В статье представлен обзор одной из самых быстроразвивающихся в нашей дни технологии. Затрагиваются вопросы её применения в различных областях промышленности, целесообразности и преимуществах её использования. Также в статье представлен обзор различных материалов, использующихся в 3D печати, а также их спецификации и особенностей.
Ключевые слова: 3D печать, материалы 3D печати, металлы, полимеры, прогрессивные технологии.
The article provides an overview of one of the fastest growing technologies in our day. It touches on the issues of its application in various fields of industry, the feasibility and advantages of its use. The article also provides an overview of the various materials used in 3D printing, as well as their specifications and features.
Keywords: 3D printing, 3D printing materials, metals, polymers, advanced technologies.
3D-печать может создавать физические объекты из геометрического представления путем последовательного добавления материала. Этот трехмерный процесс получил феноменальное расширение в последние годы. Впервые этот процесс был коммерцианализирован в 1980 году Чарльзом Халлом. В настоящее время 3D-печать может использоваться для изготовления абсолютно различных объектов, таких как искусственный сердечный насос, ювелирные коллекции, 3D-роговицы с печатным рисунком, ракетные двигатели, стальные мосты в Амстердаме и др. Технология 3D-печати возникла из технологии послойного изготовления трехмерных (3D) структур непосредственно из чертежей автоматизированного проектирования (CAD). Технология 3D-печати является по-настоящему инновационной и стала универсальным технологическим этапом. Это открывает новые возможности и дает надежду многим компаниям, которые хотят повысить эффективность производства.
Обычные термопласты, керамика на основе графена и металл — это материалы, которые теперь можно печатать с использованием данной технологии. 3D печать технология имеет потенциал революционизировать отрасли и изменить производственную линию. Использование 3D-печати на предприятиях увеличит скорость производства при одновременном снижении затрат. В то же время спрос потребителя будет иметь больше влияния на производство. Потребители имеют больший вклад в конечный продукт и могут попросить изменить объект, чтобы он соответствовал их техническим требованиям. По словам представителя авиакосмической компании, Pratt & Whitney «стоимость разработки сложного продукта может очень сильно снизиться, если предложить инженерами вместо десятков чертежей посмотреть на реальную деталь». Кроме того, на готовой модели можно проводить различные тесты еще до того, как будет готов окончательный вариант изделия. [1]
Между тем объекты технологии 3D-печати будут располагаться ближе к потребителю, что обеспечит более гибкий и оперативный производственный процесс, а также более высокое качество и контроль. Кроме того, при использовании технологии 3D-печати потребность в глобальных перевозках значительно уменьшится. Производственные площадки будут расположены ближе к конечному пункту назначения, производственный процесс станет более гибким, что сэкономит энергию и время. Наконец, принятие технологии 3D-печати может изменить логистику компании. Логистика компаний может управлять всем процессом, предлагать более комплексные услуги и влиять на процесс от начала до конца.
В наше время 3D печать широко распространяется в мире. Технология 3D-печати все чаще используют для массового изготовления на заказ, изготовления любых видов конструкций, в сфере сельского хозяйства, здравоохранения, автомобильной промышленности и аэрокосмической промышленности. В то же время существует ряд недостатков внедрения технологии 3D-печати в производство. Например, эффект от использования технологии 3D-печати уменьшит использование рабочей силы, что сильно повлияет на экономику стран, которые полагаются на большое количество рабочих мест с низким уровнем квалификации. Кроме того, используя технологию 3D-печати, пользователи смогут печатать множество различных типов объектов, таких как ножи, пистолеты. Поэтому использование 3D-печати должно быть ограничено только определенными людьми для предотвращения использования террористами и преступниками, носящих оружие без обнаружения. В то же время люди, получившие чертежи, смогут легко начать осуществление контрафактной продукции. Это обусловлено тем, что использование технологии 3D-печати является простым — при нахождении необходимых чертежей распечатка деталей не составляет особых трудностей. Если в 2011 году такие образцы были скорее одноразовыми, то последние «печатные» экземпляры оружия становятся всё более надежными и настоящими. [2]
Подводя итог, можно сказать, что в последние годы технология 3D-печати стала гибкой, мощной, передовой обрабатывающей промышленностью. Эта технология широко используется во многих странах. В данной статье представлен обзор типов технологий 3D-печати, их применение и, наконец, материалы, используемые для данной технологии в производстве и промышленности.
Как и в любом производственном процессе, для 3D-печати требуются высококачественные материалы, которые должны обеспечивать качественную работу принтера. Для этого процедуры, требования и соглашения материального контроля устанавливаются между поставщиками, покупателями и конечными пользователями материала. Технология 3D печати способна производить полностью функциональные детали из широкого спектра материалов, включая керамику, металл, полимеры и их комбинации в форме гибридов, композитов или функционально-градиентных материалов.
Металлы
Технология 3D-печати металлом привлекает большое внимание в аэрокосмической, автомобильной, медицинской, обрабатывающей промышленности, так как дает ощутимые преимущества. Материалы из металла имеют отличные физические свойства и могут быть использованы производителями от печати человеческих органов до аэрокосмических составляющих. Примерами таких материалов являются алюминиевые сплавы, сплавы на основе кобальта, никеля, нержавеющие стали и титановые сплавы. Сплав на основе кобальта применяется в стоматологии. Это связано с тем, что он обладает высокой удельной жесткостью, упругостью, высокой восстановительной способностью, удлинением и поддается термообработке.
3D-печать металлами потребляет меньше энергии и сокращает количество отходов до минимума. Кроме того, готовое 3D-печатное изделие может быть до 60 % легче, по сравнению с фрезерованной или литой деталью. Одна лишь авиационная промышленность сэкономит миллиарды долларов на топливе — за счет снижения веса конструкций. А ведь прочность и легкость нужны и в других отраслях. Да и экономичность тоже. [3]
Кроме того, технология 3D-печати позволяет производить аэрокосмические детали с использованием сплавов на основе никеля. 3D-печатные объекты, изготовленные на основе никелевых сплавов, могут быть использованы в опасных средах. Это связано с тем, что он обладает высокой коррозионной стойкостью и может нагреваться до 1200 ° C. И, наконец, технология 3D печати также позволяет распечатывать объекты с использованием титановых сплавов. Титановый сплав имеет такие свойства как пластичность, хорошая коррозия, стойкость к окислению и низкая плотность. Используется в условиях высокого давления и температур, например, в аэрокосмической и биомедицинских сферах.
Полимеры
Технологии 3D печати широко используются для производства полимерных компонентов от прототипов до функциональных структур со сложной геометрией. Используя сплавленное моделирование осаждением (FDM), можно сформировать деталь, напечатанную путем нанесения последовательных слоев экструдированной термопластичной нити, такой как полимолочная кислота (PLA), акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), полипропилен (PP) или полиэтилен (PE). В последнее время термопластные нити с более высокими температурами плавления, такие как PEEK и PMMA, уже можно использовать в качестве материалов для 3D печати. 3D-печать полимерных материалов в жидком состоянии или с низкой температурой плавления широко используется в промышленности и обусловлена их низкой стоимостью, малым весом и гибкостью обработки.
Полимеры (не только органические) имеют всего два агрегатных состояния — амфорное и кристаллическое. В амфорном состоянии, полимерный материал может существовать как вязко текучей жидкостью, так и высокоэластичным соединением. В кристаллическом состоянии полимеры обладают большей прочностью, но либо малой текучестью, либо полным ее отсутствием. [4]
Полимерные материалы часто играют важную роль в биоматериалах и изделиях медицинского назначения в качестве инертных материалов, способствуя эффективному функционированию устройств, а также оказывая механическую поддержку во многих ортопедических имплантатах.
Керамика
В настоящее время технология 3D-печати может производить 3D-печатные объекты с использованием керамики и бетона без больших пор или трещин путем оптимизации параметров с настройкой определенных механических свойств. Керамика прочна, долговечна и огнестойка. Благодаря своему текучему состоянию перед установкой, керамика может применяться для изготовления деталей практически любых геометрий и форм, что очень подходит для современных отраслей строительства.
Одна из особенностей, являющаяся одновременно сложностью, в данной сфере — это необходимость обработки готовых моделей последующим обжигом и глазурированием. Кроме того, полученные методом 3D печати керамические изделия часто бывают слишком хрупкими, это связано как со свойствами используемых порошковых расходных материалов, так и с технологией нанесения слоев. [5]
Керамические материалы также будут полезны в стоматологии и аэрокосмической промышленности. Примерами таких материалов являются: глинозем, биоактивные стекла и диоксид циркония. Например, порошок глинозема может быть переработан по технологии 3D-печати. Глинозем является отличным керамическим оксидом с очень широким спектром применения, в качестве катализатора, адсорбента, химиката, в микроэлектронике, аэрокосмическая промышленности и других высокотехнологичных отраслях. Используя технологию 3D-печати, детали глинозема сложной формы имеет высокую плотность после спекания, а также имеет высокую зеленую плотность. Увеличение механической прочности раскройте потенциал для применения биоактивного стекла в соответствующих клинических структурах, таких как строительные леса и кости. Используя стереолитографическое производство керамики (SLCM), возможно производить твердую сыпучую керамику с высоким коэффициентом плотности, имеющую очень однородная микроструктуру, с высокой прочностью на сжатие и изгиб. Между тем, диоксид циркония является основным строительным материалом в атомной энергетике, использующие для изготовления труб. Цирконий без гафния очень подходит для этого применения, потому что имеет низкую восприимчивость к излучению, а также имеет низкий уровень поглощения тепловых нейтронов.
Композиты
Композитные материалы с исключительной универсальностью, малым весом и настраиваемыми свойствами революционизируют высокопроизводительные отрасли. Примерами композиционных материалов являются армированные углеродные волокна, полимерные композиты и армированные стекловолокном полимерные композиты. Композитные конструкции на основе углеродные армированных полимеров широко используются в аэрокосмической промышленности из-за их высокой удельной жесткости, прочности, хорошей коррозионная стойкости и усталостных характеристик. В то же время, данные композиты нашли множество различных применений в 3D-печати и имеют большой потенциал
из-за экономической эффективности их использования и высокой производительности. Стеклопластик обладает высокой теплопроводностью и относительно низкий коэффициент теплового расширения. Кроме того, стекловолокно не может гореть, и на него не влияют температура отверждения, используемая в производственных процессах, поэтому она очень подходит для использования в 3D-печати.
Умные материалы
Умные материалы так названы, поскольку могут изменить геометрию и форму объекта под влиянием внешних условий, таких как нагрев и вода. Примером трехмерного печатного объекта, созданного с использованием интеллектуальных материалов, являются саморазвивающаяся структура и мягкая робототехническая система. Умные материалы также могут быть классифицированы как 4D печатные материалы. Примерами групповых интеллектуальных материалов являются сплавы с памятью формы и полимеры с памятью формы. Некоторые сплавы с памятью формы, такие как никель-титан могут быть использованы в биомедицинских имплантатах для применения в микроэлектромеханических устройствах. При производстве 3D-печатной продукции с использованием никель-титана важными являются температура преобразования, воспроизводимость микроструктуры и плотность. Между тем, полимер с памятью формы (SMP) является своего рода функциональным материалом, который реагирует на такие раздражители, как свет, электричество, тепло, некоторые химические вещества и т. д. Используя технологию 3D-печати, можно легко и удобно производить сложную форму полимера с памятью формы. Оценка качества этого материала проводится на основе точности размеров, шероховатости поверхности и плотности детали.
Специальные материалы
Примеры специальных материалов служат:
– Еда
Технология 3D печати может обрабатывать и производить желаемую форму и геометрию с использованием пищевых материалов, например, шоколад, мясо, конфеты, пицца, спагетти, соус и т. д. 3D-печать продуктов позволяет производить здоровую пища, так как этот процесс позволяет клиентам корректировать ингредиенты материалов без уменьшения питательных веществ и вкуса ингредиентов.
– Лунная пыль
Процесс 3D-печати позволяет непосредственно производить многослойные детали из лунной пыли, которая имеет потенциальную применимость к будущей колонизации Луны.
– Текстиль
С развитием технологий 3D печати, ювелирная и швейная промышленность будут стремительно развиваться. Некоторым преимуществом технологии 3D-печати в индустрии моды является короткое время обработки для изготовления продукта, возможность сократить расходы, связанные с упаковкой и снизить стоимость цепочки поставок.
Выводы
На сегодняшний день человечеству только предстоит познать богатые возможности, которые предоставляет технология 3D печати. Неоспоримо то, что она имеет множество преимуществ и способна предложить современные решения для модернизации инфраструктуры многих отраслей промышленности. Разнообразие материалов, использующихся при печати позволяют выбирать их наиболее эффективным образом под конкретные задачи. В будущем данная технология будет способна значительно упростить жизнь человека и станет еще одним шагом к более прогрессивным технологиям и открытиям.
Литература:
- 3D-принтеры // 3D news [Электронный ресурс] URL: https://3dnews.ru/160001 (дата обращения: 10.01.2020)
- 3D-печать: третья индустриально-цифровая революция. Часть 1 // Blogerator.org [Электронный ресурс] URL: http://blogerator.org/page/3d-pechat-industrialno-cifrovaja-revoljucija-3d-printer-makerbot-cena-opisanie-perspektivy-1 (дата обращения: 15.01.2020)
- 3D-печать металлами — технологии и принтеры // Habr [Электронный ресурс] URL: https://habr.com/ru/company/top3dshop/blog/400731/ (дата обращения: 17.01.2020)
- Использование полимеров в 3D-печати// 3dgram [Электронный ресурс] URL: https://3dgram.ru/ispolzovaniye-polimerov-v-3d-pechati/ (дата обращения: 17.01.2020)
- Печать изделий из керамики// 3dToday [Электронный ресурс] URL: https://3dtoday.ru/blogs/mygadgetshop-ru/printing-ceramics/ (дата обращения 18.01.2020)
