Дорогие друзья!
Если вы читаете эту статью, значит, вы хотите разобраться во всём этом разнообразии терминов и определений, непонятных слов и сленговых выражений, сокращений и аббревиатур, связанных с огромным и увлекательным миром 3D печати.
И так. Что же такое 3D-печать?
Понятие 3D-печать, она же трёхмерная печать (официальное название – аддитивное производство) обозначает технологии, при которых физический объект создаётся из виртуальной 3D-модели путём послойного нанесения материала.
Сначала эти технологии назывались технологиями «быстрого прототипирования» (от английского Rapid Prototyping), так как они описывали создание физических объектов непосредственно по цифровым данным. Однако термин RP-технологии довольно быстро устарел и в настоящее время не отражает в полной мере реальной сути технологии. Методами «быстрого прототипирования» сейчас изготавливаются вполне коммерческие, товарные изделия, которые уже нельзя назвать прототипами [1].
Существуют чёткие определения по ГОСТу, которые отображают всю суть 3D печати:
Трехмерная печать (ЗD-печать) (3D printing): Производство объектов путем послойного нанесения материала печатающей головкой, соплом или с использованием иной технологии печати [2].
Аддитивное производство; (АП) (аддитивный технологический процесс) (additive manufacturing): Процесс изготовления деталей, который основан на создании физического объекта по электронной геометрической модели путем добавления материала, как правило, слой за слоем, в отличие от вычитающего (субтрактивного) производства (механической обработки) и традиционного формообразующего производства (литья, штамповки) [2].
Откуда появилась 3D-печать?
Создателем первого 3D-принтера является Чарльз Халл, один из основателей корпорации 3D-Systems.
Экономический кризис 1980-х гг. заставил предприятия искать новые технологии, и становилось понятно, что будущее связано с компьютеризацией производства. Необходимы были специалисты, способные соединить IT-технологии и конвейерное производство.
В 1983 г. Чарльз Халл работал в компании Ultraviolet Products (UVP), где занимал должность вице-президента по разработкам. Компания ориентировалась на производство ламп, оборудования и разработку светочувствительных полимеров. Разработки UVP применялись, например, в мебельном производстве и позволяли заменить лаки и краски для дерева на полимеры, которыми покрывали деревянный материал с последующим его отвердением под действием ультрафиолета. В результате получалось прочное пластиковое покрытие с успехом, заменяющее деревянный шпон.
Однажды Халлу пришла мысль, что можно наносить не один слой полимера, а несколько, последовательно воздействуя на них ульрафиолетом под управлением компьютера. Тогда можно сформировать пластиковое покрытие произвольной формы. Так родилась идея, благодаря которой в дальнейшем был совмещён процесс компьютерного моделирования и фотохимии. Эта идея захватила Халла и он интенсивно конструировал оборудование, анализировал полимеры и писал компьютерные программы.
Спустя несколько месяцев пришла первая удача – наконец появился рабочий вариант установки, в которой ультрафиолетовая лампа освещала емкость с фотополимером. Компьютерный код Халл написал самостоятельно, поэтому первые изделия были простой формы. 9 марта 1983 г. считается датой рождения 3D-печати. В этот день устройство за 45 минут «жужжания» произвело небольшую чашу, которую Халл держал в руке и говорил – «У меня получилось, теперь мир никогда не будет прежним».
Год спустя Халл получил патент США под названием «Аппарат для создания трёхмерных объектов с помощью стереолитографии», который был зарегистрирован 8 августа 1984 г. В патенте стереолитография была описана как технология создания твёрдых предметов с помощью последовательной печати и обработкой ультрафиолетом тонких слоев материала [3].
До середины 90-х гг. новая технология использовалась главным образом в научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности, связанной с оборонной промышленностью. Первые лазерные машины – сначала стереолитографические (SLA-машины), затем порошковые (SLS-машины), были чрезмерно дороги, выбор модельных материалов – весьма скромный. Широкое распространение цифровых технологий в области проектирования (CAD), моделирования и расчетов (CAE) и механообработки (CAM) стимулировало взрывной характер развития технологий 3D-печати, и в настоящее время крайне сложно указать область материального производства, где в той или иной степени не использовались бы 3D-принтеры.
Что представляет 3D-печать сегодня?
Сегодня 3D-печать приобрела статус революционного подхода, который позволяет переместить процесс изготовления объекта (деталь, узел, конструкция) из традиционной сферы крупного производства в высокоэффективные малые предприятия и даже в домашнее производство. При этом речь идёт не только об изготовлении оригинальных или мелкосерийных деталях, но и о полноценном серийном производстве.
Сегодня 3D-печать используется от получения самых простых «поделок» до изготовления сложных медицинских протезов и производства деталей в авиационной, автомобильной и судостроительной областях.
В области промышленного производства для проектирования новой продукции всегда требуется создание моделей - прототипов будущей продукции. Трёхмерные принтеры позволяют существенно ускорить весь процесс - можно получать готовые прототипы практически одним нажатием кнопки. В результате, вне зависимости от технических характеристик изделия его можно создать за считанные часы. Тем самым экономятся ресурсы и время. Особенно это актуально для машиностроения и многих других областей промышленного производства.
Аддитивные технологии позволяют:
• увеличить производительность труда в 30 раз,
• довести коэффициент использования материала до 98%,
• снизить массу конструкции на 50%.
Благодаря использованию трехмерных принтеров сокращается время на конструкторские работы, гораздо более оперативно принимается решение
о запуске изделия в серию. Созданный при помощи 3D-печати макет помогает обнаружить недочёты в конструкции ещё на этапе разработки. Важно, что принтер даёт возможность изготовить столько макетов или отдельных деталей, сколько необходимо для проектирования, а не сколько представляется возможным вследствие каких-либо производственных ограничений [4].
В области творчества 3D печать позволяет воплощать в материале любые образы, рождённые компьютерной графикой.
При использовании 3D-печати все стадии реализации проекта от идеи до материализации (в любом виде – в промежуточном или в виде готовой продукции) находятся в «дружественной» технологической среде, в единой технологической цепи, где каждая технологическая операция также выполняется в цифровой CAD/CAM/CAE-системе. Практически это означает реальный переход к «безбумажным» технологиям, когда для изготовления детали традиционной бумажной чертежной документации в принципе не требуется [1].
Какие существуют методы 3D печати?
За 40 лет развития аддитивного производства появилось множество технологий формирования физических объектов средствами 3D-печати. Однако в основе всех методов по-прежнему лежит процесс послойного наращивания материала. Главные отличия среди множества технологий 3D-печати состоят в способах формирования слоёв и разновидностях материалов, которые при этом используются. Известные технологии 3D печати приведены в списке [5].
1. СТРУЙНОЕ НАНЕСЕНИЕ СВЯЗУЮЩЕГО ВЕЩЕСТВА
1.1. BJ англ. Binder Jetting
PCM - безмодельное литейное производство (англ. Patterniess Casting Manufacturing). Разработано Guangdong Fenghua Zhuoti Technology Co., Ltd
1.2. MBJ - струйная печать из металлического порошка со связующим веществом (англ. Metal Binder Jetting)
MJ - струйная печать из металлического порошка со связующим веществом (англ. Metal Jet). Разработано HP, Inc.
MJ3DP- струйная печать из металлического порошка со связующим веществом (англ. Metal Jet 3D printing)
SPJ- струйная печать из металлического порошка со связующим веществом (англ. Single Раss Jetting). Разработано Desktop Metal, Inc.
2. ПРЯМОЙ ПОДВОД ЭНЕРГИИ И МАТЕРИАЛА
2.1. DED-P- осаждение газопорошковой струи при помощи направленного энергетического воздействия (англ. Powder Direct Energy Deposition)
DMD - прямое осаждение металла (англ. Olrect Metal Deposition)
LENS- англ. Laser Engineering Net Shape. Разработано Optomec, Inc.
LMD - лазерное осаждение металла (англ. Laser Metal Deposition)
2.2. DED-W- наплавка металлической проволокой (англ. Wire Direct Energy Deposition)
WAAM - электродуговое проволочное аддитивное производство (англ. Wire Arc Additive Manufacturing)
3DMP- металлическая ЗD-печать (англ. 3D Metal Print). Разработано GEFERTEC GmbH
RPD - быстрая плазменная наплавка проволокой (англ. Rapid Plasma Deposition)
2.3. DED-W- наплавка металлической проволокой (англ. Wire Direct Energy Deposition)
ЕВАМ- электронно-лучевая плавка проволокой (Electron Beam Additive Manufacturing). Разработано Sciaky, Inc.
EBF3– электронно-лучевая плавка проволокой (англ. Electron Beam Freeform Fabrication)
2.4. DED-W - наплавка металлической проволокой (англ. Wire Direct Energy Deposition)
LWC - лазерная наплавка проволокой (англ. Laser Wire Cladding)
DED-P- осаждение газопорошковой струи при помощи направленного энергетического воздействия (англ. Powder Direct Energy Deposition)
2.5. Cold Spray - холодное газодинамическое напыление (с англ. )
TKF - холодное газодинамическое напыление (англ. Titomic Kinetic Fusion). Разработано Titomic, Ltd.
SP3D- холодное газодинамическое напыление (англ. Supersonic 3D Deposition). Разработано SPEE3D (Elementum 3D)
3. ЭКСТРУЗИЯ МАТЕРИАЛА
3.1. FDM - моделирование методом послойного наплавлеиия материала (англ. Fused Deposition Modeling). Разработано Stratasys, Inc.
Pellet FDM - моделирование методом послойного наплавления материала из гранул (англ. Pellet Fused Deposition Modeling)
BAAM аддитивное производство большой площади (англ. Big Area Additive Manufacturing). V, Разработано Cincinnati, Inc.
FFF- изготовление из расплавленной нити (англ. Fused Filament Fabrication)
FGF - экструзия гранулированного материала (англ. Fused Granular Fabrication)
LFAM- аддитивное производство больших размеров (англ. Large Format Additive Manufacturing)
LSAM- аддитивное производство больших размеров (англ. Large Scale Additive Manufacturing). Разработано Thermwood Corp.
SEAM - аддитивное производство со шнековой экструзией (англ. Screw Extrusion Additive Manufacturing). Разработано CMS S.p.A.
3.2. CC FDM - ко-экструэия непрерывного композитного волокна (англ. Carbon Continuous Fused Deposition Modeling)
CFC – ко-экструзия непрерывного композитного волокна (англ. Composite Filament Co-extrusion). Разработано Anisoprint LLC
µAFP- микроавтоматизированная укладка композитного волокна (англ. Micro Automated Fiber Placement). Разработано Desktop Metal, Inc.
3.3. FD - ротационная сварка трением (англ. Friction Deposition)
FSLD - осаждение слоев трением (англ. Friction Surfacing Layer Deposition)
MELD- англ. MELD. Разработано MELD Manufacturing, Inc.
3.4. Metal FDM - послойное наплавление металлополимермой композиции (англ. Metal Filament Fused Deposition Modeling)
Metal Pellet FDM - послойное наплавление гранулированной металлополимерной композиции (англ. Metal Pellet Fused Deposition Modeling)
ADAM - атомно-диффузионное аддитивное производство (англ. Atomic Diffusion Additive Manufacturing). Разработано Markforged, Inc.
BMD - осаждение металла со связующим (англ. Binder Metal Deposition). Разработано Desktop Metal, Inc.
3.5. РЕМ - моделирование осаждением пасты (англ. Paste Extrusion Modeling)
EFF - экструзионное свободное формование (англ. Extrusion Free-forming)
EOD- экструзия no требованию (англ. Extrusion-On-Demand)
PDM- моделирование осаждением пасты (англ. Paste Deposition Modeling)
4. СТРУЙНОЕ НАНЕСЕНИЕ МАТЕРИАЛА
4.1. MJM- многоструйная печать (англ. Multi Jet Modelling)
MJP- многоструйная печать (англ. Multi Jet Printing)
PolyJet - англ. PolyJet. Разработано Stratasys, Inc
DOD - осаждение no требование (англ. Drop-on-Demand)
4.2. NPJ - процесс струйной печати наночастицами материалов (англ. NanoParticle Jetting), Разработано XJet, Ltd.
5. СИНТЕЗ НА ПОДЛОЖКЕ
5.1. LB-PBF - лазерное плавление на подложке (англ. Laser Beam Powder Bed fusion) I
LBM - лазерное плавление (англ. laser Beam Melting)
SLM - выборочное лазерное плавление (англ. Selective Laser Melting). Разработано SLM Solutions Group AG
DMLS- прямое лазерное спекание металлов (англ. Direct Metal laser Sintering)
5.2. EB-PBF- электронно-лучевая плавка на подложке (англ. Electron Beam Powder Bed Fusion)
EBM- электронно-лучевая плавка (англ. Electron Beam Melting). Разработано Arcam AB
EBSM - выборочная электронно-лучевая плавка (англ. Electron Beam Selective Melting). Разработано Tianjin SciTsinghua QuickBeam Tech.Co., Ltd.
5.3. PBF - синтез на подложке (англ. Powder Bed Fusion)
SLS - выборочное лазерное спекание (англ. Selective Laser Sintering)
5.4. MJF- многоструйное слекание (англ. Multi Jet Fusion). Разработано HP, Inc.
6. ЛИСТОВАЯ ЛАМИНАЦИЯ
6.1. SL - листовая ламинация (англ. Sheet lamination)
UAM - ультразвуковое аддитивное производство (англ. Ultrasound Additive Manufacturing). Разработано Fabrisonic LLC
6.2. SL- листовая ламинация (англ. Sheet lamination)
LOM - производство из листовых материалов (англ. Laminated Object Manufacturing)
СВАМаддитивное производство на основе композитов (англ. Composite-based Additive Manufacturing). Разработано Impossible Objects, Inc.
SLCOM- листовая ламинация, аддитивное производство на основе композитов (англ. Selective Lamination Composite Object Manufacturing). Разработано EnvisionTEC, Inc.
7. ФОТОПОЛИМЕРИЗАЦИЯ В ВАННЕ
7.1. SLA- стереолитография (англ. Stereolithography). Разработано 3d Systems, Inc.
DIP - цифрован обработка света (англ. Digital Light Processing)
LCD - печать с использованием жидкокристаллического дисплея (англ. Liquid Crystal Display)
UFT - печать проецированием лазерной маски (англ. Light Initiated Fabrication Technology). Разработано Coobx AG
Carbon DIS - цифровой синтез света (англ. Carbon Digital Light Synthesis). Разработано Cartoon, Inc. MOVINGLight - англ. MOVINGLight. Разработано Prodways Group
MSLA- масочная стереолитография (англ. Masked Stereolithography)
7.2. ML - литографическая печать металлов (англ. Metal Lithography)
LMM - литографическое производство из металлов (англ Lithography-based Metal Manufacturing). Разработано Incus GmbH
Для домашнего или офисного использования достаточно начать с простой бюджетной модели 3D-принтера FDM или SLA-технологии, а затем перейти на более функциональные и сложные устройства, которые помогут получать более совершенные результаты.
В следующих статьях я постараюсь более подробно разобрать наиболее распространённые технологии 3D-печати, практические вопросы печати, некоторые особенности и секреты 3D-печати.
Источники:
1. Аддитивные технологии в машиностроении. Политехнический университет. Санкт-Петербург. 2013 М.А. Зленко, А.А. Попович, И.Н. Мутылина.
2. ГОСТ Р 57558—2017 «Аддитивные технологические процессы. Базовые принципы. Часть 1. Термины и определения».
3. Основы компьютерной графики: 3D-моделирование и 3D-печать: учебное пособие / В. В. Лисяк; Южный федеральный университет. – Ростов-на-Дону; Таганрог: Издательство Южного федерального университета, 2021. – 109 с.
4. Технологии и материалы 3D-печати [Электронный ресурс]: учеб. пособие / А.Е. Шкуро, П.С. Кривоногов. – Екатеринбург: Урал. гос. лесотехн. ун-т, 2017.
5. «Аддитивные зарисовки или решения для тех, кто не хочет продолжать терять деньги» 2021. Трубашевский А.