Главная / Блог / Полезное / Разные виды 3D-принтеров или технологии 3D-печати

Разные виды 3D-принтеров или технологии 3D-печати

17.04.2020

Данная статья не претендует на научность, а скорее является небольшим введением в 3D-печать «для чайников».

Что же собственно мы подразумеваем под понятием 3D-печать?

В начале 1980-х начали развиваться новые методы производства деталей, основанные не на удалении материала, как в традиционных технологиях механической обработки, а на послойном изготовлении изделия по трехмерной модели, полученной в САПР, за счет добавления материалов в виде пластиковых, керамических, металлических порошков и их связки термическим, диффузионным или клеевым методом. И что же это значит на практике? То, что стало возможно создавать физические объекты совершенно по-новому.

Первым, кто запатентовал подобную технологию еще в далеком 1984 году, был Чак Халл, он же в 1986 году создал компанию 3D Systems, которая до сих пор является одним из лидеров отрасли. Первый коммерческий 3D-принтер 3D Systems SLA-1 был представлен в 1987 году.

3D Systems

Таким образом мы плавно подходим к рассказу о первой и возможно на сегодняшний день самой перспективной технологии 3D-печати, а именно печати фотополимерной смолой. Изначально эта технология называлась SLA, но со временем данное название стало не совсем корректным.

Фотополимерная печать

Суть фотополимерной 3D-печати заключается в том, что жидкая фотополимерная смола под воздействием света затвердевает и формирует 3D-модель. Изначально в качестве источника света выступал лазер, а технология была названа SLA или стереолитография.

SLA-печать

Несмотря на кажущуюся простоту, компания 3D Systems потратила более 10 лет, чтобы выпустить на рынок первый полноценный коммерческий продукт. Для этого потребовалось, чтобы произошли сдвиги в других технологических продуктах, таких как твердотельные лазеры, в которых в качестве активной среды используется вещество, находящееся в твёрдом состоянии.

Не вдаваясь глубоко в технологические дебри, можно сказать, что прошло около 25 лет постепенного развития этой технологии до 2013-2014 года, когда SLA 3D-принтеры стоили сотни тысяч долларов и были доступны только крупным компаниям, где также использовались очень ограниченно в силу дороговизны как оборудования так и материалов.

Созданный в 2011 году стартап под названием FormLabs переосмыслил идеи Чака Халла и разработал первый настольный SLA 3D-принтер, который начал продаваться по цене до 3 тысяч долларов. Таким образом, это дало возможность широкому кругу пользователей приобщиться к 3D-печати. За прошедшие годы компания FormLabs поставила десятки тысяч своих принтеров на рынок, избежала поглощения более крупными игроками и стала первым единорогом в 3D-печати с капитализацией более 1 млрд. долларов. Эта история стала одним из двух поворотных пунктов в прорыве, совершенном технологией 3D-печати за последние годы. Но другие компании тоже не стояли на месте и очень скоро поняли, что лазер как источник света для засветки фотополимерной смолы не является единственным решением, и предложили другой способ формирования модели, который получил название DLP (Digital Light Processing).

DLP-печать

Не вдаваясь в технические подробности важно отметить, что преимущества данной технологии заключается в более высокой продуктивности за счет засветки всего слоя сразу, в отличие от лазера, который должен физически освещать всю модель, поэтому требуется его постоянно перемещать. На простом примере очень легко объяснить, что это значит. Предположим вам надо напечатать кольцо, это задача на принтерах обоих технологий займет примерно одно и тоже время, а вот если вам надо напечатать сразу 10 колец, DLP-технология получит преимущество. То есть, имея DLP-принтер, вы напечатаете 10 колец за то же время, что и одно, в то время как SLA-принтер будет тратить на прорисовку каждого из колец определенное время, хотя это и даст возможность добиться лучшего качества.

Немного цифр…

Принтеру Form2, печатающему по технологии SLA, потребуется 11 часов 22 минуты для печати 55 моделей.

В итоге 12,4 минуты на одно кольцо.

4.jpg

3д моделирование ювелирных изделий

А 3D-принтер Uniz Slash Plus, в основе работы которого лежит технология DLP, потратит на печать 6- колец всего 3 часа 51 минуту, получается одно кольцо за 3,8 минуты.

3д моделирование ювелирных изделий

3д печать ювелирных изделий

Технология DLP получила определенное распространение и начала составлять конкуренцию традиционной SLA, но прорывной не стала, как вдруг случилась новая революция - на сцене появились LCD 3D-принтеры.

LCD печать

Принцип формирования еще проще, мощная LED-лампа, усиленная системой линз, светит на LCD-матрицу, которая проецирует нужное изображение на ванну с полимером, где и формируется 3D-модель.

Создание этой технологии в 2016 году дало возможность снизить цену на 3D-принтер в 10 раз по сравнению с хитом продаж того времени принтером FormLabs Form 2, цена на бюджетные LCD 3D-принтеры шла от 300 долларов. Такое кардинальное снижение стоимости позволило существенно расширить круг покупателей и дало домашним пользователям и маленьким студиям печати возможность попробовать эту технологию для своих нужд.

В чем же ее преимущество по сравнению с другими, кроме собственно цены?

LCD, как и DLP-принтеры засвечивают слой сразу, это дает им преимущество в производительности, правда по началу пользователи сталкивались с не очень высоким качеством самих моделей. Но с появлением в 2019 году 3D-принеров с LCD матрицей 2K, а потом и чуть позже 4K, эту проблему удалось решить, и LCD принтеры на сегодняшний день превосходят и по скорости, и по минимальной толщине слоя своих старших братьев.

Яркими примерами принтеров с разрешением 2K являются модели – Elegoo Mars, Anycubic Photon S, Wanhao GR1, Phrozen Shuffle Lite, Phrozen Shuffle 2019, Phrozen Shuffle XL 2019, Phrozen Sonic, с разрешением 4K - Phrozen Shuffle 4K, Phrozen Transform.

Внедрение в скором будущем матриц 8K, а также использование специальных монохромных матриц, повышающих скорость печати, сделает эту технологию доминирующей на рынке 3D-принтеров.   

ТЕХНОЛОГИИ ФОТОПОЛИМЕРНОЙ 3D ПЕЧАТИ:

ТЕХНОЛОГИИ ФОТОПОЛИМЕРНОЙ 3D ПЕЧАТИ

Надеюсь, я смог донести до вас суть различий между этими технологиями, ну а теперь, собственно, хочется рассказать, для чего чаще всего выбирают SLA/DLP/LCD 3D-печать. Здесь сразу стоит разделить принтеры на промышленные и настольные.

Промышленные 3D-принтеры в основном используют для создания прототипов большого размера, а также мелкосерийного производства и создания форм для отливки. Обладая достаточно высокой производительностью и хорошим качеством конечных изделий, это оборудование используется в автомобилестроении, аэрокосмической промышленности, а также для печати массивных объектов, таких как эта кость мамонта, напечатанная компанией Materialise в рамках сотрудничества с Бельгийским Королевским институтом естественных наук в Брюсселе.

3д печатная кость мамонта

Настольные SLA/DLP/LCD принтеры получили широчайшее распространение, прежде всего, в таких сферах деятельности, как стоматология, ювелирное дело, судо- и авиамоделирование, а также изготовление уникальных подарков и сувениров. Подробнее об этом можно почитать в наших статьях, посвященных этим темам.

Применение 3D-принтера в стоматологии

3D-печать в прототипировании

Применение 3D-принтера в ювелирном деле

3D-печать в мелкосерийном производстве

Высокая детализация и качественная финишная поверхность делает именно эту технологию 3D-печати отличным инструментом для решения многочисленных задач, которые до этого приходилось решать гораздо более трудоемкими и дорогими способами в тех сферах деятельности, о которых я упомянул выше.

Фотополимерная печать на 3D-принтере в стоматологии

Фотополимерная печать на 3D-принтере в стоматологии.

Фотополимерная 3д печать в ювелирном деле

Фотополимерная 3д печать в ювелирном деле. Справа – напечатанная на 3D принтере мастер-модель браслета.

Фотополимерная печать для создания прототипов

Фотополимерная печать для создания прототипов

Разные виды 3д печати_печать сувениров.jpg

Создание сувениров с помощью фотополимерной 3D печати

Путь развития FDM-технологии 3D-печати

Вторым отцом 3D-печати можно смело назвать С. Скотта Крампа, который в 1988 году запатентовал технологию FDM (Fused Deposition Modeling) – моделирование методом наплавления, и в 1989 году вместе со своей женой создал компанию Stratasys, которая до сих пор является одной из главных компаний отрасли.

Stratasys

Для данной технологии также зачастую используется аббревиатура FFF (Fused Filament Fabrication), но это не должно вводить вас в заблуждение. Суть технологий одна, а названия разные для того, чтобы избежать патентных споров.

Итак, что же, собственно, было изобретено. Суть идеи была в том, что пластиковая нить подается в экструдер, где плавится при высокой температуре и через маленькое сопло слоями формирует модель.

FDM печать

На базе этого изобретения Stratasys начала выпускать промышленные 3D-принтеры, которые в основном использовались также как и первые SLA-машины в автомобилестроении, аэрокосмической отрасли, а с появлением различных прочных видов пластика, таких как поликарбонат (PC), полиэфирэфиркетон (PEEK), полиэфиримид (PEI, Ultem), полифенилсульфон (PPSF/PPSU), и для создания функциональных прототипов. Большого распространения эта технология не получила, пока спустя более 20 лет не появился проект RepRap (Replicating Rapid Prototyper) — самовоспроизводящийся механизм для быстрого изготовления прототипов.

RepRap

Изначальная идея была в том, что нужно создать 3D-принтер, который бы мог напечатать другой 3D-принтер, на этой фотографии все пластиковые детали «ребенка» напечатаны на «родителе». По факту же произошло совершенно другое - группа энтузиастов смогла создать бюджетный 3D-принтер для домашнего или офисного использования. Идею быстро подхватили трое гиков из Нью-Йорка, которые создали компанию MakerBot и начали коммерческое производство настольных FDM 3D-принтеров. Это и стало вторым поворотным моментом в современной истории 3D-печати.

MakerBot

Стоимость принтеров составляла около 1000$, и эта цена стала вполне приемлема для многих энтузиастов, техногиков, увлеченных идеей 3D-печати инженеров и студентов.

В 2013 году MakerBot был поглощен Stratasys за рекордные 400 миллионов долларов. Итогом всего этого стало то, что мир получил очень интересную технологию создания физических объектов. Огромным плюсом FDM-технологии является дешевизна и большой выбор материалов печати, которые в большом количестве стали появляться после начала распространения 3D-печати. FDM-принтеры, прежде всего, распространились среди домашних пользователей, которые начали многочисленные эксперименты с печатью дома, подробнее об этом можно прочитать в статье 3D-печать как хобби.

Кроме того, FDM-печать нашла свое главное профессиональное применение - создание прототипов. После внедрения в этот процесс 3D-печати он уже никогда не будет прежним. Создание прототипов стало существенно более дешевым и быстрым, и это дало возможность пробовать гораздо больше идей инженеров для создания максимально качественных и продуманных в мелочах изделий, подробнее об этом также можно прочесть в статье 3D-печать в прототипировании. Также сейчас активно идут попытки внедрения FDM 3D-печати в мелкосерийное производство, и эта история получила неожиданное развитие во время эпидемии COVID-19, когда врачам срочно понадобилось производить запчасти для аппаратов искусственной вентиляции легких, а также держатели масок для врачей, которые вынуждены целыми днями их носить.

FDM 3D-печать в полной мере смогла продемонстрировать свои основные преимущества по сравнению с классическим производством, а именно скорость моделирования новой модели и запуск его в серию в кратчайшие сроки, меньше одного дня.

Разные виды 3д печати.png

Еще одним важнейшим преимуществом FDM-печати является широкий выбор материалов, начиная от биоразлагаемого PLA-пластика и заканчивая материалами типа PEEK, которые можно стерилизовать при высокой температуре и давлении.

В скором будущем мы ожидаем повсеместное внедрение так называемых «ферм 3D-печати», которые смогут реализовать концепцию «гибкого производства», суть которой заключается в том, что такая ферма может выпускать любую доступную продукцию, а не специализироваться в изготовлении каких-то конкретных изделий, как происходит на классическом производстве. Сегодня это могут быть запчасти для старых моделей железнодорожных вагонов, а завтра держатели медицинских масок или сувенирные кубки для победителей соревнований или пластиковые заглушки для мебели.

А пока продолжим наш рассказ о разных видах 3D-печати, возникших параллельно с развитием двух мейнстримовых технологий, о которых я уже рассказал. Многие инженеры и предприниматели в разных странах и компаниях поняли, что можно начать использовать принципы 3D-печати, используя другие материалы и способы формирования моделей, и вот что у них получилось.

Другие виды 3D-печати

SLM (Selective Laser Melting) – селективное лазерное плавление, имеет также названия DMLM и LPBF. Принцип 3D-печати здесь состоит в том, что под воздействием мощного лазера металлический порошок плавится и формирует 3D-модель. Это позволяет создавать модели сложных форм и высокой прочности, больше всего эта технология получила применение в аэрокосмической сфере и медицине. Ракета – это не массовый продукт и некоторые элементы гораздо удобнее и выгоднее печатать на 3D-принтере, чем фрезеровать или отливать.

SLM (Selective Laser Melting) – селективное лазерное плавление.jpg

На фотографии выше самый большой в мире напечатанный ракетный двигатель. Он был напечатан на принтере SLM 800 от SLM Solutions для британской аэрокосмической компании Orbex. Двигатель произведен как цельнометаллическое изделие из никелевого сплава. SLM 3DSLM 3D-печать позволила сократить затраты времени на 90%, а расходы на 50% по сравнению с ЧПУ-станками.

В медицине же 3D-печать металлом стала использоваться для создания индивидуальных имплантов из титана, сделанных непосредственно для конкретного пациента, это существенно повышает шансы на выздоровление.

3д печать в медицине

EBM (Electron Beam Melting) - электронно-лучевая плавка. Это технология, похожая на SLS/DMLS, только здесь объект формируется путём плавления металлического порошка электронным лучом в вакууме.

EBM (Electron Beam Melting) - электронно-лучевая плавка

SLS (Selective Laser Sintering) – селективное лазерное спекание, еще одна очень интересная технология. Процесс формирования модели здесь такой же, как в SLM, но вместо металлического порошка используется порошок из полиамида или нейлона. Это дает возможность формировать очень прочные, износостойкие изделия сложных форм, которые в первую очередь можно использовать как функциональные прототипы будущих изделий из металла или прочного пластика.

SLS (Selective Laser Sintering) – селективное лазерное спекание

Коллектор двигателя, напечатанный на SLS-принтере

Коллектор двигателя, напечатанный на SLS-принтере

Мебель, напечатанная на SLS-принтере

Мебель, напечатанная на SLS-принтере

MJF (Multi Jet Fusion) – оригинальная технология, разработанная компанией HP, которая по сути повторяет принцип SLS, но при этом не использует лазер. Это дает определенное преимущество в производительности принтера по сравнению с лазерной технологией, ведь он запекает слой сразу, также как это происходит с LCD 3D-принтерами, о которых мы подробно писали ранее в этой статье. Будучи одним из мировых технологических гигантов HP быстро ворвалась на маленький рынок 3D-печати и быстро заняла на нем большую долю в промышленном сегменте оборудования, к сожалению, по состоянию на 2020 год HP так и не начала поставки своих 3D-принтеров на российский рынок.

MJF (Multi Jet Fusion)

Хирургический инструмент и блок циллиндра, напечатанные на MJF-принтере

Хирургический инструмент и блок циллиндра, напечатанные на MJF-принтере

PolyJet - это технология, сходная с обычной печатью на струйном принтере. Жидкий полимер через множество крошечных сопел выстреливается на поверхность печатной платформы, после чего они затвердевают при помощи ультрафиолетового излучения. Используя данную технологию, можно создавать высококачественные полноцветные макеты и прототипы с высочайшим уровнем детализации и финишным качеством сравнимым с промышленными серийными образцами. К сожалению, высокая стоимость оборудования и материалов не дает возможности более широкого внедрения этой технологии.

Технология PolyJet

MJM (Multi Jet Modelling) - технология многоструйного моделирования, схожая с PolyJet, но в качестве материала здесь также может выступать воск. Технология разработана компанией 3D Systems, поэтому по соображениям защиты патентов имеет другое название. Печать воском широко применяется в ювелирном деле для выполнения индивидуальных моделей на заказ и создания мастер-моделей. Также существуют специализированные принтеры от компании SolidScape, которые печатают двухкомпонентным воском для последующего расплавления материала поддержки в горячей воде

Технология MJM (Multi Jet Modelling)

CJP (Color Jet Printing) – технология, суть которой состоит в послойном склеивании и окрашивании порошка на основе гипса или пластика. С помощью этой технологии можно создавать полноцветные изделия, а это чаще всего используются для печати архитектурных моделей и фигурок людей. Себестоимость печати в данном случае ниже, чем по технологии PolyJet, что дает больше возможностей для ее более широкого использования.

 Технология CJP (Color Jet Printing)

LOM (Laminated object manufacturing) – технология, схожая с CJP, но здесь строительным материалам выступает бумага, каждый лист которой приклеивается к предыдущему, раскрашивается струйным принтером и перфорируется. Это дает полноцветную 3D-модель и также хорошо подходит для архитектурных и декоративных моделей.

 Технология LOM (Laminated object manufacturing)

Еще одной технологией с огромными перспективами является комбинированная технология 3D-печати металлами, которая объединяет в себе 3 этапа создания модели: печать на FDM-принтере специальной композитной нитью, где в определенных пропорциях смешан металл и полимер, выплавление полимера и запекание металлической модели. На основе этой технологии американские компании DeskTop Metal и MarkForged уже создали свои коммерческие модели 3D-принтеров и начали их продажи, как в Америке, так и в Европе, но пока технология является очень сырой и не гарантирует хорошего качества готовых изделий. Зато ее огромным преимуществом является существенно более низкая цена и принтеров, и готовых изделий. В Россию данные системы пока не поставлялись, поэтому мы ждем возможности самостоятельно оценить их качество и эффективность. В перспективе нескольких лет эта технология может стать самой востребованной из всех возможных способов 3D-печати.

Studio System+ от Desktop Metal

Studio System+ от Desktop Metal

Как это работает:

Технология 3д печати металлами 

3D-печать керамикой является также перспективным направлением в разных отраслях. Существует ряд компаний, которые выпускают оборудование, печатающее керамические модели. Разные производители используют для этого уже упомянутые до этого DLP и SLA, как слегка адаптированную технологию многоструйного моделирования Ceramic binder jetting (CBJ). Данная печать применяется в стоматологии, ювелирном деле, а также для создания прототипов высокого качества, обладающих необходимыми функциональными свойствами. Также на базе FDM-принтеров создают принтеры, печатающие глиной для создания керамических изделий новым способом. Например, итальянская компания WASP уже несколько лет предлагает такие системы на базе своих дельта-принтеров, печатающих пластиковой нитью.

3д печать керамикой

Строительные 3D-принтеры по сути тоже используют принцип построения такой же, как в FDM-принтерах, только вместо расплавленной нити наносится жидкий бетон. Это позволяет построить стены дома размером 100 квадратных метров примерно за 3 дня, что существенно быстрее, чем стандартные способы строительства и, кроме того, это дает возможность создавать объекты сложных форм. Безусловно, это направление является перспективным, но на сегодняшний день не получило широкого применения, хотя в Китае строительные 3D-принтеры были использованы для быстрого строительства автономных блоков для самоизоляции больных коронавирусом в легкой форме, кому не досталось места в больницах, а дома находится им было опасно. Интересным фактом является и то, что самым перспективным проектом по строительству жилья на Марсе также признан способ 3D-печати.

 Дом, напечатанный иркутской компанией в Дубаи за 3 дня

Дом, напечатанный иркутской компанией в Дубаи за 3 дня

Боксы для больных коронавирусом в Китае. 15 комнат изготовили за 1 день

Боксы для больных коронавирусом в Китае. 15 комнат изготовили за 1 день.

Пищевая 3D-печать - это еще один способ применения FDM-технологии, только здесь в качестве материала выступает съедобное сырье. Больше всего распространение получили принтеры, печатающие шоколадом. Шоколад темперируется попадает в экструдер и через сопло слоями формирует 3D-модель. Т.к. шоколад в отличие от пластика является очень нежным материалом, то и печатать им не так просто, хотя он и дает возможность быстро создавать кастомизированные кулинарные шедевры или десерты необычных форм. Кроме шоколада есть возможность печатать с помощью пюре, теста или джема. Данная технология пока находится на ранней стадии развития, и возможно уже в ближайшее время мы увидим более совершенное оборудование, которое можно будет применять более широко. Одним из представителей 3D-принтеров для печати шоколадом является Choc Creator.

Разные виды 3д печати_пищевой 3д принтер.jpg

И последний, но далеко не по своей важности вид 3D-печати, на который возлагаются очень большие надежды в будущем – 3D-биопринтинг. По своей сути это послойная печать, где в качестве материала выступают живые клетки. Это относительно новый вид 3D-печати, первые эксперименты стали проводиться в 2000 году биоинженером Томасом Боландом, который доработал обычные настольные принтеры для печати фрагментов ДНК. За 20 лет эта индустрия шагнула далеко вперед, и уже сейчас помимо прототипов человеческих органов успешно печатают импланты, трубки сосудов, клапаны сердца, ушные раковины, хрящи, костную ткань и кожу для последующей пересадки. Этот вид печати успешно применяется для создания «тренажеров» для врачей, на которых они могут проводить репетицию операций или для студентов для живой практики. И, конечно, одно из основных предназначений биопринтинга – печать функционирующих внутренних органов для пересадки из биоматериала пациента. Пока данное направление находится на стадии разработок и тестирований и полноценно не применяется для лечения пациентов, но уже сейчас проведено большое количество успешных экспериментов. Как например, печать сердца израильскими учеными в 2019 году, пока совсем крошечное по размерам, но главное, что оно способно выполнять свои функции. Также биопечать имеет огромные перспективы в экспериментальном тестировании медицинских препаратов, выпускаемых фармацевтическими компаниями.

3D-биопринтинг

Безусловно, не обо всех технологиях 3D-печати мне удалось рассказать в этой статье, но прочитав ее даже не будучи техническим экспертом, вы сможете получить первое представление о 3D-печати, различных ее технологиях и способах применения. Если вас заинтересовало использование 3D-печати в вашей работе или хобби, обращайтесь к специалистам нашей компании и мы всегда будем рады вас дополнительно проконсультировать.

 

Александр Корнвейц

Эксперт рынка 3D-печати
#Полезное
Все материалы

Остались вопросы?

Наши специалисты помогут с выбором 3D-оборудования или аксессуаров, проконсультируют по любым вопросам.

Нашли дешевле?

Нашли дешевле?

Ваш запрос успешно отправлен.

Как только он будет обработан, менеджеры нашей компании свяжутся с вами.

Купить в один клик

Запросить КП

Форма программы Trade-in

Добавить отзыв

Заполните форму