Промышленные 3D-принтеры: применение в производстве и исследованиях

Промышленные 3D-принтеры за последние годы стали одним из ключевых элементов в производственной отрасли и области исследований. Позволяя создавать изделия слой за слоем с высокой точностью, эта технология аддитивного производства значительно расширила возможности производителей по всему миру.

В данной статье рассмотрим основные преимущества промышленных 3D-принтеров, сферы их применения, используемые материалы и технологии 3D-печати, а также примеры их использования в различных исследованиях и разработках.

Содержание:

Какие преимущества предоставляют промышленные 3D-принтеры в производственной отрасли?

Сокращение времени на разработку и производство

Промышленные 3D-принтеры позволяют сокращать время на разработку и производство изделий. Благодаря скорости печати и возможности изготовления деталей непосредственно из цифровых моделей, компании могут быстрее создавать прототипы и небольшие партии изделий для тестирования и последующего внедрения в производство.

Эта технология радикально отличается от традиционных методов, таких как литье или механическая обработка, где подготовка производства может занять значительное время.

Возможности создания сложных деталей

Одно из главных преимуществ промышленной 3D-печати заключается в возможности создавать сложные детали, которые трудно или даже невозможно изготовить традиционными методами. Сложные геометрии, внутренние полости и уникальные структуры теперь могут быть напечатаны слой за слоем с высокой точностью. Это позволяет инженерам проектировать и производить детали с оптимизированными свойствами, включая механическую прочность и вес.

Снижение затрат на производство

Хотя первоначальные инвестиции в промышленные 3D-принтеры могут быть высокими, применение этой технологии позволяет снижать общие производственные затраты.

Сокращение материальных отходов, уменьшение необходимости в складировании большого количества запасных частей и возможность локализованного производства существенно уменьшают расходы.

В дополнение, аддитивное производство позволяет еще и сократить расходы на логистику и управление цепочками поставок за счет возможности печати изделий непосредственно на месте их использования.

В каких отраслях наиболее активно используются промышленные 3D-принтеры?

3D-печать в аэрокосмической промышленности

Аэрокосмическая промышленность была одной из первых, кто оценил преимущества 3D-печати. Использование металлического порошка для создания легких, но при этом прочных деталей позволяет значительно уменьшить вес летательных аппаратов и повысить эффективность использования топлива.

Промышленные 3D-принтеры применяются для изготовления компонентов двигателей, элементов корпуса и других критически важных частей. Технология 3D-печати, также известная как добавочное производство, существенным образом изменяет подход к проектированию, производству и эксплуатации в аэрокосмической отрасли.

Внедрение этой технологии предлагает несколько ключевых преимуществ, влияющих на эффективность, стоимость и инновационный потенциал проектов.

Для создания пластиковых прототипов и деталей используются промышленные FDM/FFF принтеры с закрытой подогреваемой камерой и высокотемпературным экструдером для печати инженерными пластиками и SLS-системы для лазерного спекания пластиковых порошков.

Инженерные пластики - отличаются от стандартных повышенными механическими характеристиками и химической устойчивостью, поэтому изделия из них можно использовать или тестировать в суровых условиях.

Применение 3D-принтеров в медицине

В медицинской отрасли промышленная 3D-печать революционизировала возможности создания индивидуализированных протезов, имплантатов и даже органов. Благодаря точности и гибкости технологии аддитивного производства удаётся производить изделия, максимально учитывающие анатомические особенности конкретного пациента.

Возможность использования биосовместимых материалов открывает новые горизонты для трансплантологии и реконструктивной хирургии.

Принтеры для медицины можно разделить на стоматологические, создающие металлические эндопротезы и имплантаты и биопринтеры. К стоматологическим 3D-принтерам можно отнести точные SLA/DLP/LCD и металлические SLM-принтеры с маленькой областью печати.

Их основное назначение - печать либо выжигаемых моделей из специальной смолы, либо непосредственно готовых стоматологических конструкций, типа мостов, коронок, штампов. Металлические принтеры со средней и большой областью печати могут создавать хирургические имплантаты, если умеют работать с титаном и его сплавами.

Биопринтеры - это на сегодняшний день вершина развития 3D-технологий в медицине, они умеют печатать живыми клетками и создают фрагменты и целые органы и участки кожи и эпителия.

Использование в автомобильной промышленности

Автомобильная промышленность также не осталась в стороне от использования промышленных 3D-принтеров. Создание прототипов новых моделей, изготовление инструментов и приспособлений для производственных линий, а также производство ограниченных серий специализированных компонентов и запчастей – все это стало возможным и более доступным благодаря применению 3D-печати.

Особенно это касается производства деталей с высокой степенью сложности и малым объемом, где традиционные методы производства оказываются неэффективными.

Применение 3D-печати в литейном производстве

Применение 3D-печати в литейном производстве открывает новые возможности для создания песчаных форм с высокой степенью точности и сложности, которые трудно или даже невозможно изготовить традиционными методами. Одной из наиболее популярных технологий в этом направлении является Binder Jetting, метод, при котором связующее вещество распыляется на слои песка, формируя объект посредством пошагового наращивания.

3D печать песком значительно ускоряет процесс создания форм и ядер, позволяя литейным компаниям экономить время и средства. В сфере литейного производства 3D принтеры используются для изготовления прототипов, а также функциональных деталей в мелкосерийном и индивидуальном производстве.

Какие материалы чаще всего используются при 3D-печати в промышленности?

3D-печать металлическими порошками

Металлический порошок является одним из самых популярных материалов в промышленной 3D-печати. С его помощью возможно производство деталей для аэрокосмической, автомобильной, медицинской отраслей и других сфер, где требуются высокие механические характеристики и точность изготовления. Эти материалы обеспечивают прочность и долговечность изделий, что делает их идеальными для использования в критически важных применениях.

3D-печать с использованием металлических порошков представляет собой передовую область аддитивных технологий, которая продолжает развиваться и находить новые применения. В этой технологии используются различные типы металлических порошков, такие как титан, сталь, алюминий, никель и медные сплавы, которые позволяют создавать сложные и точные металлические изделия непосредственно из 3D-моделей.

Ключевые технологии 3D-печати металлами:

Прямое лазерное спекание (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) - одна из самых популярных технологий, использующая лазер для точечного спекания порошка по слоям, что позволяет создавать сложные геометрические формы.
Селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM) - технология похожа на DMLS, но вместо спекания происходит полное плавление порошка, что обеспечивает еще большую прочность и плотность получаемых деталей.
Привязанное металлическое осаждение (Bound Metal Deposition, BMD) - это относительно новая технология, которая сочетает в себе использование металлического порошка с полимерным связующим, после печати требуется дополнительный процесс сжигания связующего и спекания металла.
Электронно-лучевая плавка (Electron Beam Melting, EBM) - использует электронный луч в вакууме для полного плавления металлического порошка, идеально подходит для титана и его сплавов из-за низкой скорости окисления.

Использование пластиков и полимеров

Пластики и полимеры также широко используются в промышленной 3D-печати за счет своей гибкости, возможности добиться различных свойств материалов путем модификации и добавления наполнителей. Они идеально подходят для создания прототипов, функциональных компонентов и финальных изделий в различных областях, от потребительских товаров до специализированного оборудования.

Полиамидные порошки для 3D-печати

Полиамидные порошки для 3D-печати представляют собой высококачественный полимерный порошок, используемый в технологии SLS (технология 3D печати селективного лазерного спекания). Эти порошки позволяют 3D принтерам создавать изделия с высокой точностью и прочностью, что делает их идеальным выбором для использования в промышленных 3D-принтерах.

Они находят широкое применение в различных отраслях промышленности, включая 3D-печать в аэрокосмической и военной промышленности, благодаря способности печатать детали высокой сложности без значительных затрат на программное обеспечение или послепечатную обработку.

Применение композитных материалов

Композитные материалы, комбинирующие в себе свойства нескольких составляющих, открывают новые возможности для промышленной 3D-печати. Благодаря их использованию, можно добиться уникальных характеристик изделий, таких как повышенная прочность, легкость и долговечность.

Добавление волокон или других армирующих материалов позволяет создавать компоненты, которые могут выдерживать экстремальные нагрузки и температуры. Композитные материалы, действительно, являются прорывом в области 3D-печати, они открывают новые возможности в производстве изделий с уникальными характеристиками.

Эти материалы сочетают в себе лучшие свойства своих компонентов, что позволяет создавать изделия, превосходящие по характеристикам изделия из однородных материалов.

Преимущества композитных материалов в 3D-печати

Улучшенные механические свойства: Композиты могут быть специально разработаны так, чтобы выдерживать высокие нагрузки, удары и деформации. Ввод в матрицу армирующих волокон, таких как углеродные, стеклянные или арамидные, значительно увеличивает прочность и жесткость изделий.
Тепловая стабильность: Некоторые композиты способны выдерживать экстремальные температуры, что делает их идеальным выбором для компонентов, эксплуатируемых в условиях высоких температур.
Легкость: Сохраняя при этом высокие прочностные характеристики, композитные материалы могут быть значительно легче металлов, что особенно ценится в авиастроении и автомобилестроении.
Коррозионная стойкость: Многие композиты обладают высокой стойкостью к коррозии и воздействию химических веществ, что увеличивает их срок службы в агрессивных средах.

Какие технологии 3D-печати применяются в промышленном производстве?

Лазерное спекание – SLS и SLM технологии

Технологии лазерного спекания, включая SLS (Selective Laser Sintering) и SLM (Selective Laser Melting), широко используются в промышленности благодаря своей способности обеспечивать высокую точность и прочность изготавливаемых изделий. Они позволяют создавать детали из металлического порошка, пластиков и других материалов, делая процесс изготовления гибким и масштабируемым.

В отличие от технологии FDM, технология печати с использованием полиамидных порошков обеспечивает гораздо более высокое качество поверхности и детализации, что делает её предпочтительным вариантом для печати деталей с тонкими стенками и сложной геометрией. 3D печать с их помощью позволяет создавать изделия с уникальными свойствами, такими как гибкость и прочность, которые трудно или невозможно получить другими методами 3D печати.

Технологии лазерного спекания, такие как SLS (Selective Laser Sintering) и SLM (Selective Laser Melting), действительно являются ключевыми методами в современном производстве, особенно когда речь идет о создании сложных деталей и компонентов.

Selective Laser Sintering (SLS)

SLS использует лазер для спекания порошковых материалов, в том числе полимеров, таких как нейлон (полиамид), по слоям до тех пор, пока не будет создан трехмерный объект. Главное отличие SLS от других форм аддитивного производства заключается в том, что оно не требует использования опорных конструкций, поскольку не спеченный порошок вокруг объекта служит поддержкой, позволяя создавать более сложные геометрии с тонкими стенками.

Selective Laser Melting (SLM)

SLM работает по похожему принципу, но используется для полного плавления и сплавления металлических порошковых материалов, создавая цельные металлические объекты. Этот процесс позволяет производить детали из таких металлов, как алюминий и его сплавы, нержавеющая сталь, титан, инконель (сплав на основе никеля), медь и многие другие специализированные металлические сплавы.

С помощью SLM можно создавать сложные геометрические формы, которые были бы сложно или невозможно изготовить традиционными методами металлообработки. Технология находит широкое применение в аэрокосмической, автомобильной промышленности, производстве медицинских имплантатов и других отраслях, где требуются высокопрочные, легкие и сложные металлические компоненты.

Среди многофункциональных SLM-принтеров мы предлагаем обратить внимание на разнообразные модели HBD 3D: HBD 150 - для стоматологии, HBD 350 - для мелкосерийного производства, HBD 1000 - для промышленного производства цельных больших изделий и другие.

Фотополимеризация – SLA и DLP технологии

Фотополимеризация, использующая SLA (Stereolithography Apparatus) и DLP (Digital Light Processing) технологии, позволяет с высокой точностью создавать изделия из фотополимерных смол.

Эти технологии идеально подходят для производства деталей с гладкой поверхностью и сложными геометрическими формами, что находит применение в медицине, ювелирной промышленности и создании высокоточных компонентов.

Фотополимеризация при помощи технологий SLA (Stereolithography Apparatus) и DLP (Digital Light Processing) является одним из ведущих методов 3D печати, позволяющих достигать высокой степени детализации и точности в производстве изделий.

Как работает SLA?

Технология SLA основана на использовании ультрафиолетового (УФ) лазера, который последовательно "рисует" слои будущего изделия на поверхности жидкой фотополимерной смолы. Под воздействием УФ излучения смола полимеризуется, твердеет, что позволяет пошагово создавать трехмерный объект. Этот процесс происходит в специальном резервуаре, где уровень смолы плавно поднимается или опускается для формирования новых слоев.

Как работает DLP?

Технология DLP, в отличие от SLA, использует проектор для проецирования изображения каждого слоя на всю поверхность смолы одновременно. Это позволяет значительно ускорить процесс печати, так как за один цикл облучения формируется целый слой изделия.

Как и в случае с SLA, после проецирования изображения смола подвергается полимеризации и твердеет. В современных моделях принтеров в качестве проектора используется LCD-экран, обычно, монохромный. Это увеличивает плотность засветки, а, значит, и качество, ведь количества не засвеченных или частично полимеризованных участков стремится к нулю.

Реальные примеры использования 3D-печати в промышленном производстве

Мы уже рассказывали во множестве статей о реальных примерах применения 3D-принтеров с самыми разными технологиями в производстве.

FDM/FFF

Промышленные FDM-принтеры Total Z используют для создания прототипов авиационных деталей в в филиале «Корпорации “Иркут”», Ульяновск. Подробности в нашем кейсе https://top3dshop.ru/blog/kejs-primenenie-3d-printerov-total-z-v-aviatsii.html#anchor5

5D-принтеры Stereotech находят применение в самых различных областях - от медицины до печати функциональных деталей для СеверСтали, например. Подробности в нашем кейсе https://top3dshop.ru/blog/kejs-primery-primenenija-3d-printerov-stereotech.html

3D-принтеры Imprinta Hercules отлично показали себя не только в мелкосерийном производстве простых изделий, вроде формочек для печенья, но и в производстве обвеса для снегокатов, и в изготовлении корпусов для электроники и медоборудования. Подробности в нашем кейсе https://top3dshop.ru/blog/primenenie-imprinta-hercules-v-proizvodstve.html

SLM

Мы рассказали в одном из кейсов о внедрении 3DLAM Mini в зуботехническую лабораторию. Подробности здесь https://top3dshop.ru/blog/3dlam-mini-3d-pechat-metallami-dlja-stomatologii.html

Массу возможностей в промышленности открывают SLM-принтеры HBD 3D. Рассказали только о некоторых в большом сборнике кейсов https://top3dshop.ru/blog/kejsy-3d-printery-hbd.html

Биопринтинг

Печать живыми клетками - это кажется фантастикой, но это теперь уже реальность. Будущее трансгуманизма стучится в дверь вместе с биопринтерами. Один из немногих представителей этого направления - компания Rokit Healthcare и ее модели принтеров. Один из принтеров, Rokit Dr. INVIVO 4D2, наша компания поставила в Лабораторию полимерных материалов для тканевой инженерии и трансплантологии (ПМТИТ) Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ). Подробности в нашей большой статье https://top3dshop.ru/blog/rokit-dr-invivo-4d2-3d-bioprinter-kejs-top-3d-group.html

Так же мы плотно сотрудничаем с МГМУ им. И.М. Сеченова по вопросам биопринтинга и даже провели недавно вебинар посвященный разработкам и исследованиям в области биопечати. Статья о нем появится в скором будущем.

Заключение и выводы

3D-печать и аддитивные технологии входят в промышленное производство с каждым годом все активнее. Они расширяют возможности проектирования, ускоряют процесс разработки новых образцов, упрощают, ускоряют и улучшают некоторые существующие производственные процессы и даже создают концептуально новые.

Кое-где аддитивные технологии практически вытеснили "традиционные" и сами уже стали привычной традицией. С каждым годом, с каждым новым брендом и с каждой моделью возможности 3D-технологий расширяются, и будущее у 3D-печати в промышленности выглядит более чем оптимистичным.