Применение 3D-печати: 10 способов и примеров.

Приложения для 3D-печати

3D печать Речь идёт уже не только о быстром прототипировании. 3D-печать широко используется в обрабатывающей промышленности в самых разных областях, включая 10 наиболее распространённых, описанных в этой статье. Примерами таких применений являются 3D-печать аэрокосмических компонентов, оснастки для литья под давлением, автомобильных деталей и медицинских имплантатов. 

По сути, 3D-печать, также называемая аддитивным производством, представляет собой послойное изготовление физических деталей на основе цифровых 3D-моделей. Инженеры выбирают из таких категорий, как экструзия материала, послойное спекание порошка, фотополимеризация в ванне, струйная печать материала и струйная печать связующего вещества.  

Предприятия могут извлечь выгоду из выявления этих областей применения 3D-технологий, поскольку каждая отрасль использует одну технологию вместо другой. Если речь идет о разнообразии материалов, то FFF — предпочтительная технология; SLA подходит для применений со сложным дизайном; струйная печать обеспечивает гладкую поверхность и так далее.  

Выбор технологии 3D-печати, соответствующей промышленному применению, — важное бизнес-решение, которое может повлиять на бесперебойность производственных процессов и финансовые результаты. Именно здесь вам поможет это руководство по применению 3D-технологий. Читайте дальше, чтобы узнать о 10 промышленных применениях и технологиях, с которыми они совместимы.  

Что такое 3D-печать?

3D-печать — это послойное создание физического компонента или детали на основе цифровой 3D-модели. Её также называют «аддитивным производством» из-за её аддитивной природы. 

Основы 3D-печати

Хотя существуют различные типы технологий 3D-печати, наиболее распространенной является технология послойного наплавления (FDM) или технология послойного наплавления (FFF). 3D-принтер перемещается вдоль осей X, Y и Z. Ось X отвечает за движение вправо и влево, ось Y — за движение вперед и назад, а ось Z — за движение вверх и вниз. Подача, нагрев и экструзия филамента по мере его осаждения на рабочей платформе обеспечиваются различными компонентами принтера. К основным из них относятся нагревательный блок, сопло, двигатель экструдера и плата управления. Более подробная терминология и словарный запас, касающиеся 3D-печати, изложены в стандарте ISO/ASTM 52900:2021(en), который охватывает общие принципы аддитивного производства.1]

Допуски и точность 3D-печати 

3D-допуски и точность

Точность имеет решающее значение при изготовлении деталей методом 3D-печати, особенно в таких отраслях, как аэрокосмическая, медицинская и автомобильная промышленность. Каждая напечатанная деталь должна соответствовать техническим характеристикам и производственным стандартам. Благодаря передовым технологиям и инновационным стратегиям, можно удовлетворить требования к точности, предъявляемые различными отраслями промышленности. 

Ниже приведена таблица с указанием допустимых отклонений для распространенных технологий 3D-печати..  

Обратите внимание: это не фиксированные допуски. Фактически достижимый 3D-допуск зависит от материала, возможностей оборудования и постобработки. 

Компания Boda предлагает изготовление деталей и изделий на заказ с помощью 3D-печати, отличающихся высокой точностью и детализацией, как для прототипирования, так и для полномасштабного производства, с точностью до ± 0.025 мм. 

Узнайте больше о наших услугах. 3D печать обслуживание сейчас. 

Причины популярности 3D-печати – преимущества

В последнее время 3D-технологии приобрели большую популярность в различных отраслях благодаря таким преимуществам, как разнообразие материалов, изготовление сложных изделий, изотропные механические свойства и гладкая поверхность. Эти преимущества можно оптимизировать в зависимости от типа используемой 3D-печати, как будет объяснено далее. 

Разнообразие материалов – Разнообразие материалов в 3D-печати наиболее очевидно при использовании технологии FFF (послойное наплавление нитей). Эта технология является приоритетной, если вам нужно создавать более одного типа 3D-печатных изделий. FFF также доступна по цене и легко масштабируется, поэтому вы можете реализовать проекты различной мощности. 

Сложные изделия – 3D-печать позволяет без труда создавать сложные детали. Технология SLA (стереолитография) обладает такой возможностью. Это преимущество особенно полезно при изготовлении ювелирных изделий. 

Ювелирные изделия, напечатанные на 3D-принтере методом SLA.

Однако это не означает, что сложную деталь будет легко изготовить. Общая технологичность детали зависит от конструктивных особенностей, опорных конструкций, материалов и этапов постобработки. 

Изотропные механические свойства – Высокие изотропные механические свойства означают, что детали, напечатанные на 3D-принтере, обладают хорошими механическими свойствами во всех направлениях. Это преимущество наиболее ярко проявляется в технологии SLS. 

Гладкая отделка – Детали, напечатанные на 3D-принтере, также имеют гладкую поверхность. Это отличительная черта деталей, напечатанных методом струйной печати.

10 ключевых областей применения 3D-печати 

Как будет обсуждаться ниже, основными областями применения 3D-печати являются быстрое прототипирование, изготовление оснастки, аэрокосмическая, автомобильная и промышленная промышленность, а также производство деталей конечного использования. Другие области применения включают изготовление пресс-форм для литья под давлением, медицинские/стоматологические имплантаты и устройства, зубные протезы и коронки, потребительские товары, а также образование и исследования. 

1. Быстрое прототипирование

Быстрое прототипирование — это быстрое преобразование проектов, созданных в САПР, в физические модели. 3D-печать в этой области позволяет инженерам проверять соответствие, форму и функциональность на ранних этапах проектирования и производства. Выявление недостатков на ранней стадии позволяет внести изменения до того, как будут сделаны инвестиции в оснастку.

2. Инструменты, приспособления и шаблоны

Роль приспособлений и шаблонов в обеспечении точности и повторяемости в процессе производства невозможно переоценить. Благодаря 3D-печати как альтернативе механической обработке производители могут изготавливать эти изделия быстрее и с меньшими затратами. Это обычно целесообразно для мелкосерийного производства специализированного инструмента. 

3D-печатные приспособления и шаблоны

3. Аэрокосмические компоненты

К распространенным деталям, изготавливаемым с помощью 3D-печати в аэрокосмической отрасли, относятся корпуса, воздуховоды, топливные форсунки и кронштейны. Производители используют аддитивные технологии для изготовления таких деталей, чтобы избежать первоначальных инвестиций в оснастку, связанных с литьем под давлением. 

Топливные форсунки для ракет, напечатанные на 3D-принтере.

4. Детали для автомобильной и смежных отраслей промышленности

Независимо от того, изготавливаются ли автомобильные детали на заказ или для замены, их производство может потребовать значительных первоначальных инвестиций в оснастку. 3D-печать в автомобилестроении Разработка новых решений, быстрая итерация проектирования и короткие производственные циклы могут быть реализованы более практично, чем при использовании литья под давлением. Производители автозапчастей используют эту возможность для повышения экономической эффективности своей продукции. 

Например, создание сложных Детали мотоцикла, напечатанные на 3D-принтере Изготовление может быть завершено за несколько часов. Точное время производства зависит от размера детали, материала, технологии печати и требований к постобработке.

5. Детали промышленного назначения 

В отличие от прототипов, детали конечного использования применяются непосредственно и на практике в машинах и оборудовании. Когда эти детали сложны и требуются в относительно небольших объемах, использование аддитивного производства экономически более целесообразно, чем традиционные методы. 

6. Медицинские/стоматологические имплантаты и устройства

Протезы, имплантаты и другие устройства, предназначенные для пациентов, должны быть спроектированы и изготовлены в точном соответствии с требованиями. Точность размеров, обеспечиваемая 3D-печатью, позволяет создавать индивидуальные, безопасные решения, отвечающие требованиям безопасности пациентов. Обычные медицинские изделия, продающиеся в магазинах, могут не обеспечивать тот же уровень качества. 

Медицинская 3D-печать

Кроме того, в зависимости от области применения, детали требуют соответствующей проверки, тестирования и соответствия нормативным требованиям. ISO 13485 — одна из систем стандартов, помогающих производителям поддерживать отслеживаемость и качество продукции.2]

7. Элайнеры и коронки для зубов 

Стоматологическая и ортодонтическая отрасль также является крупным рынком для 3D-печати, особенно для изготовления элайнеров и коронок. Технология отвечает требованиям к точности этих деталей. Передовые зуботехнические лаборатории могут использовать 3D-печать как для индивидуальных, так и для стандартных решений. 

8. Потребительские товары 

Диапазон потребительских товаров, которые можно напечатать на 3D-принтере, поражает воображение, поскольку он охватывает очки и обувь. Благодаря отсутствию затрат на оснастку для литья под давлением, даже небольшие предприятия могут персонализировать и выделять свою продукцию, не испытывая при этом экономических трудностей. 

9. Образование и исследования

В академической среде и сфере преподавания методы 3D-печати используются для производства лабораторного оборудования, моделей и прототипов. Эти изделия помогают исследователям и студентам взаимодействовать с предметами и процессами, применяемыми в реальной инженерной практике. 

10. Оборона и военное применение

3D-печать — популярный процесс в оборонной и военной отраслях для производства мелкосерийных деталей и деталей для полевого ремонта. Это решение имеет решающее значение в условиях удаленных операций, где скорость замены детали важнее, чем традиционные варианты поставок. 

3D-печать в беспилотных технологиях

Сравнительная таблица областей применения и технологий 3D-печати

В этой таблице сопоставлены области применения 3D-печати с идеальной технологией и обоснованы выбранных сочетаний. 

Основные технологии 3D-печати 

К основным технологиям 3D-печати относятся экструзия материала (FDM/FFF), послойное спекание порошка (PBF), фотополимеризация в ванне (SLA, DLP, LCD), струйная печать материала (PolyJet, MultiJet), струйная печать связующего вещества, листовое ламинирование и направленное энергетическое осаждение (DED). 

В таблице ниже представлены материалы и области применения каждой из этих технологий. 

Долговечность деталей, напечатанных на 3D-принтере.

Долговечность деталей, напечатанных на 3D-принтере, зависит от материала, температуры в камере, настроек программного обеспечения, конструкции детали и постобработки. Например, прочный порошок нейлона-12 (SLS) отличается высокой износостойкостью благодаря своей высокой структурной прочности, ударопрочности и пластичности. Он широко используется в аэрокосмической промышленности для изготовления таких деталей, как соединители топливных баков и топливопроводы.

В то же время, настройки 3D-программного обеспечения должны обеспечивать желаемую прочность. Плотность материала и направление слоев особенно важны для целостности и долговечности деталей. 

Затраты, связанные с 3D-печатью

К факторам, влияющим на стоимость 3D-печати, относятся сложность конструкции детали, стоимость материалов, объем заказа, технология 3D-печати и требования к постобработке. 

Вот как работает каждый из этих факторов.

Сложность конструкции детали – Печать сложных внутренних геометрических форм занимает больше времени, что увеличивает стоимость. Опорные конструкции и толщина стенок также определяют количество используемого материала, что влияет на стоимость 3D-печати. 

Стоимость материала – Количество материала, тип материала и количество отходов при печати напрямую влияют на стоимость. Что касается типа материала, металлы, как правило, значительно дороже пластика. 

Объем заказа – Экономия за счет масштаба производства означает, что более крупные заказы, скорее всего, будут иметь более низкую себестоимость за единицу продукции. 

Технология печати 3D – Некоторые технологии 3D-печати более экономичны, чем другие. Технология DMLS/SLM (для металла) стоит дороже из-за своей специфики, в то время как FDM обычно предлагает самую низкую стоимость в час. 

Промышленная FDM 3D-печать

Требования к постобработке – Эти требования включают удаление опорных конструкций, очистку, обработку поверхности, отверждение и покраску/нанесение покрытия. 

Техническое обслуживание 3D-принтеров

Оптимальная производительность 3D-принтеров достигается не только за счет правильного выбора оборудования, но и благодаря профессиональному техническому обслуживанию, которое включает в себя:

1. суточная потребность – Очистка сопел, выравнивание платформы и смазка направляющих. 
2. Еженедельное обслуживание – Натяжение ремня, обновление прошивки и программного обеспечения, очистка системы фильтрации.
3. Ежемесячное обслуживание – Проверка электрических соединений, калибровка датчиков, очистка/замена термопленки. 
4. Предиктивное обслуживание – Анализ исторических журналов производительности и данных с датчиков в режиме реального времени.

Перспективы развития 3D-печати: перспективы на будущее 

В будущем применение 3D-печати будет связано с минимизацией затрат, ускорением производства и повышением экологичности. Эти тенденции приведут к развитию технологий, интеграции цепочек поставок и массовому внедрению 3D-печати в обрабатывающей промышленности. 

В заключение 

В отличие от ранних этапов развития 3D-печати, сегодня 3D-приложения выходят за рамки прототипирования. Реальное применение 3D-технологий очевидно в ключевых отраслях, включая аэрокосмическую, автомобильную, стоматологическую, производство потребительских товаров и оборонную промышленность. 

Независимо от того, выберете ли вы SLA, струйную печать с использованием связующего вещества или FFF, технология 3D-печати должна соответствовать требованиям к точности, используемому материалу и объему производства. Аддитивное производство — это более быстрый и экономичный метод изготовления сложных деталей для конечного использования, мелкосерийного производства оснастки, быстрого прототипирования и других применений 3D-печати, описанных в этой статье. Какую деталь вы планируете изготовить? Загрузите свой проект, и наши инженеры его оценят. Мы порекомендуем подходящую технологию 3D-печати, исходя из технологичности и стоимости. Вы также получите бесплатную смету.

Изучите наши Услуги 3D-печати Начните разговор уже сегодня!

Часто задаваемые вопросы (FAQ)

Заменит ли 3D-печать другие традиционные производственные процессы?

Не совсем. 3D-печать — это в значительной степени дополнительная технология, особенно при работе со сложными геометрическими формами, небольшими производственными циклами и деталями, изготовленными на заказ. Она, скорее всего, получит большее распространение в гибридных производственных средах, где сосуществуют аддитивные технологии и традиционные методы. 

Какие материалы подходят для 3D-печати прототипов?

Диапазон материалов, разрешенных для 3D-печати металлом, ограничен, как правило, алюминием AlSi10Mg, нержавеющей сталью 316L, инконелем 718 и титаном Ti-6Al-4V. Обычно их обрабатывают методом DMLS. 

Является ли 3D-печать более экономически выгодной, чем обработка на станках с ЧПУ?

Это зависит от объема и геометрии. 3D-печать более экономически выгодна для мелкосерийного производства сложных деталей, поскольку позволяет избежать затрат на оснастку. По мере увеличения объемов производства обработка на станках с ЧПУ становится все более экономически выгодной. 

Кроме того, станки с ЧПУ являются более выгодным вложением средств для изготовления высокопрочных и точных деталей, независимо от стоимости обработки. 

Какая технология 3D-печати наиболее подходит для изготовления функциональных деталей? 

Технологии DMLS и SLS являются наиболее популярными технологиями 3D-печати функциональных деталей благодаря их превосходной стабильности размеров и механической прочности. Например, технология SLS широко используется для изготовления зубных моделей. 

Референсы 

[1]https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso-astm:52900:ed-2:v1:en 

[2]https://www.iso.org/iso-13485-medical-devices.html