Что такое технология 3D-печати (3DP)?

Привет всем, я Роуз. Сегодня я познакомлю вас с технологией 3D-печати. 3D-печать (3DP) — это разновидность технологии быстрого прототипирования, также известная как аддитивное производство. Это цифровая модель на основе файла, в которой для послойной печати используется порошковый металл или пластик и другие склеиваемые материалы. объектная технология.

Темы, затронутые в этой статье:

Ⅰ. Что такое технология 3D-печати?

Ⅱ. История развития 3D-печати

Ⅲ. Классификация методов 3D-печати

Ⅳ. Для чего используется 3D-печать?

Ⅰ. Что такое технология 3D-печати?

Технология 3D-печати , также известная как аддитивное производство, представляет собой технологию, которая создает реалистичные трехмерные объекты путем наложения склеиваемых материалов слой за слоем на основе файлов цифровой модели. Являясь одной из «12 революционных технологий, определяющих экономику будущего» и двигателем третьей промышленной революции, 3D-печать знаменует собой огромный промышленный переход от традиционного производства к интеллектуальному производству, запуская новую волну технологической революции.

По сравнению с традиционной технологией производства технология 3D-печати имеет характеристики «удаления форм, сокращения отходов и инвентаря». В производстве он может оптимизировать структуру, экономить материалы и энергию, значительно повышать эффективность производства и достигать «производства, основанного на дизайне». Инновационная идея.

Рисунок 2. Общий процесс 3D-печати.

Ⅱ. История развития 3D-печати

На протяжении всей истории развития технологии 3D-печати ее можно проследить до стереолитографии (SLA), изобретенной американским ученым Чарльзом Халлом в 1984 году. Впоследствии появились такие технологии, как селективное лазерное спекание (SLS), селективное лазерное плавление (SLM) и Постепенно развивались трехмерная печать и склейка ( 3DP ).

С начала 21-го века технология 3D-печати совершила новый прорыв, и мир официально вступил в стадию быстрого развития 3D-печати, и постепенно возникли различные инновационные подпроцессы в рамках подразделения крупномасштабных технологий для удовлетворяющие потребности конкретных отраслей, являются эффективным дополнением к традиционному производству.

Ⅲ. Классификация методов 3D-печати

Согласно стандарту ISO /ASTM 52900:2015, выпущенному Техническим комитетом по аддитивному производству Международной организации по стандартизации, технологические решения для 3D-печати в основном разделены на семь категорий.

Экструзия материала

Материал выборочно наносится через сопла или отверстия и т. д. Моделирование наплавлением (FDM) — один из наиболее интуитивно понятных и распространенных методов печати. Во время печати оборудование нагревает и плавит нитевидный термоплавкий материал, экструдирует и избирательно наносит материал на платформу через сопло с тонкими соплами, после охлаждения формирует слой поперечного сечения и печатает слой за слоем до тех пор, пока весь объект не будет готов. сформирован. . Материалами для печати в основном являются полимеры и пластмассы, в том числе полимолочная кислота PLA, термопластичный полиуретановый эластомер TPU, акрилонитрил-бутадиен-стирол ABS и т. д.

Преимущества: низкая цена оборудования и расходных материалов, широкий ассортимент материалов, высокая прочность печатной продукции.

Недостатки: точность печати низкая, шероховатость поверхности напечатанного образца большая.

Фотополимеризация в чане

Селективное фотоотверждение жидких полимеров с использованием световых волн определенной длины. Материалы, используемые в этой технологии, представляют собой светочувствительные смолы, которые под воздействием света претерпевают морфологический переход из жидкого состояния в твердое, что позволяет осуществлять процесс печати. В зависимости от типа источника света, метода облучения и метода формования его можно разделить на стереолитографию (стереолитографический внешний вид, SLA ) и цифровую обработку света (цифровая обработка света, DLP ) и т. д., а их принципы и процессы печати различаются. . Среди них SLA использует лазер для сканирования поверхности жидкой смолы по точкам, последовательно затвердевает поверхность точечной линии, чтобы завершить формование одного уровня, а затем взаимодействует с перемещением формовочной платформы для наложения слоя за слоем, чтобы сформировать трехмерная сущность. DLP использует воздействие всей поверхности для формирования одного слоя. Источником света в основном является светодиодный источник ультрафиолетового света, а диаграмма экспозиции каждого слоя генерируется пространственными модуляторами света, такими как чипы цифровой динамической маски.

Преимущества: высокая точность обработки, гладкая поверхность печатной продукции, высокая эффективность экспонирования и формования всей поверхности.

Недостатки: ограниченный ассортимент материалов, слабые свойства материала.

Направленное энерговыделение

В процессе плавления и осаждения используется сфокусированная тепловая энергия для плавления материалов. В основном это лазерная синхронная подача порошка (LENS, LBMD, LSF) и электронно-лучевое наплавление (прямое электронно-лучевое производство, EBDM) и т. д., которые в основном используются для создания или ремонта существующих конструкций. Процесс заключается в том, что источник энергии, такой как лазерный луч, создает расплавленную ванну в зоне осаждения и движется с высокой скоростью, а сопло отправляет нитевидные или порошкообразные материалы (например, титан и кобальт-хромовые сплавы) в высокотемпературную зону. область, которую необходимо нагреть до температуры плавления, а затем нанести слой за слоем после плавления. Сопло или стол монтируются на подвижном рычаге, что обеспечивает высокую степень гибкости в движении.

Преимущества: отсутствие поддержки, высокая гибкость обработки, эффективная подготовка и ремонт компонентов.

Недостатки: точность обрабатываемой поверхности ограничена, образец отливки требует повторной обработки (например, на фрезерном станке и т.п.), затруднен ремонт деталей сложной конструкции.

Струйная обработка материала

3D-эволюция струйного 2D-принтера. Струйную очистку материала можно разделить на непрерывную струйную обработку материала (CMJ), струйную очистку наночастиц (NPJ) и капельную по требованию (DOD). Основной принцип заключается в использовании заряженной отклоняющей пластины и электромагнитного поля для точного позиционирования выбрасываемого материала на печатной платформе, а также использовании источника ультрафиолетового света для отверждения и формования. Струйная обработка материала очень похожа на описанную выше стереолитографию (SLA), за исключением того, что первая может распылять сотни крошечных капель одновременно, в то время как SLA избирательно отверждается точечно с помощью лазера в полной ванне со смолой. Напыляемый светочувствительный капельный материал содержит полимеры и пластмассы, такие как акрилонитрил-бутадиен-стирол ABS и полипропилен PP.

Преимущество: Обеспечивает высокоточную полноцветную быструю печать, повышая эстетическое качество прототипов и готовых деталей.

Минусы: ограниченный ассортимент материалов, дороговизна, требуется постобработка для удаления лишнего материала.

Связующее струйное

Формование порошка, также известное как трехмерная печать и склеивание (3DP), достигается путем распыления клея. Основной процесс состоит в том, чтобы упаковать порошкообразный материал, такой как керамика или полимер, в контейнер, использовать струйную печатающую головку для распыления связующего вещества в порошок, точно так же, как песок, смешанный с водой, создаст более прочную структуру, слой порошка будет выбран. Склеивание областей происходит внутри, повторяя этот процесс, следующий слой порошка будет интегрирован с предыдущим слоем порошка за счет проникновения клея, так что слои укладываются и формируются. При использовании металлических и керамических материалов необходимо путем высокотемпературного спекания удалить связующее и добиться металлургической связи между частицами порошка, чтобы готовое изделие имело определенную прочность и плотность.

Преимущества: высокая эффективность формования, возможность печати разных цветов в одной партии, не требуется опорная конструкция.

Недостатки: высокая ударная вязкость, низкая плотность формованных деталей, последующая обработка, такая как обезжиривание и спекание металлов и керамики. В случае полимеров может потребоваться добавление воска для повышения структурной прочности.

Сварка в порошковом слое

Это еще один метод на основе порошкового слоя, который в основном используется для печатного изготовления металлических деталей. В отличие от описанных выше методов печати, плавление в порошковом слое не предполагает нанесения связующего для достижения печати, что в основном представлено селективным лазерным спеканием (SLS), селективным лазерным плавлением (SLM) и электронно-лучевым селективным плавлением (EBSM) и т. д. Процесс плавления слоя порошка обычно выглядит следующим образом: порошковый материал, хранящийся в бункере и контейнере для материала, равномерно наносится на поверхность печатной платформы с помощью валика для нанесения порошка. Порошок плавится и спекается, чтобы скрепить его, затем наносится слой порошка и спекается следующий слой, пока не будет сформировано все тело. Среди них селективное плавление электронным лучом будет предварительно нагревать слой порошка, а температура всей камеры может достигать тысяч градусов, что значительно снижает остаточное напряжение формованных деталей; В SLS необходимо добавлять дополнительные связующие, такие как металлы с низкой температурой плавления или смолы и т. д.

Преимущества: Высокая точность, возможность печати на металле (например, титане, алюминии, меди, нержавеющей стали и жаропрочных сплавах и т. д.), керамике, нейлоне и других материалах.

Недостатки: высокая стоимость, легко коробится при печати крупногабаритных объектов, низкая скорость.

Листовая ламинация

Материал вырезается лазером и скрепляется клеем или сваркой, образуя твердое тело. В отличие от других перечисленных выше технологических способов, технология печати листовой ламинацией может быть использована практически для любого другого материала, поддающегося скручиванию, помимо металлических пластин или даже бумаги. Листовое ламинирование в основном включает в себя производство многослойных объектов (LOM) и ультразвуковое аддитивное производство (Ultrasonic Аддитивное производство, UAM ). LOM — это использование клея для склеивания нескольких слоев бумаги и резки острым ножом без нагревания или плавления. Каждый лист разрезается немного по-разному. UAM - это использование аппаратов ультразвуковой сварки для склеивания металлических листов или полос, каждый металлический слой накатывается на растущую структуру, самым большим техническим преимуществом является низкая температура, подходящая для материалов с низкой температурой плавления, чувствительных к температуре.

Преимущества: высокая скорость формования, высокая точность, небольшая деформация коробления.

Недостатки: плохая адгезия между слоями, очевидная анизотропия структурной прочности отлитого образца, низкий коэффициент использования материалов, возможность изготовления только простых конструктивных деталей.

Ⅳ. Для чего используется 3D-печать?

Благодаря большим инвестициям в исследования и разработки в научные исследования и промышленность, способность 3D-печати модернизировать обрабатывающую промышленность направлена на инновации, начиная с глубины и широты внедрения прикладной стороны, обеспечивая ценность и создавая революции для различных производственных процессов. отрасли, охватывающие такие области, как аэрокосмическая, военная промышленность, автомобили и корабли, энергетика и энергетика, быт и медицинское обслуживание, культурное творчество и архитектура и т. д.

Рисунок 3. Испытательный полет ракеты Deep Blue

В области авиации и энергетики в последнее время американские компании Arris Composites и Airbus сотрудничают с рынком композитных материалов из углеродного волокна для 3D-печати, чтобы наладить массовое производство легких кронштейнов кабины; Solvay сотрудничает с OEM 9T Labs для 3D-печати деталей из пластика, армированного углеродным волокном. Внедрить массовое производство для производства мелких и средних компонентов, необходимых для таких отраслей, как аэрокосмическая промышленность, автоматизация, нефтегазовая промышленность.

Оглядываясь назад на Китай, можно сказать, что индустрия 3D-печати открыла возможность быстрого развития под руководством «Сделано в Китае 2025», что помогает быстрому развитию отечественных коммерческих ракет. В феврале 2021 года компания Chongqing One Zero Space впервые использовала 3D-печатные продукты системы управления ориентацией для полета, а в июле 2021 года летные испытания с вертикальным восстановлением на малой высоте темно-синей аэрокосмической жидкостной ракеты, изготовленной с помощью 3D-печати, прошли успешно. Видно, что 3D-печать открыла новое направление в производстве ракет и постепенно стала важной вспомогательной технологией в процессе производства ракет.

Развитие производства медицинских протезов не ограничивается ортопедией, искусственными ушами и т. д., но включает и глазные протезы. В ноябре 2021 года Институт Фраунгофера в Германии совершил прорыв в клиническом применении 3D-печатных искусственных глаз. Это указывает на тенденцию коммерциализации 3D-печати для производства медицинских протезов.

Считается, что благодаря постоянному изучению спроса, постоянному руководству политикой и постепенной стандартизации отраслевых стандартов широта и глубина приложений 3D-печати будут еще больше ускоряться.

Рисунок 4. Бионическое глазное яблоко, напечатанное на 3D-принтере.

Технология 3D-печати существует всего более 30 лет с момента ее появления в 1980-х годах, но она возглавляет мировую производственную революцию. Будучи представителем «Интернета + интеллектуального производства», он почти идеально отвечает требованиям кастомизации и массового производства и демонстрирует безграничную креативность во многих областях. Индустрия 3D-печати вступает в стадию роста. Ожидается, что к 2026 году объем мирового объема производства 3D-печати достигнет 37,2 миллиарда долларов США, и глобальная конкуренция уже началась. Однако то, как добиться точности, интеллекта, обобщения и удобства, является важным вопросом перед технологией 3D-печати. Ожидается, что на пути постоянного совершенствования и усовершенствования это приведет к важным изменениям в будущем интеллектуальном производстве.

Часто задаваемые вопросы о технологии 3D-печати:

1. Что такое 3D-печать?

3D-печать (3DP), разновидность технологии быстрого прототипирования, впервые появилась в середине 1990-х годов. Это метод создания объектов путем послойной печати с использованием склеиваемых материалов, таких как порошковый металл или пластик, на основе файлов цифровых моделей.

2. Когда была изобретена 3D-печать?

Технология 3D-печати была изобретена в середине 1990-х годов.

3. Что можно напечатать с помощью 3D-печати?

Разные 3D-принтеры печатают разные вещи. 3D-принтеры могут печатать металлические материалы, некоторые модели с низкими требованиями к точности, а высокоточные модели могут даже печатать человеческие органы.

4. Что такое материал для 3D-печати?

Материалы для 3D-печати обычно делятся на две категории: металлические и неметаллические, включая полимолочную кислоту, АБС-пластик, диоксид алюминия, нейлон, керамику, высокую температуру, высокую прочность, высокопрочную светочувствительную смолу, полупрозрачную светочувствительную смолу, мягкую 3D-печать, импортированную DLP. красный воск, импортированный синий воск DLP, полностью кобальтовая 3D-печать, обработка ABS с ЧПУ, настольный ABS-пластик и десятки других материалов. Металлические материалы для 3D-печати: золото, серебро, алюминиевый сплав, нержавеющая сталь, титановый сплав и другие материалы. Популярными материалами сегодня являются пластики (ABS и PLA), смолы с высокой детализацией,

Высокопрочный гибкий нейлон, цветной песок, литейный воск и смолы.

5. В чем разница между 3D-печатью и обычной печатью?

1. Компьютерные шаблоны разные. Для обычной печати требуются шаблоны, которые могут создавать различную плоскую графику, например Word, PowerPoint, PDF, Photoshop и т. д., в качестве базового шаблона; Дизайн 3D-печати основан на трехмерной графике.

2. Материалы для печати разные. Обычным печатным материалом являются чернила; в то время как материалы для 3D-печати разнообразны, например, термопласты, титановые сплавы, гипс, фотополимеры и жидкие смолы. Общим для этих материалов является простота формования.

3. Время печати отличается. Написание документа, состоящего из десятков страниц, может занять максимум несколько минут, а 3D-печать — дни.