Понимание 3D-печати: Процесс и ключевые особенности

Обзор

При использовании порошковых материалов для 3D-печати вышеупомянутый процесс SLS является относительно дорогостоящим из-за использования лазеров. Однако использование связующего вещества для сцепления частиц порошка и создания слоев для формирования форм теоретически обосновано. 20 апреля 1993 года профессор Эмануэль Сакс и его команда из Массачусетского технологического института получили патент США на "Технику трехмерной печати", известную как 3DP.

Изобретение было вдохновлено широко распространенными в то время струйными принтерами, в которых чернила в картриджах заменялись жидким связующим веществом. Выдавливая это связующее на слой сыпучего порошка с помощью печатающей головки, можно было печатать трехмерные объекты. Аналогичным образом, благодаря использованию связующих первичных цветов и точному цифровому подбору цветов, можно было печатать на порошке, подобно цветной струйной печати на бумаге.

Этот процесс 3D-печати очень похож на обычные принтеры, и его патентное название - "3D-печать" - просто и понятно. До этого технология 3D-печати была известна как быстрое прототипирование. С тех пор термин "3D-печать" завоевал популярность, и все технологии быстрого прототипирования принято называть 3D-печатью, а сами устройства - 3D-принтерами.

В 2012 году Американское общество тестирования и материалов (ASTM) в своем терминологическом стандарте аддитивного производства (ASTM F2792-12a) определило этот процесс 3D-печати как "Binder Jetting".

Теоретически процесс струйной обработки связующего можно использовать для 3D-печати различных порошковых материалов, таких как керамика, металлы, гипс, пластмассы и песок. В 1995 году по лицензии Массачусетского технологического института была основана компания Z Corporation, которая сосредоточилась на коммерциализации процесса струйной печати с использованием гипсового порошка.

С 1997 года они выпустили серию струйных принтеров, включая монохромный ZPrinter 310 Plus начального уровня, а в 2005 году - первый в мире цветной 3D-принтер Spectrum Z510, как показано на рисунке 5-31 с цветным принтером и его напечатанными моделями. Это стало значительным шагом в развитии 3D-печати, сделав ее яркой и красочной. В 2012 году Z Corporation была приобретена компанией 3D Systems, которая продолжила разработку серии принтеров Color-Jet.

Технические характеристики серии Color-Jet, которые в настоящее время продаются на сайте 3D Systems, приведены в таблице 5-1.

Таблица 5-1: Официальные спецификации 3D Systems для принтеров серии Color-Jet.

В 1996 году компания Extrude Hone Corporation получила лицензию Массачусетского технологического института на исследование и коммерциализацию металлических порошковых материалов, полученных методом струйной обработки связующего, а в 1997 году представила первое в мире устройство для струйной обработки металлических порошков - ProMetal RTS-300.

В 2003 году из компании Extrude Hone возникла компания ExOne, сосредоточившаяся исключительно на индустрии 3D-печати, а затем выпустившая первый в мире 3D-принтер для песчаника S15. С тех пор компания ExOne специализируется на струйной печати из металла и песчаника, постепенно становясь лидером в области 3DP-технологий. На рисунке 5-32 показан принтер ExOne Innovent+ и некоторые металлические модели, напечатанные компанией.

Немецкая компания Voxeljet, основанная в 1999 году, также получила лицензию от Массачусетского технологического института и занимается разработкой песочных 3D-принтеров для литья форм. Компания использует технологию струйной подачи связующего для печати песчаных форм для использования в традиционных процессах литья металлов.

В последние годы технология струйного нанесения вяжущих материалов привлекает все большее внимание в Китае, где такие компании, как Wuhan Yizhi Technology Co, Ltd., Aisikai Technology Co, Ltd., Guangdong Fenghua Zhuoli Technology Co, Ltd. и Ningxia Sharing Group, занимают лидирующие позиции.

Кроме того, команда из Хуачжунского университета науки и технологии с 2012 года занимается исследованием технологии струйной печати на связующих материалах, сначала уделяя внимание печати на гипсе, полимерах и литейном песке, а в настоящее время сосредоточившись на технологии струйной печати на металлических связующих. В 2017 году в сотрудничестве с компанией Wuhan Yizhi Technology Co., Ltd. они представили принтер для струйной печати металлическими связующими, способный печатать такими материалами, как 316L нержавеющая стальнержавеющая сталь 420, медь и титановые сплавы.

Ниже приведена сравнительная таблица технических характеристик некоторых отечественных и зарубежных компаний, разрабатывающих технологию струйной обработки металлических связующих.

Таблица 5-2: Сравнительная таблица технических характеристик технологий напыления металлического клея от отдельных отечественных и зарубежных научно-исследовательских компаний

Процесс и характеристики

(1) Процесс

Если проанализировать абстрактную схему патента профессора Эмануэля Сакса на 3DP, как показано на рисунке 5-33, то можно увидеть ключевую информацию: "...создать слой связанного порошкового материала..." указывает на создание слоя связанного порошкового материала посредством процесса послойного накопления с использованием порошкового материала.

Возникает вопрос о том, как порошку придается форма: "...нанесение связующего материала..." предполагает, что вместо использования лазера связующий материал распределяется в выбранных областях каждого слоя, скрепляя порошок в форму. В аннотации также отмечается, что материал может быть "...дополнительно обработан, например, путем нагрева..." для повышения прочности.

На рисунке 5-34 показан процесс 3DP, подробно описанный ниже:

① Подготовка данных. Получите трехмерную модель детали и обработайте ее в виде двухмерных срезов.

② Укладка порошка. Порошок хранится либо в бункере, либо в цилиндре подачи, при этом существует два способа его нанесения: бункер высыпает определенное количество порошка на слой порошка сверху, что называется методом подачи, а цилиндр подачи высыпает заданное количество порошка, поднимая поршень подачи на определенную высоту, что называется методом укладки порошка, как показано на рис. 5-34(a) и (b).

Затем валик распределяет и уплотняет порошок по всей площади порошкового слоя.

③ Двухмерное движение. Печатающая головка, загруженная связующим веществом, под управлением командного файла перемещается в направлениях X и Y, распыляя связующее вещество для придания порошку нужной формы. Не распыленные участки остаются свободными и служат опорой для последующих слоев (для печати цветных моделей используются три основных цвета связующего).

④ Движение в Z-направлении. Порошковый слой опускается на один слой в направлении Z, зона формования пополняется новым слоем порошка, а слой порошка поддерживается на одном уровне.

⑤ Межслойное склеивание. Печатающая головка перемещается под новыми командами X и Y, распыляя связующее вещество для придания формы текущему слою порошка и одновременно приклеивая его к слою выше, что обеспечивает межслойное скрепление.

⑥ Повторяйте этот процесс до тех пор, пока не получите окончательную трехмерную деталь.

Неиспользованный порошковый материал, полученный в результате 3DP-печати, который не подвергался предварительному нагреву или лазерному облучению, может быть полностью переработан для повторного использования, что теоретически позволяет достичь коэффициента использования материала 100%. После 3D-печати детали требуют дальнейшей постобработки, которая обычно включает три этапа:

Удаление излишков порошка.

Поскольку детали полностью погружены в порошок, необходимо удалить остатки порошка на поверхности детали в перчаточном боксе с помощью щеток, пневматических пистолетов и т. д. для повторного использования в последующей печати.

Повышение силы.

3DP-печатные детали часто содержат многочисленные поры и сравнительно слабы, что требует последующей обработки для усиления. Для деталей, напечатанных с использованием неорганических порошковых материалов, таких как гипс, различные инфильтранты мгновенного отверждения выбираются в зависимости от их предназначения для проникновения в детали.

Например, инфильтранты, подходящие для цветных моделей, могут улучшить прочность, цвет и стабильность цвета; бинарные инфильтранты для функциональных моделей могут значительно повысить прочность модели; а экологически чистые инфильтранты могут быть использованы для пропитки или распыления, чтобы повысить твердость и модуль упругости поверхности.

Детали, напечатанные металлическим порошком, обычно требуют дополнительной обработки, такой как обезжиривание, высокотемпературное спекание, горячее изостатическое прессование, инфильтрация или пропитка медью для повышения прочности и плотности деталей.

Отделка поверхности.

Как правило, для дальнейшего улучшения качества и точности поверхности детали, а также ее гладкости и цвета используется сочетание пескоструйной обработки, полировки, покраски и механической обработки.

(2) Характеристики процесса

Процесс 3DP имеет пять заметных преимуществ:

Возможность полноцветной печати.

3DP может реализовать полноцветную печать, идеально выражая креативность дизайна продукта в цвете, и широко используется в культурном творчестве, кино, анимации и других областях.

Широкий ассортимент материалов и металлических функциональных деталей.

Процесс 3DP может печатать практически любыми порошковыми материалами, включая металлические порошки, что значительно расширяет его функциональные возможности.

Опоры не нужны.

Несвязанный порошок служит естественной опорой, исключая необходимость в дополнительных вспомогательных опорах, что означает высокую эффективность печати и низкие материальные затраты в процессе печати.

Подходит для изготовления сложных конструкций.

Процесс 3DP практически не накладывает ограничений на сложность деталей, позволяя производить различные сложные формы такие как пористые детали, полые детали и вложенные детали. Он подходит для разработки новых изделий или для производства отдельных и мелкосерийных деталей.

Не требуется лазер, низкая стоимость.

С одной стороны, в 3DP-процессе не используются лазеры, что снижает затраты на эксплуатацию и обслуживание оборудования; с другой стороны, его связующие головки могут выполнять сканирование массива, а не лазерное точечное сканирование, что обеспечивает высокую эффективность печати и низкую стоимость.

Однако процесс 3DP также имеет определенные ограничения и недостатки, о которых пойдет речь ниже:

Низкие механические свойства деталей.

Прочность и вязкость относительно низкие, обычно подходят только для демонстрации образцов или литья в формы (например, песчаные формы). Функциональные испытания невозможны, а металлические печатные детали требуют дальнейшего спекания и инфильтрации медью в печи для спекания, чтобы достичь окончательной прочности и плотности.

Низкое качество поверхности.

Поскольку детали формируются путем скрепления порошка, их поверхность имеет определенную зернистую текстуру, что затрудняет достижение гладкости деталей, напечатанных с помощью технологий фотополимеризации.

Неэффективное хранение сыпучих материалов.

При использовании порошкового хранилища и с учетом поверхностной активности порошковых материалов, хранение сыпучих материалов является большой и сложной задачей. Механизм подачи в бункер, хотя и решает некоторые проблемы хранения, не меняет фундаментального принципа хранения порошкового слоя.