Разрушение традиционных производственных процессов: подробный анализ принципов работы 3D-печати

С момента изобретения технологии 3D-печати она изменила традиционный производственный процесс. Она позволяет быстро печатать прототипы деталей и физические модели, сокращая время разработки продукции. Принцип этой технологии заключается в послойном построении материала на основе компьютерных файлов для получения видимых и осязаемых трехмерных объектов. Часто возникает вопрос, как именно это делается шаг за шагом. Далее мы опишем реальный принцип работы, типичные формы и сценарии применения.

Что такое 3D-печать?

Магия 3D-печати заключается в разрезании компьютерных моделей на сотни слоев с поперечным сечением и формировании твердых тел путем послойного наращивания материала. Это настоящий удар по обрабатывающей промышленности, позволяющий значительно уменьшить размеры! Традиционные методы обработки иногда предполагают разрезание всего сырья, что приводит к образованию до 80% отходов, в то время как 3D-печать напрямую экономит на затратах на разработку пресс-форм! Это очень просто осуществить с помощью всего одной машины, а коэффициент использования материала вырос до 95%!

Что, по-вашему, является самым революционным? Традиционное субтрактивное производство требует нескольких недель для изготовления деталей, но теперь достаточно загрузить только CAD-файлы, и изделие можно держать в руках 48 часов. Решение с использованием услуг 3D-печати позволяет эффективно это осуществить.

Что нам нужно знать об истории 3D-печати?

История 3D-печати не так уж и стара, как вы можете себе представить!

Эта концепция зародилась в конце Второй мировой войны, но на ее реализацию им потребовалось до 1980 года! Именно тогда японский ученый доктор Хидео Кодама изобрел прототип технологии быстрого прототипирования , что потрясло производственное сообщество.

Но в 1986 году американец по имени Чарльз Халл изобрел технологию трехмерной литографии, позволяющую фрезеровать трехмерные объекты с помощью жидкой смолы и ультрафиолетового света. Вслед за ним два профессора из Техасского университета придумали новый способ, разработав технологию лазерного спекания для получения порошкообразного материала, которая сегодня широко используется в промышленности как процесс SLS.

В конце 1990-х годов персональные компьютеры стали широко распространены, программное обеспечение для проектирования стало более удобным в использовании, а среды разработки с открытым исходным кодом оживились. Это побудило инженеров создавать 3D-принтеры небольших размеров, примерно равных размерам стандартных струйных принтеров, поскольку программное обеспечение для 3D-проектирования начало появляться в университетских кампусах.

В 2006 году настольные 3D-принтеры официально стали доступны для потребителей, при этом цены снизились с десятков тысяч долларов до двух тысяч долларов.

Пандемия COVID-19 непреднамеренно подтолкнула к технологическому прогрессу. В 2020 году, когда больницы по всему миру спешили получить комплектующие для аппаратов ИВЛ, инженеры использовали 3D-принтеры для печати в режиме повышенной нагрузки, чтобы доставить детали за одну ночь, а некоторые из них даже использовали 3D-принтеры для печати прозрачных защитных лицевых щитков. Это напрямую подтолкнуло к обновлению отраслевых стандартов, и теперь материалы для 3D-печати медицинского класса должны проходить тестирование на биосовместимость, при этом допускается отклонение в точности до 0,1 миллиметра.

3D-печать перестала быть лабораторным устройством. Она вошла в производственный процесс как на крупных, так и на небольших заводах.

Материаловеды изобрели проводящие металлические чернила и биоразлагаемые биопластики, которые, в свою очередь, стимулируют развитие технологий печати. ​​Забавно, что эти две области всегда развиваются рука об руку, соревнуясь друг с другом.

Проще говоря, как работает 3D-печать?

Процесс 3D-печати можно разделить на четыре ключевых этапа: обеспечение точного производства от чертежей до готовых изделий.

Шаг 1: Необходимо создать цифровую модель.

Для проектирования с нуля можно использовать программное обеспечение САПР, а для точного воспроизведения физического объекта — 3D-сканер. Этот этап особенно интересен, поскольку дизайнеры могут многократно корректировать модель для 3D-печати в виртуальном пространстве, например, уменьшать толщину стенок механических деталей с 5 миллиметров до 3 миллиметров, чтобы избежать потерь материала во время печати.

Шаг 2: Переход к этапу преобразования формата.

Здесь стоит отметить одну техническую деталь: формат STL разбивает поверхность модели на бесчисленное множество треугольных ячеек, подобно тому, как мозаичные пазлы используются для восстановления трехмерных форм. Но опытные пользователи уже начали использовать формат AMF, который позволяет записывать больше информации, такой как цвет и материал, подобно добавлению атрибутов к моделям для 3D-печати. ​​На этом этапе нам нужно отрегулировать угол размещения и представить себе печать модели подвешенной руки. Разумный угол наклона может уменьшить размер поддерживающей конструкции на 60%.

Шаг 3: Программное обеспечение для нарезки

Он разрезает 3D-модель на сотни слоев 2D-профилей, причем каждый слой имеет толщину, равную диаметру волоса (0,05-0,3 миллиметра). Принтер начинает работу в соответствии с этими настройками. Процесс FDM обычно используется на настольных принтерах, где сопло нагревает пластиковую проволоку до 220 ℃ и экструдирует ее, придавая ей нужную форму. Промышленное оборудование использует лазер для мгновенного расплавления металлического порошка, обеспечивая точность на уровне микрометров.

Шаг 4: Важный этап постобработки.

Для демонтажа несущей конструкции необходимо аккуратно снять вспомогательную раму и зашлифовать стыки наждачной бумагой. Детали аэрокосмической отрасли также должны пройти горячее изостатическое прессование, а окончательная проверка качества включает использование лазерного сканера для проверки соответствия размеров требованиям, не превышающим 0,1 миллиметра. Это важнейший стандарт для медицинских имплантатов, таких как искусственные суставы.

Какие существуют распространённые виды 3D-печати?

В сфере 3D-печати важную роль играют четыре основные технологии:

1. SLA

Она появилась в 1986 году и до сих пор остается флагманом высокоточной обработки материалов. Ее секретное оружие — ультрафиолетовый лазер, который, подобно использованию света в качестве резца, позволяет слой за слоем затвердевать жидкую смолу с точностью до одной десятой толщины человеческого волоса! От невидимых брекетов в стоматологических клиниках до микрорезных моделей в ювелирном дизайне, технология SLA прочно занимает лидирующие позиции в медицинской и высокоточной промышленности благодаря своим возможностям обработки поверхности с шелковистой чистотой.

2.FDM

Это самый экономичный вариант в сфере 3D-печати, принцип его работы напоминает усовершенствованный пистолет для горячего клея: проволока из PLA или ABS-пластика нагревается до 220 ℃ и экструдируется, придавая ей нужную форму. Хотя слои видны невооруженным глазом, преимущество заключается в низкой стоимости оборудования: настольный принтер можно купить за две тысячи юаней, что особенно удобно для студентов, занимающихся проектированием, или для любителей создавать собственные украшения. Однако для печати несущих конструкций необходимо использовать промышленный FDM-принтер, способный работать с нейлоном, армированным углеродным волокном, и, конечно же, цена в этом случае также достигает шестизначных сумм.

3. SLS

Он изготавливается методом прямого лазерного спекания на нейлоновом порошке. Куда бы ни направлялся 400-ваттный лазерный луч, порошок мгновенно плавится, образуя плотную структуру, и, что еще лучше, нерасплавленный порошок естественным образом формирует опору, что позволяет печатать сложные геометрические формы, такие как полые структуры и змеевидные трубы. Подошва спортивных кроссовок Adidas Futurecraft 4D представляет собой сотовую структуру, напечатанную из порошка ТПУ с использованием технологии SLS, которая одновременно легкая и обладает превосходной амортизацией.

4. MJF

Его можно считать устройством с точностью до микрометра, способным одновременно распылять 6 типов материалов, а точность толщины слоя в 16 микрометров делает невооруженным глазом трудноразличимыми следы от слоев. Еще более удивительно то, что некоторые промышленные модели могут напрямую печатать проводящие линии внутри деталей, например, прецизионный корпус слуховых аппаратов, интегрирующий электронные компоненты , что кардинально меняет традиционный процесс производства электроники.

В медицине он используется для создания хирургических направляющих с цветными сосудистыми маркерами, что позволяет хирургам четко видеть пространственное соотношение между опухолями и кровеносными сосудами.

Сравнение четырех типов технологий 3D-печати

В каких отраслях часто используется технология 3D-печати?

1. Здравоохранение

Технология 3D-печати моделей вносит революционные изменения в медицинскую отрасль. От индивидуально изготовленных костных имплантатов до имитационных моделей для вспомогательных хирургических операций, эта технология делает лечение более точным, дешевым и способствует более быстрому восстановлению. Конкретные области применения включают:

• Индивидуально изготовленные зубные имплантаты: с помощью компьютерного моделирования и данных КТ-сканирования пациента изготавливаются имплантаты, идеально подходящие к форме полости рта, что не только повышает комфорт, но и улучшает функциональность.
• Персонализированные протезы: протезы, изготовленные по индивидуальным параметрам тела, не только удобнее в использовании, но и выглядят ближе к реальным конечностям, что делает производство протезов качественным скачком.
• Реквизит для хирургической симуляции: врачи могут использовать 3D-модели органов пациентов для предварительной отработки хирургических планов, что эквивалентно добавлению репетиции к сложным операциям и значительно повышает вероятность успеха.
• Инструменты для точной доставки лекарств: специально разработанные устройства, созданные с помощью 3D-печати, позволяют точно контролировать дозировку лекарств, например, маленькие коробочки для лекарств, специально предназначенные для детей, что делает прием лекарств более безопасным.

2. Производство самолетов

Производители самолетов используют технологию 3D-печати для решения двух ключевых проблем:

• Быстро изготавливайте опытные образцы новых деталей, исключая длительный процесс традиционного изготовления пресс-форм.
• Воспроизводить снятые с производства аксессуары старых моделей, например, с помощью 3D-печати восстанавливать вентиляционные детали самолетов 30-летней давности.
• Этот метод не только гарантирует качество и отвечает особым требованиям, но и позволяет значительно снизить производственные затраты.

3. Автомобильное производство

От разработки концепт-каров до производства деталей, 3D-печать меняет все аспекты автомобилестроения:

• Используя технологию SLS (лазерное спекание порошка), прототипы двигателей можно изготавливать за 48 часов.
• Тестовые образцы, напечатанные по технологии FDM, позволяют команде разработчиков быстро проверять новые конструкции.
• Компания Porsche использовала технологию 3D-печати для воспроизведения снятых с производства деталей классических моделей, тем самым вдохнув новую жизнь в классические автомобили.

4. Образование и научные исследования

Школы делают знания наглядными и осязаемыми с помощью 3D-печати:

• На уроках истории, печатая бронзовые модели , ученики могут своими руками потрогать детали узоров.
• На уроках биологии для демонстрации внутренней структуры используются прозрачные модели человеческих органов.

Научно-исследовательские учреждения изучают передовые области:

• Корнельский университет пытается напечатать искусственную ткань сердца с использованием биоматериалов.
• MIT разрабатывает микроэлектронные компоненты, которые можно печатать.

5. Индустрия товаров повседневного спроса

3D-печать позволяет создавать персонализированные продукты:

• Оптики могут сканировать форму лица прямо на месте, чтобы печатать эксклюзивные оправы.
• Дизайнеры ювелирных изделий используют смолу для печати подвесок сложной формы.
• Бренды одежды выпускают дышащие спортивные кроссовки с 3D-плетением.

Изделия, для производства которых в традиционном производстве требуются пресс-формы, теперь можно изготавливать небольшими партиями с помощью 3D-печати, что особенно подходит для удовлетворения индивидуальных потребностей.

Зачем использовать 3D-печать?

1. Индивидуальная настройка имеет большие преимущества.

Традиционным заводам сначала нужно изготовить пресс-форму для нового изделия, и только стоимость пресс-формы может легко достигать десятков тысяч юаней. 3D-печать отличается тем, что позволяет сразу приступить к работе, создав модель на компьютере.

Три очевидных преимущества:

1. Точность сравнима с вышивкой: слуховые аппараты, изготовленные с использованием технологии светоотверждения (SLA) компании JS, имеют погрешность контроля менее половины толщины волосяной нити (<50 микрон) и совершенно не травмируют уши при ношении.

2. Цвета и материалы можно выбирать свободно: теперь можно создавать индивидуальные подарки на день рождения для детей, смешивать розовый, синий и прозрачный пластик для печати и создавать игрушечные машинки с градиентным рисунком.

3. Доставка в тот же день: В определенной стоматологической клинике изготавливают невидимые брекеты на основе данных о зубах пациента. После того, как пациент утром сделает фотографии зубов, он может получить эксклюзивные ортодонтические аппараты во второй половине дня.

Техническая поддержка:

• SLA (стереолитография): Высокоточная детализация (например, формы для ювелирных изделий, слуховые аппараты), позволяющая достигать погрешности печати менее 50 мкм.
• Многокомпонентное распыление: поддерживает смешивание цветов и материалов для изготовления товаров народного потребления на заказ (телефоны, игрушки).

В качестве примера: компания JS использует технологию SLA для помощи стоматологическим клиникам в печати персонализированных ортодонтических аппаратов на основе стоматологических данных пациента.

2. Экологичность 3D-печати

3D-печать требует только необходимого количества материала и сокращает количество отходов по сравнению с традиционными методами обработки материалов, то есть резкой, и поэтому особенно хорошо подходит для дорогостоящих материалов, таких как титановые сплавы и композиты из углеродного волокна.

Сравнение данных:

Традиционный процесс: процент отходов при резке авиационного алюминия достигает 70%.
3D-печать: Возможно повторное использование порошка с уровнем отходов менее 10%.

Пример: JS предоставляет производителям дронов облегченные конструкционные компоненты, позволяющие сократить расход материалов на 50%.

3. Преимущество в скорости

3D-печать устраняет необходимость в разработке пресс-форм и координации многопроцессных операций, значительно сокращает цикл разработки продукта и особенно подходит для быстрого прототипирования и мелкосерийного производства.

Сравнение эффективности технологий:

В чём преимущества технологии 3D-печати компании JS?

В отличие от традиционных типографий, компания JS предлагает дифференцированные решения, используя промышленное оборудование и экспертные знания:

1. Сверхвысокая точность и сложная конструкция.

Обеспечивает допуски ±0,005 мм, значительно превышающие отраслевые стандарты, для производства прецизионных деталей (например, медицинских изделий, компонентов аэрокосмической отрасли и т. д.). Возможно изготовление сложных геометрических форм без давления, полых конструкций, неровных поверхностей и других элементов без использования пресс-форм.

2. Разнообразие материалов

Мы предлагаем более 50 вариантов материалов, включая металлы (алюминий, титан, нержавеющая сталь), конструкционные пластмассы (PEEK), биосовместимые материалы и многое другое, чтобы удовлетворить потребности автомобильной, электронной и медицинской отраслей.

3. Эффективное производство и своевременная доставка.

Благодаря автоматизированным производственным линиям и интеллектуальным системам планирования, 98% заказов были доставлены в срок, а средний цикл проекта сократился на 15%.
Обеспечьте плавный переход от мелкосерийного производства с индивидуальной настройкой (например, испытания отдельных экземпляров) к массовому производству.

4. Оптимизация затрат

• Оптимизация алгоритма использования материалов может сократить количество отходов и общие затраты на 20%.
• Предоставляются бесплатные услуги по проверке дизайна, чтобы избежать дефектов до печати и сократить затраты на доработку.

5. Устойчивое производство

Благодаря использованию экологически чистых материалов и энергоэффективного оборудования выбросы углекислого газа сократились на 15%, а уровень переработки отходов достиг 20%, что соответствует принципам экологически ответственного производства.

Краткое содержание

3D-печать переосмысливает потенциал производства, преобразуя цифровые модели в физические объекты. Благодаря послойному наращиванию методом FDM, точному затвердеванию методом SLA или порошковому сплавлению методом SLS, 3D-печать помогает отраслям преодолевать традиционные ограничения благодаря гибкому проектированию, высокой эффективности использования материалов и быстрой итерации.

Благодаря услугам 3D-печати становится возможным производство сложных конструкций, от медицинских имплантатов, изготовленных на заказ, до быстрого прототипирования легких аэрокосмических компонентов. По мере распространения технологий и развития сервисной экосистемы 3D-печать не только снижает барьер для инноваций, но и переводит производство, ориентированное на индивидуальную настройку, из нишевых приложений в массовое производство.

Отказ от ответственности

Информация на этой странице носит исключительно информационный характер. Серия JS. Никаких заверений или гарантий, явных или подразумеваемых, относительно точности, полноты или достоверности информации не предоставляется. Не следует предполагать, что сторонний поставщик или производитель предоставит параметры производительности, геометрические допуски, конкретные конструктивные характеристики, качество и тип материалов или качество изготовления через сеть Longsheng. Ответственность за запрос ценового предложения на детали лежит на покупателе. Необходимо определить конкретные требования к этим разделам. Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами .

Команда JS

JS — ведущая компания в отрасли, специализирующаяся на индивидуальных производственных решениях. Мы обладаем более чем 20-летним опытом работы и обслуживаем более 5000 клиентов. Наша специализация — высокоточная обработка на станках с ЧПУ , производство изделий из листового металла , 3D-печать , литье под давлением , штамповка металла и другие комплексные производственные услуги.

Наш завод оснащен более чем 100 современными 5-осевыми обрабатывающими центрами, сертифицированными по стандарту ISO 9001:2015. Мы предоставляем быстрые, эффективные и высококачественные производственные решения клиентам в более чем 150 странах мира. Независимо от того, идет ли речь о мелкосерийном производстве или крупномасштабной индивидуальной разработке, мы можем удовлетворить ваши потребности с максимально быстрой доставкой в ​​течение 24 часов. Выбирайте JS Technology – это означает эффективность, качество и профессионализм.
Для получения более подробной информации посетите наш веб-сайт: www.cncprotolabs.com

Часто задаваемые вопросы

1. Почему для некоторых моделей, напечатанных на 3D-принтере, требуются опорные конструкции?

В 3D-печати, если модель имеет подвес или слишком большой угол наклона (например, более 45°), материал может легко разрушиться под действием силы тяжести, наслаиваясь друг на друга. Опорная конструкция служит временным каркасом для поддержки подвесной секции, обеспечивая точность и полноту печати.

2. Почему промышленная печать дороже, чем настольная ?

Высокая стоимость промышленной печати обусловлена ​​более высокими требованиями к материалам, таким как титановые сплавы и конструкционные пластмассы, необходимостью обслуживания прецизионного оборудования, например, систем калибровки лазеров и высокотемпературных систем, а также затратами на техническую поддержку. В то же время необходимо обеспечить высокую точность, стабильность и эффективность массового производства, в то время как настольная печать ориентирована на низкую стоимость и простоту использования.

3. В чем разница между 3D-печатью металлом и 3D-печатью пластиком?

Печать металлом требует использования высокотемпературного расплавленного порошка (например, SLS), что делает готовое изделие прочнее, но оборудование дорогое и в основном используется в высокотехнологичных областях, таких как аэрокосмическая промышленность и медицинские имплантаты. Печать пластиком осуществляется методом осаждения из расплава или фотосинтеза. Она недорога, проста в эксплуатации, подходит для прототипов и изделий повседневного использования, а также легка и экономична.

4. Каковы ключевые этапы переработки изделий, полученных методом 3D-печати?

Постобработка для 3D-печати включает удаление опорных конструкций, полировку поверхности для удаления следов слоев, термообработку для повышения прочности, а также этапы улучшения внешнего вида, такие как напыление или полировка поверхности, чтобы обеспечить гладкость, долговечность и соответствие готового изделия требованиям дизайна.

Ресурсы

3D-печать

Струйная печать

Многокомпонентная 3D-печать