Какво е 3D принтиране и видовете 3D технологии

Какво е 3D принтиране?

3D принтирането, известно в професионалните среди като адитивно производство, е комплексен процес включващ създаването на дигитален модел (CAD) и принтирането му в реален триизмерен обект. Целият процес може да отнеме от няколко часа до няколко дни, а принтираните продукти да се използват в различни сектори от архитектура и продуктов дизайн до ракетостроене и медицина.

Съществуват т.н. десктоп или настолни 3D принтери, които са с компактни размери и работна площ за малки до средни по големина детайли. Ориентировъчен размер на принтиран детайл с такъв професионален настолен 3D принтер е от 20 до 60 см (детайли с големина 60см излизат от принтери като Raise3D Pro3 Plus). С широкоформатни 3D принтери като BigRep или пък Omni3D може да изработите детайли с наистина големи размери.  На практика можете да създадете всякакъв размер продукт, в най-нестандартна форма.

Нека да видим кои са етапите в създаването на един прототип или продукт чрез 3D принтиране.

Етапи на 3D принтиране

В процеса на 3D принтирането влизат следните етапи:

Създаването на дизайна

На етап концепция и дизайн на детайла, който трябва да се произведе, водеща е неговата функция. Именно на този етап се определя материалът, геометрията и начинът на производство спрямо функцията. Детайлът се 3D моделира на специализиран софтуер, за да изгради негов цифров (3D) модел, дигитална проекция на физическия детайл. За самия процес по 3D моделиране можете да прочетете повече в нашата статия 3D моделиране – кратък наръчник.

Подготовката на 3D модела и на 3D принтера за печат

Това е вторият етап от създаването на 3D обекта. Моделът се нарязва (терминът, който използваме, е слайсване) на тънки двуизмерни слоеве и се превръща в набор от инструкции на машинен език (G-код) за изпълнение на принтера. Ако обектът е много голям, той се принтира на отделни части, които в последствие се сглобяват. В софтуера на принтера се избират необходимите настройки на параметрите, с които да се принтира селектираният материал. Това е важна стъпка, защото гарантира оптималните механични характеристики на принтирания детайл.

3D принтиране

Третата стъпка е самото 3D производство или принтиране. Още на първия етап (3D моделирането) сте подбрали подходящата технология, с която да реализирате своя проект спрямо функцията. Най-разпространените 3D принт технологии са FDM, SLA, SLS и металния 3D печат. Технологията определя и начинът на работа на самия принтер. Например FDM/FFF технологията разтопява пластмаса под формата на нишка. По време на принтиране, моделът трябва да се подпира, докато се изгради, затова се изграждат и подпорна структура. За разлика, SLS 3D принтирането полимеризира прахообразен материал с помоща на лазер. Самата пудра играе ролята на подпора, което позволява по-голяма свобода в дизайна на крайния продукт. Повече за разликите в самите технологии прочетете по-долу. Наличните материали (филаменти с пластмасова или метална нишка, смоли, полимерен или метален прах) се подбират спрямо технологията и спрямо нужните механични и физични свойства, които трябва да има финалния продукт – например да са изотропни, да са електропроводими, да са прозрачни, да са каучукови и др.

Постобработка

Последната стъпка от процеса по 3D принтиране е постобработката на вече принтирания детайл. Постобработка се налага, защото рядко 3D принтираните части са готови за употреба веднага след принт. Постобаботката включва различни видове довършителни дейности – механични, химични, термични и т.н. спрямо търсения външен вид и свойства. Например, ако трябва да сглобите крайния елемент от няколко по-малки принтирани елементи, то това е механична постобработка. Такива са и шкуренето и полирането, а галванизирането е химична обработка.

Ползи от 3D принтирането

В B2N вярваме, че иновациите и новите технологии са пътят към един по-целесъобразен начин на живот чрез намаляване на негативния отпечатък на индустрията върху природата. Повечето производствени методи в момента създават излишен отпадък, изразходват много суровина и създават дълга верига на доставки. За разлика 3D принтирането е сравнително нов производствен метод, който в някои аспекти е несравним с други съществуващи технологии заради възможностите, които дава, като бързина, свобода на дизайна, ефективност, автономност и не на последно място, то е щадящ метод за околната среда.

Природосъобразна производствена технология

Производството на части чрез 3D принтиране изисква използването само на толкова количество материал, колкото е необходим за направата на самата част. При традиционите методи на производство се изрязват големи блокове материал, като изрязаният материал се изхвърля. Принципите на адитивно производство позволяват и един детайл да се оптимизира за 3D печат, в резултат на което той става по-лек, по-здрав и устойчив във времето. Поради това и технологията се счита за екологична.

По-кратка верига за доставки

С 3D принтер под ръка и дигитални файлове на резервните части, фирмите няма нужда да поддържат инвентар. Един детайл се произвежда за няколко часа и е готов за експлоатация.

По-ниска производствена цена

От една страна, изразходваният материал е по-малко, съответно цената за него е по-ниска. От друга страна,  като производствен процес, 3D принтирането спестява време и следователно разходи, свързани с използването на различни машини за производство, закупуването на помощни инструменти или ангажирането на хора за сглобки и монтаж. 3D принтерите също могат да бъдат настроени и оставени по-късно да продължат с работата, както и да се управляват от разстояние, което означава, че няма нужда операторите да присъстват през цялото време.

По-бързо производство

В зависимост от дизайна и сложността на частта, 3D принтерите могат да отпечатат детайли в рамките на часове, което е много по-бързо от формованите или машинно обработени части. Не само производството на частта може да ви спести време чрез 3D принтирането, но и процесът на проектиране може да бъде много бърз чрез създаване на STL или CAD файлове, готови за отпечатване. С 3D принтирането имате възможност бързо да валидирате идея, да тествате нови разработки и да изчистите и оптимизиране дизайн и функция преди одобрение за масово производство.

Нови възможности за персонализация и производство на лимитирани серии

Безспорно, 3D принтирането е най-подходящият метод за направата на стоки, които са с лимитирана бройка. Персонализацията при скъпо струващите части е от съществено значение.

Благодарение на 3D технологиите създавате крайни продукти, които са по-леки, по-трайни и ценово рентабилни. С 3D принтирането индустрията може да постигне по-бърза разработка на по-ниска себестойност с изцяло дигитален поток от данни.

Видове 3D технологии

FDM/FFF технология за 3D принтиране

Това е най-разпространената и най-достъпната за крайния потребител технология, която работи с пластмаса под формата на нишка. Тя се прокарва през дюза, разтопява се до определени градуси в зависимост от материала и се наслагва върху платформата за принтиране. Основните марки принтери, които B2N предлага за FFF 3D принтиране, са Ultimaker, Raise3D, BCN3D, Intamsys и  Omni3D.

FFF технологията, също така, е подходяща за принтиране на композитни материали, като марката, която представлява B2N в този случай, е Markfordged. Принтирането се осъществява с основен материал полиамид, но принтерите имат и втора дюза, през която могат да се екструдират и налагат така наречените заздравяващи материали — кевлар, фибростъкло и карбон.

3D принтирането с композити и карбон е популярен избор, когато трябва да се произведат по-здрави и по-устойчиви части. Най-разпространеното приложение на принтирането с композитни материали е за направата на детайли, които да заместят металните изделия.

3D принтирането с пластмасови материали е изключително популярно за прототипиране и кратко серийно производство, за функционални части, резервни части, технологично обордуване, инструментална екипировка, помощни инструменти и приспособления, матрици за отливане по метода на студеното леене.

Високотемпературното FFF 3D принтиране се характеризира с използването на материали, които имат висок стъклен преход, и отключват оптималните си свойства само ако се обработват в подходяща среда (затворена работна камера с постоянна температура, нагреваема работна платформа и нагреваема дюза). С такива материали се изработват детайли, които се експолатират в много рискова среда и трябва да  са термоустойчиви или пък да не корозират. Само индустриален клас 3D принтери отговарят на тези условия, а сред портфолиото на B2N се отличават принтерите MiniFactory Ultra , Intamsys HT410 и Omni3D Factory 2.0 NET

SLA (Stereolithography)

Тази технология работи с течни фотополимери, които се втвърдяват с помощта на UV лазер. Тя се отличава с висока резолюция и много голяма гладкост на произведения детайл. Благодарение на SLA технологията могат да се произведат много детайлни продукти и затова често се използва в сфери като зъботехниката и бижутерията. Също така технологията се прилага за моделиране на различни детайли, които в последствие ще бъдат отливани по метода на студеното леене. Основните 3D принтери, който предлагаме за тази технология, са на марка Formlabs. Освен с настолни принтери Form 3 и Form 3B, специално за дентални специалисти, B2N разполага и с голяма машина Form 3L, която може да покрие индустриалния сегмент, заради големия си работен обем.

Най-често стереолитографията се използва за визуални модели, функционални прототипи, матрици и инструменти, кратко серийно производство.

SLS (Selective Laser Sintering)

Селективно лазерно синтероване е изключително подходящо за производство на голям брой функционални прототипи и крайни продукти, защото всички детайли се принтират наведнъж и цялата камера може да се изпълни с многобройни еднакви или различни детайли, които са позиционирани на много малки разстояния един от друг, а принтирането им се извършва едновременно. Използва се за малки до средно големи серии от продукти, за които производството на матрица и инструменти е нерентабилно спрямо необходимия брой, и за бизнеса е по-изгодно да произведе с 3D принтер. Благодарение на тази технология се получават детайли без подпорни материали, което благоприятства неограничената свобода в дизайна и персонализацията. Лазерният принтер, който използваме в B2N e EOS Formiga P110, който е водещ сред индустриалните принтери. По-бюджетен вариант, но с конкуренто качество, е SLS 3D принтерът Fuse 1 от Formlabs.

Метално 3D принтиране

Металното 3D принтиране се извършва по няколко технологии (стопяване на прахообразен материал, слепване на прахообразен материал или екструдиране на метална нишка). Тук можр да се запознаете по-подробно с видовете метално 3D принтиране.

• SLМ (selective laser melting) – селективно лазерно топене. Moщни лазери спояват метален прах в детайли.
• EBM (electron beam melting) – не толкова прецизна, но по-бързата технология за топене на метален прах с помощта на електронен лъч.
• DED (direct energy deposition) която също топи и споява, но (1) освен с метален прах, работи и с метален филамент и (2) едновременно екструдира и споява материала.

Независимо под каква форма са (пудра или филамент), металните материали, готови за 3D принтиране са разнообразни – неръждаеми и инстурментални стомани, инконел, титаниеви сплави, алуминиеви сплави, мед, хром-кобалт, никелови сплави.

Предимствата на металното 3D принтиране са, че е приложимо за производство на малки серии метални детайли, за които производството на матрица е твърде скъпо. Позволява да се работи с по-сложни геометрии, да се оптимизира дизайна, така че метални детайли да са по-леки от традиционно произведените такива. Не на последно място, металното 3D принтиране няма нужда от помощни инструменти, които са допълнителен разход за един бизнес.

Използва се най-често за изработка на резервни части, детайли с по-сложна геометрия, сложни възли и компоненти, които с 3D принтиране могат да се оптимизират като дизайн и да се принтират наведнъж, с което съкращават производствено време за сглобка и монтаж; за изработка на матрици и производствени инструменти.

Приложения на 3D принтирането

3D принтерите намират приложение във всяка една производствена сфера с различни цели:

• Бързо прототипиране
• Производство на крайни продукти
• Серийно производство с пълна повтаряемост
• Изработка на резервни части “от днес за утре”
• Изработка на всякакви видове приспособления за монтаж, демонтаж, полуавтоматизация на поточни линии и безопасност на работното място
• Индивидуални и специфични изделия
• Безброй решения за вътрешна автоматизация

Кога да използвате 3D принтиране вместо CNC обработка или шприцоване?

Адитивното производство е изключително конкурентноспособно за индустрии, чиито изделия са с ниска серийност, голяма динамика и със сложен дизайн. То дава възможност за бърза реализация от идея до краен продукт с висока ефективност и непосредствена приложимост.

3D принтирането допълва стандартните производствени технологии като позволява на един бизнес да бъде по-гъвкав, по-автономен и конкурентен спрямо пазара.