их с помощью УФ-лампы. После того, как один слой был нанесен и отвержден, платформа сборки опускается вниз на одну толщину слоя, и процесс повторяется.

MJ отличается от других типов технологии 3D-печати, которые осаждают, спекают или обрабатывают строительный материал с помощью точечного осаждения. Вместо того, чтобы использовать одну точку, чтобы следовать по пути, который описывает площадь поперечного сечения слоя, машины MJ депонируют строительный материал быстрым линейным способом.

Преимущество линейного осаждения заключается в том, что принтеры MJ могут изготавливать несколько объектов в одной строке без какого-либо влияния на скорость сборки. Пока модели правильно расположены, а пространство внутри каждой линии сборки оптимизировано, MJ может производить детали более быстрыми темпами, чем другие типы 3D-принтеров.

Объекты, изготовленные с помощью MJ, требуют поддержки, которая печатается одновременно во время сборки из растворяемого материала, который удаляется на стадии постобработки.

Drop on Demand (DOD) – это тип технологии 3D-печати, которая использует два струйных принтера. Один из них создает изделие из воскоподобного материала. Второй изготавливает опоры из растворяемого впоследствии материала. Принтеры DOD путем струйного точечного осаждения материала создают площадь поперечного сечения объекта слой за слоем.

Принтеры DOD используют fly-cutter, который обезжиривает область сборки после создания каждого слоя, обеспечивая идеально ровную поверхность перед началом построения следующего слоя. Принтеры DOD обычно используются для создания моделей, подходящих для литья по выплавляемым моделям, а также для изготовления различных пресс-форм.

Струйная обработка связующего – это процесс 3D-печати, в котором жидкий связующий агент избирательно связывает области слоя порошка.

Струйная обработка связующего – эта технология аналогична 3D-печати SLS, с требованием наличия начального слоя порошка на платформе сборки. Но в отличие от SLS, которая использует лазер для спекания порошка, струйная обработка связующего перемещает печатающую головку по поверхности порошка, осаждая капли связующего, которые обычно имеют диаметр 80 микрон. Эти капли связывают частицы порошка вместе, чтобы создать каждый слой объекта.

Новый слой порошка наносится поверх недавно напечатанного слоя. Окончив работу, изделие оставляют в порошке для отверждения и усиления прочности. После этого объект извлекается из порошка, остатки которого удаляются с помощью сжатого воздуха.

Струйная печать связующего (BJ) использует песок или металлический порошок.

Размерная точность: ±0,2 мм (металл) или ±0,3 мм (песок).

Область применения: функциональные металлические детали, полноцветные модели, литье в песок.

Преимущества: низкая стоимость, большие объемы сборки, изготовление функциональных металлических деталей.

Недостатки: механические свойства материалов хуже, чем при сплавлении металлического порошка в слое.

С помощью струйных устройств для пескоструйного связующего это недорогие технологии 3D-печати используются для производства деталей из песка или гипса.

Для полноцветных моделей объекты изготавливаются с использованием порошка на основе гипса или PММА в сочетании с жидким связующим веществом. Печатающая головка сначала выпускает связующее вещество, в то время как вторая печатающая головка выпускает окрашивающее вещество, позволяя печатать полноцветные модели.

После отверждения деталей, их удаляют из оставшегося порошка и очищают. Для улучшения механических свойств детали подвергают воздействию проникающего материала. Покрытия также используют для улучшения яркости цветов.

Струйная обработка связующего также полезна для производства литых из песка пресс-форм и стержней. Сердечники и пресс-формы обычно печатаются песком, хотя для специальных применений можно использовать искусственный песок (кремнезем).

После печати стержни и формы удаляются из зоны сборки и очищаются от остатков песка. Пресс-формы, как правило, сразу же готовы к отливке. После литья форма разбивается на части, а полученное металлическое изделие отправляется на обработку.

Существенным преимуществом производства литейных стержней и пресс-форм из песчаника с применением струйной обработки связующего является большая, сложная геометрия процесса, которую можно получить при относительно низких затратах. Кроме того, этот процесс довольно легко интегрировать в существующие производственные или литейные процессы.

Струйная обработка связующего используется для изготовления металлических изделий. Металлический порошок связывают с помощью полимерного связующего. Производство металлических предметов с использованием струйного формования связующего позволяет получать сложные геометрические формы, значительно превосходящие возможности традиционных технологий производства.

Металлические объекты получаются с помощью двухступенчатого процесса, с помощью дальнейшей инфильтрации или спекания. Стоимость и качество изделия определяют, какой вторичный метод является наиболее подходящим для конкретного случая.

Процесс вторичной инфильтрации работает следующим образом: первоначально частицы металлического порошка связываются между собой с помощью связующего вещества для образования объекта «зеленого состояния». После отверждения заготовки помещают в печь, где связующее выгорает. Это оставляет объект плотностью около 60% с пустотами. Затем металл используется для проникновения в пустоты через капиллярное действие, в результате чего получается объект с плотностью около 90% и большей прочностью. Однако объекты, изготовленные с помощью струи металлического связующего, как правило, имеют более низкие механические свойства, чем металлические детали, изготовленные с помощью плавления порошкового слоя.

Вторичный процесс спекания может быть применен там, где металлические детали изготавливаются без инфильтрации. После завершения печати объекты в «зеленом состоянии» отверждаются в печи. Затем они спекаются в печи до высокой плотности около 97%. Однако неравномерная усадка может быть проблемой во время спекания и должна учитываться на стадии проектирования.

Сплавление слоя металлического порошка – это процесс 3D-печати, который производит изделия, используя тепловой источник для индуцирования – слияния между частицами металлического порошка по одному слою за один раз.

Большинство технологий плавления порошкового слоя используют механизмы добавления порошка по мере строительства объекта, в результате чего конечный компонент заключен в металлический порошок. Основные вариации технологий термоядерного синтеза в слое металлического порошка связаны с использованием различных источников энергии – лазера или электронного пучка.

Виды технологии 3D-печати: прямое лазерное спекание металла (DMLS); селективная лазерная плавка (SLM); электронно-лучевая плавка (EBM)

Материалы: порошок алюминия, нержавеющей стали, титана и др.

Точность размеров: ±0,1 мм

Область применения: функциональные металлические детали (аэрокосмические и автомобильные), медицинские, стоматологические.

Преимущества: изготовление прочных функциональных деталей со сложной геометрией.

Недостатки: небольшой размер сборки, высокая стоимость изделий.

Прямое лазерное спекание металла (DMLS) и селективное лазерное плавление (SLM) применяются для производства металлических изделий.

DMLS не плавит порошок, а вместо этого нагревает его до такой степени, что он может плавиться на молекулярном уровне. SLM использует лазер для полного расплавления металлического порошка, образующего однородную деталь.

Это основное различие между DMLS и SLM: первые производят детали из металлических сплавов, в то время как вторые образуют одноэлементные материалы, такие как титан.

Процессы DMLS и SLM требуют структурной поддержки, чтобы устранить риск деформации изделия, которое может произойти.

Детали, изготовленные по технологиям DMLS и SLM подвержены риску деформации из-за остаточных напряжений, возникающих из-за высоких температур при печати. Поэтому прикрепленные к сборке пластины проходят термообработку для снятия напряжения в деталях.

В отличие от других методов термоядерного синтеза в порошковом слое, электронно-лучевая плавка (EBM) использует пучок высокой энергии, или электроны, для индуцирования слияния между частицами металлического порошка.

Сфокусированный электронный луч сканирует тонкий слой порошка, вызывая локальное плавление и затвердевание на определенной площади поперечного сечения.

EBM обычно имеет более высокую скорость сборки, чем SLM и DMLS, благодаря более высокой плотности энергии. Детали изготавливаются в вакууме, изготавливаются только электропроводные материалы.

Источник: all3dp