Какво е 3D принтиране и как работят 3D принтерите?

Какво е 3D принтиране?
Как работи?
Какви са основните му предимства и ограничения и основните индустриални приложения?

Тук ще отговорим на всички тези въпроси и ще покажем, как 3D принтирането се сравнява с традиционното производство. По този начин ще ви помогнем да разберете текущото състояние на технологията.

Как работи 3D принтирането

Частите изграждани от 3D принтерите са базирани на един и същ основен принцип: цифровият модел се превръща във физически триизмерен обект, чрез добавяне на материал, слой по слой. Оттук произлиза алтернативният термин „Натрупващо производство“.

3D принтирането е фундаментално различен начин за производство на части в сравнение с традиционните изваждащи или формиращи производствени технологии.

При 3D принтирането не са необходими специални инструменти (например режещ инструмент с определена геометрия или калъп). Вместо това частта се произвежда директно върху вградената платформа слой по слой, което води до уникален набор от предимства и ограничения – повече за това по-долу.

Този процес започва с цифров 3D модел – проект на физическия обект. Този модел се нарязва от софтуера на принтера на тънки двуизмерни слоеве и след това се превръща в набор от инструкции на машинен език (G-код) за изпълнение на принтера.

Начинът на работа на 3D принтера варира в зависимост от процеса. Например настолните FDM 3D принтери разтопяват пластмасови нишки и ги поставят върху печатащата платформа през дюза (като много прецизен компютърно контролиран пистолет за лепило). Големите индустриални SLS 3D принтери използват лазер за топене (или обгаряне) на тънки слоеве метални или пластмасови прахове.

За повече информация относно 3D FDM принтиране, прочетете:
„Какво представлява FDM 3D принтиране и какви 3D принтери се използват“

Наличните материали също се различават в зависимост от процеса. Най-често се срещат пластмасовите, но за 3D принтиране могат да бъдат използвани и металите. Произвежданите части също могат да имат широк спектър от специфични физични свойства, вариращи от оптически прозрачни до подобни на каучук предмети.

В зависимост от размера на детайла и вида на принтера, принтирането обикновено отнема от 4 до 18 часа. 3D принтираните части рядко са готови за употреба, след като се изкарат от машината. Те често изискват някаква допълнителна обработка, за да се постигне желаното ниво на повърхностно покритие. Тези стъпки отнемат допълнително време и (обикновено ръчни) усилия.

Кратка история на 3D принтирането

Артър К. КларкАртър К. Кларк, автор на научна фантастика е първият, който описва основните функции на 3D принтера през 1964 година.
Първият 3D принтер е пуснат през 1987 г. от Чък Хъл от 3D Systems. Той използва процеса на „стереолитография“ (SLA).
През 90-те и 00-те години бяха пуснати други технологии за 3D принтери, включително FDM от Stratasys и SLS от 3D Systems. Тези принтери се използвали главно за индустриални прототипи, тъй като цената им била много висока.
През 2009 г. комитетът на ASTM F42 публикува документASTM F42 публикува документ, съдържащ стандартната терминология за Добавъчно Производство. Това утвърди 3D принтирането, като технология за промишлено производство.
През същата година патентите на FDM изтичат и първите евтини настолни 3D принтери са били родени от проекта RepRapпроекта RepRap. Това, което някога е струвало 200 000 долара, изведнъж става достъпно за под 2000 долара.
Според WohlersСпоред Wohlers възприемането на 3D принтирането продължава да расте: повече от 1 милион настолни 3D принтера са продадени в световен мащаб между 2015 и 2017 г., а продажбите на индустриални метални принтери почти са се удвоили през 2017 г. в сравнение с предходната година.

3D принтирането: отвъд публичността

И така, къде е 3D принтирането днес? Свърши ли суматохата около него? Е, според някои може би, но …

3D принтирането заема много специфични роли в света на производството. Завишените очаквания от предходните години отстъпиха мястото си на повишена производителност. Много аспекти на технологията вече са масови и се приемат, както от професионалисти, така и от любители.

Разбира се, 3D принтирането е развиваща се технология. Всяка година се пускат нови 3D принтери, които могат да окажат значително влияние върху индустрията. Например HP стартира първата си система за 3D принтиране относително късно (през 2016 г.), но се оказа един от най-популярните индустриални 3D принтери още през 2017 г.

Предимства и ограничения при услугите с 3D принтер

3D принтирането е бързо развиваща се технология. Той изостава от традиционното производство в някои отношения, но от друга страна идва със своя уникален набор от предимства.

Тук обобщаваме най-важните предимства и ограничения на 3D принтирането, като вземаме предвид плюсовете и минусите на всички налични в момента технологии за 3D принтиране.

Предимства на 3D принтирането

Геометрична сложност без допълнителни разходи

3D принтирането позволява лесно изработване на сложни форми, много от които не могат да бъдат произведени по друг производствен метод.

Кумулативният характер на технологията означава, че геометричната сложност не идва на по-висока цена. Частите със сложна или органична геометрия, оптимизирани за производителност, струват също толкова много за 3D принтирането, колкото и по-опростените части, предназначени за традиционно производство.

Много ниски начални разходи

При формиращото производство (леене под налягане и леене на метали) всяка част изисква уникална форма Тези персонализирани инструменти имат висока цена (от хиляди до стотици хиляди всеки). За възстановяване на тези разходи се произвеждат хиляди идентични части.

Тъй като 3D принтирането не се нуждае от специализирани инструменти, то няма начални разходи. Цената на 3D принтирана част зависи само от количеството на използвания материал, времето, необходимо на машината да го принтира, и последващата обработка – ако има такава – необходима за постигане на желания завършек.

Персонализиране на всяка част

Някога замисляли ли сте се защо купуваме дрехите си в стандартни размери? Поради току-що посочените причини, при традиционното производство е просто по-евтино да се произвеждат и продават идентични продукти на потребителя.

3D принтирането обаче позволява лесно персонализиране. Тъй като началните разходи са толкова ниски, трябва само да смените цифровия 3D модел, за да създадете персонализирана част. Резултатът? Всеки елемент може да бъде персонализиран така, че да отговаря на специфичните нужди на потребителя, без да се влияе на производствените разходи.

Правене на прототип на ниска цена с много бърз обрат

Правенето на прототипи е едно от основните приложения на 3D принтирането днес – както за форма, така и за функция. Това се прави с малка част от цената на други процеси и при скорости, с които никоя друга производствена технология не може да се конкурира:

Частите, отпечатани на настолен 3D принтер, обикновено са готови за една нощ, а поръчките, направени до професионална служба с големи индустриални машини, са готови за доставка за 2-5 дни.

Скоростта на прототипиране значително ускорява цикъла на проектиране (проектиране, тестване, подобряване, препроектиране). Продукти, които ще изискват 8+ месеца разработване, сега могат да бъдат готови само за 8-10 седмици.

Голяма гама от (специални) материали

Най-често използваните днес материали за 3D печат са пластмасите. Металният 3D печат също открива все по-голям брой индустриални приложения.

Палетът за 3D принтирането включва и специални материали със свойства, съобразени с конкретни приложения. Днес частите с 3D принтиране могат да имат висока топлоустойчивост, висока якост или твърдост и дори да са биосъвместими.

Съчетанията също са често срещани при 3D печат. Материалите могат да бъдат пълнени с керамични, метални, дървени или въглеродни частици, или подсилени с въглеродни влакна. Така се образуват части с уникални свойства, подходящи за специфични приложения.

Ограничения в 3D принтирането

По-слаби и анизотропни свойства на материала

Като цяло 3D принтираните части имат физически свойства, които не са толкова добри, колкото насипния материал: тъй като са изградени слой по слой, те са по-слаби и по-чупливи с приблизително 10% до 50%.

Поради това, пластмасовите 3D отпечатани части най-често се използват за некритични функционални приложения. DMLS & SLM обаче могат да произвеждат метални 3D отпечатани части с отлични механични свойства (често по-добри от насипния материал). Поради тази причина те са намерили приложения в най-взискателните индустрии, като космонавтиката.

По-малко рентабилни при по-големи обеми

Kогато става въпрос за големи производствени серии, 3D принтирането не може да се конкурира с традиционните производствени процеси. Липсата на персонализиран инструмент означава, че началните разходи са ниски, така че прототипите и малък брой идентични части (до десет) могат да бъдат произведени икономично. Това също така означава, че единичната цена намалява само леко при по-високи количества, така че икономията от мащаба не може да започне.

В повечето случаи тази повратна точка е около 100 единици, в зависимост от материала, процеса на 3D печат и дизайна на детайла. След това други технологии, като CNC обработка и шприцоване, са по-рентабилни.

Ограничена точност и допустими отклонения

Процеса и калибрирането на машината, зависи от точността на 3D принтираните части . Обикновено частите, отпечатани на настолен FDM 3D принтер, имат най-ниска точност и ще печатат с толеранси от ± 0,5 mm. Това означава, че ако проектирате отвор с диаметър 10 mm, истинският му диаметър след отпечатване ще бъде нещо между 9,5 mm до 10,5 mm.

Други процеси на 3D принтирането предлагат по-голяма точност. Например Jetting за промишлени материали и SLA принтери могат да произвеждат части до ± 0,01 mm. Важно е да се има предвид обаче, че тези резултати могат да бъдат постигнати само след оптимизация за специфични функции в добре проектирана част.

Металните 3D отпечатани части за критични приложения често се довършват чрез CNC обработка или друг процес след печат, за да се подобрят техните толеранси и повърхностно покритие.

Последваща обработка и премахване на поддръжка

Принтираните части рядко са готови за използване извън принтера. Те обикновено изискват една или повече стъпки за последваща обработка.

Например премахването на поддръжката е необходимо в повечето процеси на 3D принтирането. 3D принтерите не могат да добавят материал неочаквано, така че опорите са структури, които се отпечатват с частта, за да добавят материал под надвес или да закотвят отпечатаната част на платформата за изграждане.

Когато бъдат отстранени, те често оставят следи или петна по повърхността на частта, с която са влезли в контакт. Тези зони се нуждаят от допълнителни процедури (шлайфане, изглаждане, боядисване), за да се постигне висококачествено покритие на повърхността.

Приложения на 3D принтиране днес

Ще покажем няколко примера, как хората са използвали 3D принтер и защо са стигнали до този избор.

Kосмически полети

3D принтирането в авиокосмическите проекти

Авиокосмическите и космическите инженери използват 3D принтер за производство на високоефективни части. Възможността за създаване на оптимизирани за топология структури с високо съотношение якост / тегло и възможността за консолидиране на множество компоненти в една част са особено привлекателни.

Optisys LLC е доставчик на микроантенни продукти за космически и отбранителни приложения. Те използваха метален 3D принтер, за да намалят броя на отделните парчета от своите антенни решетки за проследяване от 100 на само 1. С това опростяване Optisys успя да намали времето за изпълнение от 11 на 2 месеца, като същевременно постигна 95% намаление на теглото.

3D принтиране в авиокосмическите проекти

Автомобилната индустрия

3D принтирането в автомобилната индустрия

Автомобилната индустрия се възползва значително от бързия оборот и лекотата на персонализиране, предлагани от 3D принтирането.
Volkswagen традиционно използва CNC обработка за създаване на персонализирани приспособления и тела. CNC обикновено има по-дълги производствени времена и по-високи разходи. Същите приспособления могат да бъдат 3D принтирани за една нощ и тествани на поточната линия на следващия ден.

Роботика

3D принтиране в роботиката

Много често са необходими еднократни части за разработване на нови роботизирани механизми в областта на роботиката и автоматизацията. 3D принтера се превръща в една от основните производствени технологии в тази индустрия, поради своята скорост, голяма свобода на дизайна и лекота на персонализиране. Голямата гама от опции за материали с уникални свойства, също позволява създаването на уникални структури, като например „меки“ роботи.

Индустриални инструменти

3D принтиране в индустриалните инструменти

Разработването на нови материали за 3D принтиране с висока топлоустойчивост и твърдост, съчетано с възможността да се създават персонализирани части бързо и на ниска цена, тласна 3D принтирането, да намери множество приложения около индустриалните инструменти.

Например, 3D принтиране се използва днес за производство на леки форми за инжектиране. Тези форми се използват за производство на няколкостотин части (в сравнение с 10 000+ метални форми), но идват като част от цената на „традиционната“ форма и могат да бъдат произведени за една нощ. Това ги прави идеални за производство с малък обем, ниска цена или малки тестове преди пълномащабно производство.

Здравеопазване

3D принтиране в здравеопазването

Знаете ли, че днес в САЩ слуховите апарати се произвеждат почти и единствено с помощта на 3D принтиране? Всъщност компаниите, които не са възприели технологията, много бързо излизат извън бизнеса, тъй като не са могли да издържат на конкуренцията.

3D принтирането се приема много добре в сферата на здравеопазването и протезирането. Формите по поръчка, като слухови апарати, вече не трябва да се правят чрез ръчен труд. С 3D принтиране те могат да бъдат произведени бързо от цифров файл (например чрез 3D сканиране на тялото на пациента). Това носи значително по-ниски разходи и по-ниско време за производство.

Продуктов дизайн

3D принтиране в продуктовият дизайн

Продуктовите дизайнери могат лесно да персонализират своите продукти без допълнителни разходи, само с помощта на 3D принтиране Те могат също така да създадат висококачествени функционални прототипи за нова концепция на продукта. Това ускорява цикъла на проектиране и доказва, че тяхната продуктова идея работи преди да се направи по-голяма инвестиция.

Например Пол Колхауссен проектира и създаде функционален прототип на своя последен модел камера. Той комбинира части от камерата от различни модели и ги обединява заедно с персонализиран 3D принтиран корпус. След това той отнася идеята си на Kickstarter, за да получи успешно финансиране за проекта си.

Кино

3D принтиране в киното и развлеченията

3D принтирането е един от любимите инструменти на създателите на филми днес, поради способността му да създава правдоподобни реквизити. Високата гъвкавост на дизайна на 3D принтирането, помага на професионалистите в сферата на развлеченията да съживят обектите на своето въображение. Сега това може да се направи бързо и с много по-ниски разходи сравнение с миналото.

Един пример идва от британска компания, специализирана в CNC фрезоване и 3D печат на реквизит за филмовата индустрия, прави 3d принтирани динозаври в мащаб 1: 1 за новия холивудски блокбъстър Jurassic World Fallen Kingdom.
Цялата история тук ->>

Образование

3D принтиране образованието

Технологията за 3D принтиране има голям потенциал в образователна среда. С 3D принтирането предметите на курса могат да бъдат оживени чрез мащабирани копия. Това подготвя студентите с практически (и много ценен) опит в реалния живот.

Студентите по аерокосмическо инженерство от Университета в Глазгоу са работили заедно с Rolls Royce, за да създадат функционален 3D реактивен модел реактивен двигател. Моделът дава незабавна обратна връзка на студентите за промените, които те правят по време на работата му, като им помага да придобият много ценен практически опит.

Направи си сам

3D принтиране – направи си сам

3D принтирането е идеалният инструмент за производителите (направи си сам), които постоянно изследват нови идеи. Едно от основните му предимства е възможността да произвеждате неограничени резервни части и нови дизайни, без да разчитате на външни доставчици. Те могат да разработват и персонализират своите дизайни, което им позволява да създават нови и по-добри концепции.

3D принтирането срещу традиционно производство

3D принтирането е изключителен инструмент за производство на персонализирани части и прототипиране. Поради уникалните си характеристики обаче, той е най-подходящ за специфични приложения.

Когато избирате между натрупваща се (3D принтиране), изваждаща (CNC обработка) или формираща (Injection Molding) производствена технология, трябва да следвате няколко прости насоки.

Като правило:

„3D печатът е най-добрият вариант, когато се изискват единични (или само няколко) части при бърз срок на изпълнение и евтини разходи или когато геометрията на детайла не може да бъде произведена с друга производствена технология.“

Изборът на изваждаща технология (CNC обработка) има по-голям смисъл в следните сценарии:

Средни обеми: Когато частите се произвеждат в стотици, тогава CNC обработката обикновено е по-икономична. Това е така, защото икономиите от мащаба започват да се разрастват.
Относително прости геометрии: Особено за метални части, когато дизайнът може да бъде произведен лесно чрез изваждащ процес, тогава CNC обработката е най-добрият вариант.
Високи изисквания към материала: Когато отличните свойства на материала са от съществено значение, тогава CNC обработката е по-добър вариант, тъй като частите с 3D печат обикновено имат по-ниска якост.
Висока точност на размерите: За функционални части със стегната толерантност, CNC обработката е най-добрият вариант. За сложни геометрии, хибридният подход (първо печат, CNC машина след това) също е жизнеспособна опция.

За да обобщим:

„3D печатът предлага голяма геометрична гъвкавост и може да произвежда персонализирани части и прототипи, бързо и на ниска цена, но когато се изискват големи обеми, минимални вариации или взискателни свойства на материала, традиционните производствени технологии често са по-добър вариант.“