CNC3D-printer.com

CNC3D-printer.com


Статьи 3Dprinter Поиск МагазинРегистрация


Принцип работы 3D-принтера




3D-печать или "аддитивное производство" – это процесс создания полноценных объектов различной геометрической формы на основе цифрой 3D-модели. В основе 3D-печати лежит принцип последовательного наложения тончайших слоев расходного материала (пластика, металлического порошка и других), отображающих контуры модели.

Фактически, 3D-печать является полной противоположностью традиционным методам механического производства и обработки (фрезеровка, резка), где формирование внешнего вида изделия происходит за счет удаления лишнего материала ("субтрактивное производство").

Хотя традиционное производство также может использовать по сути «аддитивные» методы (например, сварка, склепка), в них отсутствует трехмерная технологическая составляющая. Машинная же обработка, как правило, основывается на субтрактивных методах – фрезеровании, сверлении и шлифовании. Модели, изготовленные аддитивным методом, могут применяться на любом производственном этапе – как для изготовления опытных образцов ("быстрое прототипирование"), так и в качестве готовых изделий ("быстрое производство").

3D-принтерами называют промышленные устройства, способные выполнять аддитивные процессы под управлением программного обеспечения. 3D-модели создаются с помощью компьютерного графического дизайна или за счет 3D-сканирования. 3D-моделирование используется для создания трехмерных компьютерных объектов, несколько напоминает скульптуру. 3D-сканирование – это автоматический сбор и анализ данных реального объекта (цвет, форма, размер), с последующим преобразованием в цифровую 3D-модель.

Пример 3D-модели используемой для печати

 

Во время печати специальное ПО обрабатывает файл (как правило, в формате *.stl), содержащий данные 3D-модели, путем деления ее на множество поперечных слоев. После чего 3D-принтер наносит последовательные слои жидкого, порошкообразного или листового материала, соединяя или сплавляя их вместе для создания физического трехмерного объекта. Основным преимуществом данного метода является возможность создания различных геометрических форм практически неограниченной сложности.

3D-принтеры абсолютно лишены так называемого "человеческого фактора". То есть машина не совершает ошибок, благодаря чему изделия получаются абсолютно точными и идентичными оригиналу. «Разрешение» 3D-принтера подразумевает толщину наносимых слоев (ось Z) и точность позиционирования печатной головки в горизонтальной плоскости (по осям X и Y). Разрешение измеряется в DPI (количество точек на дюйм) или микрометрах. Построение модели с использованием современных технологий может занимать от нескольких часов до нескольких дней в зависимости от используемого метода, а также размера и сложности модели.

Традиционные производственные методы обходятся дешевле при производстве крупных партий, но аддитивные технологии обладают преимуществами при мелкосерийном производстве. Кроме того, настольные 3D-принтеры позволяют дизайнерам и разработчикам создавать концептуальные модели и прототипы, не выходя из офиса.

На сегодня применяются три типа технологий создания слоев:

  • Лазерная:

1. Лазерная стереолитография:

Стереолитография (SLA). В данной технологии лазер постепенно, пиксель за пикселем, засвечивает фотополимерную смолу, в который добавлен специальный реагент-отвердитель, при этом жидкость превращается в твердый пластик.

Цифровая светодиодная проекция (DLP). Технология DLP, как и технология SLA, основа на работе с фотополимерной смолой. В качестве источника света в технологии DLP может использоваться дуговая лампа с жидкокристаллической дисплейной панелью или деформируемое зеркальное устройство, которое освещает всю поверхность ванны с фотополимерной смолой за один проход.

Масочная стереолитография (SGC). Технология SGC схожая с технологией печати методом цифровой светодиодной проекции (DLP). Технология основана на нанесении тонких слоев фотополимерной смолы на поверхность с последующим облучением материала ультрафиолетовым светом. Облучение происходит с помощью масок или шаблонов соответствующего контура. Облучение приводит к полимеризации (затвердеванию) материала, после чего лишний материал удаляется, а полости заполняются легкоплавким воском.

2. Лазерное спекание:

Селективное лазерное спекание (SLS). Технология основана на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазера высокой мощности.

Выборочная лазерная плавка (SLM). Технология основана на плавке металлического порошка с помощью лазерного луча, направляемого по осям X и Y двумя зеркалами с высокой скоростью отклонения, при этом лазер расплавляет и сваривает порошок между собой, повторяя контуры слоев цифровой модели.

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS). Технология основана на спекании металлического порошка с помощью оптоволоконного лазера относительно высокой мощности.

Электронно-лучевая плавка (EBM). В технологии EBM вместо лазера используют электронно-лучевую пушку, которая бомбардирует электронами поверхность порошка. При этом генерируется достаточное количество тепла, позволяющее плавить порошок в местах соприкосновения. При этом часть металлического порошка остается нетронутой.

Выборочное тепловое спекание (SHS). Отличие технологии SLS и EBM заключается в использовании тепловой печатающей головки вместо лазерной. Технология основана на плавке слоев термопластического или металлического порошка с помощью теплового излучателя.

3. Ламинирование:

Послойное ламинирование (LOM) – деталь создаётся из большого количества слоёв рабочего материала, которые постепенно накладываются друг на друга и склеиваются, при этом лазер вырезает в каждом контуре сечения будущей детали.

Ламинирование методом селективного осаждения (SDL). Технология основана на постепенном накладывании друг на друга слоев рабочего материала с последующим склеиванием только тех частей модели, которые необходимо. После склеивания нового слоя специальные лезвия вырезают контур сечения будущей детали.

  • Струйная:

1. Застывание материала при охлаждении

Моделирование методом послойного наплавления (FDM). Технология основана на выдавливании (экструзии) и нанесением микрокапель расплавленного термопластика с формированием последовательных слоев, застывающих сразу после нанесения.

2. Полимеризация фотополимерного пластика под действием ультрафиолетовой лампы

Технология многоструйного моделирования (MJM). Технология основана на нанесении термопластиков, воска и фотополимерных смол с помощью специальной печатающей головки, оснащенной массивом сопел. В первых двух случаях материалы затвердевают естественным образом, поскольку температура в рабочей камере намного ниже, чем в системе подачи исходного материала. В случае печати фотополимерами, слой жидкого полимера, нанесенного на специальную платформу, обрабатывается ультрафиолетовой лампой или ультрафиолетовым излучением для полимеризации (затвердевания) полученного слоя.

3. Склеивание или спекание порошкообразного материала

Струйная трехмерная печать (3DP). Технология основана на нанесении тонкого слоя порошкообразного материала (гипс, полимеры, песок, металл) на который с помощью печатающей головки, имеющей множество сопел, наносится в нужных местах связующее вещество (клей, вода, специальная смесь) по координатам границ слоя. Данная технология позволяет получить определенную окраску детали путем использования клеящего вещества заданного цвета.

Цветная струйная печать (CJP). Разновидность струйной трехмерной печати 3DP. Технология CJP, аналогично трехмерной струйной печати 3DP, наносит тонкие слои порошкообразных расходных материалов, с последующим выборочным нанесением связующего вещества. Отличительной особенностью технологии является использование разноцветных связующих веществ, что позволяет создавать сложные цветные 3D-модели.4. Густые керамические смеси тоже применяются в качестве самоотверждаемого материала для 3D-печати крупных архитектурных моделей.

  • Биопечать – экспериментальные установки, в которых печать 3D-структуры будущего объекта (органа для пересадки) производится каплями, содержащими живые клетки. Далее деление, рост и модификации клеток обеспечивает окончательное формирование объекта

3D-принтеры по печати пластиком

Принцип работы такого принтера заключается в том, что печатающая головка (экструдер) сильно нагревается и плавит пластик, который подается в виде литой нити. Далее расплавленный материал подается с нижней части печатающей головки (сопло) и помещается в нужных местах, а затем достаточно быстро застывает при комнатной температуре. Для правильной работы принтера необходим специальный файл, который содержит всю информацию о создаваемой модели. В зависимости от модели принтер может быть подключен к ПК или работать автономно.

 

3D-принтеры по печати металлом

Как и любой другой 3D-принтер, устройства, печатающие металлом, также управляются при помощи компьютера. 3D-принтеры по металлу используют тот же принцип послойного создания модели, что и 3D-принтеры по пластику, с той разницей, что они не плавят расходный материал.

Принцип работы заключается в следующем. Печатающая головка наносит специальное связующее вещество (клей) в местах, указанных компьютером. После этого вал наносит тончайший слой металлического порошка на всю рабочую площадь. В местах, где нанесен "клей" металлический порошок склеивается и затвердевает. Далее печатающая головка снова наносит "клей", после чего вал насыпает еще один тончайший слой металлического порошка и так далее.

По окончанию работы принтера получается необходимый физический объект. Лишний порошок просто сдувается с модели. Однако изделие все еще не готово. На данной стадии деталь очень пористая и хрупкая. Для придания ей жесткости и прочности изделие помещается в специальный контейнер, который засыпается бронзовой пудрой, и все это помещается в специальную печь, для сплавления молекул металла между собой и насыщения изделия бронзой.

Конечно, весь этот процесс занимает достаточно много времени, однако все равно изготовление детали происходит существенно быстрее, чем традиционным способом. Кроме этого такое производство существенно дешевле. Такой же принцип работы имеют и принтеры, печатающие стеклом.

Многие из 3D-принтеров используют "поддержки" или "опоры" во время печати. Опоры необходимы для построения фрагментов модели, не соприкасающихся с нижележащими слоями или рабочей платформой. Сами опоры не являются частью заданной модели, и по завершении печати либо отламываются (в случае использования того же материала, что и для печати самой модели), либо растворяются (как правило, в воде или ацетоне – в зависимости от материала, используемого для создания опор).

 

Также применяются различные технологии позиционирования печатающей головки:

  • Декартова, когда в конструкции используются три взаимно-перпендикулярные направляющие, вдоль каждой из которых двигается либо печатающая головка, либо основание модели.
  • При помощи трёх параллелограммов, когда три радиально-симметрично расположенных двигателя согласованно смещают основания трёх параллелограммов, прикреплённых к печатающей головке.
  • Автономная, когда печатающая головка размещена на собственном шасси, и эта конструкция передвигается целиком за счёт какого-либо движителя, приводящего шасси в движение.
  • Ручная, когда печатающая головка выполнена в виде ручки/карандаша, и пользователь сам подносит её в то место пространства, куда считает нужным добавить выделяемый из наконечника быстро затвердевающий материал. Назван такой прибор "3D-ручка", и к 3D-принтерам может быть отнесён с известной натяжкой.

 


Вы можете стать первым