В последние годы технология 3D-печати переживает настоящий бум. Благодаря широкому спектру технологий и материалов, 3D-принтеры находят применение в самых разных областях: от производства до медицины. 

Эта статья предлагает подробный обзор различных видов 3D-принтеров, их классификации по технологии печати и материалам, а также рассматривает ключевые аспекты, на которые следует обратить внимание перед покупкой. Цель статьи - помочь вам сделать информированный выбор 3D-принтера для успешного внедрения технологии 3D-печати.

Какие бывают виды 3D-принтеров и их классификация?

Технологии FDM, SLA, SLS и SLM: различия и применение

В основе большинства современных 3D-принтеров лежат пять ключевых технологий: 

1. FDM (Fused Deposition Modeling)
   FDM - это технология трехмерной печати, которая работает на принципе поэтапного наложения материала. Рабочий материал (обычно пластиковая нить) подается через экструзионную головку, которая плавит его и точно выдавливает через сопло, последовательно создавая слой за слоем предмет. Это наиболее распространенный и доступный метод 3D-печати, используемый как в промышленности, так и в быту.

2. SLA технология (Stereolithography)
   SLA является одним из типов технологии 3D-печати, которая работает на основе вулканизации жидкого фотополимерного смолы с помощью ультрафиолетового лазера. Процесс состоит в последовательном застывании слоя за слоем смолы, что позволяет создавать точные и детализированные модели. Продукты, полученные с помощью SLA, отличаются высоким качеством поверхности, но требуют последующей обработки для достижения прочности и долговечности.

3. SLS технология (Selective Laser Sintering)
   SLS – это процесс 3D-печати, при котором лазер синтезирует мелкий порошок (обычно полимерный, металлический или керамический), плавя его точечно в нужных местах, после чего порошковый слой укладывается на предыдущий, и процесс повторяется. Одно из основных преимуществ SLS заключается в возможности создания комплексных и прочных деталей без необходимости использования поддерживающих конструкций.

4. SLM технология (Selective Laser Melting) – похожа на SLS, но вместо спекания происходит полное расплавление порошкового материала под воздействием лазера, что позволяет создавать более плотные и прочные металлические изделия. SLM используется преимущественно для производства высокоточных и функциональных металлических деталей, таких как компоненты для авиационной и медицинской промышленности. Основными преимуществами SLM являются высокая прочность и качество создаваемых изделий, а также возможность работы с различными металлическими сплавами. Однако, как и в случае с SLS, технология требует значительных затрат на оборудование и материалы, а также требует специальной подготовки для обеспечения безопасности и качества печати.

5. Binder Jetting технология – это процесс 3D-печати, при котором связующее вещество (биндер) наносится на тонкий слой порошкового материала (металла, керамики или песка) через печатающую головку, подобную той, что используется в струйных принтерах. После нанесения связующего вещества слой порошка затвердевает, и следующий слой наносится сверху, повторяя процесс до завершения объекта. Одним из ключевых преимуществ Binder Jetting является возможность печати крупных и сложных объектов с высокой скоростью и относительно низкой стоимостью. Кроме того, технология позволяет создавать разноцветные объекты, добавляя красители к связующему веществу.

Классификация 3D-принтеров по используемым материалам

Индустрия 3D-печати значительно расширилась за последние годы, предлагая возможности использования разнообразных материалов в процессах печати. В зависимости от типа 3D-принтера и целей производства, выбор материалов может значительно варьироваться.

Вот основные категории материалов, которые широко используются в 3D-печати:

1. Пластик, полимеры, поликарбонат – Эти материалы наиболее часто используются в FDM-принтерах. Они подаются в виде нитей (филаментов), плавятся и выдавливаются для построения объекта слой за слоем.

2. Керамика – Подходит для создания высокоточных и декоративных изделий. 3D-печать керамики может применяться в искусстве, ювелирном деле и даже в медицине.

3. Гипс – Используется для цветной 3D-печати и создания моделей, прототипов, фигурок. Гипсовая 3D-печать позволяет достигать высокой детализации объекта.

4. Воск – Применяется для создания мастер-моделей в ювелирном деле, которые затем используются для отливки металлов по методу "выжигаемого моделирования".

5. Дерево, деревосодержащий пластик – Эти материалы, такие как PLA с добавлением древесных волокон, имитируют дерево и используются в FDM-печати для создания объектов с деревянной текстурой.

6. Металлы (сталь, алюминий, латунь, золото, различные сплавы) – Большей частью используются в SLS и SLM технологиях. Металлы позволяют создавать прочные и функциональные компоненты, которые могут использоваться в различных отраслях, таких как аэрокосмическая, автомобильная, медицинская и ювелирная промышленность. SLS применяется для создания металлических деталей путем спекания порошков, что позволяет достигать сложных геометрических форм без использования поддерживающих конструкций. SLM, в свою очередь, полностью расплавляет металлические порошки, что обеспечивает более высокую плотность и прочность изделий.

7. Углепластик и другие композиты – часто применяются в технологиях FDM 3d-принтеров и SLS. Углепластик представляет собой материал с высоким соотношением прочности к весу, что делает его идеальным для использования в авиационной, автомобильной и спортивной промышленности. Композиты, состоящие из различных волокон, смол и матриц, могут значительно улучшать механические свойства конечных изделий. Недостатками являются необходимость специального оборудования для обработки композитных материалов и ограниченная доступность таких материалов для аддитивного производства.

8. Песок – в основном используется в технологиях Binder Jetting и SLS для создания литейных форм и ядер. Песчаные формы, созданные с помощью 3D-печати, позволяют значительно ускорить и удешевить процесс литья металлов. Преимущества включают возможность создания сложных форм и уменьшение времени производства. Недостатки включают относительно низкую механическую прочность песчаных форм и необходимость в последующей обработке для улучшения качества поверхности.

9. Полиамид (нейлон) – широко используется в SLS и MJF технологиях. Полиамидные изделия отличаются высокой прочностью, гибкостью и устойчивостью к химическим воздействиям, что делает их подходящими для создания функциональных прототипов, деталей для конечного использования и потребительских товаров. Полиамид также позволяет производить сложные и детализированные объекты без необходимости в поддерживающих конструкциях. Недостатками являются возможная деформация при высоких температурах и необходимость постобработки для достижения идеальной гладкости поверхности.

10. Резина – используется в технологиях DLP и SLA для создания эластичных и гибких объектов. Резиноподобные материалы идеальны для изготовления уплотнителей, прокладок, гибких прототипов и деталей, требующих эластичности. Преимущества включают возможность создания высокодетализированных объектов и точное воспроизведение сложных геометрий. Недостатками являются ограниченная прочность и износостойкость по сравнению с твердыми материалами, а также необходимость постобработки для улучшения механических свойств и удаления остатков полимера.

Классификация по типам использования

3D-печать за последние годы значительно эволюционировала, находя применение в различных областях деятельности. В зависимости от сферы использования, 3D-принтеры могут быть классифицированы на несколько основных типов:

Домашние 3D-принтеры

Домашние 3D-принтеры представляют собой более доступные по цене и компактные устройства по сравнению с профессиональными и промышленными аналогами. Они идеально подходят для личного использования, образовательных целей, хобби и малого предпринимательства. Такие принтеры чаще всего используют технологию Fused Deposition Modeling (FDM), где продукт создаётся путём наложения слоёв расплавленного пластика.

Особенности:

• Низкая стоимость

• Простота использования

• Подходят для экспериментов и обучения

Профессиональные 3D-принтеры

Эти устройства ориентированы на бизнес-пользователей, в том числе дизайнеров, архитекторов, инженеров и исследователей. Профессиональные 3D-принтеры предлагают более высокое качество печати и могут работать с разнообразными материалами, включая специализированные пластики, смолы, металлы и даже керамику. Они используют различные технологии печати, такие как Stereolithography (SLA), Selective Laser Sintering (SLS), Direct Metal Laser Sintering (DMLS), и др.

Особенности:

• Высокое качество печати и точность деталей

• Возможность использования разнообразных материалов

• Поддержка большого объема производства и повторяемость результатов с помощью 3д печати

• Широкий диапазон доступных технологий печати

• Надежность и долговечность оборудования

• Расширенные возможности настройки и контроля процесса печати

• Возможность интеграции с профессиональными программными решениями для 3D-моделирования и производства

• Высокая скорость печати и оптимизация производственного процесса

Профессиональные 3D-принтеры находят применение в самых разных отраслях. Например, дизайнеры и архитекторы используют их для создания макетов и прототипов зданий и интерьеров, что позволяет визуализировать и корректировать проекты на ранних стадиях разработки. Инженеры применяют 3D-печать для изготовления функциональных деталей и сборок, что сокращает время на производство и снижает затраты. В исследовательских лабораториях эти принтеры помогают создавать уникальные образцы и экспериментальные устройства.

Промышленные 3D-принтеры

Промышленные 3D-принтеры предназначены для крупномасштабного производства и использования в промышленных условиях. Эти устройства отличаются высокой производительностью, большой рабочей областью и возможностью печати сложных, функциональных и прочных деталей с помощью различных видов 3д принтеров. Они могут использовать различные технологии печати, такие как Electron Beam Melting (EBM), Binder Jetting, и лазерное спекание.

Особенности:

• Очень высокая производительность и скорость печати

• Большая рабочая область, позволяющая создавать крупные объекты

• Использование высокопрочных материалов, включая металлы, композиты и специализированные пластики

• Высокая точность и повторяемость результатов

• Интеграция с производственными линиями и автоматизация процесса печати

• Прочные и долговечные компоненты, рассчитанные на интенсивное использование

Промышленные 3D-принтеры находят широкое применение в аэрокосмической, автомобильной, медицинской, и оборонной промышленностях. Они используются для производства функциональных компонентов, которые должны выдерживать высокие нагрузки и экстремальные условия эксплуатации. Например, в аэрокосмической промышленности эти принтеры используются для создания компонентов двигателей и структурных элементов самолетов. В автомобильной промышленности их применяют для изготовления прототипов, инструментов и даже конечных деталей автомобилей.

Технология 3D-печати: как работает 3D-принтер?

Процесс печати на FDM 3D-принтере

Основой работы FDM 3D-принтера является постепенное плавление пластиковой нити в горячей печатающей головке и ее выдавливание через сопло на платформу принтера. Пластик застывает, постепенно формируя изделие слой за слоем. Движение печатной головки строго контролируется в соответствии с 3D-моделью изделия, что позволяет воспроизводить сложные детали с высокой точностью.

Специфика SLA и SLS технологий: от лазера до порошка

SLA принтеры работают, направляя ультрафиолетовый лазер на поверхность ванны с жидким полимером, заставляя тонкие слои материала твердеть и формировать сложные структуры. С другой стороны, SLS принтер использует лазер для сплавления частиц порошка в твердые структуры, позволяя печатать изделия с высокой прочностью без необходимости использования поддерживающих конструкций.

Различия скорости и качества печати между технологиями

Скорость и качество печати существенно различаются между FDM, SLA и SLS технологиями. FDM-принтеры обычно позволяют быстрее печатать крупные объекты, но могут отставать по точности и качеству поверхности по сравнению с SLA и SLS технологиями. SLA-принтеры обеспечивают отличное качество детализации и гладкие поверхности, что делает их идеальными для тонких и сложных моделей. SLS-принтеры же выделяются возможностью создавать прочные и долговечные изделия без необходимости в построении поддерживающих структур.

Применение 3D-печати в различных сферах

3D-печать в промышленности

3D-печать находит свое применение в различных сферах, включая промышленность, где она используется для производства комплексных деталей, инструментов и прототипов.   Она позволяет создавать сложные геометрические объекты, которые традиционными методами производства изготовить сложно или практически невозможно. Далее рассмотрим основные сферы промышленного применения 3D-печати.

Прототипирование

• Быстрое прототипирование — возможность быстро создавать прототипы позволяет инженерам и дизайнерам проверять идеи и вносить изменения в проект с минимальными затратами времени и денежных средств. Это существенно ускоряет процесс разработки продукта.

Производство окончательных изделий

• Изготовление законченных продуктов — используют для производства не только прототипов, но и окончательных изделий. В частности, в аэрокосмической отрасли, автомобилестроении, медицине и ювелирном деле.

Персонализация продукции

• Персонализированные изделия — идеально подходит для создания товаров, адаптированных под индивидуальные потребности покупателя, например, в медицинских имплантатах, зубных протезах, персонализированных украшениях и обуви на заказ.

Запчасти и компоненты

• Изготовление запчастей на заказ — 3D-печать позволяет производить запасные части по индивидуальным заказам, что особенно полезно для сложных или уникальных деталей, которые трудно найти или которые больше не производятся. Это сокращает время ожидания и снижает затраты на хранение больших запасов готовых деталей.

• Производство небольшими партиями — 3D-принтеры идеально подходят для производства небольших партий деталей, что выгодно для мелкосерийного производства или тестирования новых продуктов. Это позволяет быстро адаптировать производство под изменяющиеся требования и минимизировать отходы материалов.

• Прототипирование — позволяет быстро создавать прототипы запчастей и компонентов, что ускоряет процесс разработки и тестирования новых продуктов. Инженеры могут легко вносить изменения в дизайн и мгновенно получать физические образцы для оценки и испытаний.

• Ремонт и модернизация — С помощью 3D-принтеров можно быстро изготовить необходимые детали для ремонта или модернизации существующего оборудования. Это позволяет продлить срок службы техники и снизить затраты на замену оборудования.

• Комплексные геометрии — позволяет создавать детали с очень сложными геометриями, которые трудно или невозможно изготовить традиционными методами. Это открывает новые возможности для дизайна и оптимизации функциональных характеристик деталей.

• Легкие и прочные конструкции — Использование композитных материалов, таких как углепластик, позволяет создавать легкие и прочные конструкции, что особенно важно для авиационной и автомобильной промышленностей. Это помогает улучшить производительность и снизить расход топлива.

• Индивидуализация и кастомизация — предоставляет возможность кастомизации деталей под конкретные требования заказчика. Это особенно полезно в медицине для создания индивидуальных имплантов и протезов, а также в других отраслях, где требуется персонализированный подход.

• Снижение затрат на производство — может снизить общие затраты на производство запчастей и компонентов за счет уменьшения отходов материалов и сокращения количества производственных операций. Это делает производство более экономически эффективным и экологически устойчивым.

Основные сферы промышленного применения 3D-печати

3D-печать находит свое применение в различных сферах, включая промышленность, где она используется для производства комплексных деталей, инструментов и прототипов. Она позволяет создавать сложные геометрические объекты, которые традиционными методами производства изготовить сложно или практически невозможно. Далее рассмотрим основные сферы промышленного применения 3D-печати:

1. Аэрокосмическая промышленность — позволяет создавать легкие и прочные компоненты для авиации и космической техники, что снижает вес и улучшает топливную эффективность.

2. Автомобильная промышленность — используется для создания прототипов, производственных инструментов и конечных деталей, что ускоряет процесс разработки новых моделей и улучшает производительность.

3. Медицина — позволяет создавать индивидуализированные медицинские устройства, такие как имплантаты, протезы и хирургические инструменты, что улучшает результаты лечения и качество жизни пациентов.

4. Ювелирное дело — предоставляет возможность создавать сложные и уникальные украшения с высокой точностью и детализацией, что расширяет творческие возможности дизайнеров.

5. Промышленное производство — используется для создания инструментов, пресс-форм и сложных производственных деталей, что сокращает время и затраты на производство.