3D принтиране: какво е, технологии, материали и приложения
3D принтиране: технологии, материали и приложения — открийте как работи, кои материали се използват и практични приложения за инженерство, ремонт и хоби.
3D принтирането е начин за създаване на триизмерни (3D) твърди обекти чрез изграждане слой по слой. Най-често в домашни и образователни 3D принтери се използва пластмаса, тъй като е лесна за работа и сравнително евтина. Съществуват и индустриални машини, които печатат с метали, керамика и други материали, но те са значително по-скъпи и изискват специализирана среда и умения.
3D принтерите позволяват бързо създаване на детайлни обекти, което дава възможност на инженерът и на дизайнери да прототипират, тестват и модифицират идеи без нужда от външен доставчик. Те се използват за поправка на пластмасови части, изработване на играчки, фигурки, архитектурни модели и много други предмети. В последните години продажбите на 3D принтери значително нараснаха, а цените намаляха, което ги направи по-достъпни за дома и малкия бизнес.
Как работи процесът
- Дизайн (CAD): Създава се цифров модел в програма за 3D моделиране или се използва готов файл (обикновено .stl, .obj).
- Слайсинг: Специален софтуер "нарязва" модела на тънки слоеве и генерира инструкции (G-code) за принтера — скорост, температура, път на главата и др.
- Печат: Принтерът изгражда обекта слой по слой, като полага материал или втвърдява смола/прах.
- Постобработка: Включва отстраняване на подпори, шлайфане, залепване, боядисване, термична обработка или втвърдяване, в зависимост от технологията и материала.
Основни технологии
- FDM/FFF (изтласкване на нишка): Най-разпространената и евтина технология — термопластична нишка (филамент) се загрява и екструдира през дюза. Подходяща за прототипи, функционални части и хобита.
- SLA / DLP (резинова фотополимеризация): Втвърдяване на течна фотополимерна смола с лазер (SLA) или с проекция (DLP). Дава много висока детайлност и гладка повърхност.
- SLS (селективно лазерно спичане): Лазер спича прахообразен материал (най-често полимерен прах) слой по слой. Подходящ за здрави функционални детайли и сложни форми без подпори.
- SLM / DMLS / EBM (метално принтиране): Технологии за спичане или топене на метален прах с лазер или електронен лъч. Използват се в авиацията, медицината и автомобилостроенето.
- Binder Jetting, Material Jetting и др.: Алтернативни методи за цветен печат, комбиниране на материали или бързо производство на части.
Материали
- Термопласти: PLA (лесен за печат, биоразградим), ABS (по-здрав и топлоустойчив), PETG (компромис между здравина и лесно печатане), Nylon (здрав и гъвкав), TPU (еластичен).
- Фотополимерни смоли: Стандартни за детайлни модели, биосъвместими за дентални и медицински приложения, високотемпературни и функционални смоли.
- Метали: Неръждаема стомана, титан, алуминий, кобалт-хром — за здрави и структурни детайли.
- Керамика и композитни материали: Керамични суровини за специфични приложения; материали с добавени въглеродни или стъклени влакна за повишена якост.
- Прахове и специални смеси: За SLS, Binder Jetting и метално принтиране.
Приложения
- Прототипиране и продуктово развитие: Бързо тестиране и усъвършенстване на дизайни.
- Медицина: Персонализирани импланти, протези, ортодонтски шини, хирургични модели и сканиране/печата на анатомични структури.
- Зъботехника: Корони, мостове, шаблони и други дентални решения.
- Авиация и автомобилостроене: Леки структурни компоненти, прототипи и резервни части.
- Архитектура и строителство: Модели, формоване и дори 3D печат на сгради и елементи от бетон.
- Инструменти и резервни части: Бързо производство на инструменти, монтажни приспособления и резервни елементи.
- Изкуство, мода и бижутерия: Сложни структурни и декоративни елементи, персонализирани изделия.
- Образование и хоби: Обучение по дизайн, механика и прототипиране; печат на играчки и модели у дома.
Предимства и ограничения
- Предимства: Гъвкавост на дизайна, бързо прототипиране, възможност за персонализация и производство на сложни геометрии, които са трудни за традиционни методи.
- Ограничения: По-ниска скорост за масово производство (в някои технологии), материални ограничения (механични свойства, термоустойчивост), слойна структура води до анизотропия на якостта и понякога нужда от постобработка.
Безопасност и околна среда
- Някои процеси отделят летливи органични съединения (VOC) или микрочастици — добра вентилация и филтриране са препоръчителни, особено при широкомащабни или метални принтери.
- Пластмасовите отпадъци трябва да се рециклират, когато е възможно; някои филаменти са биоразградими, но това не е универсално решение.
- Металните и прахообразни материали изискват специално третиране и безопасни работни практики.
Съвети за домашни потребители
- Изберете подходяща технология: FDM за бюджетни и практични приложения; SLA за висока детайлност.
- Съхранявайте филамента сух (контейнери с влагопоглъщачи), поддържайте правилна температура и калибрирайте принтера редовно.
- Запознайте се със софтуера за слайсинг и експериментирайте с настройки като температура, скорост и височина на слоя за оптимални резултати.
- Поставете принтера в добре проветриво помещение или използвайте филтърна кутия при печат с материали, които отделят изпарения.
Бъдещи тенденции
- Развитие на металното принтиране и намаляване на цените за по-достъпно индустриално използване.
- Биопринтиране на тъкани и органи за медицински изследвания и потенциални импланти.
- Комбинирано принтиране с множество материали и вградени електронни компоненти.
- Увеличаване на скоростта и размерите на печат за масово производство и строителство.
3D принтирането вече е част от много индустрии и ежедневието на хобистите. Разбирането на технологиите, материалите и процесите помага да изберете правилния подход за конкретно приложение и да извлечете максимална полза от тази бързо развиваща се технология.
3D принтер
История
1974 г. Дейвид Е. Х. Джоунс пише за първи път за идеята за 3D принтиране в списание New Scientist
1984 г. Ален Льо Мехо и други подават патент за стереолитография (3D принтер, базиран на лазер).
1989 г.: С. Скот Крамп разработва FDM. Това е технологията, използвана от повечето 3D принтери днес.
1992 г. Първата FDM машина е продадена през 1992 г. от компанията на С. Скот Крамп, Stratasys.
2005 г. RepRap става първият проект за принтер с отворен код
2008 г. Shapeways става първата услуга, която отпечатва 3D обект и го изпраща на клиентите.
2017 В Русия е построена първата 3D принтирана къща, в която могат да живеят хора
Как работят
Моделиране
Първата стъпка в 3D принтирането е да го направите на компютър. Хората правят това с помощта на CAD (Computer Aided Design) софтуер или 3D скенер. За да проектират модели[ permanent dead link] в CAD, хората започват с основни форми и ги развиват от тази точка. 3D скенерите са машини, които правят много измервания на обекта и автоматично създават модел на компютъра. Те могат да бъдат много бързи, но са и по-скъпи.
CAD моделите обикновено се записват на компютрите като STL файлове. Те се записват като множество триъгълници, което спестява място на компютъра.
Отпечатване
3D принтерите работят по много различни начини. Съществуват и много различни материали, които могат да се използват. Всеки метод и материал има своите предимства и недостатъци.
Основните неща, за които трябва да помислите при избора на машина, обикновено са скоростта, разходите и цветът. Принтерите, които работят директно с метали, обикновено са скъпи. По-евтините принтери обаче могат да се използват за изработване на матрица, която след това се използва за изработване на метални части.
Обикновено слоевете са с дебелина около 100 μm или около една десета от дебелината на човешки косъм. Отпечатъците могат да отнемат от по-малко от час до много дни, в зависимост от това колко сложни и големи са те.
Довършителни работи
След като машината е приключила с печатането, понякога хората довършват модела. Това означава да се направят малки поправки, за да изглежда по-добре. Довършителните работи включват премахване на материала, който принтерът е поставил, за да поддържа модела. Това понякога може да отнеме много време. Има начини да се направи по-бързо, но често е най-лесно пластмасата да се отстрани на ръка.
Компютърен модел на обект преди отпечатване
Готов 3D печат на оръдие
Използва
НАПРАВИ СИ САМ
Много хора се опитват да разработят евтини 3D принтери, които да се използват у дома. Библиотеките също започнаха да купуват по-малки 3D принтери, за да могат хората да се запознаят с тях, без да се налага да си купуват такъв. Много работа е свършена от общностите "Направи си сам", както и от училищата и хакерските общности. Към 2017 г. все повече хора започват да използват 3D принтирането в собствения си дом за малки предмети като зъбни колела и малки декорации.
Медицински
3D принтирането се използва за евтина изработка на медицински консумативи. Хората смятат, че двете най-големи употреби ще бъдат изработването на слухови апарати и изкуствени зъби.
През март 2014 г. хирурзите в Суонзи използват 3D принтирани части, за да възстановят лицето на мотоциклетист, който е тежко ранен при пътнотранспортно произшествие.
Производство
През 2014 г. шведска компания създаде суперавтомобил, в който са използвани много 3D принтирани компоненти. Urbee е първият автомобил в света, чиито каросерия и прозорци са отпечатани на 3D принтер.
През 2015 г. изтребител Eurofighter Typhoon на Кралските военновъздушни сили полетя с 3D отпечатани части. Военновъздушните сили на САЩ започнаха да работят с 3D принтери, а израелските военновъздушни сили също закупиха 3D принтер за отпечатване на резервни части.
Храна
Храната може да се принтира 3D. Могат да се принтират много различни храни, като шоколад и бонбони, както и плоски храни като крекери, макаронени изделия и пица. НАСА отпечатва храни, за да се създават по-малко отпадъци и да се приготвя храна, която има всички необходими хранителни вещества за астронавтите. През 2018 г. Джузепе Сьонти принтира храна, която е подобна на месо.
Оръжия
През 2012 г. Defense Distributed качва в интернет файлове за 3D принтиран пистолет, "който може да бъде изтеглен и възпроизведен от всеки, който разполага с 3D принтер". След като Defense Distributed публикува плановете си, хората се притесняват, че те могат да предизвикат проблеми с контрола върху оръжията Година по-късно, през май 2013 г., Държавният департамент на САЩ поиска от Defense Distributed да свали плановете, което те направиха.
Образование
3D принтирането увеличи иновациите и решаването на проблеми в класните стаи. Студентите по дизайн могат да го използват за отпечатване на прототипи по предмети като инженерно 3D принтиране; демонстрации на това вече са внедрени в някои институции по света.
Исторически
През последните няколко години 3D принтирането се използва, за да се гарантира, че важни неща от историята са в безопасност. Много музеи са закупили 3D принтери и изработват части, с които да поправят своите реликви. Музеят на изкуствата "Метрополитън" и Британският музей започнаха да използват своите 3D принтери, за да правят реплики, които да продават в магазина за сувенири. Националният военноисторически музей и Историческият музей във Варна продават онлайн цифрови версии на своите предмети, които всеки може да отпечата на 3D принтер у дома.
3D принтиран египетски фараон за продажба в Threeding
3D принтирано кубче захар
3D принтиран двигател
3D принтиран гръбначен диск
Шум при 3D принтиране
3D принтерите произвеждат шум, тъй като работата им е свързана с много вибрации. Университетът в Мичиган показа колко звук може да произведе 3d принтерът. Изследванията им показват, че звуци над 85 DB са вредни за човека. Въпреки това добрите 3D принтери с безшумна дънна платка могат да ограничат шума до 55 DB. Все още има много производители, които дори не могат да определят най-добрия начин за намаляване на шума на 3D принтера. Но има някои техники, които могат да ви помогнат да идентифицирате тихите 3d принтери и да се подготвите да намалите шума на значително ниво.
Има много неща, които трябва да се вземат под внимание, като например размера на вентилатора и неговото въртене, стъпковия двигател и производителността на стъпковите драйвери и т.н. Шумът обаче може да се дължи и на запушен с прах екструдер или на липса на поддръжка.
Неотдавнашно проучване на Бостънския университет показа, че един прост трик може значително да намали звука при 3D принтиране. Засега това е последният напредък в тази област.
Въпроси и отговори
В: Какво е 3D принтиране?
О: 3D принтирането е начин за създаване на триизмерни (3D) твърди обекти чрез изграждане на обекта слой по слой.
В: Какви материали обикновено се използват за 3D принтиране?
О: За 3D принтиране обикновено се използва пластмаса, защото е по-лесна за използване и по-евтина. Някои 3D принтери могат да печатат с други материали като метали и керамика, но те струват твърде много пари за повечето хора.
В: С какво 3D принтерите са полезни?
О: 3D принтерите са полезни, защото могат да създават нови обекти много бързо и са добри в изработването на много детайлни обекти. Това означава, че един инженер може да изпробва много нови проекти и да не чака някой друг да ги направи. Те са полезни и за поправяне на части от пластмаса, както и за изработване на играчки, фигури и модели.
В: Кой използва 3D принтери?
О: Има много хора, които отпечатват 3D обекти у дома. От 2003 г. насам са продадени много повече принтери за материали, отколкото преди. Освен това цената на 3D принтерите е намаляла, което ги прави достъпни за повече хора.
В: От колко време съществува технологията?
О: Технологията съществува от 2003 г., когато са продадени много повече принтери за материали, отколкото преди.
В: Колко струват повечето 3D принтери?
О: Повечето 3Д принтери сега струват по-малко, отколкото през 2003 г., благодарение на напредъка в технологиите, който позволи цените да се понижат значително с течение на времето.
обискирам