Всё о 3D печати

3D-печать или аддитивное производство — это создание трехмерного объекта на основе CAD-модели или цифровой 3D-модели. 3D печать может быть осуществлена с помощью различных процессов, в которых материал осаждается, соединяется или затвердевает под управлением компьютера, при этом материал добавляется (например, пластмассы, жидкости или порошковые зерна сплавляются), обычно слой за слоем.

В 1980-х годах технологии 3D-печати считались пригодными только для производства функциональных или эстетических прототипов, и более подходящим термином для них в то время было быстрое прототипирование. По состоянию на 2019 год точность, повторяемость и диапазон материалов 3D-печати возросли настолько, что некоторые процессы 3D-печати считаются жизнеспособными в качестве технологии промышленного производства, поэтому термин «аддитивное производство» может использоваться как синоним 3D-печати. Одним из ключевых преимуществ 3D-печати является возможность производства очень сложных форм или геометрий, которые иначе невозможно было бы изготовить вручную, включая полые детали или детали с внутренними ферменными структурами для снижения веса. Плавленое осаждающее моделирование (FDM), в котором используется непрерывная нить из термопластичного материала, является наиболее распространенным процессом 3D-печати, используемым по состоянию на 2023 год.

Терминология

Термин «аддитивное производство» приобрел популярность в 2000-х годах,вдохновленный темой сложения материалов (любым из различных способов). В противоположность этому, термин «субтрактивное производство» появился как ретроним для большого семейства процессов механической обработки, общим процессом которых является удаление материала. Термин 3D-печать в сознании большинства по-прежнему относился только к полимерным технологиям, а термин «аддитивное производство» чаще использовался в контексте металлообработки и производства конечных деталей, чем среди энтузиастов полимерной, струйной или стереолитографии.

К началу 2010-х годов термины 3D-печать и аддитивное производство приобрели смысл, в котором они были альтернативными терминами для аддитивных технологий, один из которых использовался в популярном языке сообществами производителей потребительских товаров и СМИ, а другой использовался более официально промышленными производителями деталей конечного использования, производителями оборудования и глобальными организациями по техническим стандартам. До недавнего времени термин «3D-печать» ассоциировался с машинами с низкой ценой или возможностями. 3D-печать и аддитивное производство отражают, что эти технологии объединяет тема добавления или соединения материалов в трехмерной рабочей области под автоматизированным управлением. Питер Зелински, главный редактор журнала Additive Manufacturing, в 2017 году отметил, что в повседневном употреблении эти термины все еще часто являются синонимами, но некоторые эксперты в области производства пытаются провести различие, согласно которому аддитивное производство включает в себя 3D-печать плюс другие технологии или другие аспекты производственного процесса.

История 3D печати

1940-е и 1950-е годы

Общая концепция и процедура, которая будет использоваться в 3D-печати, была впервые описана Мюрреем Лейнстером в его рассказе 1945 года «Things Pass By»: «Но этот конструктор одновременно эффективен и гибок. Я подаю магнетронный пластик — материал, из которого сегодня делают дома и корабли, — в эту подвижную руку. Он делает рисунки в воздухе по чертежам, которые сканирует фотоэлементами. Но пластик выходит из конца манипулятора и застывает по мере того, как он выходит… следуя только за рисунками».
Его также описал Раймонд Ф. Джонс в своем рассказе «Инструменты торговли», опубликованном в ноябрьском номере журнала «Astounding Science Fiction» за 1950 год. В этом рассказе он назвал его «молекулярным спреем».

1970-е

В 1971 году Йоханнес Ф. Готвальд запатентовал устройство для записи жидкого металла, патент № 3596285A, устройство непрерывной струйной печати металлических материалов для формирования съемного металлического полотна на поверхности многоразового использования для немедленного применения или повторной печати путем переплавки. По-видимому, это первый патент, описывающий 3D-печать с быстрым прототипированием и контролируемым изготовлением деталей.
В патенте говорится:
Используемый в данном документе термин «печать» не является ограниченным, он включает в себя написание или формирование других символов, знаков или рисунков с помощью чернил. Используемый термин «чернила» включает не только красящие или пигментсодержащие материалы, но и любое текучее вещество или композицию, пригодные для нанесения на поверхность для формирования символов, знаков или узоров путем маркировки. Предпочтительные чернила относятся к типу горячего расплава. Диапазон коммерчески доступных композиций чернил, которые могут удовлетворять требованиям изобретения, в настоящее время не известен. Однако удовлетворительная печать в соответствии с изобретением была достигнута с использованием проводящего металлического сплава в качестве чернил.

Но с точки зрения требований к материалам для таких больших и непрерывных дисплеев, если бы они расходовались по известным ранее нормам, но увеличивались пропорционально увеличению размера, высокая стоимость сильно ограничивала бы широкое распространение способа или устройства, удовлетворяющего вышеуказанным требованиям.

Поэтому дополнительной задачей изобретения является минимизация использования материалов в способе указанного класса.

Еще одним объектом изобретения является то, что материалы, используемые в таком способе, могут быть спасены для повторного использования.

Согласно другому аспекту изобретения, комбинация для письма и тому подобного включает в себя носитель для отображения рисунка интеллекта и устройство для удаления рисунка с носителя.

В 1974 году Дэвид Э. Х. Джонс изложил концепцию 3D-печати в своей регулярной колонке «Ариадна» в журнале New Scientist.

1980-е

Раннее оборудование и материалы для аддитивного производства были разработаны в 1980-х годах.
В апреле 1980 года Хидео Кодама из Муниципального промышленного исследовательского института Нагои изобрел два аддитивных метода изготовления трехмерных пластиковых моделей с фотоотверждаемым термореактивным полимером, где область УФ-облучения контролируется шаблоном маски или сканирующим волоконным излучателем. Он подал патент на этот XYZ-плоттер, который был опубликован 10 ноября 1981 года. (JP S56-144478). Результаты его исследований в виде журнальных статей были опубликованы в апреле и ноябре 1981 года. Однако реакции на серию его публикаций не последовало. Его устройство не получило высокой оценки в лабораторных исследованиях, а его начальник не проявил никакого интереса. Его бюджет на исследования составлял всего 60 000 иен или $545 в год. От приобретения патентных прав на плоттер XYZ пришлось отказаться, и проект был прекращен.

Патент US 4323756 «Метод изготовления изделий путем последовательного осаждения», выданный 6 апреля 1982 года компании Raytheon Technologies Corp, описывает использование сотен или тысяч «слоев» порошкообразного металла и источника лазерной энергии и представляет собой раннюю ссылку на формирование «слоев» и изготовление изделий на подложке.

2 июля 1984 года американский предприниматель Билл Мастерс подал заявку на патент на автоматизированный компьютерный производственный процесс и систему (US 4665492). Эта заявка зарегистрирована в USPTO как первый в истории патент на 3D-печать; это был первый из трех патентов, принадлежащих Мастерсу, которые заложили основу для систем 3D-печати, используемых сегодня.

16 июля 1984 года Ален Ле Мехо, Оливье де Витте и Жан Клод Андре подали патент на процесс стереолитографии. Заявка французских изобретателей была отклонена французской General Electric Company (ныне Alcatel-Alsthom) и CILAS (The Laser Consortium).[23] Заявленная причина — «отсутствие деловой перспективы».

В 1983 году Роберт Говард основал компанию R.H. Research, позже названную Howtek, Inc. в феврале 1984 года для разработки цветного струйного 2D-принтера Pixelmaster, коммерциализированного в 1986 году, использующего термопластичные (горячие) пластиковые чернила. Была собрана команда, 6 членов из Exxon Office Systems, Danbury Systems Division, начинающей компании по производству струйных принтеров, и некоторые члены группы Howtek, Inc, которые стали популярными фигурами в индустрии 3D-печати. Один из членов Howtek, Ричард Хелински (патент US5136515A, Method and Means for constructing three-dimensional articles by particle deposition, заявка 11/07/1989, выдана 8/04/1992) создал компанию C.A.D-Cast, Inc из Нью-Гэмпшира, название которой позже было изменено на Visual Impact Corporation (VIC) 8/22/1991. Прототип 3D-принтера VIC для этой компании доступен с видеопрезентацией, демонстрирующей 3D-модель, напечатанную с помощью струйного принтера с одним соплом. Другой сотрудник Герберт Менхеннетт в 1991 году основал в Нью-Хэмпшире компанию HM Research и представил технологию струйной печати и термопластичные материалы Howtek, Inc Ройдену Сандерсу из SDI и Биллу Мастерсу из Ballistic Particle Manufacturing (BPM), где он работал в течение нескольких лет. Как 3D-принтеры BPM, так и 3D-принтеры SPI используют струйную технологию Howtek, Inc и материалы Howtek, Inc. Ройден Сандерс лицензировал патент Хелинкси до производства Modelmaker 6 Pro в компании Sanders prototype, Inc (SPI) в 1993 году. Джеймс К. МакМахон, который был нанят Howtek, Inc для помощи в разработке струйного принтера, позже работал в Sanders Prototype, а сейчас управляет Layer Grown Model Technology, поставщиком 3D услуг, специализирующимся на поддержке односопловых струйных и SDI принтеров Howtek. Джеймс К. МакМахон работал со Стивеном Золтаном, изобретателем струйной печати по требованию 1972 года, в компании Exxon и имеет патент 1978 года, который расширил понимание струйной печати с одним соплом (Alpha jets) и помог усовершенствовать струйную печать горячего расплава Howtek, Inc. Эта технология горячего расплава термопластов Howtek популярна в литье металлов по выплавляемым моделям, особенно в ювелирной промышленности 3D печати.[26] Первым клиентом Sanders (SDI) Modelmaker 6Pro была Hitchner Corporations, Metal Casting Technology, Inc в Milford, NH в миле от предприятия SDI в конце 1993-1995 годов, отливающая клюшки для гольфа и детали автомобильных двигателей.

8 августа 1984 года был подан патент US4575330, присвоенный компании UVP, Inc., позже присвоенный Чаку Халлу из корпорации 3D Systems[27], его собственный патент на систему изготовления стереолитографии, в которой отдельные пластины или слои добавляются путем отверждения фотополимеров с помощью проникающего излучения, бомбардировки частицами, химической реакции или просто лазеров ультрафиолетового света. Халл определил этот процесс как «систему для создания трехмерных объектов путем создания схемы поперечного сечения формируемого объекта».[28][29] Вкладом Халла стал формат файлов STL (Stereolithography) и цифровые стратегии нарезки и заполнения, характерные для многих современных процессов. В 1986 году Чарльз «Чак» Халл получил патент на эту систему, была создана его компания 3D Systems Corporation, которая выпустила первый коммерческий 3D-принтер SLA-1 в 1987 или 1988 году.

Технология, используемая большинством 3D-принтеров на сегодняшний день — особенно любительскими и ориентированными на потребителя моделями — это моделирование методом плавленного осаждения, специальное применение экструзии пластика, разработанное в 1988 году С. Скоттом Крампом и коммерциализированное его компанией Stratasys, которая выпустила на рынок свою первую машину FDM в 1992 году.
Владение 3D-принтером в 1980-х годах стоило до 300 000 долларов (700 000 долларов в долларах 2023 года).

1990-e

Процессы Аддитивного производства для спекания или плавления металла (такие как селективное лазерное спекание, прямое лазерное спекание металла и селективное лазерное плавление) в 1980-х и 1990-х годах обычно назывались своими собственными именами. В то время вся металлообработка осуществлялась с помощью процессов, которые сегодня называются неаддитивными (литье, штамповка и механическая обработка). Хотя к этим технологиям применялось множество средств автоматизации (например, роботизированная сварка и ЧПУ), идея инструмента или головки, перемещающейся по трехмерной рабочей области и преобразующей массу сырья в желаемую форму с помощью траектории движения инструмента, ассоциировалась в металлообработке только с процессами удаления металла (а не его добавления), такими как фрезерование ЧПУ. Но автоматизированные технологии добавления металла, которые позже назовут аддитивным производством, начали опровергать это предположение. К середине 1990-х годов в Стэнфорде и Университете Карнеги-Меллон были разработаны новые методы осаждения материалов, включая микрокастинг и напыление материалов. «Жертвенные» и вспомогательные (поддерживающие) материалы также стали более распространенными, что позволило создавать новые геометрии объектов.

Термин «3D-печать» первоначально относился к процессу с использованием порошкового слоя со стандартными и специальными струйными печатающими головками, разработанному в Массачусетском технологическом институте Эмануэлем Саксом в 1993 году и коммерциализированному компаниями Soligen Technologies, Extrude Hone Corporation и Z Corporation.

В 1993 году также была основана компания по производству струйных 3D-принтеров, первоначально названная Sanders Prototype, Inc, а затем Solidscape, представившая высокоточную систему струйной полимерной печати с растворимыми опорными структурами (классифицируемая как техника «точка на точку»).

В 1995 году Общество Фраунгофера разработало процесс селективного лазерного плавления.

2000-е

Срок действия патентов на процесс печати Fused Deposition Modeling (FDM) истек в 2009 г. Это открыло дверь для новой волны компаний, многие из которых родились из сообщества RepRap, чтобы начать разработку коммерческих 3D-принтеров FDM.

2010-е

По мере развития различных аддитивных процессов стало ясно, что вскоре удаление металла перестанет быть единственным процессом металлообработки, выполняемым с помощью инструмента или головки, перемещающейся через трехмерную рабочую зону, преобразуя массу сырого материала в желаемую форму слой за слоем. 2010-е годы стали первым десятилетием, когда металлические детали конечного использования, такие как кронштейны двигателя и крупные гайки, стали выращиваться (до или вместо механической обработки) в процессе производства, а не обязательно обрабатываться из прутка или листа. До сих пор в металлообработке литье, изготовление, штамповка и механическая обработка преобладают над аддитивным производством, но сейчас аддитивное производство начинает активно внедряться, а учитывая преимущества проектирования для аддитивного производства, инженерам становится ясно, что многое еще впереди.

Одним из мест, где 3D печать делает значительный шаг вперед, является авиационная промышленность. С учетом того, что в 2016 году число авиапутешественников составило почти 3,8 миллиарда человек, спрос на экономичные и легко производимые реактивные двигатели как никогда высок. Для крупных производителей (производителей оригинального оборудования), таких как Pratt and Whitney (PW) и General Electric (GE), это означает обращение к 3D печати как к способу снижения затрат, уменьшения количества несоответствующих деталей, снижения веса двигателей для повышения топливной эффективности и поиска новых, очень сложных форм, которые были бы невозможны при использовании устаревших методов производства. Одним из примеров интеграции 3D печати в аэрокосмическую отрасль стал 2016 год, когда Airbus получил первый из двигателей LEAP компании GE. В этот двигатель были интегрированы 3D-печатные топливные сопла, что позволило сократить количество деталей с 20 до 1, снизить вес на 25% и сократить время сборки.
Топливное сопло — идеальное место для аддитивного производства в реактивном двигателе, поскольку оно позволяет оптимизировать дизайн сложных внутренних частей и является невращающейся деталью с низким уровнем напряжения. Аналогичным образом, в 2015 году компания PW поставила первые детали, изготовленные методом AM, в двигатель PurePower PW1500G компании Bombardier. Придерживаясь принципа низкого напряжения и невращающихся деталей, PW выбрала статоры компрессора и кронштейны синхронных колец, чтобы впервые применить эту новую технологию производства. Хотя 3D печать пока играет небольшую роль в общем количестве деталей в процессе производства реактивных двигателей, окупаемость инвестиций уже видна по уменьшению количества деталей, возможности быстрого производства и «оптимизации конструкции с точки зрения производительности и стоимости».
По мере развития технологии некоторые авторы начали предполагать, что 3D-печать может помочь в устойчивом развитии в развивающихся странах.
В 2012 году компания Filabot разработала систему для замыкания цикла с пластиком, позволяющую любому FDM или FFF 3D-принтеру печатать более широким спектром пластиков.
В 2014 году Бенджамин С. Кук и Манос М. Тенцерис продемонстрировали первую мультиматериальную, вертикально интегрированную платформу аддитивного производства печатной электроники (VIPRE), которая позволила осуществлять 3D-печать функциональной электроники, работающей на частоте до 40 ГГц.
По мере того, как цена принтеров начала снижаться, люди, заинтересованные в этой технологии, получили больше доступа и свободы для создания того, что они хотят. По состоянию на 2014 год цена на коммерческие принтеры все еще оставалась высокой и составляла более 2 000 долларов.
Термин «3D-печать» первоначально относился к процессу, в котором связующий материал наносится на слой порошка с помощью головок струйного принтера слой за слоем. В последнее время в обиходе этот термин стал использоваться для обозначения более широкого спектра технологий аддитивного производства, таких как электронно-лучевое аддитивное производство и селективное лазерное плавление. В США и мировых технических стандартах для этого более широкого понятия используется официальный термин «аддитивное производство».
Наиболее часто используемым процессом 3D-печати (46% по состоянию на 2018 год) является метод экструзии материала, называемый моделированием с плавленым осаждением, или FDM. Хотя технология FDM была изобретена после двух других наиболее популярных технологий, стереолитографии (SLA) и селективного лазерного спекания (SLS), FDM, как правило, является самой недорогой из этих трех технологий, что способствует популярности процесса.

2020-е

В 2020 году 3D-принтеры достигнут того уровня качества и цены, который позволит большинству людей войти в мир 3D-печати. В 2020 году принтеры достойного качества можно будет найти по цене менее 200 долларов США для машин начального уровня. Эти более доступные принтеры обычно представляют собой принтеры, работающие по технологии моделирования с плавким напылением (FDM).
В ноябре 2021 года британский пациент по имени Стив Верзе получил первый в мире полностью 3D-печатный протез глаза в лондонской глазной больнице Мурфилдс.

Преимущества 3D-печати

Аддитивное производство или 3D-печать быстро приобрело большое значение в области машиностроения благодаря своим многочисленным преимуществам. Некоторые из этих преимуществ включают в себя ускоренное создание прототипов, снижение производственных затрат, расширение возможностей настройки изделий и повышение качества продукции.

Более того, возможности 3D-печати вышли за рамки традиционного производства и нашли применение в системах возобновляемой энергии. Технология 3D-печати может быть использована для производства аккумуляторных систем хранения энергии, которые необходимы для устойчивого производства и распределения энергии.

Еще одним преимуществом 3D-печати является способность технологии создавать сложные геометрические формы с высокой точностью и аккуратностью. Это особенно актуально в области микроволновой техники, где 3D-печать может быть использована для производства компонентов с уникальными свойствами, которые трудно достичь традиционными методами производства.

Общие принципы 3D печати

Моделирование

3D-модели могут быть созданы из 2D-снимков, сделанных в 3D-сканнере.
3D модели могут быть созданы с помощью пакета автоматизированного проектирования (CAD), с помощью 3D-сканера или с помощью обычной цифровой камеры и программного обеспечения для фотограмметрии. В 3D моделях, созданных с помощью CAD, ошибок относительно меньше, чем в других методах. Ошибки в 3D моделях могут быть выявлены и исправлены до печати. Процесс ручного моделирования, заключающийся в подготовке геометрических данных для трехмерной компьютерной графики, похож на пластические искусства, такие как лепка. 3D-сканирование — это процесс сбора цифровых данных о форме и внешнем виде реального объекта, создание на их основе цифровой модели.

Модели CAD могут быть сохранены в формате файла стереолитографии (STL), фактическом формате файлов CAD для аддитивного производства, который хранит данные, основанные на триангуляции поверхности моделей CAD. STL не приспособлен для аддитивного производства, поскольку он создает большие размеры файлов с оптимизированными по топологии деталями и решетчатыми структурами из-за большого количества задействованных поверхностей. Для решения этой проблемы в 2011 году был представлен более новый формат файлов САПР — Additive Manufacturing File format (AMF). Он хранит информацию с использованием криволинейных триангуляций.

Печать

Прежде чем печатать 3D-модель из STL-файла, его необходимо сначала проверить на наличие ошибок. Большинство CAD-приложений допускают ошибки в выходных STL-файлах,[54][55] следующих типов:

• отверстия
• нормали граней
• самопересечения
• шумовые оболочки
• ошибки коллектора
• проблемы со свесами

Этап создания STL, исправляет такие проблемы в исходной модели. Как правило, STL, созданные на основе модели, полученной путем 3D сканирования, часто содержат больше таких ошибок, поскольку 3D сканирование часто осуществляется путем сбора/картирования по точкам. 3D реконструкция часто включает ошибки.
После завершения STL-файл должен быть обработан программным обеспечением, называемым «слайсер», которое преобразует модель в серию тонких слоев и создает файл G-кода, содержащий инструкции, предназначенные для конкретного типа 3D-принтера (FDM-принтеры). Затем этот файл G-кода может быть распечатан с помощью клиентского программного обеспечения для 3D-печати (которое загружает G-код и использует его для обучения 3D-принтера в процессе 3D-печати).
Разрешение принтера описывает толщину слоя и разрешение по X-Y в точках на дюйм (dpi) или микрометрах (μm). Обычная толщина слоя составляет около 100 мкм (250 DPI), хотя некоторые машины могут печатать слои толщиной до 16 мкм (1 600 DPI). Разрешение X-Y сопоставимо с разрешением лазерных принтеров. Диаметр частиц (3D-точек) составляет от 50 до 100 мкм (510-250 DPI).[цитата необходима] Для данного разрешения принтера указание разрешения сетки 0,01-0,03 мм и длины хорды ≤ 0,016 мм создает оптимальный выходной файл STL для данного входного файла модели. Указание более высокого разрешения приводит к созданию больших файлов без повышения качества печати.

Создание модели современными методами может занять от нескольких часов до нескольких дней, в зависимости от используемого метода, размера и сложности модели. Аддитивные системы обычно позволяют сократить это время до нескольких часов, хотя оно сильно варьируется в зависимости от типа используемой машины, размера и количества одновременно изготавливаемых моделей.

Финишная обработка

Хотя для некоторых применений достаточно разрешения и чистоты поверхности, получаемых с помощью принтера, методы последующей обработки и отделки позволяют получить такие преимущества, как большая точность размеров, более гладкая поверхность, другие модификации, например, окрашивание.
Обработка поверхности 3D-печатной детали может быть улучшена с помощью субтрактивных методов, таких как шлифовка и дробеструйная обработка. При выравнивании деталей, требующих точности размеров, важно учитывать объем удаляемого материала.
Некоторые полимеры для печати, такие как акрилонитрил-бутадиен-стирол (ABS), позволяют сглаживать и улучшать поверхность с помощью химических паровых процессов на основе ацетона или аналогичных растворителей.
Некоторые технологии аддитивного производства могут выиграть от отжига в качестве этапа последующей обработки. Отжиг 3D-печатной детали позволяет улучшить сцепление внутренних слоев за счет рекристаллизации детали и позволяет повысить механические свойства, некоторые из которых — вязкость разрушения, прочность на изгиб, ударопрочность, и термостойкость. Отжиг детали может не подойти для приложений, где требуется точность размеров, поскольку он может вызвать коробление или усадку из-за нагрева и охлаждения.
Аддитивное/субтрактивное гибридное производство (ASHM) — это метод, который предполагает изготовление 3D детали и использование механической обработки (субтрактивное производство) для удаления материала. Операции механической обработки могут выполняться после каждого слоя или после завершения всей 3D-печати в зависимости от требований приложения. Эти гибридные методы позволяют 3D-печатным деталям достигать лучшей чистоты поверхности и точности размеров.
Слоистая структура традиционных процессов аддитивного производства приводит к эффекту лестницы на поверхностях деталей, которые изогнуты или наклонены по отношению к строительной платформе. Этот эффект сильно зависит от используемой высоты слоя, а также от ориентации поверхности детали в процессе построения. Этот эффект можно минимизировать, используя «переменную высоту слоя» или «адаптивную высоту слоя». Эти методы уменьшают высоту слоя в местах, где требуется более высокое качество.
Окрашивание 3D-печатной детали позволяет получить различные варианты отделки и внешнего вида, которые могут быть недостижимы при использовании большинства методов 3D-печати. Процесс обычно включает несколько этапов, таких как подготовка поверхности, грунтовка и покраска. Эти этапы помогают подготовить поверхность детали и обеспечить надлежащую адгезию краски.
Некоторые технологии аддитивного производства позволяют использовать несколько материалов одновременно. Эти технологии позволяют одновременно печатать несколькими цветами и цветовыми комбинациями и могут производить детали, которые не обязательно должны быть окрашены.
Некоторые технологии печати требуют создания внутренних опор для поддержки нависающих элементов во время строительства. Эти опоры должны быть механически удалены или растворены при использовании водорастворимого материала, такого как ПВА, после завершения печати.
Некоторые коммерческие металлические 3D-принтеры предполагают отрезание металлического компонента от металлической подложки после осаждения. Новый процесс для 3D-печати GMAW позволяет модифицировать поверхность подложки для удаления алюминия или стали.

Материалы

Традиционно 3D-печать фокусировалась на полимерах для печати из-за простоты производства и обработки полимерных материалов. Однако метод быстро развивался, позволяя печатать не только различные полимеры, но и металлы и керамику, что делает 3D-печать универсальным вариантом производства. Послойное изготовление трехмерных физических моделей — это современная концепция, которая «берет свое начало в постоянно развивающейся индустрии САПР, а точнее, в сфере твердотельного моделирования. До появления твердотельного моделирования в конце 1980-х годов трехмерные модели создавались с помощью проволочных каркасов и поверхностей», но во всех случаях слои материалов контролируются принтером и свойствами материала. Слой трехмерного материала контролируется скоростью осаждения, которая задается оператором принтера и сохраняется в компьютерном файле. Самым ранним запатентованным печатным материалом были чернила типа Hot melt для печати узоров с помощью нагретого металлического сплава. См. историю 1970-х годов выше.

Чарльз Халл подал первый патент 8 августа 1984 года на использование акриловой смолы УФ-отверждения с использованием источника света с УФ-маской в UVP Corp. для создания простой модели. SLA-1 был первым SL-продуктом, анонсированным 3D Systems на выставке Autofact Exposition, Детройт, ноябрь 1978 года в Детройте. Бета-версия SLA-1 была поставлена в январе 1988 года компаниям Baxter Healthcare, Pratt and Whitney, General Motors и AMP. Первый серийный SLA-1 был отправлен в компанию Precision Castparts в апреле 1988 года. Материал УФ-смолы быстро сменился на материал на основе эпоксидной смолы. В обоих случаях модели SLA-1 требовали отверждения в УФ-печи после промывки в очистителе-растворителе для удаления неотвержденной пограничной смолы. Аппарат для последующей полимеризации (PCA) продавался вместе со всеми системами. Ранние смоляные принтеры требовали использования лезвия для перемещения свежей смолы по модели на каждом слое. Толщина слоя составляла 0,006 дюйма, а мощность HeCd-лазера модели SLA-1 составляла 12 Вт, и он проносился по поверхности со скоростью 30 дюймов в секунду. UVP была приобретена компанией 3D Systems в январе 1990 года.

Исторический обзор показывает, что в 1980-х годах для патентов в области быстрого прототипирования использовался ряд материалов (смолы, пластиковый порошок, пластиковая нить и чернила для горячего расплава пластика). Смола, отверждаемая УФ-лампой с маской, была также представлена Ицхаком Померанцем из Cubital в модели Soldier 5600, лазерное спекание термопластичных порошков Карлом Декардом (DTM), а бумага, нарезанная клеем и лазером (LOM), укладывалась для формирования объектов Михаилом Фейгиным до того, как компания 3D Systems сделала свое первое заявление. Скотт Крамп также работал с моделированием из экструдированного «расплавленного» пластикового филамента (FDM), а капельное осаждение было запатентовано Уильямом Мастерсом через неделю после патента Чарльза Халла в 1984 году, но ему пришлось открыть для себя термопластичные струи, представленные 3D-принтером Visual Impact Corporation в 1992 году с использованием струй от Howtek, Inc, прежде чем он сформировал компанию BPM для выпуска собственного 3D-принтера в 1994 году.

Мультиматериальная 3D-печать

Усилия по созданию многоматериальной 3D-печати варьируются от усовершенствованных FDM-подобных процессов, таких как VoxelJet, до новых технологий печати на основе вокселей, таких как послойная сборка.

Недостатком многих существующих технологий 3D-печати является то, что они позволяют печатать только одним материалом одновременно, что ограничивает многие потенциальные применения, требующие интеграции различных материалов в одном объекте. Мультиматериальная 3D-печать решает эту проблему, позволяя изготавливать объекты из сложных и неоднородных комбинаций материалов с помощью одного принтера. При этом материал должен быть определен для каждого вокселя (или элемента пикселя 3D-печати) в конечном объеме объекта.

Однако этот процесс может быть чреват осложнениями из-за изолированности и монолитности алгоритмов. Некоторые коммерческие устройства пытались решить эти проблемы, например, создание транслятора Spec2Fab, но прогресс все еще очень ограничен. Тем не менее, в медицинской отрасли была представлена концепция 3D-печатных таблеток и вакцин. С помощью этой новой концепции можно комбинировать несколько лекарств, что позволит снизить многие риски. Со все большим количеством применений мультиматериальной 3D-печати расходы на повседневную жизнь и развитие высоких технологий будут неизбежно снижаться.

Металлографические материалы 3D-печати также исследуются. Классифицируя каждый материал, CIMP-3D может систематически выполнять 3D-печать с несколькими материалами.

4D-печать

Использование 3D-печати и мультиматериальных структур в аддитивном производстве позволило разработать и создать так называемую 4D-печать. 4D-печать — это процесс аддитивного производства, в котором напечатанный объект меняет форму под воздействием времени, температуры или другого вида стимуляции. 4D-печать позволяет создавать динамические структуры с регулируемыми формами, свойствами или функциональностью. Умные/стимулирующие материалы, созданные с помощью 4D-печати, могут быть активированы для создания расчетных реакций, таких как самосборка, самовосстановление, многофункциональность, реконфигурация и изменение формы. Это позволяет печатать материалы, изменяющие форму и обладающие памятью формы.

4D-печать имеет потенциал для поиска новых применений и использования материалов (пластмасс, композитов, металлов и т.д.) и позволит создать новые сплавы и композиты, которые не были жизнеспособны ранее. Универсальность этой технологии и материалов может привести к достижениям во многих областях промышленности, включая космическую, коммерческую и медицинскую. Повторяемость, точность и диапазон материалов для 4D-печати должны увеличиться, чтобы процесс стал более практичным в этих отраслях.

Чтобы стать жизнеспособным вариантом промышленного производства, существует несколько проблем, которые 4D-печать должна преодолеть. Проблемы 4D-печати заключаются в том, что микроструктуры этих напечатанных «умных» материалов должны быть близки или даже лучше, чем детали, полученные с помощью традиционных процессов механической обработки. Необходимо разработать новые и настраиваемые материалы, способные последовательно реагировать на различные внешние стимулы и изменять свою форму. Также необходимо разработать новое программное обеспечение для различных видов техники 4D-печати. Программное обеспечение для 4D-печати должно учитывать базовый смарт-материал, технику печати, а также структурные и геометрические требования конструкции.

Применение 3D печати

3D-печать или аддитивное производство используется в производстве, медицине, промышленности и социально-культурном секторе (например, культурное наследие) для создания успешных коммерческих технологий. В последнее время 3D-печать также используется в гуманитарном секторе и секторе развития для производства ряда медицинских изделий, протезов, запасных частей и ремонта. Самое раннее применение аддитивного производства было связано с инструментальной частью производственного спектра. Например, быстрое прототипирование было одним из самых ранних вариантов аддитивного производства, и его задачей было сократить время и стоимость разработки прототипов новых деталей и устройств, что раньше делалось только с помощью субтрактивных инструментальных методов, таких как фрезерование, токарная обработка и прецизионная шлифовка с ЧПУ. В 2010-х годах аддитивное производство вошло в производство в гораздо большей степени.

Пищевая промышленность

Аддитивное производство продуктов питания развивается путем выдавливания продуктов питания, слой за слоем, в трехмерные объекты. Подходящими кандидатами являются самые разные продукты питания, например, шоколад и конфеты, а также плоские продукты, такие как крекеры, макароны, и пицца. НАСА изучает эту технологию, чтобы создавать 3D-печатные продукты питания для ограничения пищевых отходов и для производства пищи, разработанной в соответствии с диетическими потребностями астронавтов. В 2018 году итальянский биоинженер Джузеппе Сционти разработал технологию, позволяющую производить волокнистые растительные аналоги мяса с помощью специального 3D-биопринтера, имитирующие текстуру и питательные ценности мяса.

Индустрия моды

3D-печать вошла в мир одежды: модельеры экспериментируют с 3D-печатными бикини, туфлями и платьями. В коммерческом производстве компания Nike использовала 3D-печать для создания прототипа и производства футбольной обуви Vapor Laser Talon 2012 года для игроков в американский футбол, а компания New Balance изготовила 3D-печать обуви для спортсменов. 3D-печать дошла до того, что компании печатают очки потребительского класса с индивидуальной подгонкой и стилем по требованию (хотя они не могут печатать линзы). Изготовление очков по индивидуальному заказу возможно с помощью быстрого прототипирования.
Ванесса Фридман, директор и главный критик моды в The New York Times, считает, что 3D-печать будет иметь большое значение для модных компаний в будущем, особенно если она превратится в инструмент для самостоятельной печати для покупателей. «Есть реальное ощущение, что это произойдет не скоро, — говорит она, — но это произойдет, и это создаст драматические изменения в том, как мы думаем об интеллектуальной собственности и о том, как все устроено в цепочке поставок». Она добавляет: «Безусловно, некоторые из видов производства, которые могут использовать бренды, будут кардинально изменены технологиями».

Транспортная промышленность

В автомобилях, грузовиках и самолетах аддитивное производство начинает трансформировать как проектирование и производство кузовов и фюзеляжей, так и проектирование и производство силовых агрегатов. Например, компания General Electric использует высокотехнологичные 3D-принтеры для изготовления деталей турбин. Многие из этих систем используются для быстрого создания прототипов, прежде чем будут применены методы массового производства. К другим известным примерам относятся:

В начале 2014 года шведский производитель суперкаров Koenigsegg анонсировал One:1, суперкар, в котором использовано множество компонентов, напечатанных на 3D-принтере. Urbee — первый автомобиль, произведенный с помощью 3D-печати (были «напечатаны» кузов и окна автомобиля).
В 2014 году компания Local Motors представила Strati — действующий автомобиль, который был полностью напечатан с помощью 3D-печати из ABS-пластика и углеродного волокна, за исключением силового агрегата.
В мае 2015 года компания Airbus объявила, что новый самолет Airbus A350 XWB включает более 1000 компонентов, изготовленных с помощью 3D-печати.
В 2015 году истребитель Королевских ВВС Eurofighter Typhoon совершил полет с напечатанными деталями. ВВС США начали работать с 3D-принтерами, а ВВС Израиля также приобрели 3D-принтер для печати запасных частей.
В 2017 году компания GE Aviation сообщила, что она использовала дизайн для аддитивного производства для создания вертолетного двигателя с 16 деталями вместо 900, что имеет большое потенциальное влияние на снижение сложности цепочек поставок.

Оружие

Влияние AM на огнестрельное оружие имеет два аспекта: новые методы производства для уже существующих компаний и новые возможности для изготовления оружия «сделай сам». В 2012 году американская группа Defense Distributed раскрыла планы по разработке рабочего пластикового 3D-печатного огнестрельного оружия, «которое может быть загружено и воспроизведено любым человеком, имеющим 3D-принтер.» После того, как Defense Distributed обнародовала свои планы, были подняты вопросы о том, как 3D-печать и широко распространенная обработка с ЧПУ на потребительском уровне могут повлиять на эффективность контроля над оружием. Более того, стратегии проектирования брони могут быть улучшены, если черпать вдохновение в природе и создавать прототипы тех конструкций, которые легко можно реализовать с помощью аддитивного производства.

Медицина

Хирургическое применение 3D-печати имеет свою историю, начавшуюся в середине 1990-х годов с анатомического моделирования для планирования костных реконструктивных операций. Естественным продолжением этой работы стали имплантаты, подобранные под пациента, что привело к созданию действительно персонализированных имплантатов, которые подходят одному уникальному человеку. Виртуальное планирование операций и руководство с использованием 3D-печатных персонализированных инструментов с большим успехом применяются во многих областях хирургии, включая полную замену суставов и реконструкцию черепно-челюстно-лицевой области. Одним из примеров этого является биорезорбируемая трахеальная шина для лечения новорожденных с трахеобронхомаляцией, разработанная в Мичиганском университете. Использование аддитивного производства для серийного производства ортопедических имплантатов (металлы) также растет благодаря способности эффективно создавать пористые поверхностные структуры, способствующие остеоинтеграции. Ожидается, что слуховые аппараты и стоматологическая промышленность станут самой большой областью будущего развития с использованием технологии 3D-печати на заказ.

3D-печать не ограничивается только неорганическими материалами; существует ряд биомедицинских достижений, ставших возможными благодаря 3D-печати. По состоянию на 2012 год технология 3D-биопечати изучалась биотехнологическими компаниями и научными кругами на предмет возможного использования в тканевой инженерии, где органы и части тела создаются с помощью методов струйной печати. В этом процессе слои живых клеток наносятся на гелевую среду или сахарную матрицу и медленно наращиваются, образуя трехмерные структуры, включая сосудистые системы. 3D-печать рассматривалась как метод имплантации стволовых клеток, способных генерировать новые ткани и органы у живых людей. В 2018 году технология 3D-печати была впервые использована для создания матрицы для иммобилизации клеток при ферментации. В качестве модельного исследования было выбрано производство пропионовой кислоты Propionibacterium acidipropionici, иммобилизованной на 3D-печатных нейлоновых бусинах. Было показано, что эти 3D-печатные бусины способны обеспечить высокую плотность прикрепления клеток и производство пропионовой кислоты, что может быть адаптировано к другим биопроцессам ферментации.

3D-печать также использовалась исследователями в фармацевтической области. В последние несколько лет наблюдается всплеск академического интереса к доставке лекарств с помощью методов AM. Эта технология предлагает уникальный способ использования материалов в новых рецептурах. AM-производство позволяет использовать материалы и соединения при разработке рецептур таким образом, который невозможен при использовании обычных/традиционных методов в фармацевтической области, например, таблетирование, литьевое формование и т.д. Более того, одним из основных преимуществ 3D-печати, особенно в случае моделирования методом плавленого осаждения (FDM), является персонализация лекарственной формы, которая может быть достигнута, таким образом, ориентируясь на конкретные потребности пациента. В недалеком будущем ожидается, что 3D-принтеры дойдут до больниц и аптек, чтобы обеспечить производство персонализированных рецептур по запросу в соответствии с потребностями пациентов.

Медицинское оборудование
Во время пандемии COVID-19 для пополнения запасов СИЗ использовались 3d-принтеры. Добровольцы использовали свои личные принтеры для изготовления различных средств индивидуальной защиты (например, рамок для лицевых щитков).

Образование

3D-печать, и в частности 3D-принтеры с открытым исходным кодом, являются новейшей технологией, проникающей в учебные заведения. Высшее образование оказалось основным покупателем настольных и профессиональных 3D-принтеров, что эксперты отрасли в целом считают положительным показателем. Некоторые авторы утверждают, что 3D-принтеры предлагают беспрецедентную «революцию» в STEM-образовании. Доказательством таких утверждений служит как недорогая возможность быстрого создания прототипов в классе студентами, так и изготовление недорогого высококачественного научного оборудования на основе открытых аппаратных разработок, формирующих лаборатории с открытым исходным кодом. Кроме того, библиотеки по всему миру также стали местом размещения небольших 3D-принтеров для образовательного и общественного доступа. Будущее применение 3D-печати может включать создание научного оборудования с открытым исходным кодом.

Реплицирование археологических артефактов

В 2010-х годах 3D-печать стала интенсивно использоваться в сфере культурного наследия в целях сохранения, восстановления и распространения информации. Многие европейские и североамериканские музеи приобрели 3D-принтеры и активно воссоздают недостающие части своих реликвий и археологических памятников, таких как Тиуанако в Боливии. Музей Метрополитен и Британский музей начали использовать свои 3D-принтеры для создания музейных сувениров, которые можно приобрести в музейных магазинах. Другие музеи, такие как Национальный музей военной истории и Варненский исторический музей, пошли дальше и продают через онлайн-платформу Threeding цифровые модели своих артефактов, созданные с помощью 3D-сканеров Artec, в формате файлов, удобных для 3D-печати, которые каждый может распечатать дома.

Реплицирование исторических зданий

Применение 3D-печати для репрезентации архитектурных объектов имеет множество проблем. В 2018 году структура Иранского национального банка была традиционно обследована и смоделирована в программном обеспечении компьютерной графики (в частности, Cinema4D) и оптимизирована для 3D-печати. Команда протестировала методику построения детали, и она оказалась успешной. После тестирования процедуры моделлеры реконструировали структуру в Cinema4D и экспортировали переднюю часть модели в Netfabb. Вход в здание был выбран из-за ограничений 3D-печати и бюджета проекта на изготовление макета. 3D-печать была лишь одной из возможностей, которые давала созданная 3D-модель банка, но из-за ограниченного масштаба проекта команда не стала продолжать моделирование для виртуального представления или других приложений. В 2021 году Парсинежад и др. всесторонне сравнили метод ручной съемки для 3D-реконструкции, готовой к 3D-печати, с цифровой записью (использование метода фотограмметрии).

Печатные платы

Производство печатных плат включает в себя множество этапов, в том числе формирование изображения, сверление, нанесение покрытия, покрытие паяльной маски, печать номенклатуры и отделку поверхности. На этих этапах используется множество химических веществ, таких как агрессивные растворители и кислоты. 3D-печать печатных плат устраняет необходимость во многих из этих этапов, но при этом позволяет создавать сложные конструкции. Полимерные чернила используются для создания слоев сборки, а серебряный полимер — для создания дорожек и отверстий, через которые проходит электричество. Текущее производство печатных плат может быть утомительным процессом в зависимости от конструкции. Определенные материалы собираются и отправляются на обработку внутренних слоев, где изображения печатаются, проявляются и травятся. Травленые сердечники обычно перфорируются для добавления инструментов для ламинирования. Затем керны подготавливаются для ламинирования. Стэп-ап, представляющий собой сборку печатной платы, собирается и отправляется на ламинирование, где происходит склеивание слоев. Затем платы измеряются и сверлятся. Многие этапы могут отличаться от этого этапа, однако для простых конструкций материал проходит через процесс нанесения покрытия для создания отверстий и поверхности. Затем печатается, проявляется и травится внешнее изображение. После того как изображение определено, материал покрывается паяльной маской для последующей пайки. Затем добавляется номенклатура для последующей идентификации компонентов. Затем добавляется отделка поверхности. Из панельной формы платы переходят в единичную или массивную форму, а затем проходят электрическое тестирование. Помимо оформления документов, подтверждающих соответствие плат спецификациям, платы упаковываются и отправляются. Преимущества 3D-печати заключаются в том, что окончательный контур определяется с самого начала, не требуется нанесения изображений, перфорации или ламинирования, а электрические соединения выполняются с помощью серебряного полимера, что исключает сверление и нанесение покрытия. Окончательная бумажная работа также значительно сократится из-за отсутствия материалов, необходимых для изготовления печатной платы. Сложные конструкции, на которые при обычной обработке могут уйти недели, могут быть напечатаны в 3D, что значительно сокращает время изготовления.

Хобби

В 2005 году академические журналы начали сообщать о возможном художественном применении технологии 3D-печати. Готовые машины все больше способны производить практические бытовые вещи, например, декоративные предметы. Некоторые практические примеры включают работающие часы и шестеренки, напечатанные для домашних деревообрабатывающих станков, среди прочих целей. Веб-сайты, связанные с домашней 3D-печатью, как правило, включают когтеточки, крючки для одежды, дверные ручки и т.д. По состоянию на 2017 год домашняя 3D-печать вышла на потребительскую аудиторию за пределы любителей и энтузиастов. Несколько проектов и компаний предпринимают усилия по разработке доступных 3D-принтеров для домашнего настольного использования. Большая часть этой работы ведется и направлена на сообщества DIY/мейкеров/энтузиастов/ранних последователей, с дополнительными связями с академическими и хакерскими сообществами.

Благодаря снижению цены и повышению качества, по состоянию на 2019 год около 2 миллионов человек во всем мире приобрели 3D-принтер для хобби.