3D Fill Facebook 3D Fill Google +

3D Принтиране

3D Printer

Какво е 3D печат?

3D печат /триизмерен печат/ е съвременна технология за изработка на предмет с произволна форма с помощта на цифров модел. Реализира се като адитивен процес, при който се нанасят последователни слоеве от материал, така че да оформят желаният предмет. В този смисъл триизмерният печат е коренно различен от традиционните техники, при които за оформянето на желания детайл се отнема материал (пр. рязане и струговане).


Как работи 3D принтирането?

Всичко започва с направата на виртуален образ на предмета, който искате да принтирате. Този виртуален дизайн се осъществява чрез CAD файл посредством програма за 3D моделиране (за направата на нов продукт) или чрез употребата на 3D скенер (при копие на съществуващ предмет).

3D скенерите използват различни технологии за създаването на 3D модел, като time-of-flight, structured light, volumetric scanning и много други.

Напоследък, много ИТ компании подобно на Microsoft и Google развиват устройства им, така че да поддържат функцията 3D сканиране. Добър пример е Microsoft Kinect, което е ясен знак, че бъдещите джобни устройства, като смарт телефоните ще имат интегрирани 3D скенери. Цифровизирайки реални обекти в 3D модели ще е толкова лесно колкото и заснемането.

За да се създаде цифровият файл за принтиране, 3D софтуера "разрязва" финалният модел в хиляди хоризонтални слоя. По този начин 3D принтера може да пресъздаде премета слой по слой. Той прочита всеки разрез и създава предмета, смесвайки всеки слой, като резултат се получава триизмерен предмет.

Процеси и технологии

В основата на 3D принтирането е адитивният процес, но не всички 3D принтери използват една и съща технология. Има няколко начина за принтиране, като основната разлика е в полагането на слоевете за образуването на крайния продукт.

Някои методи използват топене или размекване на материал за полагането на слоеве. Лазерно синтероване (Selective Laser Sintering - SLS) и (Fused Deposition Modeling - FDM) са най-разпространените технологии, които използват тази технология. Друг метод е чрез втвърдяване на течен фотополимер чрез UV светлина или друг подобен източник. Най-разпостранената технология, която използва този метод се нарича стереолитография (Stereolithography - SLA).

За да бъдем по прецизни: от 2010 съществува набор от стандарти, които класифицират Адитивните производствени процеси в 7 категории според Стандартна Терминология за Адитивни Производствени Технологии. Тези седем процеса са:

  1. Photopolymerisation
  2. Material Jetting
  3. Binder Jetting
  4. Material Extrusion
  5. Powder Bed Fusion
  6. Sheet Lamination
  7. Directed Energy Deposition
  8. По долу сме описали накратко всичките седем процеса използвани за 3D принтиране:

Photopolymerisation

3D принтер базиран на метода фотополимеризация разполага с контейнер пълен с течен фотополимер, който се втвърдява чрез ултравиолетов източник на светлина.

3D Photopolymerisation

Най разпостранената технология използваща този процес е Stereolithography (SLA). За осъществяването ѝ е необходима вана, течен полимер засъхващ при въздействието на UV светлина и UV лазер за изграждането на слоевете. За всеки слой, лазерният лъч описва напречното сечение на частта върху течният полимер. Подложен на UV светлина, полимера се втвърдява и залепва за долния слои.

След като слоят е втвърден, платформата се снижава с разстояние, което е равно на дебелината на един слой. Типично от 0.05 mm до 0.15 mm. След това острие пълно с полимера преминава през напречното сечение на частта, покривайки го с нов материал. Върху този нов течен слой, се описва новото напречно сечение съединявайки го с предишния слой последователно изграждайки триизмерният обект. Stereolithography изисква използването на поддържаща структура. Тя служи за прикрепянето на частта към подвижната платформа в противен случай детайла би плувал във ваната пълна с течният полимер. След като предмета се принтира, поддържащата структура се премахва ръчно.

Тази технология е изобретена през 1986 от Charles Hull.

Material Jetting

При този процес, материала се нанася на капчици през дюза с малък диаметър, подобно на мастилените принтери. Инжектира се слой по слой върху платформа и после се втвърдява с УВ светлина.

3D Material Jetting

Binder Jetting

Binder jetting използва два материала: материал на прахова основа и течно свързващо вещество. В производствената камера, материала на прах се разнася на равни слоеве и слепващото вещество се нанася през дюза, което "залепя" частиците във формата на 3D обекта. Завършеният обект се намира в контейнера заедно с прахообразният материал. Готовият предмет се изчиства а останалият материал се използва за следващият триизмерен обект. Тази технология е първо изобретена от Масачузетският Технологичен Институт през 1993.

3D Binder Jetting

Material Extrusion

Най-разпространената технология при този процес е Fused deposition modeling (FDM)

FDM технологията използва полимерен добавъчен материал или метална жица, която се развива от макара и се доставя към дюзата на екструдера. Дюзата се нагрява, което предизвиква топене на материала. Тя може да се движи по хоризонтала и вертикала, чрез механизъм контролиран директно от CAM софтуер. Предмета се формира слой по слой чрез екструдиране на разтопен материал, които се втвърдяват веднага, след като попадне на работната маса. Тази технология е най-широко разпространена с два вида полиамидни материали: ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) и PLA (Polylactic acid), но и много други материали са налични.

При необходимост от поддържаща структура, софтуера автоматично генерира такава. Машината нанася два материала, един за модела и един за поддържащата структура, която в последствие се разгражда.

FDM е разработена от Scott Crump в края на 80’s. След като патентова технология, той отваря компанията Stratasys през 1988. Термина fused deposition modeling и неговата абревиатура FDM са запазена марка от Stratasys Inc. Точният еквивалентен термин, fused filament fabrication (FFF), е въведен от членовете на RepRap project, за да може термина да се използва законно.

Powder Bed Fusion

Най-разпространената технология използващ този процес е Selective laser sintering (SLS)

3D Selective laser melting

Тази технология използва мощен лазер, за да разтопи малки частици пластмаса, метал, керамика или стъкло на прах и ги превърне в желаната триизмерна форма. Лазера селективно разтапя материала на прах чрез обхождайки напречните разрези (или слоеве) генерирани от 3D моделиращата програма. След като се формира слоя, леглото се снижава с дебелината на един слой. Тогава нов слой материал се нанася отгоре и процеса се повтаря до завършването на предмета.

Неизползваният материал остава като поддържаща структура, което е предимство пред SLS и SLA. Остатъка от материал на прах може да бъде употребен при принтирането на следващ 3D детайл. SLS е развит и патентован от Dr. Carl Deckard в Тексаският Университет в средата на '80-те, спонсориран от DARPA.

Sheet Lamination

Sheet lamination използва материал на листове, който се свързват чрез външна сила. Листовете може да са метални, хартиени или от полимер. Металните листове се заварят на слоеве посредством ултразвукова заварка. След което CNC машина ги обработва, за да придобият желаната форма. Хартиени листове също могат да се използват, но те се лепят един за друг и после се режат прецизно със специални ножове.

3D Ultrasonic sheet metal printing

Directed Energy Deposition

3D Direct energy deposition

Този процес се използва предимно във високо-технологични индустрии и в бързи производствени приложения. 3D принтиращият апарат е прикрепен към роботизирана ръка. Той е изграден от дюза, която нанася метален прах върху повърхност, и енергиен източник /лазер, плазмена дъга/, който разтапят и формира предмета. Нанасянето на материала може да се извършва под ъгъл благодарение на многоосовата ръка, което го различава от останалите технологии.

Приложения на 3D принтиране

Приложения включващи създаване на прототипи, архитектурни модели в мащаб, макети, здравеопазване (3D принтирани протези и принтиране с човешки тъкани) и развлечение.

Други приложения на 3D принтирането са реконструирането на археологически разкопки, кости и копиране на древни артефакти. В съдебната медицина се използва за пресъздаване на тежко увредени доказателства необходими за криминално разследване.

3D Индустрия

Очакванията за световната 3D принтираща индустрия е да се повиши от $3.07B в навечерието на 2013 до $12.8B до 2018, и се очаква да достигне $21B в световен мащаб до 2020. Технологията на 3D принтирането се развива и променя почти всяка индустрия. Това води и до бъдещи промени в начина на живот.

Медицинска индустрия

Перспективите за употреба на 3D услугите в медицината се развиват с изключително бързи темпове. Пациентите по целият свят могат да се докоснат до по-качествени услуги в областна 3D принтирани импланти и протези невиждани до момента.

Био-принтиране

В началото на 2000 година 3D принтиращите технологии бяха обект на проучване в областа на биотехнологиите - изграждане на органи и части за тялото с тъкани. Слоеве от живи клетки се нанасят върху гел, за да формират триизмерна структура. Проучванията в тази област се назовават с термина: био-принтиране.

Авиационна промишленост

Развитието на 3D принтирането в авиационните и космическите технологии, за големи части, може да бъде извлечено чрез развитието на метало-адитивните производствени технологии.
NASA принтира горивна камера използвайки SLS технологията, а през Март 2015г. GE Aviation сертифицира по FAA първата 3D принтирана част за реактивен двигател.

Автомобилна индустрия

Въпреки че автомобилната индустрия беше една от първите приели 3D принтирането, в последните десетилетия те бяха понижили потреблението на 3D технологии.
В момента използването на 3D печат в автомобилостроенето се увеличава. От прости модели използвани за последна проверка, до функционални части, които се монтират в тестови автомобили, двигатели и платформи. Очакванията са, че 3D принтирането в автомобилната индустрия ще генерира комбинирано $1.1 билиона долара до 2019.

Индустриално принтиране

В последните няколко години термина 3D принтиране е все по-познат и технологията достига широка общественост. Все още доста хора не са го чували, докато технологията се използва с десетилетия. Най-вече производителите отдавна използват тези принтери при разработка на прототипи, при традиционно производство или за научни изследвания.

Бъдеще

Възможностите на 3D машините за принтиране с различни материали, както и цветно принтиране са вече налични и ще продължат да се подобряват до точка, където ще могат да се принтират функционални продукти. С ефектите върху енергийната употреба, редуциране на загубите, персонализиране, медицина, изкуство, архитектура и науки, 3D принтирането ще промени производственият свят.