ПРЕИМУЩЕСТВА И НЕДОСТАТКИ ТЕХНОЛОГИЙ 3D-ПЕЧАТИ

Аннотация. В данной статье будут представлен обзор различных технологий 3D-печати. Для каждой технологии будут выделены её преимущества и недостатки.

Ключевые слова: 3D-печать, 3D-принтер, технология.

Все без исключения технологии 3D печати подразумевают создание физического объекта методом послойного нанесения материала, в отличие от традиционных методов изготовления детали, за счёт удаления лишнего материала из заготовки. При использовании аддитивных технологий все стадии реализации проекта от идеи до материализации находятся в единой технологической цепи, где каждая технологическая операция также выполняется в цифровой CAD/CAM/CAE-системе. Фактически это означает вполне реальный переход к «безбумажным» технологиям.

Трехмерная печать является одной из самых перспективных инноваций, используемых в современных технологиях проектирования и мелкосерийном производстве. 3D-принтер – это устройство, которое создаёт объёмный предмет на основе виртуальной 3D-модели. В отличие от обычного принтера, который выводит информацию на лист бумаги, 3D-принтер позволяет выводить трёхмерную информацию, т. е. создавать определённые физические объекты. В основе технологии 3D-печати лежит принцип послойного создания (выращивания) твёрдой модели.

Все 3D-принтеры используют один и тот же базовый принцип – построение объекта из тонких горизонтальных слоев материала. Печатающая головка формирует слои, постепенно выращивая из них объект. Она движется в горизонтальной плоскости. Рабочая платформа служит для размещения объекта при печати, она двигается сверху вниз.

Все 3D-принтеры делятся на 2 группы: те, использующие в своем производстве выдавливание или распыление, и те, которые что-то спекают или склеивают.

К первой группе относятся:

• FDM (Fused Deposition Modeling) - принтеры выдавливающие какой-либо материал слой за слоем через сопло-дозатор. К ним относятся кулинарные принтеры, медицинские, которые печатают «живыми чернилами».

Преимущества: высокая точность исполнения прототипа; высокая скорость 3D-печати; возможность использования широкого спектра полимеров; низкая стоимость 3Dпечати прототипа.

Недостатки: ограничения по допускам размерности 3D-печати; необходимость в постобработке.

• Технология PolyJet: фотополимер маленькими дозами выстреливается из тонких сопел, как при струйной печати, и сразу полимеризуется на поверхности изготавливаемого девайса под воздействием УФ-излучения. Важной особенностью, отличающей PolyJet от стереолитографии, является возможность печати различными материалами.

Применение: промышленное прототипирование и медицина.

Преимущества: малая толщина слоя (от 16 мкм) и разрешение построения поверхности (до 8000 dpi); возможность многоцветной печати и сочетания материалов с разными свойствами; принтеры могут быть достаточно компактными.

Недостатки: для моделей с нависающими или горизонтально выступающими элементами требуются поддержки, которые приходится тем или иным способом удалять; малый спектр материалов для работы.

• LENS (Laser Engineered Net Shaping): материал в виде порошка выдувается из сопла и попадает на сфокусированный луч лазера, часть порошка пролетает мимо фокуса лазера, а та часть, которая попадает в фокус лазера, почти мгновенно спекается и слой за слоем формирует деталь. С помощью данной технологии печатают металлические объекты.

Преимущества: высокая прочность; высокое разрешение печати; устойчивость к высоким температурам; не требует создания поддержки, так как сам порошок и служит подушкой в процессе изготовления.

Недостатки: значительные затраты энергии; дорогие расходные материалы и оборудование; требуется чистая атмосфера в рабочей камере, часто это вакуум или инертные газы.

Вторая группа включает в себя:

• SL (Stereolithography). Есть ванна с жидким полимером. Луч лазера проходит по поверхности, и в этом месте полимер под воздействием УФ полимеризуется. После того, как один слой готов, платформа с деталью опускается, жидкий полимер заполняет пустоту, далее запекается следующий слой и так далее. После печати таким методом, требуется постобработка объекта – удаление лишнего материала и конструкций, которые позволяют поддерживать напечатанную модель, иногда поверхность шлифуют.

Преимущества технологии: высокое разрешение печати; можно получать большие модели, размером до 150×75×55 см и весом до 150 кг; прочность получаемых образцов достаточно высока, они могут выдерживать температуру до 100°С; наличие мелких элементов; малое количество отходов.

Недостатки: ограниченный выбор материалов для изготовления моделей; невозможность цветной печати и сочетания разных материалов в одном цикле; малая скорость печати, максимум 10–20 миллиметров в час по вертикали; очень большие габариты и вес.

• LS (Laser Sintering) Лазерное спекание. Похоже на SL, только вместо жидкого фотополимера используется порошок, который спекается лазером.

Преимущества: широкий спектр материалов, пригодных для использования; позволяет создавать очень сложные модели; скорость в среднем достигает 30–40 мм в час по вертикали; может использоваться не только для создания для мелкосерийного производства.

Недостатки: нужны мощный лазер и герметичная камера, в которой создается среда с небольшим содержанием кислорода; меньше, чем у SLA, максимальное разрешение; нужна длительная подготовка для прогревания порошка, а затем нужно ждать, чтобы остыл полученный образец, чтобы удалить остатки порошка; требуется окончательная обработка.

• 3DP. На материал в порошковой форме наносится клей, который связывает гранулы, затем поверх склеенного слоя наносится свежий слой порошка, и так далее. Преимущества: позволяет создавать очень сложные модели без поддерживающих структур; возможность полноцветной печати с высоким разрешением.

Недостатки: ограниченное количество материалов, пригодных для использования; в ряде случаев требуется финишная обработка; малая прочность получившихся образцов даже после обработки закрепляющим составом.

Специалисты уже сегодня с уверенностью говорят о перспективах объёмной печати. Применение 3D-печати находит себя в самых неожиданных сферах человеческой деятельности, что ещё раз подчёркивает значимость этой технологии. На сегодняшний день и оборудование, и материалы для 3D-печати имеют достаточно высокую стоимость, однако его серийное производство позволяет систематически снижать цены, делая доступным приобретение 3D-принтера бюджетными пользователями.

Однако, в процессе 3D печати неизбежно образуются пластиковые отходы – это могут быть неудачно напечатанные изделия, материал поддержки и подложки или изделия, которые стали попросту ненужными. И если люди по всему миру начнут бесконтрольно печать все что угодно, мир погрязнет в пластиковых отходах, чье потребление человечество сегодня стремится уменьшить. Это на сегодняшний день является глобальной проблемой домашней 3D печати, которая еще только набирает обороты.

Любая новая технология провоцирует много шумихи. Люди не устают перечислять ее преимущества, но часто упускают из виду недостатки. С появлением 3D-принтеров, безусловно, возникло много новых возможностей для промышленного роста и развития.

Одна из технологий 3D-печати - FDM является одним из наименее дорогих методов печати, как с точки зрения стоимости самих принтеров, так и сточки зрения стоимости используемых материалов. Ввиду отсутствия патентных ограничений и наличия огромного количества открытой информации по созданию FDM 3D принтеров, темпы развития данной технологии растут с геометрической прогрессией по всему миру, обретая все большую популярность.  Это позволило 3D-печати найти применение во многих отраслях промышленности, медицины, образования и т.д., вплоть до применения на бытовом уровне.

Список литературы:

1. А. А. Елистратова Технологии 3d-печати: преимущества и недостатки / А. А. Елистратова, И. С. Коршакевич // Актуальные проблемы авиации и космонавтики – 2015 -  том 1 – с. 557-559
2. Габбасов М.Ф. Обзор технологий 3d печати: проблемы и перспективы развития / Габбасов М.Ф. // Поволжский научный вестник. - 2018. - № 2. - С. 34-41.