Стереолитография

Стереолитография (SLA или SL) широко известна как первый вид 3D-печати.

SL - процесс, основанный на использовании лазера с фотополимерными смолами, которые вступают в реакцию с ним и отверждаются для формирования твердого макета.

Это сложный процесс. Объясню его простыми словами: фотополимерная смола находится в ванне с подвижной платформой внутри. Лазерный луч направляется по оси X-Y на поверхность смолы в соответствии с 3D-данными, предоставленными принтеру (файл stl для 3d печати). В результате чего смола затвердевает именно там, где лазер попадает на поверхность. Как только слой завершен, платформа внутри ванны опускается на долю (по оси Z), и лазер прорисовывает следующий слой. Так продолжается до тех пор, пока весь объект не будет завершен и платформа не будет поднята из ванны для удаления.

В силу особенностей процесса SLA для некоторых деталей, особенно тех, которые имеют выступы, требуются опорные конструкции, которые удаляются вручную.

Что касается других этапов последующей обработки, то многие объекты, напечатанные 3D с помощью SL, нуждаются в очистке и отверждении. Отверждение включает в себя воздействие интенсивного света на деталь в конструкции, похожей на печь, для полного затвердевания смолы.

Стереолитография является одним из самых точных процессов 3D-печати с превосходной обработкой поверхности. Однако ограничивающие факторы включают в себя: необходимые этапы последующей обработки и стабильность материалов, которые со временем могут стать более хрупкими.

DLP

DLP - или цифровая обработка света - схожа со стереолитографией в том, что эта технология 3D-печати, работающая с фотополимерами. Основное отличие заключается в источнике света. В DLP используется традиционный источник света, например, дуговая лампа, с жидкокристаллическим дисплеем или устройство с деформируемым зеркалом (DMD), которое наносится на всю поверхность ванны с фотополимерной смолой за один проход. Это, как правило, делает процесс печати более быстрым, чем SLA.

Также как и SL, DLP производит высокоточные детали с отличным разрешением, но его сходства также включают те же требования к опорным конструкциям и последующему отверждению. Однако одним из преимуществ DLP перед SL является то, что для облегчения процесса требуется только неглубокая ванна со смолой, что обычно приводит к уменьшению количества отходов и снижению эксплуатационных расходов.

Лазерное спекание (лазерное плавление)

Это взаимозаменяемые термины, которые относятся к процессу лазерной 3D-печати, работающему с порошкообразными материалами. Лазер перемещается по слою плотно спрессованного порошкового материала в соответствии с 3D-данными, поданными на принтер, по осям X-Y. При взаимодействии лазера с поверхностью материала происходит агломерация, или сплавление, частиц друг с другом, образуя твердое тело. По мере завершения каждого слоя, слой порошка постепенно опускается. Валик разглаживает порошок по поверхности слоя перед следующим проходом лазера для формирования последующего слоя и его сплавления с предыдущим.

Камера сборки полностью герметична, так как необходимо поддерживать точную температуру во время процесса, соответствующую температуре плавления выбранного порошкового материала. После завершения процесса весь слой порошка извлекается из принтера, а излишки порошка удаляются, и остаются "напечатанные" детали. Одним из ключевых преимуществ этого процесса является то, что порошковый слой служит опорной структурой для свесов и подрезов. Поэтому с помощью лазерного спекания можно получить сложные формы, которые невозможно изготовить другим способом.

Однако, с другой стороны, из-за высоких температур, необходимых для лазерного плавления, время охлаждения может быть значительным. Кроме того, исторической проблемой этого процесса является пористость, и, несмотря на значительные улучшения в создании полностью плотных деталей, в некоторых случаях для улучшения механических характеристик все еще требуется инфильтрация другим материалом.

Лазерное спекание может обрабатывать пластиковые и металлические материалы, хотя для спекания металла требуется более мощный лазер и более высокие температуры в процессе. Детали, полученные с помощью этого процесса, намного прочнее, чем при использовании SL или DLP, хотя, как правило, качество и точность поверхности не столь высоки.

Экструзия (FDM, FFF)

3D-печать с использованием экструзии термопластичного материала является самым распространенным и узнаваемым видом печати. Наиболее популярное название - Fused Deposition Modelling (FDM). Это торговое название зарегистрировано компанией Stratasys, которая изначально разработала этот процесс. Технология FDM компании Stratasys существует с начала 1990-х годов и сегодня является видом 3D-печати промышленного уровня.

Однако в 3D-принтерах начального уровня, появившихся после 2009 года, в основном используется аналогичный процесс, обычно называемый Freeform Fabrication (FFF), но в упрощенной форме, поскольку патенты все еще принадлежат Stratasys. Самые ранние принтеры RepRap и все последующие разработки - с открытым исходным кодом и коммерческие - используют методологию экструзии. Однако после подачи компанией Stratasys заявления о нарушении патента против Afiniathere возникает вопрос о том, как теперь будет развиваться рынок принтеров начального уровня.

Данный вид печати работает путем расплавления пластиковой нити, которая с помощью нагретого экструдера наносится по одному слою на платформу в соответствии с предоставленными 3D-данными. Каждый слой затвердевает по мере нанесения и соединяется с предыдущим.

Stratasys разработали ряд запатентованных материалов промышленного класса для своего процесса FDM, которые подходят для некоторых производственных приложений. Наиболее распространенными материалами для 3D-принтеров FFF начального уровня являются ABS и PLA.

Процессы FDM/FFF требуют наличия опорных конструкций для любых приложений с нависающей геометрией. Для FDM это подразумевает использование второго, водорастворимого материала, который позволяет относительно легко смыть поддерживающие структуры после завершения печати. В качестве альтернативы возможны отрывные поддерживающие материалы, которые можно удалить, отделив их от детали вручную. Опорные конструкции или их отсутствие, как правило, были ограничением 3D-принтеров FFF начального уровня. Однако по мере развития и совершенствования систем, включающих двойные экструзионные головки, эта проблема стала менее актуальной.

С точки зрения производимых моделей, процесс FDM от Stratasys - точный и надежный, относительно удобен для офиса/студии, хотя может потребоваться обширная постобработка. На начальном уровне, как и следовало ожидать, процесс FFF производит гораздо менее точные модели, но ситуация постоянно улучшается.

Процесс может быть медленным для некоторых геометрий моделей, а межслойная адгезия может быть проблемой, в результате чего детали получаются негерметичными. Опять же, постобработка с использованием ацетона может решить эти проблемы.

Струйная печать

Существует два процесса 3D-печати, в которых используется струйный метод.

Струйная печать на связующем (Binder jetting)

Материал, наносимый струей, является связующим и выборочно распыляется в слой порошка материала детали, чтобы сплавить его по одному слою за раз. Как и в других системах с порошковым слоем, после завершения слоя, слой порошка постепенно опускается. Валик или лезвие разглаживает порошок по поверхности слоя перед следующим проходом струйных головок со связующим для последующего слоя, который формируется и сплавляется с предыдущим слоем.

Преимущества этого процесса, как и в случае SLS, заключаются в том, что необходимость в опорах отпадает, поскольку порошковый слой сам обеспечивает эту функциональность. Кроме того, можно использовать целый ряд различных материалов, включая керамику и пищевые продукты. Еще одним отличительным преимуществом процесса является возможность легкого добавления полной цветовой палитры в связующее вещество.

Однако детали не так прочны, как при спекании, и требуют последующей обработки для обеспечения долговечности.

Струйная подача материала (Material jetting)

Технология 3D-печати, при котором материалы для изготовления деталей (в жидком или расплавленном состоянии) выборочно подаются через несколько струйных головок (при этом другие одновременно подают вспомогательные материалы). Материалы, как правило, представляют собой жидкие фотополимеры, которые отверждаются под воздействием ультрафиолета по мере нанесения каждого слоя.

Природа этого продукта позволяет одновременно осаждать целый ряд материалов, что означает, что одна деталь может быть изготовлена из нескольких материалов с различными характеристиками и свойствами.

Это очень точный вид 3D-печати, позволяющий получать детали с очень гладкой поверхностью.

Ламинирование методом селективного осаждения (SDL)

SDL - это запатентованный процесс 3D-печати, разработанный и производимый компанией Mcor Technologies. Существует соблазн сравнить этот процесс с процессом Laminated Object Manufacturing (LOM), разработанным Helisys в 1990-х годах, из-за сходства в наслоении и придании формы бумаге для формирования конечной детали. Однако на этом их сходство заканчивается.

В процессе 3D-печати SDL детали создается слой за слоем с использованием стандартной бумаги. Каждый новый слой крепится к предыдущему с помощью клея, который наносится выборочно в соответствии с 3D-данными, поступающими в принтер. Это означает, что на область, которая станет деталью, наносится клей с большей плотностью, а на окружающую область, которая будет служить опорой, наносится клей с меньшей плотностью. Это обеспечивает относительно легкое удаление опоры.

После того как новый лист бумаги подается в 3D-принтер через соответствующий механизм и помещается поверх выборочно нанесенного клея на предыдущий слой, рабочая пластина перемещается к тепловой плите и придавливается. Это обеспечивает сцепление между двумя листами бумаги. Затем пластина возвращается на высоту построения, где регулируемый нож из карбида вольфрама разрезает один лист бумаги за раз, отслеживая контур объекта для создания краев детали. После завершения этой последовательности резки, 3D-принтер наносит следующий слой клея и так далее, пока деталь не будет готова.

SDL - один из немногих процессов 3D-печати, который может производить полноцветные детали, используя цветовую палитру CMYK. А поскольку детали представляют собой стандартную бумагу, не требующую никакой последующей обработки, они полностью безопасны и экологичны. Но этот процесс не может конкурировать с другими видами 3Д-печати в производстве сложных геометрических форм. А размер сборки ограничен размером исходного материала.

Электронно-лучевая плавка (EBM)

Технология 3D-печати электронно-лучевого плавления - это запатентованный процесс, разработанный шведской компанией Arcam. Этот метод печати металлом очень похож на процесс прямого лазерного спекания металла (DMLS) с точки зрения формирования деталей из металлического порошка. Ключевым отличием является источник тепла, который, как следует из названия, представляет собой электронный луч, а не лазер, что обуславливает необходимость проведения процедуры в условиях вакуума.

EBM позволяет создавать полностью плотные детали из различных металлических сплавов, вплоть до медицинских. В результате этого технология оказалась особенно востребована в медицинской промышленности, в частности, для производства имплантатов. Однако и другие высокотехнологичные отрасли, такие как аэрокосмическая и автомобильная, также обратились к технологии EBM для выполнения производственных задач.