Обзор аддитивных технологий для промышленных целей

Автор статьи

Алексей Симаков, техник-технолог Центра Аддитивных Технологий, ГК «Диполь»

Технология SLA

SLA (Stereolithography Apparatus) — печать фотополимерной смолой. В этой технологии смола послойно засвечивается лазером, формируя геометрию объекта. Траекторию лазерного луча направляет специальное устройство — сканатор, рассчитанный на высокую скорость работы. При этом время печати на SLA-принтерах в первую очередь зависит от высоты печатаемой детали.

Рис. 1. SLA 3D-принтер EPlus-3D EP-A450

Одна из особенностей SLA-печати — обеспечение высокой точности и детализации. В промышленности технология применяется при производстве готовых изделий, оснастки, а также мастер-моделей для литья и матриц композитных производств.

Существует много видов фотополимеров для SLA 3D-печати. Самые распространенные по своим свойствам похожи на термопласты, из которых выпускается большая часть потребительских вещей (например, ABS-пластик).

Важно отметить фотополимеры с низкой зольностью. Их применение в производстве выжигаемых форм для литья повышает качество и сокращает время изготовления.

Также выделяют композитные фотополимерные смолы, сочетающие несколько видов материалов. Такие композиты состоят из фотополимера и наполнителя. В качестве наполнителя служат керамические частицы, стекловолокно или углеволокно). Такие фотополимеры обладают улучшенными физико-химическими характеристиками.

В настоящее время SLA 3D-принтеры — одни из самых доступных и популярных решений для выполнения промышленных задач.

Технология SLS

SLS (Selective Laser Sintering) — печать полимерным порошком. Под воздействием лазерного луча порошок послойно спекается и формирует геометрию объекта.

В качестве материалов полимерного порошка применяется полиамид, полистирол, полипропилен, полиуретан, полиэфир кетона или композиты на их основе.

Наиболее распространенный материал для технологии SLS — полиамид, или нейлон Основные марки полиамида: PA-12 и PA-11, а также композиты на их основе. Эти материалы обладают отличными физико-химическим свойствами: широкий температурный диапазон эксплуатации, высокая прочность и химическая стойкость.

Процесс SLS-печати нейлоном происходит в инертной среде азота. Газ поставляется для продувки камеры из баллона или из азотной станции. Существуют SLS-принтеры (например, EPlus-3D EP-P420) со встроенным генератором азота.

Рис. 2. SLS 3D-принтер EPlus-3D EP-P420

В отличие от других технологий 3D-печати, SLS нуждается в меньшем количестве поддерживающих структур, а в ряде случаев может не использовать их вовсе. Это связано с тем, что в качестве поддержки в камере построения применяется сам материал.

SLS-печать позволяет создавать прочные и долговечные объекты, предназначенные для различных областей промышленности. Например, полиамид отлично подходит для печати корпусных и крепежных изделий разных приборов.

Как и SLA-технологии, SLS-принтеры востребованы в литейной промышленности. Печать выжигаемых мастер-моделей из полистирола с последующей пропиткой специальным воском позволяет в короткие сроки получать высококачественные формы для литья деталей со сложной геометрией. Так, на принтере EPlus-3D EP-С5050 для печати полистиролом и с платформой построения 520×520×500 мм можно печатать с производительностью до 2500 см3/ч.

Рис. 3. SLS 3D-принтер EPlus-3D EP-C5050

Технология SLM

SLM (Selective Laser Melting) — по этой технологии трехмерные объекты создаются из расплавленного лазером металлического порошка.

Технология SLM поддерживает различные материалы (металлические порошки для SLM 3D-печати имеют фракцию от 15 до 65 микрон):

нержавеющая сталь;
инструментальная сталь;
кобальт-хромовые сплавы;
никелевые сплавы;
сплавы меди;
алюминиевые сплавы;
титановые сплавы.

Процесс проходит в инертной среде, заполненной аргоном или азотом (в зависимости от применяемого материала). Азот применяется при печати негорючими порошками, такими как стальные, медные, кобальт-хромовые или никелевые. Как правило, SLM-принтер комплектуется станцией генерации азота. Для печати взрывоопасными и горючими порошками на основе алюминия и титана применяется аргон. Он обладает большей инертностью относительно азота. Аргон для 3D-печати металлом поставляется баллонами или сборками из баллонов (так называемыми танками).

Благодаря использованию лазера SLM-технология отличается высокой точностью (0,1 мм) и качеством печатных объектов. Данная печать позволяет создавать изделия со сложной геометрией, не доступной классическим методам производства.

На современном рынке представлены модели с различным рабочем полем построения. Примером высокопроизводительных SLM-решений служат принтеры серии EPlus EP-M:

Цифра в названии модели обозначает габарит построения. Например, у принтера EPlus-3D EP-M2050 рабочее поле составляет 2050×2050мм, что помогает закрыть значительное количество производственных задач.

Рис. 4. SLS 3D-принтер EPlus-3D EP-M2050

Данная технология широко распространена в аэрокосмической промышленности, автомобилестроении, машиностроении и медицине. Большое разнообразие материалов позволяет находить все новые области применения SLM-печати.

Промышленная FDM 3D-печать

FDM (Fused Deposition Modeling) — технология основана на послойном нанесении термопластичных полимеров с помощью позиционирования экструдера. В качестве материала применяется полимерная нить из термопласта или композита на его основе. Полимерная нить для FDM называется — филламент. На сегодня это самая популярная технология 3D-печати.

Рис. 5. FDM 3D-принтер FlashForge Creator 4S

Преимущество FDM заключается в доступности оборудования и материалов. У таких принтеров простой конструктив и низкая стоимость комплектующих.

Для FDM-печати подходит огромный диапазон термопластов. Филламенты изготавливаются из аморфных или кристаллических термопластичных полимеров, особой популярностью пользуются композитные филламенты. В таких материалах применяется наполнитель из угле- или стекловолокна, что отражено соответствующей приставкой в названии (CF или GF). Существуют филламенты, в которых один из термопластов служит добавкой. Например, PC-ABS — смесь поликарбоната и акрилонитрилбутадиенстирола. В данном пластике поликарбонат значительно увеличивает прочность и упругость, а также расширяет температурный диапазон эксплуатации готовых изделий по сравнению с обычным ABS.

К конкретному принтеру полимеры подбирают по критерию температурного режима. При FDM-печати температура может регулироваться тремя механизмами: экструдером, подогревом стола и подогревом камеры (при наличии двух последних). Существуют термопласты, которым не требуется даже подогрев стола, но отдельные пластики невозможно применять без серьезного подогрева платформы и камеры. Это связано с высокими температурами стеклования данных термопластов.

Не все FDM-принтеры пригодны для промышленного применения, поскольку у них низкая скорость печати и не предусмотрена возможность печатать высокотемпературными и высокопрочными пластиками.

Основные критерии промышленного 3D-принтера по технологии FDM:

температура экструзии свыше +350 °C;
закрытая камера печати с подогревом;
подогрев платформы свыше +120 °C;
камера с системой сушки для филламента;
обдув детали с регулировкой температуры и скорости;
система управления на 32-бит микроконтроллере.

Заключение

Внедрение 3D-печати стимулирует инновации и развитие новых технологий. Благодаря аддитивным технологиям промышленные производства продолжают расширять горизонты своих возможностей.

Широкий спектр материалов, высокие точность, скорость и детализация — эти преимущества создания трехмерных прототипов и готовых изделий значительно ускоряют процесс разработки и вывода на рынок новых продуктов. Дополнительные перспективы открывает возможность создания сложных геометрических конструкций. На снижение рисков и затрат при доработке продукции существенно влияет возможность внесения изменений в дизайн изделия уже после начала производства.

Еще одна особенность промышленной 3D-печати — способность персонализировать продукцию под конкретные потребности клиентов. Растущая удовлетворенность потребителей предоставляет дополнительные ресурсы развитию бизнеса.

Знание особенностей технологий 3D-печати и правильный выбор промышленных принтеров способны значительно повысить конкурентоспособность компаний.