Основні методи 3D-друку

Вступ до світу 3D-друку

3D-друк, або адитивне виробництво, здійснив справжню революцію в багатьох галузях — від прототипування та дрібносерійного виробництва до медицини, архітектури й навіть кулінарії. Ця технологія дозволяє створювати тривимірні об'єкти шар за шаром на основі цифрової моделі, відкриваючи неймовірні можливості для кастомізації, прискорення розробки та створення виробів складної геометрії, які неможливо виготовити традиційними методами. Популярність 3D-друку стрімко зростає, і сьогодні домашні 3D-принтери стають дедалі доступнішими. Але за загальним терміном "3D-друк" ховається безліч різних технологій, кожна зі своїми принципами роботи, матеріалами, перевагами та недоліками. Розуміння цих відмінностей — ключ до вибору правильного методу для конкретного завдання.

Ключові технології адитивного виробництва

Світ адитивного виробництва різноманітний. Існує кілька основних методів, які набули найбільшого поширення. Розглянемо їх докладніше.

FDM (Моделювання методом пошарового наплавлення)

Принцип роботи: FDM (Fused Deposition Modeling) або FFF (Fused Filament Fabrication) — мабуть, найвідоміша та найпоширеніша технологія, особливо в сегменті персональних і недорогих 3D-принтерів. Принцип простий: термопластичний філамент (пластикова нитка, змотана в котушку) подається в нагріте сопло (екструдер), де плавиться й видавлюється тонкою цівкою на робочу платформу. Екструдер переміщується по осях X та Y, формуючи шар об'єкта. Після завершення шару платформа опускається (або екструдер піднімається) на товщину шару, і процес повторюється до повного побудування моделі.

Матеріали: Широкий спектр термопластиків, включно з популярними PLA (полілактид — біорозкладний, простий у друці), ABS (ударостійкий, термостійкий), PETG (міцний, хімічно стійкий, менш примхливий, ніж ABS), TPU/TPE (гнучкі), ASA (атмосферостійкий аналог ABS), Nylon (PA), PC (полікарбонат) та композити (наприклад, з додаванням вуглеволокна або деревного пилу). Також за цією технологією працюють 3D-ручки.

Переваги:

• Доступність: Низька вартість як самих принтерів, так і витратних матеріалів.
• Простота використання: Відносно легко освоїти основи друку.
• Широкий вибір матеріалів: Велике розмаїття пластиків з різними властивостями.
• Міцність деталей: Можливість створювати функціональні та досить міцні вироби.

Недоліки:

• Точність і деталізація: Нижчі, ніж у фотополімерних технологій, помітна шаруватість на поверхні.
• Анізотропія: Міцність деталі може відрізнятися залежно від орієнтації шарів.
• Необхідність підтримок: Для друку навислих елементів потрібні опорні структури, які потім потрібно видаляти.
• Можливі проблеми: Деформація (особливо в ABS), проблеми з адгезією першого шару, засмічення сопла.

Застосування: Швидке прототипування, виготовлення корпусів, функціональних деталей, кастомних інструментів, освітні цілі, хобі, створення макетів.

SLA (Стереолітографія)

Принцип роботи: SLA (Stereolithography) — одна з найстаріших технологій 3D-друку. В її основі лежить фотополімеризація. Ультрафіолетовий (УФ) лазер точково засвічує рідку фотополімерну смолу у ванні, шар за шаром формуючи твердий об'єкт. Платформа для друку занурюється в смолу, лазер малює контур шару, смола в цьому місці твердне. Потім платформа трохи піднімається, дозволяючи новому шару смоли затекти під неї, і процес повторюється.

Матеріали: Рідкі фотополімерні смоли з різними властивостями: стандартні, інженерні (міцні, гнучкі, термостійкі), випалювані (для лиття), біосумісні (для медицини та стоматології), прозорі.

Переваги:

• Висока точність і деталізація: Дозволяє створювати дуже дрібні та складні елементи.
• Гладка поверхня: Шари практично непомітні.
• Ізотропія: Властивості матеріалу однакові в усіх напрямках (після постобробки).
• Розмаїття властивостей матеріалів: Смоли можуть імітувати властивості різних пластиків, гуми тощо.

Недоліки:

• Вартість: Принтери та смоли дорожчі, ніж для FDM.
• Постобробка: Потрібне промивання деталей від залишків смоли (зазвичай ізопропіловим спиртом) і додаткове УФ-засвічення для повного затвердіння.
• Крихкість: Багато стандартних смол відносно крихкі.
• Токсичність смол: Потрібне обережне поводження, добра вентиляція та використання засобів захисту (рукавички, окуляри).
• Обмежений термін служби смол: Чутливі до світла, мають термін придатності.

Застосування: Прототипування з високою деталізацією, ювелірна справа (створення майстер-моделей), стоматологія (хірургічні шаблони, капи, тимчасові коронки), медицина (анатомічні моделі), виробництво мініатюр, дизайн.

DLP (Цифрова світлодіодна проєкція)

Принцип роботи: DLP (Digital Light Processing) дуже схожа на SLA, оскільки теж використовує фотополімерні смоли. Основна відмінність — джерело світла. Замість лазера, який малює контур шару точка за точкою, DLP використовує цифровий проєктор (або масив УФ-світлодіодів з РК-маскою — технологія MSLA/LCD), який засвічує весь шар цілком за один раз. Це дозволяє значно збільшити швидкість друку, особливо при одночасному виготовленні декількох деталей або великих об'єктів.

Матеріали: Ті ж фотополімерні смоли, що й для SLA.

Переваги:

• Висока швидкість друку: Швидше за SLA, оскільки шар засвічується одночасно.
• Висока точність і деталізація: Порівнянна з SLA.
• Гладка поверхня: Як і в SLA.

Недоліки:

• Вартість: Історично DLP-принтери були дорожчими за SLA, але технологія MSLA/LCD зробила їх дуже доступними.
• Роздільна здатність проєктора: Якість друку залежить від роздільної здатності проєктора/екрана; можлива пікселізація на краях.
• Ті ж недоліки, що й у SLA: Постобробка, крихкість, токсичність смол.

Застосування: Аналогічно SLA, але часто краще для дрібносерійного виробництва через швидкість.

SLS (Селективне лазерне спікання)

Принцип роботи: SLS (Selective Laser Sintering) використовує потужний лазер для спікання частинок полімерного порошку. Перед початком друку тонкий шар порошку рівномірно розподіляється по робочій платформі спеціальним валиком або лезом. Потім лазер вибірково сканує поверхню, спікаючи частинки порошку в потрібних місцях згідно з перерізом моделі. Платформа опускається, наноситься новий шар порошку, і процес повторюється. Важлива особливість: неспечений порошок слугує природною підтримкою для моделі, що дозволяє створювати дуже складні геометрії без додаткових опорних структур.

Матеріали: Переважно поліаміди (Nylon PA11, PA12), але також використовуються полістирол, ТПУ (для гнучких деталей) та композити.

Переваги:

• Висока міцність і функціональність деталей: Вироби мають добрі механічні властивості, порівнянні з литтям під тиском.
• Складна геометрія: Можливість друку складних форм, внутрішніх каналів, збірок без підтримок.
• Ефективне використання об'єму: Деталі можна розташовувати в камері друку в 3D, максимально заповнюючи об'єм.
• Добра продуктивність: Підходить для дрібносерійного виробництва.

Недоліки:

• Висока вартість обладнання: SLS-принтери значно дорожчі за FDM та SLA/DLP.
• Вартість матеріалів: Порошки дорожчі за філаменти та смоли.
• Постобробка: Потрібне очищення деталей від неспеченого порошку (часто за допомогою піскоструминної обробки).
• Шорсткість поверхні: Поверхня деталей зазвичай матова й трохи шорстка.
• Обмежений вибір кольорів: Переважно використовуються білі або сірі порошки, фарбування відбувається після друку.

Застосування: Функціональне прототипування, виробництво кінцевих виробів, кастомні деталі для машинобудування, аерокосмічної галузі, медицини (протези, ортези), виробництво оснащення.

Material Jetting (MJ) / MultiJet Printing (MJP)

Принцип роботи: Технологія Material Jetting (струменевий друк матеріалом), що часто асоціюється з технологіями PolyJet (Stratasys) та MultiJet Printing (3D Systems), нагадує роботу звичайного струменевого 2D-принтера, але в трьох вимірах. Друкувальна голівка із сотнями сопел наносить найдрібніші краплі рідкого фотополімеру на робочу платформу. Краплі негайно тверднуть під дією УФ-світла. Цей метод дозволяє створювати деталі з дуже високою точністю, гладкою поверхнею і навіть використовувати кілька матеріалів або кольорів одночасно в одній моделі, включно з матеріалами з різними властивостями (наприклад, жорсткі та еластичні).

Матеріали: Рідкі фотополімери (акрилові) з широким спектром властивостей (жорсткі, гнучкі, прозорі, кольорові, біосумісні).

Переваги:

• Найвища точність і деталізація: Найкраща серед усіх технологій.
• Дуже гладка поверхня: Порівнянна з литтям.
• Багатоматеріальний та повноколірний друк: Можливість створювати складні композитні деталі та реалістичні кольорові прототипи.
• Висока швидкість для складних деталей.

Недоліки:

• Дуже висока вартість обладнання та матеріалів.
• Крихкість матеріалів: Деталі часто не підходять для функціональних випробувань під навантаженням.
• Потрібне видалення підтримок: Підтримки зазвичай робляться з розчинного або легко видалюваного матеріалу.
• Чутливість до УФ-випромінювання: Властивості матеріалів можуть з часом деградувати під впливом світла.

Застосування: Реалістичні прототипи, майстер-моделі для лиття, медичні моделі, демонстраційні зразки, дизайн, виробництво складних збірок.

Binder Jetting (BJ)

Принцип роботи: Binder Jetting (струменевий друк зв'язуючим) працює аналогічно SLS у тому, що використовує порошковий матеріал. Однак замість лазера для спікання, друкувальна голівка вибірково наносить рідку зв'язуючу речовину на шар порошку, склеюючи частинки разом. Після формування шару платформа опускається, наноситься новий шар порошку, і процес повторюється. Як і в SLS, несклеєний порошок підтримує деталь. Після друку "зелена" деталь (склеєна, але ще не міцна) витягується з порошку й піддається постобробці — інфільтрації (просоченню, наприклад, бронзою для металу або епоксидною смолою для піску/гіпсу) та/або спіканню в печі для надання міцності.

Матеріали: Металеві порошки (нержавіюча сталь, інконель), пісок (для ливарних форм), кераміка, гіпс (для повноколірних моделей).

Переваги:

• Висока швидкість друку: Одна з найшвидших технологій, особливо для великих деталей.
• Низька вартість друку (без урахування постобробки).
• Можливість друку великих об'єктів.
• Повноколірний друк (для гіпсових моделей).
• Немає потреби в підтримках.

Недоліки:

• Низька міцність "зелених" деталей: Потрібна обов'язкова й часто складна постобробка (інфільтрація, спікання).
• Пористість: Деталі можуть бути пористими навіть після постобробки.
• Механічні властивості: Зазвичай нижчі, ніж у деталей, отриманих методами SLS або DMLS/SLM.
• Точність: Може бути нижчою через усадку при спіканні.

Застосування: Виготовлення ливарних форм і стрижнів з піску, виробництво металевих деталей (де не потрібна максимальна міцність), створення повноколірних прототипів та архітектурних макетів (з гіпсу), керамічні вироби.

DMLS/SLM (Пряме лазерне спікання/плавлення металу)

Принцип роботи: DMLS (Direct Metal Laser Sintering) та SLM (Selective Laser Melting) — це технології, схожі на SLS, але призначені для роботи з металевими порошками. Потужний лазер плавить (SLM) або спікає (DMLS) частинки металевого порошку шар за шаром в інертній атмосфері (для запобігання окисленню). Ці методи дозволяють створювати повнофункціональні металеві деталі складної форми.

Матеріали: Різні метали та сплави: нержавіюча сталь, алюміній, титан, кобальт-хром, інконель, дорогоцінні метали.

Переваги:

• Створення міцних металевих деталей складної форми.
• Добрі механічні властивості: Порівнянні з традиційно виготовленими металевими деталями.
• Можливість оптимізації топології: Створення легких і міцних конструкцій.

Недоліки:

• Дуже висока вартість обладнання та експлуатації.
• Потрібні підтримки: Металеві підтримки необхідні й часто важко видаляються.
• Постобробка: Зазвичай потрібна термообробка для зняття внутрішніх напружень і фінішна механічна обробка.
• Обмежений розмір деталей (відносно).

Застосування: Аерокосмічна промисловість, автомобілебудування, медицина (імплантати), виробництво інструментів та оснащення, виготовлення деталей зі складною внутрішньою структурою.

Порівняння технологій: Що обрати?

Вибір конкретного методу 3D-друку залежить від безлічі факторів:

• Мета: Прототип, функціональна деталь, макет, майстер-модель?
• Вимоги до деталі: Міцність, точність, гладкість поверхні, термостійкість, гнучкість, колірність, біосумісність?
• Матеріал: Чи потрібен конкретний пластик, метал, кераміка?
• Бюджет: Скільки ви готові витратити на обладнання, матеріали та постобробку?
• Обсяг виробництва: Одиничний виріб, дрібносерійне виробництво?
• Складність геометрії: Чи потрібні підтримки?
• Терміни: Наскільки швидко потрібна деталь?

Спрощено:

• Для доступного прототипування, хобі та навчання часто обирають FDM.
• Для високодеталізованих прототипів, ювелірних майстер-моделей та стоматології підходять SLA/DLP.
• Для міцних функціональних пластикових деталей складної форми ідеальний SLS.
• Для реалістичних повноколірних або багатоматеріальних прототипів — Material Jetting.
• Для великих піщаних ливарних форм або недорогих металевих деталей (з постобробкою) — Binder Jetting.
• Для повноцінних металевих деталей складної форми — DMLS/SLM.

Також варто почитати посібник з вибору 3D-принтера та технології для глибшого розуміння.

Висновок: Майбутнє за адитивними технологіями

Технології 3D-друку постійно розвиваються: з'являються нові матеріали, збільшується швидкість і точність друку, знижується вартість обладнання. Кожен із розглянутих методів має свою нішу й вирішує певні завдання. Розуміння їхніх основ дозволяє зробити усвідомлений вибір і максимально ефективно використовувати можливості адитивного виробництва. Від простого PLA-пластику для домашніх проєктів до складних титанових сплавів для аерокосмосу — 3D-друк відкриває двері в майбутнє виробництва, де складність форми більше не є обмеженням.