Технологии и принципы 3D печати

3D печать или аддитивное изготовление – это процедура создания трехмерных жестких объектов  с использованием цифрового файла. Создание 3D-печатного объекта достигается с помощью аддитивных процессов. Суть аддитивного процесса в создании предмета путем укладки последовательных слоев материала до тех пор, пока он не будет создан. Любой из этих слоев представляется как мелко нарезанное  поперечное сечение вдоль изготавливаемого предмета.

Если купить 3D принтер для дома – то можно создавать индивидуальную отрисовку статуэток, подставок, украшений, игрушек, предметов домашней обстановки. Кроме того с помощью этого, пока еще необычного, но уже доступного по цене устройства для дома можно заниматься моделированием машин, дизайна домов, квартир. 3D печать Будущее за оборудованием которое будет изготавливаться с помощью 3D-принтера.

Как работает 3D-печать?

Прежде чем что-либо создать необходим виртуальный дизайн объекта в виде файла средства автоматизированного проектирования и черчения САПР (автоматизированного проектирования). Этот файл САПР создается с помощью приложения для моделирования или с помощью 3D-сканера путем копирования существующего объекта. 3D-сканер оцифровывает копию объекта.

3D сканеры

3D-сканеры используют различные технологии (оптические, лазерные) для создания модели.

Многие  компании разработали оборудование  для выполнения такого типа сканирования,. В ближайшем будущем оцифровать реальные объекты в 3D-модели станет так же просто, как сделать снимок. Будущие версии смартфонов, вероятно, будут иметь встроенные такие сканеры.

Благодаря современным технологиям и усовершенствованиям цены на 3D-сканеры лежат в пределах от дорогих профессиональных промышленных устройств до тех, которые любой может купить домой.

Программное обеспечение для 3D-моделирования

Программное обеспечение для 3D-моделирования также поставляется во многих формах. Есть программное обеспечение промышленного применения, которое стоит много долларов в год за право применения, но также есть и  программное обеспечение со свободным применением и открытым исходным кодом. Есть много видеоуроков для начинающих по различным сервисам 3D-печати.

От 3D-модели к 3D-принтеру

Прежде чем напечатать какую-либо модель необходимо найти образец. Сперва производится нарезка модели. Нарезка-это разделение 3D-модели на множество горизонтальных слоев, и ее необходимо выполнять с помощью программного обеспечения.

Иногда 3D – модель может быть вырезана из программного приложения для моделирования. Также возможно использование определенного инструмента нарезки для принтера.

Когда  модель нарезана можно передать ее на свой 3D-принтер. Это можно передать любым электронным способом. Всё действительно зависит от того, какая марка и тип принтера  есть.

Когда файл находится в 3D-принтере, возможна печать слой за слоем. 3D – принтер считывает каждый срез (2D-образ) и создает трехмерный объект.

Различные типы и виды  технологий и процессов 3D-печати

3D-принтеры используют разную технологию. Существует несколько способов печати, и все доступные из них являются аддитивными, отличающимися, в основном, способом построения слоев для создания конечной вещи.

Чаще всего для применения в быту используют плавление или размягчение материала для получения слоев.

  • Моделирование методом послойного наплавления объект формируется путём послойной укладки расплавленной нити из плавкого рабочего материала, чаще в виде пластика.
  • Метод многоструйного моделирования с использованием струйной печати.
  • Селективное лазерное плавление методом с использованием режущего лазера.
  • Селективное лазерное спекание из порошкового материала (пластик, металл).
  • Электронно-лучевая плавка – путем сплавления металлического порошка.

Моделирование методом осаждения  расплавленной нити

Технология  работает с использованием пластиковой нити или металлической проволоки, которая разматывается с катушки и подает материал в сопло для продавливания вязкого материала, которое может включать и выключать поток. Сопло нагревается для расплавления материала и может перемещаться а различных направлениях с помощью оборудования с числовым управлением. непосредственно управляемого программным пакетом автоматизированного производства. Объект изготавливается путем выдавливания из сопла расплавленного материала с образованием слоев, поскольку материал затвердевает сразу после появления из сопла. При этой технологии наиболее часто используются два типа пластиковых нитей: ABS (акрилонитрилбутадиенстирол) и PLA (полимолочная кислота).

Хотя многие другие материалы возможны в диапазоне свойств от древесного наполнителя до гибких и даже проводящих материалов.

Метод осаждения расплавленной нити был изобретен американским изобретателем Скоттом Крампом в конце 80-х годов. После патентования этой технологии он стал развивать торговую марку Stratasys с 1988 года. Программное обеспечение, поставляемое с этой технологией, при необходимости автоматически генерирует вспомогательные структуры. Машина распределяет два материала, один для модели и один для одноразовой опорной конструкции.

Термин моделирование плавленого осаждения и его аббревиатура являются торговой маркой Stratasys Inc.

Фотополимеризация

Фотополимеризация основана на методе фотополимеризации в чане. Имеет контейнер, заполненный фотополимерной смолой, которая затем отверждается с помощью источника ультрафиолетового света. Это метод  когда мы говорим об отверждении фотореактивной смолы УФ-лазером или другим подобным источником питания по одному слою за раз. Наиболее распространенная технология, использующая этот метод, называется стереолитографией.

Стереолитография

Во многих случаях используется технология называемая стереолитография. Эта технология использует чан с жидкой отверждаемой ультрафиолетовым излучением фотополимерной смолой и ультрафиолетовый лазер для создания слоев объекта по одному за раз. Для каждого слоя лазерный луч прослеживает поперечное сечение рисунка детали на поверхности жидкой смолы. Воздействие ультрафиолетового лазерного излучения лечит и затвердевает рисунок, нанесенный на смолу, и соединяет его с нижележащим слоем.

После того, как рисунок был прослежен, платформа лифта опускается на расстояние, толщина которого равна десятым долям миллиметра. Затем заполненное смолой лезвие проходит по поперечному сечению детали, повторно покрывая ее свежим материалом. На этой новой поверхности жидкости прослеживается рисунок последующего слоя, соединяющийся с предыдущим слоем. Полный трехмерный объект формируется этим проектом. Метод стереолитографии должен использовать несущие конструкции, которые служат для крепления детали к платформе лифта и удержания объекта, поскольку он плавает в бассейне, заполненном жидкой смолой. Эта техника была изобретена в 1986 году Чак Халлом, который также в то время основал компанию 3D Systems.

Чак Халл

Чак Халл, считается, что именно он  изобрел 3Д печать

Струйная обработка материала

В этом процессе материал наносится каплями через сопло небольшого диаметра, аналогично тому, как работает обычный струйный бумажный принтер, но он наносится слой за слоем на строительную платформу, создающую 3D-объект, а затем отверждается ультрафиолетовым светом.

Струйная обработка связующего материала

При струйном нанесении связующего используются два материала: порошковая основа и жидкое связующее. В камере сборки порошок распределяется равными слоями, а связующее наносится через струйные сопла, которые “склеивают” частицы порошка в форме запрограммированного 3D-объекта. Готовый объект “склеивается” связующим веществом, оставшимся в контейнере с порошковой основой. После завершения печати оставшийся порошок очищается и используется для 3D-печати следующего объекта. Этот принцип был впервые разработан в Массачусетском технологическом институте США в 1993 году, а в 1995 году Z Corporation получила разрешение на производство.

Печать плавленой нитью

Технология изготовления плавленых нитей была придумана участниками проекта RipRap, чтобы дать фразу, которая была бы юридически неограниченной в ее использовании.

Существуют различные типы 3D-принтеров с печатью плавленой нитью. Они различаются по механическому устройству и системам координат. Декартова система координат, например, полностью отличается от дельта-системы координат, но даже в декартовой системе координат существуют различные механические механизмы.

Селективное лазерное спекание

Селективное лазерное спекание  использует лазер высокой мощности для плавления мелких частиц пластмассовых, металлических, керамических или стеклянных порошков в массу, имеющую желаемую трехмерную форму. Лазер избирательно плавит порошкообразный материал, сканируя поперечные сечения (или слои), созданные программой 3D-моделирования на поверхности слоя порошка. После сканирования каждого поперечного сечения слой порошка опускается на одну толщину слоя. Затем сверху наносится новый слой материала, и процесс повторяется до тех пор, пока объект не будет завершен. Весь нетронутый порошок остается таким, как есть, и становится опорной структурой для объекта. Следовательно  (лазер, электронный луч или плазменная дуга), которая плавит его, образует твердый объект. Нет необходимости в какой-либо опорной структуре, которая является преимуществом. Весь неиспользованный порошок можно использовать для следующей печати.  Способ был изобретен и зарегистрирован в середине 1980-х годов.

Ламинирование листов

Слоение листов включает в себя материал в листах, который связан вместе с внешней силой. Листы могут быть металлическими, бумажными или полимерными. Металлические листы свариваются между собой послойной ультразвуковой сваркой, а затем фрезеруются с ЧПУ до правильной формы. Можно также использовать бумажные листы, но они склеены клеем и вырезаны по форме точными лезвиями. Ведущей компанией в этой области является Mcor Technologies.

Прямой подвод энергии и материала

Этот процесс в основном используется в высокотехнологичной металлургической промышленности и в быстром производстве. Устройство для 3D-печати обычно крепится к многоосевой роботизированной руке и состоит из сопла, которое наносит металлический порошок или проволоку на поверхность. С помощью сфокусированного источника энергии может ремонтировать сложные поврежденные детали.