Мултиматериално 3D принтиране

МашиниСп. Инженеринг ревю - брой 4/2020 • 10.06.2020

3D принтирането води до своеобразна революция в съвременното производство, на практика позволявайки създаването на всяка комплексна физическа форма, която човешкият ум може да си представи. Повечето масови индустриални принтери обаче са способни адитивно да изграждат обекти само от един материал, а мастиленоструйните системи, които позволяват мултиматериален печат, са ограничени от физиката на образуване на капки. 3D печатът на базата на екструзия позволява триизмерно да се принтира широк набор от материали, но процесът е сравнително бавен.

Производството на изделия чрез използване на няколко материала наведнъж е ключова възможност на адитивните методи, която би могла да ги превърне в по-ефективна алтернатива на останалите съвременни производствени технологии. Мултиматериалното 3D принтиране притежава потенциал да редуцира производственото време и разходи, да премахне необходимостта от сглобяване, да намали нуждата от довършителни дейности след основната изработка (например оцветяване), както и да насърчи ефективното проектиране на мултифункционални обекти. Индустриалното оборудване за целта предлага подобна функционалност, комбинирайки материали с различна реология, механични и термични свойства.

В зависимост от приложението мултиматериалните принтери могат да разполагат с вграден скенер, лазерен гравир и ЦПУ. Повечето от тези машини на пазара досега разполагат с възможности за отпечатване само на два материала. Оборудвани с множество дюзи, най-новите модели могат да обработват до четири или повече различни материала и да отпечатват триизмерни обекти в различни цветове, като използват суровини с различна степен на твърдост. Посредством тази нова технология е възможно още производството на кухи изделия, което доскоро беше трудна задача за адитивния метод.

Допълнително предимство на тази иновация в 3D печата е технологичният напредък в софтуера за автоматично управление на процеса, който позволява измерване на слоя материал, депозиран при всеки отпечатан слой и го сравнява с дадена целева стойност. Ако програмата открие несъответствия в отпечатания обект, следващите слоеве автоматично се коригират.

 

Обзор на технологиите

Екструдирането на няколко материала при триизмерно принтиране разкрива широк спектър от възможности по отношение функционалните характеристики на изделието, обусловени от търговската наличност на голямо разнообразие от неконвенционални материали за 3D печат. В резултат на това могат да се отпечатват изделия, които разполагат със специални физико-механични свойства, проектирани според целевото им предназначение.

› Реклама

Подобно на адитивното производство с единични материали, мултиматериалният 3D печат може да бъде реализиран чрез различни методи. Разширявайки възможностите на дизайна, тази технология прави възможно създаването на монолитни триизмерни обекти с разнообразни функционални характеристики, цветове или свойства на отделните слоеве материали, например еластичност или разтворимост. За първи път мултиматериален 3D принтер е въведен в практиката през 2006 г.

Иновативната концепция бива бързо възприета от индустрията, водейки до разширяване на приложенията й.

Възможността да се работи с множество материали наведнъж в рамките на един производствен цикъл може да спести време и позволява създаването на по-сложни обекти. Същевременно методът може в цялост да отнеме повече време за производство на единично изделие и да коства повече материал от предвиденото. С популяризирането на технологията все повече потребители дават обратна връзка на производителите на мултиматериални 3D принтери, които непрекъснато се стремят да рационализират процеса и да редуцират отпадъците.

Печат със стопяеми нишки (FFF) - състои се в непрекъснато екструдиране на термопластичен материал с цел образуване на триизмерен обект. Процесът позволява работа с различни материали, включително биоразградими полимери (като полилактид, гликол модифициран полиетилентерефталат и акрилонитрил-бутадиен-стирен) и инженерни пластмаси като PEEK (полиетер етер кетон). Тази технология позволява използването и на гъвкави материали като термопластичен полиуретан. Две възможни решения за реализиране на мултиматериален FFF триизмерен печат са с единична дюза и с множество дюзи.

Конструкция с единична дюза - комбинира различните материали преди или в зоната на топене на печатащата глава, така че те да бъдат екструдирани през една и съща дюза. Различните нишки могат да бъдат нарязани и съединени отново в един смесен сноп, преди да се подадат в камерата за топене. Това може да се постигне с надграждащ мултиматериален модул, монтиран върху стандартен принтер за работа с един материал. Системата за екструдиране се съчетава с допълнителна ос за рязане и избор на материал. За да се предотврати нежелано смесване на материали в изделието, комбинираната камера за топене трябва да се изчисти от предишния материал, преди да започне да се използва нов. В зависимост от приложението, количеството отпадъчни материали, получени по време на процеса, може да бъде значително.

Конструкция с множество дюзи - разполага с отделна дюза за всеки материал. Дюзата може да се монтира върху една и съща печатаща глава или върху независими глави. За да е функционална подобна конфигурация, различните дюзи трябва да бъдат калибрирани на същата височина спрямо повърхността за печат, за да се избегне контактът на неактивните дюзи с принтираното изделие. Такава конструкция намалява значително количеството отпадъчни материали по време на процеса на печат.

Стереолитография (SLA) - е процес на втвърдяване на фотополимер с лазер слой по слой за образуване на триизмерен обект. За да се реализират мултиматериални отпечатъци с тази технология, типично се използват множество резервоари за различни фотополимери. Основен проблем при този подход е отстраняването на още неполимеризирания материал. Отпечатъкът може да съдържа кухини, пълни със стария материал, които трябва да бъдат изпразнени, преди да може да се използва следващият.

Фотополимерните смоли, използвани за SLA, могат да имат много различни физични свойства, въпреки че са по-крехки и като цяло имат по-ниски температурни отклонения. Стандартни SLA смоли се предлагат в различни цветове и прозрачност. Освен инженерни версии, като ABS- или PP-базирани материали, съществуват биосъвместими смоли, смоли за използване в медицински приложения, както и гъвкави смоли.

Процес на струйно нанасяне на материал - често наричан още мастиленоструйно 3D принтиране, е подобен на двуизмерния мастиленоструен печат. Печатащата глава се състои от множество малки дюзи, които при команда изхвърлят струи от фотополимери на капчици. Всяка дюза може да екструдира различен материал, което позволява създаването на мултиматериални детайли. След това капчиците материал се втвърдяват незабавно с помощта на източник на UV светлина, монтиран към печатащата глава. За разлика от FFF процеса на отпечатване, слоят не се формира чрез придвижване на печатащата глава по предварително изчислен път, а чрез разгръщане на слоя ред по ред. Някои модели на пазара позволяват пълноцветни отпечатъци.

Подходящите за този процес на печатане материали са подобни на тези при SLA метода и следователно имат подобни свойства. Освен това е постигнат напредък в областта на металните материали за струйно нанасяне чрез суспендиране на нанометални частици във флуид. След отстраняването на поддържащия материал отпечатаният обект трябва да бъде синтерован, за да се завърши металният детайл.

Печатане със свързващо вещество (Binder Jetting) - използва частици от финозърнест прах, които се сливат заедно с помощта на свързващ агент, за да образуват триизмерен обект. Типично конструкцията се състои от две отделни камери – едната функционира като резервоар за прахообразния материал, а другата като печатаща камера. За да създаде слой от даден обект, специален нож изтласква материала от резервоара и го разстила върху повърхността на печат, образувайки тънък слой прах. След това печатаща глава, подобна на тези при мастиленоструйните 2D принтери, прилага свързващото вещество към слоя, за да може той да се втвърди и свърже с предишния. Въпреки че струята свързващо вещество не позволява работа с много на брой материали, в сегмента съществуват принтери, които разполагат с втора печатаща глава, позволяваща нанасяне на пигмент върху слоя след свързващото вещество, за да се произведат пълноцветни отпечатъци.

Мултиматериален мултидюзен 3D (MM3D) печат - използва високоскоростни клапани за налягане, за да постигне бързо, непрекъснато и безпроблемно превключване между до осем различни материала за печат. Това позволява създаване на сложни форми за много по-малко време в сравнение с останалите технологии за мултиматериален триизмерен печат. Методът използва печатащи глави, които варират от единична дюза до големи масиви с множество дюзи. Самите печатащи глави се произвеждат с помощта на 3D печат, което позволява лесното им персонализиране според приложението. Всяка дюза е в състояние да превключва различните материали до 50 пъти в секунда.

 

Особености

Комбинацията на глави с множество дюзи с възможността за бързо превключване между няколко материала ефективно елиминира загубата на време и позволява отпечатването периодично на мултиматериални 3D обекти много по-бързо. Тъй като MM3D печатът може да произвежда обекти изключително бързо, той позволява използването на реактивни материали, чиито свойства се променят с течение на времето, например епоксиди, силикони, полиуретани или биомастила.

MM3D печатът може да се използва и за създаване на по-сложни обекти, включително компоненти за меки роботи, съставени от твърди и меки еластомери. Подобно на стоножка, една такава конструкция включва вградени пневматични канали, които позволяват на меките “мускули” да се задействат последователно от вакуум, правейки робота “ходещ”. Роботът е в състояние да се движи бързо, докато носи товар, осем пъти по-голям от собственото му тегло, и може да бъде свързан с други роботи, за да пренася по-тежки товари.

Този метод дава възможност за бързо проектиране и изработване на т. нар. вокселирана материя – нововъзникваща парадигма в областта на 3D печата. Благодарение на широкия набор от функционални, структурни и биологични материали, различни свойства и функционални характеристики вече могат да бъдат безпроблемно интегрирани в 3D обекти по заявка.

Достъпните на пазара MM3D печатащи глави на този етап могат да отпечатват само повтарящи се детайли. Експертите предвиждат, че технологията ще продължи да се развива и в крайна сметка ще включва дюзи, които могат да екструдират различни материали в различно време. Вероятно скоро в практиката ще се използват по-малки накрайници за по-голяма разделителна способност и още по-големи масиви за бърз едностъпков 3D печат при широк диапазон от размери и мащаби.

 

Проектиране и последваща обработка

Проектирането на триизмерния обект е първата стъпка в работния процес. Той може да бъде координиран от CAD софтуер. Софтуерът е способен да създава, управлява и манипулира различни 3D геометрични фигури, като същевременно дава обратна връзка на потребителя чрез графичен интерфейс. Повечето CAD програми поддържат информация за материала на всеки отделен елемент, а комбинацията от различни геометрии образува монолитен мултиматериален обект.

Следва етап на софтуерно “разделяне” на 3D модела на слоеве, за да е възможно впоследствие те да бъдат трансформирани в последователност от инструкции.

Разделянето на мултиматериалните отпечатъци се различава в зависимост от използвания хардуер. При мултиматериални изделия, изработвани чрез SLA, софтуерът трябва да обработи възможностите за допълнителните степени на свобода. Процедурата за “разделяне” на елементите и материалите за струйно принтиране включва генериране на множество растерни изображения, представляващи вокселите на обекта (елементи в тримерното пространство, по аналог с пикселите).

Може да се наложи 3D отпечатаните обекти да бъдат допълнително обработени преди да бъдат използвани като прототип или завършен продукт. Такива етапи на последваща обработка могат да включват шлифоване на повърхността, за да се направи по-гладка, или боядисване, за да съответства на цветовете на дизайна. В зависимост от метода на печат и геометрията на обектите може да се наложи и да се премахнат различни спомагателни/носещи конструкции. Възможно е да се използва водоразтворим материал за отпечатване на тези конструкции, а тяхното отстраняване да включва само поставяне на изделието във вода.

 

Приложения

Мултиматериален 3D печат все по-масово се използва в производството на медицински компоненти, например за изработката на триизмерни протези. Друго приложение в медицината включва създаването на структури от изкуствени тъкани. Множество актуални разработки в областта са фокусирани върху създаването на тъкан, която имитира човешката по отношение на усещане, еластичност и структура. Такива изкуствени тъкани могат да бъдат използвани от хирурзите за обучение върху реалистични модели.

Възможността за превключване между различни материали е от съществено значение за управлението на физическите свойства на триизмерно отпечатания обект. Освен че може чрез микроструктури да се манипулира здравината на изделието, методът позволява преход между по-твърди или по-меки материали в процеса на печат, за да се повлияе и твърдостта на обекта. Използването на материали с различен цвят или еластичност пък влияе върху външния вид и тактилните свойства на готовото изделие. Освен това е възможно да се намали необходимостта от последваща обработка като се избере подходящ материал за носещите конструкции или външния корпус на детайла.

Мултиматериалният 3D печат дава възможност на конструкторите също бързо да произвеждат и тестват прототипи. Използването на множество материали в един детайл позволява на проектантите да създават функционални и визуално привлекателни прототипи с цел по-пълно онагледяване на дизайна.

Пример как 3D печатът може да бъде тясно интегриран в процеса на проектиране е автомобилният дизайн. Там е необходимо бързо да се тества и провери даден прототип, за да се получи одобрение за производство. Свеждането на последващата обработка до минимум с помощта на мултиматериалния 3D печат води до по-кратко общо време за изработка. Освен това така се намалява броят на детайлите на произведените прототипи в сравнение с традиционни производствени методи като фрезоване или формоване, тъй като сглобяването на множество елементи от различни материали вече не е необходимо.

Новият Специален брой: Хранително-вкусова промишленост в България/2020

Специален брой: Хранително-вкусова промишленост в България-2020

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

ЕКСКЛУЗИВНО

Top