ТЕХНОЛОГИИ 3D-ПЕЧАТИ

Масочная стереолитография (SGC)

Технология SGC

Масочная стереолитография (SGC) – метод аддитивного производства, во многом схожий с технологией печати методом цифровой светодиодной проекции (DLP). Технология была разработана и внедрена на рынок израильской компанией Cubital Ltd в 1986 году. Компания Cubital закончила свое существование, но интеллектуальные права были сохранены компанией Objet Geometries Ltd, а в 2012 году перешли к корпорации Stratsasys в результате слияния двух компаний. В связи с этим, вариант технологии SGC, используемый на принтерах конкурирующей компании 3D Systems известен под названием Film Transfer Imaging или FTI. 

Процесс

FTI принтер 3D Systems V-Flash FTI 230

Технология основана на нанесении тонких слоев фотополимерной смолы с последующим облучением материала ультрафиолетовым светом. Облучение происходит по физическому фотошаблону или «маске» соответствующего контура. Облучение приводит к полимеризации (затвердеванию) материала, после чего лишний материал удаляется из рабочей зоны, а полости заполняются легкоплавким воском. При необходимости производится механическая обработка поверхности, после чего производственный цикл повторяется. По завершении построения модели воск выплавляется, оставляя готовую модель, не требующую дополнительного облучения в ультрафиолетовой печи для полной полимеризации.

Материалы

Пример модели, распечатанной на принтере 3D Systems V-Flash FTI 230

В качестве расходных материалов используются фотополимерные смолы. Подбор подходящего материала может потребовать определенного внимания ввиду технологических особенностей производства – при необходимости механической обработки полимер должен обладать соответствующими характеристиками. Как правило, используются фотополимеры, напоминающие по прочности и вязкости ABS-пластик.

Преимущества и недостатки

Основным преимуществом SGC является отсутствие необходимости в построении поддерживающих структур, как в случае с такими стереолитографическими методами, как SLA или DLP. В дополнение к высокому разрешению по горизонтали, механическая обработка каждого наносимого слоя позволяет добиваться высокой точности по оси Z. Наконец, технология отличается достаточно высокой производительностью за счет одновременного облучения целых слоев. Среди недостатков следует отметить достаточно высокую шумность и большое количество отходов, повышающее себестоимость печати. Сами же установки достаточно дороги ввиду сложности конструкции. В последнее время метод SGC почти не используется, а его вариация FTI стала практически неотличима от цифровой светодиодной печати (DLP) ввиду внедрения цифровых проекторов.

Технология многоструйного моделирования (MJM)

Технология MJM

Технология много струйного моделирования (MJM) – фирменный метод аддитивного производства, запатентованный компанией 3D Systems. Технология используется в линейке профессиональных принтеров ProJet.

Процесс

Технология MJM позволяет осуществлять высокоточное прототипирование с высоким уровнем детализации

Технология много струйного моделирования сочетает черты таких методов 3D- печати, как струйная трехмерная печать (3DP), моделирование методом послойного наплавления (FDM/FFF) и стереолитография (SLA). Построение слоев производится с помощью специальной печатной головки, оснащенной массивом сопел. Количество сопел в существующих моделях принтеров варьируется от 96 до 448.

Печать производится термопластиками, восками и фотополимерными смолами. В первых двух случаях материалы затвердевают за счет постепенного охлаждения. В случае печати фотополимерами, каждый нанесенный слой обрабатывается ультрафиолетовым излучателем для полимеризации (затвердевания).

MJM позволяет создавать опоры нависающих элементов моделей из относительно легкоплавкого воска. В случае использования вспомогательных восковых структур, по окончании печати готовая модель помещается в печь (встроенную или отдельную) и нагревается до температуры порядка 60°С для выплавки воска.

Технология позволяет добиваться исключительно высоких показателей точности, сравнимых с лазерной стереолитографией (SLA) – минимальная толщина наносимого слоя может составлять 16 микрон, а разрешение печати в горизонтальной плоскости достигает 750х750х1600 DPI.

Материалы

VisiJet Pearlstone - материал, применяемый для создания стоматологических мастер-моделей

Ранние модели MJM принтеров использовали обыденные термопластики. Развитие и совершенствование фотополимерных материалов привело к постепенной замене термопластиков фотополимерными смолами и восками.

Принтеры ProJet используют ассортимент материалов марки VisiJet, включающий в себя воски и фотополимерные смолы с различными механическими свойствами. Так, VisiJet DentCast используется в качестве отливочного воска в стоматологии, VisiJet X служит в качестве альтернативы популярному ABS-пластику, VisiJet Crystal применяется для создания высокоточных литейных мастер-моделей и т.д.

3D Systems ProJet 3500HDMax - один из наиболее совершенных 3D-принтеров для печати по технологии MJM

Применение

Технология MJM используется в различных отраслях, требующих создания высокоточных прототипов и готовых изделий. Среди областей применения можно назвать стоматологию, ювелирное дело, промышленный и архитектурный дизайн, разработку электронных компонентов и пр.
Примеры моделей, созданных по технологии MJM

Цветная струйная печать (CJP)

Технология CJP

Цветная струйная печать (CJP) – разновидность струйной трехмерной печати (3DP), фирменная технология компании 3D Systems.

Процесс

Профессиональный CJP принтер 3D Systems ProJet 660

Как и в случае с трехмерной струйной печатью (3DP), технология CJP подразумевает нанесение тонких слоев порошкообразных расходных материалов, с последующим выборочным нанесением связующего полимера. Отличительной особенностью технологии является использование разноцветных связующих элементов, что позволяет создавать комплексные цветные 3D-модели. 

Неизрасходованные материалы не удаляются из рабочей камеры во время процесса, а служат в качестве опоры для последующих слоев, что позволяет создавать объекты высокой геометрической сложности. Тем не менее, по завершении цикла печати остаточный порошок может быть собран и использован заново.

Материалы

Цветные покрышки, созданные с помощью CJP принтера 3D Systems ProJet 660

В качестве расходных материалов используются пластики с разнообразными механическими свойствами, имитирующими резину, ударопрочные термопластики и другие материалы.

Например, CJP принтеры компании 3D Systems используют материалы VisiJet PXL с пропиткой материалом ColorBond (для упрочнения цветных моделей), StrengthMax (высокопрочная пропитка для функциональных моделей) или Salt Water Cure (экологичная пропитка, позволяющая повышать прочность поверхностных слоев).

Применение

В мультфильме ParaNorman использовались куклы, изготовленные с помощью цветной струйной печати (CJP)

Технология цветной струйной печати (CJP) применяется в основном для прототипирования изделий сложной геометрической формы и цветовой гаммы, а также для производства мелкосерийных партий готовых изделий.

Метод применяется в медицине, промышленном дизайне, образовании, архитектурном дизайне и даже в кукольной мультипликации.

Ввиду относительно высокой стоимости CJP принтеров, данная технология пока не получила широкого бытового распространения и используется в основном в профессиональной среде. В то же время, технология CJP гораздо более доступна, чем использование таких высокоточных методов быстрого прототипирования, как выборочное лазерное спекание (SLS), и более универсальна в отношении создания цветных моделей, чем лазерная стереолитография (SLA).

Цифровая светодиодная проекция (DLP)

Технология DLP

Цифровая светодиодная проекция (DLP) – метод аддитивного производства, вариант стереолитографической 3D-печати.

Технология


Одним из наиболее популярных методов аддитивного производства высокоточных прототипов является лазерная стереолитография (SLA). Метод основан на использовании фотополимерных смол, затвердевающих при облучении ультрафиолетовым светом. В то время как технология SLA находит широкое применение в профессиональной среде, ее распространение ограничивается достаточно высокой стоимостью устройств, обусловленной применением дорогостоящих лазерных излучателей.

Альтернативный метод использует цифровые светодиодные проекторы (DLP), позволяя снижать себестоимость устройств. В отличие от лазерных установок, сканирующих поверхность материала одним или несколькими лазерными головками, DLP принтеры проецируют изображение целого слоя до затвердевания полимерной смолы, после чего наносится новый слой материала и проецируется изображение нового слоя цифровой модели. 

О преимуществах того или иного метода сложно судить. DLP-печать появилась совсем недавно, но уже демонстрирует прекрасные результаты, сопоставимые по точности и производительности с оригинальной технологией лазерной стереолитографии (SLA), запатентованной Чарльзом Халлом в 1986 году и давшей первый существенный толчок развитию 3D-печати. Основным преимуществом DLP над SLA может стать более низкая стоимость используемых проекторов по сравнению с лазерными излучателями.

Применение


С момента появления, DLP-принтеры составляют прямую конкуренцию устройствам, работающим по технологии SLA. DLP-принтеры применяются в стоматологии, ювелирной промышленности, свободном дизайне и в производстве сувениров.

Преимущества и недостатки


Как и стандартные стереолитографические устройства, DLP-принтеры имеют высокие показатели точности печати – минимальная толщина слоя может достигать 15 микрон с использованием существующих установок. Минимальная толщина слоя, наносимого более доступными FDM- принтерами, как правило, составляет не менее 50 микрон. Практически же, разрешение находится в обратной зависимости от скорости наслоения – технология позволяет достигать и более высоких показателей точности ценой снижения скорости печати. Расходные материалы, а именно фотополимерные смолы, имеют высокий диапазон механических характеристик: возможны имитаторы в диапазоне от твердых пластиков до резины. Как правило, печать осуществляется материалом одного цвета, но ограничений палитры не существует. Основным недостатком метода DLP, как и SLA, является относительно высокая стоимость расходных материалов – порядка $80-160 за один литр жидкого полимера. Для сравнения, килограмм пластиковой нити для FDM печати можно приобрести за $35. В итоге, пользователь должен найти правильный баланс между качеством и себестоимостью печати.


  • Струйная трехмерная печать (3DP)
  • Технология 3DP

    Струйная трехмерная печать (3DP) – один из старейших методов аддитивного производства. Эта технология была разработана в Массачусетском технологическом институте (MIT) в 1993 году. Технология получила коммерческое распространение в 1995 году с помощью компании Z Corporation, приобретенной корпорацией 3D Systems в 2012 году.

    Технология

    Как и другие технологии аддитивного производства, струйная трехмерная печать подразумевает послойное построение физических объектов на основе цифровой трехмерной модели. В качестве расходных материалов используются всевозможные порошки, наносимые последовательными тонкими слоями. Контуры модели вычерчиваются печатной головкой, наносящей связующий материал. Таким образом, частицы каждого нового слоя склеиваются между собой и с предыдущими слоями до образования готовой трехмерной модели.

    Материалы

    3DP принтер ExOne M-Flex, печатающий пластиками, песчаными смесями и металлическими порошками
  • Оригинальные устройства использовали в качестве расходного материала гипс, что обуславливает обиходное название технологии – «гипсовая трехмерная печать». Печатные головки экструдировали воду, склеивающую материал. Со временем технология прогрессировала и теперь включает возможность добавки различных агентов: красителей, уплотнителей и пр.

    В настоящее время помимо гипса используются самые разные материалы, включая пластики, песчаные смеси и даже металлы. Технология способна создавать трехмерные модели из любого порошкового материала, а добавление красителей в связующий материал позволяет осуществлять цветную печать.

    Практичность же моделей зависит от последующей обработки. Например, изделия созданные из металлического порошка будут обладать видом, схожим с необработанными металлическими изделиями. С другой стороны, их прочность будет напрямую зависеть от связующего материала и, как правило, будет невысока. Для улучшения механических свойств можно прибегнуть к обжигу с помощью гончарных печей. Во избежание деформации моделей обжиг, как правило, подразумевает не спекание, а выплавку изначального связующего материала с пропиткой более твердой субстанцией. Например, возможна выплавка или выжигание связующих пластиков с одновременной пропиткой стальной модели медью или бронзой.

    Готовые изделия будут обладать высокой долговечностью, но их механические характеристики все равно не будут достаточными для применения в качестве функциональных прототипов деталей механизмов. Как правило, модели, изготовленные по технологии 3DP, используются в качестве сувениров, украшений или макетов – любых моделей высокой геометрической сложности, не подверженных высоким механическим нагрузкам.

    Преимущества



    Наряду с высокой универсальностью в плане используемых материалов, метод 3DP отличается отсутствием необходимости печати опорных структур. Такие популярные методы, как FDM или SLA требуют постройки дополнительных элементов, называемых «опорами» или «поддержками» для стабилизации навесных элементов печатаемых моделей. В противном случае существует реальная возможность провисания слоев и деформации моделей, а в крайних случаях печать вообще невозможна ввиду отсутствия необходимой опорной поверхности. В случае с 3DP необходимость создания опорных структур отпадает, так как каждый слой порошка служит естественной опорой для следующего слоя. Стоить отметить и экономичность технологии: остаточный порошок может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован в следующем производственном цикле.

    Применение

    Технология 3DP пользуется широкой популярностью и применяется в самых различных отраслях, зачастую теряя свое оригинальное обозначение. Так, в сфере биопечати используется вариант технологии, известный как «капельная/струйная печать» или DOD (Drop on Demand). Этот метод применяется для послойного нанесения живых клеток с целью построения органических тканей.

    Одним из наиболее ярких методов применения 3DP стало создание кондитерских принтеров ChefJet, строящих трехмерные съедобные модели из сахаросодержащих продуктов, склеивая частицы материала водой, наподобие оригинальных «гипсовых» принтеров. 

    Выборочное лазерное спекание (SLS)

    Технология SLS

    SLS прототипирование позволяет исследовать       аэродинамические характеристики гоночных автомобилей

Выборочное лазерное спекание (SLS) – метод аддитивного производства, используемый для создания функциональных прототипов и мелких партий готовых изделий. Технология основана на последовательном спекании слоев порошкового материала с помощью лазеров высокой мощности. SLS зачастую ошибочно принимают за схожий процесс, называемый выборочной лазерной плавкой (SLM).. Разница заключается в том, что SLS обеспечивает лишь частичную плавку, необходимую для спекания материала, в то время как выборочная лазерная плавка подразумевает полную плавку, необходимую для построения монолитных моделей.

История

Принцип работы SLS принтеров

Технология выборочного лазерного спекания (SLS) была разработана Карлом Декардом и Джозефом Биманом из Университета Техаса в Остине в середине 1980-х. Исследования финансировались Агентством передовых оборонных исследовательских проектов США (DARPA). Впоследствии, Декард и Биман были вовлечены в компанию DTM, образованную для продвижения технологии SLS на рынок. В 2001 году DTM была выкуплена конкурирующей компанией 3D Systems. Последний из патентов по технологии SLS был заявлен 28 января 1997 года. Его срок действия истек 28 января 2014 года, что делает технологию общедоступной. 
Аналогичный метод был запатентован Р. Ф. Хаусхолдером в 1979 году, но не получил коммерческого распространения. 

Технология

Технология (SLS) подразумевает использование одного или нескольких лазеров (как правило, углекислотных) для спекания частиц порошкообразного материала до образования трехмерного физического объекта. В качестве расходных материалов используются пластики, металлы (см. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)), керамика или стекло. Спекание производится за счет вычерчивания контуров, заложенных в цифровой модели (т.н. «сканирования») с помощью одного или нескольких лазеров. По завершении сканирования рабочая платформа опускается, и наносится новый слой материала. Процесс повторяется до образования полной модели.

Специфика технологии позволяет создавать детали практически неограниченной сложности из различных материалов

Так как плотность изделия зависит не от продолжительности облучения, а от максимальной энергии лазера, в основном используются пульсирующие излучатели. Перед началом печати расходный материал подогревается до температуры чуть ниже точки плавления, чтобы облегчить процесс спекания. 

В отличие от таких методов аддитивного производства, как Стереолитография (SLA) или моделирования методом послойного наплавления (FDM), SLS не требует построения опорных структур. Навесные части модели поддерживаются неизрасходованным материалом. Такой подход позволяет добиться практически неограниченной геометрической сложности изготовляемых моделей.

Материалы и применение

Компания New Balance использует технологию SLS при создании обуви для профессиональных атлетов

Некоторые SLS устройства используют однородный порошок (см. Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)), производимый с помощью барабанно-шаровых мельниц, но в большинстве случаев используются композитные гранулы с тугоплавким ядром и оболочкой из материала с пониженной температурой плавления.

В сравнении с другими методами аддитивного производства, SLS отличается высокой универсальностью в плане выбора расходных материалов. Сюда входят различные полимеры (например, нейлон или полистирол), металлы и сплавы (сталь, титан, драгоценные металлы, кобальт-хромовые сплавы и др.), а также композиты и песчаные смеси.

Технология SLS получила широкое распространение по всему миру благодаря способности производить функциональные детали сложной геометрической формы. Хотя изначально технология создавалась для быстрого прототипирования, в последнее время SLS применяется для мелкосерийного производства готовых изделий. Достаточно неожиданным, но интересным применением SLS стало использование технологии в создании предметов искусства.

Выборочная лазерная плавка (SLM)

Технология SLM

Промышленная SLM установка EOSINT M 280

Выборочная лазерная плавка (SLM) – метод аддитивного производства, использующий лазеры высокой мощности (как правило, иттербиевые волоконные лазеры) для создания трехмерных физических объектов за счет плавки металлических порошков.

Официальным термином для описания технологии является «лазерное спекание», хотя он несколько не соответствует действительности, так как расходные материалы подвергаются не спеканию, а полной плавке до образования гомогенной массы. Альтернативно, процесс может называться прямым лазерным спеканием металлов (DMLS) в случае использования металлических порошков, а также LaserCUSING (фирменное название, бренд компании Concept Laser GmbH). Схожим методом является электронно-лучевая плавка (EBM), использующая электронные излучатели вместо лазеров. 

История

Разработка технологии SLM велась Вильгельмом Майнерсом и Конрадом Виссенбахом из Института лазерной техники (ILT) Общества Фраунгофера в Ахене совместно с Дитером Шварце и Маттиасом Фокеле из компании F&S Stereolithographietechnik GmbH в Падерборне. В 2000 году компания F&S заключила коммерческое соглашение с MCP HEK GmbH (впоследствии переименованной в MTT Technology GmbH, а затем в SLM Solutions GmbH). На сегодняшний день Дитер Шварце сотрудничает с SLM Solutions GmbH, а Маттиас Фокеле основал конкурирующую компанию ReaLizer GmbH.

Процесс

Деталь для ракетного двигателя J2-Х, распечатанная специалистами NASA

Процесс печати начинается с разделения цифровой трехмерной модели на слои толщиной от 20 до 100 микрон. Готовый файл в стандартном формате STL используется в качестве чертежей для построения физической модели.

Производственный цикл состоит из нанесения тонкого слоя порошка на рабочую поверхность – как правило, металлический стол, способный передвигаться в вертикальном направлении. Процесс печати протекает в рабочей камере, заполняемой инертными газами (например, аргоном). Отсутствие кислорода позволяет избегать оксидации расходного материала, что делает возможной печать такими материалами, как титан. Каждый слой модели сплавляется, повторяя контуры слоев цифровой модели. Плавка производится с помощью лазерного луча, направляемого по осям X и Y двумя зеркалами с высокой скоростью отклонения. Мощность лазерного излучателя достаточно высока для плавки частиц порошка в гомогенный материал.

Материалы

Типичные представители устройств семейства SLM имеют рабочие камеры размером порядка 250мм в одном измерении, хотя технологических ограничений на размер области построения нет. Наиболее популярными материалами являются порошковые металлы и сплавы, включая нержавеющую сталь, инструментальную сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан, алюминий, золото и др.

Применение

Технология SLM позволяет создавать полые металлические структуры высокой геометрической сложности

Технология выборочной лазерной плавки применяется для построения объектов сложной геометрической формы, зачастую с тонкими стенками и полостями. Возможность комбинирования гомогенных и пористых структур в одном объекте полезна при создании имплантатов – например, ацетабулярных чашек или других ортопедических имплантатов с пористой поверхностью, способствующей остеоинтеграции (сращиванию с костной тканью). Кроме того, SLM успешно применяется в аэрокосмической отрасли, позволяя создавать высокопрочные элементы конструкций, недосягаемые по геометрической сложности для традиционных механических методов изготовления и обработки (фрезеровки, резки и т.д.). Качество готовых изделий настолько высоко, что механическая обработка готовых моделей почти не требуется. Побочным положительным эффектом служит экономия материалов, ибо SLM в силу своей специфики является практически безотходным производством. 

В ходе испытаний NASA было установлено, что детали для ракетных двигателей J-2X и RS-25, изготовленные из никелевых сплавов методом SLM, несколько уступают по плотности материала аналогам, изготовленным литьем с последующей сваркой компонентов. С другой стороны, отсутствие сварочных швов благоприятно влияет на прочность изделий. 

Стереолитография (SLA)

Технология SLA

Стереолитография (SLA или SL) – технология аддитивного производства моделей, прототипов и готовых изделий из жидких фотополимерных смол. Отвердевание смолы происходит за счет облучения ультрафиолетовым лазером или другим схожим источником энергии. 

История

Термин «стереолитография» был придуман в 1986 Чарльзом В. Халлом, запатентовавшим метод и аппарат для производства твердых физических объектов за счет последовательного наслоения фотополимерного материала. Патент Халла описывал применение ультрафиолетового лазера, проецируемого на поверхность емкости, заполненной жидким фотополимером. Облучение лазером ведет к затвердеванию материала в точках соприкосновения с лучом, что позволяет вычерчивать контуры заданной модели слой за слоем. В 1986 году Халл основал собственную компанию, 3D Systems, для коммерческого продвижения новой технологии. На сегодняшний день 3D Systems является одним из мировых лидеров среди компаний-разработчиков и поставщиков технологий аддитивного производства.

Технология

Метод основан на облучении жидкой фотополимерной смолы лазером для создания твердых физических моделей. Построение модели производится слой за слоем. Каждый слой вычерчивается лазером согласно данным, заложенным в трехмерной цифровой модели. Облучение лазером приводит к полимеризации (т.е. затвердеванию) материала в точках соприкосновения с лучом. 

Стереолитография позволяет создавать модели высокого разрешения

По завершении построения контура рабочая платформа погружается в бак с жидкой смолой на дистанцию, равную толщине одного слоя – как правило, от 0,05мм до 0,15мм. После выравнивания поверхности жидкого материала начинается процесс построения следующего слоя. Цикл повторяется до построения полной модели. После завершения постройки, изделия промываются для удаления остаточного материала и, при необходимости, подвергаются обработке в ультрафиолетовой печи до полного затвердевания фотополимера.

Стереолитография требует использования поддерживающих структур для построения навесных элементов модели, аналогично технологии моделирования методом послойного наплавления (FDM). Опоры предусматриваются в файле, содержащем цифровую модель, и выполняются из того же фотополимерного материала. По сути, опоры являются временными элементами конструкции, удаляемыми вручную после завершения процесса изготовления. 

Преимущества и недостатки

Настольный стереолитографический принтер OWL Nano

Главным преимуществом стереолитографии можно считать высокую точность печати. Существующая технология позволяет наносить слои толщиной 15 микрон, что в несколько раз меньше толщины человеческого волоса. Точность изготовления достаточно высока для применения в производстве прототипов стоматологических протезов и ювелирных изделий. Скорость печати относительно высока, если учитывать высокое разрешение подобных устройств: время построения одной модели может составлять лишь нескольких часов, но в итоге зависит от размера модели и количества лазерных головок, используемых устройством одновременно. Относительно небольшие настольные устройства могут иметь область построения от 50 до 150мм в одном измерении. В то же время существуют промышленные установки, способные печатать крупногабаритные модели, где изделия измеряются уже в метрах. Готовые изделия могут обладать различными механическими свойствами в зависимости от заложенных характеристик фотополимера: существуют имитаторы твердых термопластиков, резины и других материалов. 

Стереолитография позволяет создавать детали высокой сложности, но зачастую имеет высокую стоимость за счет относительно высокой цены расходных материалов. Один литр фотополимерной смолы может стоить от $80 до $120, в то время как стоимость устройств может варьироваться от $10 000 до $500 000. Высокая популярность технологии способствует разработке более доступных моделей, таких как FORM 1 от компании Formlabs или Pegasus Touch от FSL3D с заявленной стоимостью в $2 400 и $3 500 соответственно.

Выборочное тепловое спекание (SHS)

Выборочное тепловое спекание (SHS) – метод аддитивного производства. Технология основана на плавке слоев термопластического или металлического порошка с помощью теплового излучателя.

Модели, распечатанные методом SHS

По окончании формирования слоя рабочая платформа передвигается вниз на дистанцию, соответствующую толщине одного слоя, после чего новый слой порошка наносится с помощью автоматизированного ролика, а затем проводится спекание нового слоя по контурам, заданным цифровой трехмерной моделью.

Лучше всего технология SHS подходит для производства недорогих функциональных прототипов. 

Относительно невысокие энергетические затраты позволяют создавать настольные SHS принтеры - такие, как Blueprinter

Выборочное тепловое спекание (SHS) схоже с выборочным лазерным спеканием (SLS) – единственное существенное различие заключается в использовании тепловой печатающей головки вместо лазерной.

Такое решение позволяет снизить стоимость и габариты устройств, вплоть до возможности создания настольных принтеров.

С другой стороны, энергетическая отдача SHS принтеров мала по сравнению с SLS устройствами, что ограничивает выбор материалов.

Как правило, в качестве расходных материалов используются пластики или достаточно легкоплавкие металлы.

В последнем случае модели зачастую требуют дополнительного обжига для повышения прочности. 

Изготовление объектов методом ламинирования (LOM)

Технология LOM

Бумажный макет, созданный с использованием технологии SDL компании Mcor Technologies

Изготовление объектов методом ламинирования (LOM) – технология быстрого прототипирования, разработанная компанией Helisys Inc. Метод подразумевает последовательное склеивание листового материала (бумаги, пластика, металлической фольги) с формированием контура каждого слоя с помощью лазерной резки. Объекты, производимые этим методом, обычно подлежат дополнительной механической обработке после печати. Толщина наносимого слоя напрямую зависит от толщины используемого листового материала.

Компания Mcor Technologies использует вариант технологии, получивший название «Выборочное ламинирование» или SDL. Этот метод предусматривает нанесения клея только в местах, входящих в состав расчетной модели, что облегчает процесс удаления лишнего материала. В отличие от стандартной технологии на основе лазерной резки, SDL использует механическую резку с помощью лезвия из карбида вольфрама. Это позволяет несколько снизить стоимость устройств.

Процесс

3D-принтер Mcor Matrix Plus

Процесс печати протекает следующим образом:

Лист материала с клейким покрытием наносится на рабочую платформу (или нижние слои модели) с помощью разогретого ролика.

Контур слоя вычерчивается с помощью лазера.

Лишний материал режется лазером на мелкие секции для упрощения процедуры удаления.

Платформа с готовым слоем передвигается вниз.

В рабочую камеру подается новый лист материала.

Платформа поднимается вверх до контакта с новым материалом.

Цикл повторяется до завершения постройки модели, после чего лишний материал удаляется, и производится завершающая механическая обработка изделия (сверление, шлифовка и пр.)

Особенности:

Низкая себестоимость благодаря общедоступности расходных материалов.

Бумажные модели приближаются по физическим характеристикам к древесине, что позволяет проводить соответствующую механическую обработку. Разрешение печати несколько уступает таким высокоточным методам, как стереолитография (SLA) или выборочное лазерное спекание (SLS)

Технология допускает производство достаточно крупногабаритных моделей.

Электронно-лучевая плавка (EBM)

Технология EBM

Электронно-лучевая плавка используется для производства титановых имплантатов

Электронно-лучевая плавка («Electron Beam Melting» или EBM) – метод аддитивного производства металлических изделий. Данная технология зачастую классифицируется как метод быстрого производства. Электронно-лучевая плавка (EBM) схожа с выборочной лазерной плавкой (SLM) – главное отличие заключается в использовании электронных излучателей (т.н. электронных пушек) вместо лазеров в качестве источников энергии для плавки. В основе технологии лежит использование электронных пучков высокой мощности для сплавки металлического порошка в вакуумной камере с образованием последовательных слоев, повторяющих контуры цифровой модели. В отличие от технологий спекания, электронно-лучевая плавка позволяет создавать детали особо высокой плотности и прочности.

Технология

Промышленная EBM установка производства шведской компании Arcam AB

Этот метод производства деталей произвольных форм позволяет создавать металлические модели высокой плотности из металлического порошка. Готовые изделия практически не отличаются от литых деталей по механическим свойствам. Устройство считывает данные с файла, содержащего трехмерную цифровую модель, и наносит последовательные слои порошкового материала. Контуры слоев модели вычерчиваются электронным пучком, плавящим порошок в местах соприкосновения. Плавка производится в вакуумных рабочих камерах, что позволяет работать с материалами, чувствительными к оксидации – например, с чистым титаном.

Расходные материалы состоят из чистого металлического порошка без связующего наполнителя, а готовые модели не отличаются пористостью. Таким образом, не требуется обжигание напечатанной модели для достижения необходимой механической прочности. Этот аспект позволяет классифицировать EBM в одном ряду с выборочной лазерной плавкой (SLM) и отдельно от технологий выборочного лазерного спекания (SLS) и прямого лазерного спекания металлов (DMLS), зачастую требующих обжига после печати для достижения максимальных прочностных характеристик. В сравнении с SLS, SLM и DMLS, EBM обладает более высокой скоростью построения за счет более высокой мощности излучателей и электронного, а не электромеханического, отклонения пучков.

Электронно-лучевая плавка проводится при повышенных фоновых температурах, достигающих порядка 700-1000°C, что позволяет создавать детали, не страдающие от остаточного механического напряжения, вызываемого градиентом температур между уже охлажденными и еще горячими слоями. Кроме того, полная плавка расходного порошка позволяет производить монолитные изделия – отсюда максимальная прочность и отсутствие необходимости обжига. 

Технология была разработана и впервые применена шведской компанией Arcam AB.

Применение

Черепно-лицевой имплантат, изготовленный с помощью технологии EBM

Использование в качестве расходных материалов титановых сплавов позволяет применять технологию EBM для производства медицинских имплантатов. 

Начиная с 2007 года две европейские компании, Adler Ortho и Lima Corporate, а также американская компания Exactech используют технологию EBM для производства ацетабулярных чашек (имплантатов тазобедренного сустава).

Технология получила применение в аэрокосмической отрасли: Boeing, Lockheed Martin и NASA используют EBM для производства деталей реактивных и ракетных двигателей, а также несущих элементов конструкции летательных аппаратов. 

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS)

Технология DMLS

Прямое лазерное спекание металлов (DMLS) – технология аддитивного производства металлических изделий, разработанная компанией EOS из Мюнхена. DMLS зачастую путают со схожими технологиями выборочного лазерного спекания («Selective Laser Sintering» или SLS) и выборочной лазерной плавки («Selective Laser Melting» или SLM).

Процесс включает использование трехмерных моделей в формате STL в качестве чертежей для построения физических моделей. Трехмерная модель подлежит цифровой обработке для виртуального разделения на тонкие слои с толщиной, соответствующей толщине слоев, наносимых печатным устройством. Готовый «построечный» файл используется как набор чертежей во время печати. В качестве нагревательного элемента для спекания металлического порошка используются оптоволоконные лазеры относительно высокой мощности – порядка 200Вт. Некоторые устройства используют более мощные лазеры с повышенной скоростью сканирования (т.е. передвижения лазерного луча) для более высокой производительности. Как вариант, возможно повышение производительности за счет использования нескольких лазеров. 

DMLS позволяет создавать цельные металлические детали сложной геометрической формы

Порошковый материал подается в рабочую камеру в количествах, необходимых для нанесения одного слоя. Специальный валик выравнивает поданный материал в ровный слой и удаляет излишний материал из камеры, после чего лазерная головка спекает частицы свежего порошка между собой и с предыдущим слоем согласно контурам, определенным цифровой моделью. После завершения вычерчивания слоя, процесс повторяется: валик подает свежий материал и лазер начинает спекать следующий слой. Привлекательной особенностью этой технологии является очень высокое разрешение печати – в среднем около 20 микрон. Для сравнения, типичная толщина слоя в любительских и бытовых принтерах, использующих технологию FDM/FFF, составляет порядка 100 микрон.

Другой интересной особенностью процесса является отсутствие необходимости построения опор для нависающих элементов конструкции. Неспеченный порошок не удаляется во время печати, а остается в рабочей камере. Таким образом, каждый последующий слой имеет опорную поверхность. Кроме того, неизрасходованный материал может быть собран из рабочей камеры по завершении печати и использован заново. DMLS производство можно считать фактически безотходным, что немаловажно при использовании дорогих материалов – например, драгоценных металлов.

Технология практически не имеет ограничений по геометрической сложности построения, а высокая точность исполнения минимизирует необходимость механической обработки напечатанных изделий.

Преимущества и недостатки

Технология DMLS обладает несколькими достоинствами по сравнению с традиционными производственными методами. Наиболее очевидным является возможность быстрого производства геометрически сложных деталей без необходимости механической обработки (т.н. «субтрактивных» методов – фрезеровки, сверления и пр.). Производство практически безотходно, что выгодно отличает DMLS от субтрактивных технологий. Технология позволяет создавать несколько моделей одновременно с ограничением лишь по размеру рабочей камеры. Построение моделей занимает порядка несколько часов, что несоизмеримо более выгодно, чем литейный процесс, который может занимать до нескольких месяцев с учетом полного производственного цикла. С другой стороны, детали, произведенные лазерным спеканием, не обладают монолитностью, а потому не достигают тех же показателей прочности, что и отлитые образцы, или детали, произведенные субтрактивными методами.

На данный момент установки DMLS применяются только в профессиональной среде из-за высокой стоимости

DMLS активно используется в промышленности ввиду возможности построения внутренних структур цельных деталей, недоступных по сложности традиционным методам производства. Детали с комплексной геометрией могут быть выполнены целиком, а не из составных частей, что благоприятно влияет на качество и стоимость изделий. Так как DMLS не требует специальных инструментов (например, литейных форм) и не производит большого количества отходов (как в случае с субтрактивными методами), производство мелкосерийных партий с помощью этой технологии намного выгодней, чем за счет традиционных методов.

Применение

Технология DMLS применяется для производства готовых изделий малого и среднего размера в различных отраслях, включая аэрокосмическую, стоматологическую, медицинскую и др. Типичный размер области построения существующих установок составляет 250х250х250мм, хотя технологических ограничений на размер не существует – это лишь вопрос стоимости устройства. DMLS используется для быстрого прототипирования, снижая время разработки новых продуктов, а также в производстве, позволяя сокращать себестоимость мелких партий и упрощать сборку изделий сложной геометрической формы.

Фотографии деталей ракетного двигателя Super Draco, опубликованные основателем компании Space X Илоном Маском

Северо-западный политехнический университет Китая использует DMLS системы для производства элементов конструкции самолетов. Исследования, проведенные EADS, также указывают на снижение себестоимости и отходов при использовании технологии DMLS для производства сложных конструкций в единичных экземплярах или мелкими партиями.

5 сентября 2013 года Илон Маск опубликовал фотографии детали ракетного двигателя Super Draco, созданной из никель-хромового жаропрочного сплава Inconel с помощью принтера EOS.

Материалы

В качестве расходных материалов могут использоваться практически любые металлы и сплавы в порошковой форме. На сегодняшний день успешно применяется нержавеющая сталь, кобальт-хромовые сплавы, титан и прочие материалы.

Производство электронно-лучевой плавкой (EBFȝ)

Предназначение

Специалисты НАСА проводят испытания экспериментальной установки в условиях искусственной невесомости

Моделирование методом послойного наплавления (FDM)