Рассмотрим определения, методы и лучшие практики проектирования в области 3D-печати . Поймем, как эта технология трансформирует производство и расширяет возможности брендов и конечных пользователей.
Мы являемся свидетелями футуристического момента в производстве. Слияние программного обеспечения и материаловедения привело к появлению чистых, доступных и экономичных процессов производства. В мире, где ценится дифференциация, 3D-печать позволяет удовлетворить растущий спрос на индивидуальные товары с поразительной скоростью. Объём рынка 3D-печати составляет 23.4 миллиарда долларов США и продолжает расти. Вот полная информация.
Что такое 3D-печать?
Трёхмерная печать — это революционная технология аддитивного производства, при которой готовые детали изготавливаются послойно, на основе цифрового файла проекта. Это позволяет производить сложные изделия, используя меньше материалов, что выгодно для управления затратами.
Превращение научных идей в осязаемые объекты одним нажатием кнопки — вот главное преимущество этой технологии. 3D-печать может работать с пластиком, металлами и другими материалами, включая биоразлагаемые.
История 3D-печати
3D-печать появилась в 1980-х годах, но в те ранние годы эта технология была невероятно дорогой. Сегодня 3D-печать — это революционная концепция снижения затрат на разработку прототипов , иногда используемая в крупносерийном производстве. Вот как всё начиналось.
В 1981 году японский врач Хидео Кодама опубликовал исследования, описывающие ранний метод быстрого прототипирования, основанный на фотополимерном затвердевании. Он подал заявки на патент на эту концепцию, но из-за отсутствия институциональной и финансовой поддержки работа была прекращена до того, как удалось создать полноценный принтер.
В 1984 году Чарльз Халл изобрел стереолитографию, которая использовала лазерный луч для создания цельных деталей из материалов. Он запатентовал технологию и основал свою компанию 3D Systems. Их первым продуктом, напечатанным на 3D-принтере, стал SLA-1, выпущенный в 1988 году.
В период с 1988 по 1992 год Карл Декард изобрел еще одну удивительно инновационную технологию 3D-печати . Его технология цифровой печати использовала селективное лазерное спекание (SLS) для создания целых деталей по чертежам. Вскоре после изобретения Карла С. Скотт Крамп подал патент на принтер, использующий технологию послойного наплавления (Fused Deposition Modeling).
В 1999 году человеку был имплантирован первый орган, напечатанный на 3D-принтере. Учёные напечатали синтетический каркас мочевого пузыря и выложили его клетками из тела пациента. Это помогло спасти жизнь пациента.
Первый SLS 3D-принтер поступил в продажу в 2006 году. Это положило начало недорогому индивидуальному производству промышленных деталей.
Как работает 3D-печать?
Шаг 1: Создание концепции и 3D-дизайна
3D-производство начинается с концептуальных проектов, характеристики и формы которых соответствуют предполагаемой функции продукта. Fusion 360 — пример популярного инструмента 3D-дизайна. После проектирования этап проверки помогает выявить ошибки и привести проектную концепцию в соответствие с реалиями производства. К ним относятся затраты, сроки, материалы и отраслевые нормы.
Шаг 2: Подготовка файла и нарезка
Слайсинг — это процесс преобразования чертежей деталей в форматы, читаемые 3D-принтером. Производители преобразуют чертежи в тонкие слои, несущие информацию для принтера. Эти инструкции, известные как G-код, определяют, как принтер будет печатать деталь, включая температуру печати, высоту слоя и схемы заполнения.
Шаг 3: Настройка принтера и загрузка материала
Незадолго до печати производители должны провести важные проверки безопасности, эффективности и точности. В ходе этого процесса настройки инженеры ищут оптимальные калибровки для минимизации ошибок печати. Правильные настройки также гарантируют стабильную подачу и стабильное прилегание деталей. Некоторые из ключевых этапов настройки включают:
- Выбор материала:
- Выравнивание кровати
- Выравнивание температуры
Шаг 4: Печать и мониторинг в реальном времени
В начале процесса печати машина, по сути, управляется инструкциями G-кода. Машина формирует слой деталей, взаимодействуя с датчиками, которые отслеживают и поддерживают оптимальные параметры, особенно температуру, влажность, подачу материала и однородность слоя.
Дизайнеры и инженеры также должны внимательно следить за процессом 3D-печати. Хотя процесс автономен, корректировка параметров в ходе процесса может помочь выявить любые ошибки, упущенные на этапе проверки проекта.
Шаг 5: Постобработка и контроль качества
Этап постобработки позволяет улучшить внешний вид и структуру 3D-печатных деталей перед их использованием по назначению. Выполняемые на этом этапе работы повышают соответствие первоначальным требованиям проекта. К ним относятся сглаживание поверхности для улучшения прилегания деталей, очистка и промывка растворителем для предотвращения загрязнения. Для завершения полимеризации напечатанной детали может быть выполнена заключительная стадия постобработки.
Преимущества 3D-печати
3D-печать меняет фундаментальные правила производства, и это может быть как полезным, так и вредным, в зависимости от вашей точки зрения. Давайте рассмотрим некоторые из её самых существенных преимуществ и ограничений.
Отлично подходит для креативного дизайна
Самым непосредственным преимуществом 3D-печати является поддержка обширных экспериментов с дизайном. Между проектированием и производством сокращается число механических этапов, что позволяет дизайнерам экспериментировать с совершенно новыми формами и функциями. Более того, вносить изменения в процессе печати стало возможным и простым. 3D-печать создаёт изделия слой за слоем, поэтому вы можете останавливать, калибровать и возобновлять производство неограниченное количество раз без высоких затрат на оснастку, замедления процесса (необходимости начинать всё с нуля) и геометрических ограничений.
Полезно для проверки идей
С распространением 3D-печати мир прототипирования мгновенно оживился. Аддитивное производство устранило ключевые сложности процесса, которые изначально сдерживали новаторов. Сегодня современное оборудование для 3D-печати стало гораздо дешевле и доступнее. Это означает, что молодые компании могут тестировать новые идеи продуктов на ходу, без финансовых или технических ограничений. Благодаря 3D-печати прототипов нет задержек и затрат на оснастку. Новые продукты быстрее выходят на рынок.
Экономически эффективная настройка
Традиционные методы производства были разработаны для массового производства. Они могут быть дорогостоящими, если требуется лишь небольшое количество индивидуальных деталей. Экономия за счёт масштаба не очень эффективна при малых объёмах производства. Однако 3D-печать подходит для мелкосерийного производства, что делает её настоящей палочкой-выручалочкой для AB-производителей, тестирующих рынок с различными вариантами продукции и выпускающих ограниченные серии.
Материальная эффективность
Мировой климат стремительно нагревается из-за стремительного роста потребления. Однако расточительное производство также является ключевым фактором этой неустойчивости. 3D-печать — гораздо более ресурсосберегающий способ производства, поскольку в процессе образуется мало отходов.
Недостатки 3D-печати
Ограниченная прочность материала
Когда прототипы, напечатанные на 3D-принтере, разрушаются, они часто ломаются вдоль линий слоёв. Послойный метод производства приводит к ослаблению межслоевых связей. В отличие от этого, литые детали имеют прочные связи по всей внутренней структуре.
Другими словами, 3D-печать ненадёжна для ударопрочных изделий. Для получения более прочных деталей необходимо использовать связующее вещество, но это может привести к загрязнению. Частота дефектов увеличивается при использовании материалов с плохой адгезией (например, нейлона).
Медленнее для производства
3D-печать кардинально меняет представление о масштабируемости. В то время как литье под давлением позволяет изготавливать тысячи деталей в час, 3D-печать производит всего одну деталь за час. Это может быть приемлемо на этапе проверки концепций, но на практике часто возникает экономический конфликт, приводящий к увеличению производственных затрат за счет времени и рабочей силы.
Грубая обработка поверхности
Послойный подход к производству в 3D-печати влечет за собой множество неприятных моментов. Мы только что рассмотрели, как слабые межслоевые связи влияют на долговечность детали. Еще одна проблема — неэстетичный внешний вид. Тонкие линии, образующиеся в местах соединения слоев, сохраняются даже в готовом изделии. Для клиентов 3D-печати это означает необходимость тратить больше времени на финишную обработку поверхности. Однако целостность конструкции (форма, функциональность, соответствие требованиям) может быть нарушена в процессе финишной обработки.
Размерная неточность
Тепловая зависимость 3D-печати представляет собой серьёзный риск для точности. Несоответствия размеров, возникающие при финишной обработке, меркнут по сравнению с деформацией и усадкой 3D-деталей при охлаждении. Это не тот процесс печати, который можно настроить и забыть, поскольку даже незначительные изменения атмосферных условий могут повлиять на качество деталей. В бухгалтерской книге производителя это выражается в высоких затратах на дефекты и брак, неоправданных задержках из-за постоянных доработок и отзывах продукции из-за проблем с допусками и подгонкой.
Процесс аддитивного производства против субтрактивных и формирующих методов
Субтрактивное производство — это полная противоположность пошаговому созданию слоев, необходимому для изготовления новых деталей в аддитивных процессах. Субтрактивный подход предполагает вырезание материалов из цельного блока для создания точных деталей с помощью специализированных станков. Различия между аддитивным и субтрактивным методами производства заключаются в стоимости, эффективности и масштабируемости.
| Различия | Производство добавок | Субтрактивное производство |
| Стоимость | Низкая из-за эффективности материала | Высокая из-за потерь материала |
| Уровни допуска | 0.1 мм | 0.025 мм |
| Внутренние особенности | Возможное | Невозможно |
Стоимость
В процессе субтрактивного производства огромное количество материалов уходит в отходы. Если производители не планируют повторно использовать стружку и крошку, такой подход может оказаться чрезмерно дорогим. Аддитивное производство, как видно на примере послойного нанесения в 3D-печати, отличается высокой эффективностью использования материалов. Даже при исправлении дефектов на этапе постобработки объём отходов крайне незначителен.
Эффективность
Допустимые отклонения в субтрактивном производстве ниже, чем в аддитивном. Однако эта разница динамически меняется в зависимости от технологии печати и используемых материалов. Проще говоря, аддитивное производство следует использовать для проектов с низкими требованиями к допускам, а субтрактивное — для проектов с жесткими требованиями к допускам.
Многогранность
В субтрактивном производстве 90% внимания уделяется внешним характеристикам и внешнему виду материалов. Сколы не позволяют получить доступ к внутренней структуре детали. В аддитивном производстве можно создавать практические внутренние особенности во время послойного формирования. К ним относятся полые контуры с постоянными размерами, внутренние каналы (для деталей с потоками жидкости или газа) и пористые детали. Это может помочь вам добиться лучшего соответствия продукта требованиям рынка.
Какие материалы можно использовать в 3D-печати?
Успех или провал ваших 3D-деталей зависит от выбранных вами материалов. Весь мир у ваших ног. Существует больше материалов для 3D-печати, чем мы можем здесь перечислить. Вот 7 лучших вариантов.
1. Полимолочная кислота, также известная как PLA
Когда производителям нужна продукция, безопасная для окружающей среды, PLA становится настоящим спасением, ведь он полностью возобновляемый. Он производится из кукурузного крахмала. Кроме того, его легче обрабатывать, так как он плавится при температуре ниже 250 градусов Цельсия. PLA не деформируется.
2. Акрилонитрилбутадиенстирол, также известный как АБС
Одним из недостатков 3D-печати, о котором мы говорили ранее, являются слабые межслойные связи. ABS-материалы представляют собой стратегическое решение этой проблемы, образуя неразрывные межслойные связи. В условиях эксплуатации это уникальное свойство обеспечивает высокую несущую способность деталей из ABS-пластика, напечатанных на 3D-принтере. ABS также обладает более высокой ударопрочностью по сравнению с деталями из нейлона, напечатанными на 3D-принтере.
3. Полиэтилентерефталатгликоль, также известный как ПЭТГ
Материалы PETG одобрены FDA для производства деталей и изделий, контактирующих с пищевыми продуктами. Это означает, что юридические риски и риски, связанные с соблюдением нормативных требований, ниже при разработке новых упаковочных материалов для пищевых продуктов.
Среди других преимуществ — значительно меньший риск коробления и простота обработки (температура экструзии 250 градусов Цельсия). Пластины из ПЭТГ также устойчивы к влаге.
4. Нейлон, также известный как полиамид (ПА12 / ПА6)
Детали из нейлона снижают риск выхода из строя изделия в условиях интенсивного износа, изгиба и больших нагрузок. Максимальная температура экструзии составляет 270 градусов Цельсия, однако высокая влажность ухудшает качество склеивания.
5. Поликарбонат (ПК)
3D-печать поликарбонатом значительно упрощает процесс изготовления небьющихся прозрачных деталей на заказ. Несмотря на то, что сопло должно нагреваться до высокой температуры (более 280 градусов Цельсия), детали меньше подвержены деформации. Преимущества поликарбоната в 3D-печати включают в себя высокую размерную стабильность, повышенную ударопрочность и улучшенную оптическую прозрачность.
6. Термопластичный полиуретан, также известный как (ТПУ)
ТПУ наследует качества исходных материалов – пластика и резины. Температура экструзии ТПУ средняя – 240 градусов Цельсия. Его преимущества включают:
- Высокая растяжимость
- Высокая ударопрочность
7. Металлические материалы
3D-печать хорошо подходит для широкого спектра металлов, позволяя получать прочные, жёсткие и долговечные изделия. Среди наиболее популярных металлических материалов для 3D-печати:
| Металл | Температура печати (градусы Цельсия) | Прочность. Мегапаскали (МПа) | Твердость печатной детали. | Шероховатость поверхности (мкм Ra) |
| Алюминиевый | 650 | 460 | 80 (HRB) | 15 |
| Нержавеющая сталь | 1360 | 1100 | 44 HRC | 10-20 |
| Титановый сплав класса 5 | 1360 | 900 | 36 HRC | 25 |
| Кобальт | 1600 | 1300 | 47 HRC | 15 |
| Инконель | 1300 | 1434 | 30-35HRC | 15 |
Процессы полимерной 3D-печати
Процессы полимерной 3D-печати просты: деталь проходит этап проектирования, изготовления слоёв и последующей печати. Подготовительные этапы между этапами включают нарезку и калибровку настроек принтера.
В процессе изготовления производственный процесс может включать экструзию, спекание или плавку. Этот этап производства зависит от выбранной технологии: FDM, SLS или SLA.
На этапе постпечатной обработки отпечатанная деталь снимается с основы, очищается и проверяется на точность. Затем деталь проходит различные испытания на прочность на растяжение, предел усталости и изгиб.
Процессы 3D-печати металлом
Процесс 3D-печати металлом начинается на этапе проектирования в системе САПР и проходит через этапы нарезки, спекания, плавки или сплавления. После утверждения проекта модель готовится к печати. На этом этапе выполняется нарезка или преобразование в слои высокого разрешения в системе САПР.
Перед началом производства инженеры устанавливают важные параметры печати для повышения качества продукции. К ним относятся:
- Температура плавления
- Мощность лазера и размер пятна
- Скорость сканирования и вектор вращения
Фактический производственный процесс включает в себя мониторинг потока порошка в режиме реального времени, рециркуляции газа и расплавленной ванны. Для достижения наилучших результатов инженеры также проверяют и корректируют параметры лазерной экспозиции и перекрытия сканирования. Периодическое переплавление слоёв помогает повысить прочность напечатанной детали.
Постобработка начинается вскоре после термообработки и направлена на оптимизацию структурной прочности напечатанной детали. В ходе неё выполняются следующие операции по улучшению поверхности: химическая полировка, электроэрозионная обработка и фрезерование на станках с ЧПУ.
Выбор правильного процесса 3D-печати
Моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF)
FDM-печать экономит время и деньги при работе с полимерными материалами, включая пластик и резину. Это очень простой производственный процесс, включающий нагрев и расплавление материалов, а затем их выдавливание через сопло. Деталь формируется слой за слоем на основании с установленными опорными конструкциями для её фиксации.
Такие недостатки метода FDM, как межслоевая слабость и шероховатость поверхности, можно контролировать с помощью:
- Оптимальные настройки температуры экструзии
- Улучшение высоты слоя
- Балансировка скорости печати
- Изменение ориентации детали
Стереолитография (SLA) / Цифровая обработка света (DLP)
Альтернативным методом аддитивного производства на основе полимеров является SLA (Sl-Laser ). Здесь не используется нагрев или экструзия; вместо этого жидкая смола (материал) подвергается воздействию лазерного луча. Лазерный свет заставляет материал отверждаться и затвердевать слой за слоем.
Распространённые проблемы SLA-печати, такие как усадка деталей или расслоение слоёв, можно решить, сократив время экспозиции лазера, оптимизировав толщину слоя и используя подходящие смолы. Выбирайте SLA, если вам нужны более качественные результаты. SLA экономит время, а FDM — деньги. Выбор за вами.
Селективное лазерное плавление
При работе с материалами наиболее предпочтительным методом цифрового производства является SLM . Как и SLA, он использует высокоинтенсивный лазерный луч для сканирования материалов (порошкообразных форм стали, алюминия, инконеля или кобальта). В отличие от SLA, в SLM лазер фактически расплавляет материалы в соответствии с инструкциями G-кода из проекта, формируя деталь слой за слоем.
К распространенным проблемам, возникающим при селективном лазерном плавлении, относятся высокая шероховатость поверхности, внутренняя пористость и остаточные напряжения.
Все эти эффекты можно смягчить при последующей обработке путем отжига и нагревания, а также сжатия под давлением.
Постобработка и финишная обработка
Постобработка подразумевает улучшение качества продукции после того, как деталь снята с печатного основания.
Методы 3D-постобработки полимеров включают определённую шлифовку, механическую обрезку и ультразвуковую очистку. Металлы могут подвергаться таким методам 3D-обработки, как термообработка, отжиг и горячее изостатическое прессование (ГИП).
Программное обеспечение и инструменты для 3D-печати
3D-печать как полимерами, так и металлами, независимо от используемой технологии, возможна благодаря широкому спектру инструментов, включая:
Системы автоматизированного проектирования (САПР): это программное обеспечение, помогающее создавать 3D-проекты для последующего использования в производстве. Некоторые САПР также могут помочь в моделировании и оптимизации реальных проектов. Ведущие бренды САПР включают Autodesk и SolidWorks.
Инструменты 3D-моделирования: процесс преобразования данных САПР в физический объект является частью основополагающих рабочих процессов 3D-печати. Именно здесь на помощь приходят инструменты 3D-моделирования, предлагающие возможности создания физических объектов и управления проектами. Ведущие бренды инструментов для 3D-моделирования включают Blender, Rhino и Autodesk.
Форматы файлов: это методы кодирования, сохранения и передачи файлов и данных проекта таким образом, чтобы предотвратить их потерю или повреждение. Форматы файлов для 3D-печати создаются на этапах проектирования и нарезки (с помощью программного обеспечения для проектирования и нарезки) и включают в себя такие популярные форматы, как STL, OBJ и 3MF.
Программное обеспечение для слайсеров: Программное обеспечение для слайсеров объединяет компьютерное проектирование и инструкции, готовые к печати. Эти инструменты помогают формировать G-код (инструкции для проектирования, интерпретируемые принтером) и настраивать параметры рабочего процесса. Примеры решений для слайсеров включают PrusaSlicer, Simplify3D и Cura.
Инструменты управления и мониторинга принтера
После начала процесса печати производители контролируют такие параметры, как температура и расход материала. Лучшие решения для мониторинга помогают отслеживать эти параметры и выявлять отклонения для немедленного устранения. Ведущие решения для мониторинга процесса 3D-печати включают OctoPrint, Repetier-Host и MakerBot Print.
Советы по дизайну для 3D-печати
Все, что может пойти не так во время 3D-печати, почти всегда можно исправить на этапе проектирования, воспользовавшись следующими рекомендациями.
1. Используйте правильную толщину стенок.
Толщина стенки — это расстояние между внутренней и внешней поверхностями детали, напечатанной на 3D-принтере. Если этот размер слишком мал, деталь становится хрупкой, а если слишком велик, происходит её деформация. Оптимальная толщина стенки поверхности способствует как структурной прочности, так и геометрической точности поверхности детали.
2. Оптимизируйте ориентацию слоев в дизайне
Наиболее известным слабым местом почти всех деталей, напечатанных на 3D-принтере, является область вдоль оси Z. (Похоже, что многослойность — это дар, который не перестает радовать.) Чтобы преодолеть эту межслоевую слабость, конструкция должна быть такой, чтобы нагрузка на деталь была ориентирована в плоскости XY, а не вдоль оси Z.
3. Уменьшите количество выступов и мостов
Если углы нависания превышают 45 градусов, наиболее вероятным результатом будут провисание и неприятные дефекты поверхности. Увеличивая высоту слоя и используя фаски, производители могут повысить качество деталей и сократить временные затраты на постобработку.
4. Чистая формула филамента
В процессе 3D-печати выделяются пары, содержащие летучие органические соединения (ЛОС) и ультрадисперсные частицы (УДЧ). Как показали недавние исследования, они представляют опасность для здоровья и могут проникать в легкие . Правильный состав филамента, снижающий выделение газов, повышает эффективность 3D-печати, но самое главное – обеспечивает безопасность всех участников процесса.
5. Тепловизионные датчики
В процессах SLS и SLM часто наблюдается сильное выделение тепла, которое может привести к ожогам или взрывам. Если это не контролировать, это может привести к травмам на рабочем месте и последующим судебным искам и крупным штрафам. Использование предиктивных алгоритмов и датчиков контроля температуры — первый шаг к обеспечению безопасности. Инженерам-проектировщикам 3D-печати также следует рассмотреть возможность создания герметичных камер и проведения всех процессов печати в таких помещениях.
Приложения и примеры использования в отрасли
Технология 3D-печати теперь доступна потребителю и повсеместно используется в производстве произведений искусства, товаров на заказ и предметов личного пользования. Однако в промышленных масштабах именно эти сферы применения являются основными драйверами роста в этом секторе.
- Корпуса бытовой электроники
- Инструменты для красоты и косметики
- Детали носимых устройств и смарт-устройств
- Индивидуальная упаковка
- Встроенная электроника
Заключение
Изначально классические производители считали 3D-печать апокалиптической угрозой для отрасли. Но сегодня 3D-печать и традиционное производство сосуществуют. 3D-печать открывает огромные возможности для разработки уникальных продуктов. Грамотное проектирование и оптимизация процесса печати позволяют добиться потрясающих результатов.
Часто задаваемые вопросы (FAQ)
Если деталь сложная, малосерийная или требует индивидуальной настройки, то она, как правило, подходит хорошо.
Да, это зависит от материала и процесса, но напечатанные детали, как правило, слабее по линиям слоев.
Нет, он в основном предназначен для прототипов, деталей на заказ и мелкосерийного производства.
Большинство полимерных отпечатков слабее из-за адгезии слоев; металлические отпечатки могут соответствовать традиционным по прочности или превосходить их.
