What Is 3D Printing? Working Principle | Types | Applications

Идея трехмерной печати была создана Дэвидом Э. Х. Джонсом в 1974 году. Однако методы и материалы для построения моделей были разработаны только в начале 1980-х годов.

The term ‘3D printing Они охватывают большое количество процессов и методов, которые обеспечивают широкий спектр возможностей для производства компонентов и изделий из различных материалов. В последние годы эти процедуры получили значительное развитие, что позволило многим людям выполнять ключевые функции. applications .

Цель этой обзорной статьи — объяснить различные types процессы 3D-печати, как они работают и каковы их применение и преимущества на современном рынке. Начнем с самого главного вопроса.

Что такое 3D-печать?

3D-печать, также известная как изготовление протезов, — это процесс создания натуральных объектов из трехмерных цифровых или CAD-моделей. Он включает в себя различные технологии, управляемые компьютером, где материалы склеиваются или затвердевают для создания реального объекта.

Как правило, материалы (такие как гранулы пыли или молекулы жидкости, которые сплавляются друг с другом) добавляют слои к матрасу в масштабе тысячелетия. Поэтому трехмерную печать также называют процессом создания протезов.

На рисунке изображено, как 3D printer слои 3D-объекта печатаются на матрасе 3D Logic

In the 1990s, 3D printing Технология, называемая быстрой. Она подходила только для создания эстетических или функциональных прототипов. С тех пор мы прошли долгий путь.

Today’s 3D printing Технологии продвинулись достаточно, чтобы создавать сложные структуры и формы, которые невозможно изготовить вручную.

Точность, ассортимент материалов и итерации 3D-печати выросли до такой степени, что можно построить практически все, начиная от простых оригинальных продуктов, таких как экологические здания, аксессуары для самолетов, медицинские учреждения и даже искусственные устройства с использованием слоев. Человеческие клетки.

Как именно это работает?

All 3D printing Техника основана на следующем principle : a 3D printer При добавлении слоя материала к матрасу, цифровая модель (в качестве входных данных) принимается и преобразуется в натуральный трехмерный объект.

Это сильно отличается от традиционных строительных процессов, таких как литье под давлением или обработка на ЧПУ с использованием различных режущих инструментов, где желаемая структура строится из цельных блоков. Однако трехмерная печать не требует использования режущих инструментов. Объекты создаются непосредственно на сконструированной платформе.

Процесс начинается с цифровой 3D-модели (чертежа объекта). Программное обеспечение (специальное the printer ) разрезает 3D-модель на тонкие 2D-слои. Затем они преобразуются в серию команд. the printer to execute.

Depending on the type of printer И размер объекта, a print Процесс занимает несколько часов. The printed Объекты часто нуждаются в последующей обработке (шабрение, лакировка, окраска и т.д.). types традиционные виды отделки) для достижения оптимального качества поверхности, что требует дополнительного времени и ручных усилий.

Different types of 3D printers Используются различные технологии, которые по-разному обрабатывают различные материалы. Возможно, самое основное ограничение 3D-печати с точки зрения материалов and applications заключается в том, что не существует универсального решения.

Типы 3D-печати/процедуры

В соответствии со стандартом ISO/ASTM 52900, все 3D printing их можно разделить на семь групп. Каждая из них имеет свои преимущества и недостатки, обычно связанные с такими аспектами, как стоимость, скорость, свойства материала и геометрические ограничения.

1. фотополимеризация в бочках

A 3D printer В основе фотополимеризации НДС лежит контейнер, заполненный фотополимерной смолой и отверждаемый источником ультрафиолетового света для создания объекта.Три наиболее распространенные формы полимеризации НДС — это

(1A) Стереолитография (SLA): изобретенная в 1984 году, SLA использует УФ-лазер для соединения односторонних и олигомерных химикатов с образованием полимеров, составляющих трехмерное твердое тело. Процесс быстрый и позволяет создать практически любую структуру, но может быть точным.

(1b) Световое цифровое редактирование (DLP): использует обычный источник света, такой как лампа-лупа (вместо лазера). Каждый слой объекта отображается на резервуаре с жидкой смолой, которая застывает в слои при движении подъемной платформы вверх и вниз.

(1С) Непрерывное производство жидкого взаимодействия (CLIP): похоже на стереолитографию, но непрерывно и в 100 раз быстрее. Этот клип может производить эластичные и гибкие объекты с гладкими сторонами, которые невозможно создать другими методами.

2. экструзия материала.

В этом процессе нить твердого термопластичного материала проталкивается через нагретое сопло, которое расплавляет материал и наносит его на строительную платформу по заранее определенному маршруту. В конечном итоге этот материал остывает и затвердевает, образуя трехмерный объект. Наиболее часто используемыми методами в этом процессе являются.

(2a) Моделирование методом плавленого осаждения (FDM): непрерывные нити из термопластичных материалов, таких как нейлон, полиуретановые термопласты и полигелевая кислота.

2b) Робост: предполагает экструзию пастообразного материала при движении сопла по платформе. Процесс отличается от FDM тем, что не основан на сушке или затвердевании материала для сохранения его формы после экструзии.

3. покрытие листов.

Some printers В качестве конструкционных материалов используют бумагу и пластик для снижения стоимости печати. В этой технике несколько слоев клейкого пластика, бумаги или металлических листов захватываются последовательно и вырезаются по форме с помощью режущего лазера или ножа.

Анализ матраса может определяться поставляемыми материалами. Обычно это от одного до нескольких листов бумаги для ксерокопирования. Этот процесс можно использовать для создания крупных деталей, но точность размеров готового изделия будет гораздо ниже, чем при стереолитографии.

4

Технология направленного энергетического осаждения широко используется в высокотехнологичной металлургии и быстром строительстве. applications . The printing Устройство включает в себя сопла, установленные на многоосевом роботизированном манипуляторе. Сопла осаждают металл на строительную платформу, который затем расплавляется лазером, креатоном или электронным лучом для формирования твердого объекта.

This type 3D-печать поддерживает широкий спектр металлов, функционально классифицированных материалов и сложных материалов, таких как алюминий, нержавеющая сталь и титан. Можно не только создавать совершенно новые металлические компоненты, но и прикреплять материалы (a) к существующим компонентам, создавая гибридные конструкции. applications .

5. запуск материала

Запуск материалов работает аналогично струйной печати на бумаге printers . В этом процессе светочувствительные материалы наносятся каплями через сопло малого диаметра и отверждаются ультрафиолетовым светом, создавая слой за слоем.

Материал, используемый в этой технике, — термоотверждаемый фотополимер (акрил). Несколько материалов. printing Также доступен широкий спектр материалов (включая прорезиненные и прозрачные материалы).

Аппаратная 3D-печать является привлекательным вариантом для производства как визуальных прототипов, так и коммерческих инструментов, поскольку с ее помощью можно изготавливать высокоразмерные точные аксессуары с гладкой поверхностью.

6. большое количество связующих материалов

Связующие материалы состоят из двух материалов. Материал на основе пыли и влажный связующий материал. Порошок распределяется равномерным слоем в камере конструкции, а связующий материал наносится через пусковое сопло. Это позволяет частицам пыли «слипаться» друг с другом для создания желаемого объекта.

Для повышения прочности к сварочной пыли часто примешивают воск или термореактивные полимеры. После 3D print после завершения работы оставшаяся пыль собирается и используется for printing another structure.

Эту технику также называют инжекционной 3D-печатью, поскольку она очень похожа на струйные процессы. Основные области применения. for printing Эластомерные аксессуары, выступы и красочные прототипы.

7. Сплавление пылевого слоя

Сплавление пылевого слоя — это подгруппа протезных конструкций, где источник тепла (например, тепловая print головка или лазер) используется для интеграции материалов в виде пыли для создания естественных объектов. Пять наиболее распространенных форм этой технологии таковы

(7a) Селективное лазерное обжигание (SLS): использует лазеры в качестве источника энергии для обжига порошков материалов, таких как полиамид или нейлон. Здесь термин «обжиг» относится к процессу применения давления или тепла без плавления в жидкости, которая конденсируется, образуя твердую массу материала.

(7b) Селективное сплавление с помощью лазера (SLM): в отличие от SLS, эта технология предназначена для полного расплавления и сплавления между собой металлических порошков. Она может создавать полностью плотный материал (слои матраса) с механическими свойствами, аналогичными свойствам обычных металлов. Это один из самых быстро развивающихся процессов, который применяется как в промышленности, так и в научных исследованиях.

(7c) Электронный луч (EBM): в ходе этого процесса сырье (проволока или металлический порошок) помещается в вакуум и сплавляется с помощью электронного луча; EBM может использоваться только с проводящими материалами, но более высокая плотность энергии позволяет добиться более высоких темпов строительства.

(7d) Печь селективного термического разогрева (СВС): используется термическое printhead Тепло прикладывается к слою порошкообразного термопластика. Как только матрас завершен, слой пыли перемещается вниз и добавляется новый слой материала. Это обжигается для формирования следующей секции модели. Эта техника идеально подходит для создания недорогих прототипов и компонентов для эксплуатационных испытаний.

(7e) Прямой лазерный обжиг металла (DMLS): похож на SLS, но вместо него используется энергия металла. Оставшаяся энергия становится несущей конструкцией объекта и может быть повторно использована для следующего объекта. 3D print DMLs в основном изготавливаются из порошковых материалов, таких как титан, нержавеющая сталь, алюминий и различные специальные сплавы. Это идеальный процесс для изготовления на заказ медицинских принадлежностей, нефтегазовых компонентов и жестких функциональных прототипов.

Области применения.

За последнее десятилетие 3D-печать получила значительное развитие. Она может быть использована для быстрого изготовления сложных конструкций по низкой цене, что делает ее необходимым инструментом в различных отраслях, от коммерческого производства и медицины до архитектуры и индивидуального дизайна.

Многие методы протезирования могут быть использованы для производства продуктов питания. Современный. 3D printers Поставляется с предустановленными рецептами на лодке, что позволяет пользователям создавать продукты питания удаленно на компьютере или смартфоне. 3D printed Продукты питания могут быть адаптированы по текстуре, цвету, форме, вкусу и питательности.

Технология также доказала свою эффективность для фармацевтических составов: первый состав, изготовленный с помощью трехмерной печати, был произведен в 2015 году. В том же году FDA одобрило первый препарат. 3D printed tablet.

В 2014 году компания SpaceX предложила первый полет в условиях нулевой гравитации 3D printer на Международной космической станции. В настоящее время астронавты пользуются to print такие полезные инструменты, как французский ключ.

Действительно, многие сборочные проекты, разработанные на планетах и астероидах, начинают использовать материалы, доступные в близлежащих регионах. 3-D печать — один из важнейших шагов в этом бутстраппинге.

Сегодня технологические компании объединяют конструкции протезов с облачными вычислениями, чтобы обеспечить децентрализованное, географически независимое и распределенное производство. Некоторые компании предлагают онлайн 3D printing услуги (через веб-сайты) как частным, так и коммерческим клиентам.

Будущее 3D-печати

Большой мечтой 3D-печати является «фабрика в доме каждого». Как бы странно это ни звучало, но, несомненно, обладание машиной, которая может быстро изготовить что-то бесконечно настраиваемое, очень увлекательно.

Поскольку компьютеры и смартфоны дали возможность миллиардам людей, 3D printers они могут сделать то же самое для строительства.

По данным GrandViewResearch, мировой 3D printed рынок оценивается в 11,58 млрд долларов США в 2019 году и, как ожидается, превысит 33 млрд долларов США к 2027 году (темпы роста 14% в год).

Факторы, которые, как ожидается, приведут к росту рынка, включают агрессивные R & MP?A и растущий спрос на создание прототипов applications со стороны различных вертикалей промышленности, особенно автомобильной, аэрокосмической, оборонной и медицинской.

Автор.

Варун Кумар

Варун Кумар — профессиональный журналист в области науки и техники, большой поклонник искусственного интеллекта, двигателей и освоения космоса. Он получил степень магистра в области компьютерных наук в Университете Ггсипу. Чтобы узнать о его последних проектах, вы можете написать ему напрямую по адресу [email protected