Аддитивное производство объединяет процессы, в которых деталь возникает из последовательно наносимых объёмов материала. Каждый метод опирается на свою физику: расплав, свет, тепло или связующее. Технологии 3D-печати различаются доступными материалами, достижимыми допусками и поведением готового изделия под нагрузкой. Кроме того, наш Блог о 3D печати подробно разбирает эти технологии и материалы.
Как устроены основные методы 3D-печати
Экструзия термопласта: расплав, слои, поддержки
Филамент диаметром 1.75 или 2.85 мм подаётся в нагревательный блок и выдавливается через сопло 0.2–0.8 мм. Расплав приваривается к предыдущему слою за счёт остаточного тепла, поэтому адгезия зависит от температуры сопла и стола, скорости движения и обдува. Нависающие участки удерживают поддержки: отрывные из того же полимера или растворимые, например на основе PVA. Внутренний объём заполняется решёткой, которая придаёт жёсткость при меньшем расходе материала.
Фотополимеризация: лазер, проектор и LCD-экран
В ванне с жидкой смолой отверждается только облучённый участок. Лазерные установки работают на длине волны 355 нм и прорисовывают контур точкой; DLP-проектор и LCD-маска экспонируют слой целиком на 385–405 нм. Толщина слоя составляет 25–100 мкм, платформа погружается на эту величину перед следующим циклом. Готовую деталь промывают и досвечивают: постотверждение поднимает твёрдость, но добавляет хрупкости.
Порошковые методы: спекание и плавление
Спекание полимерного порошка в постели
Лазер с длиной волны 10.6 мкм разогревает частицы полиамида размером 20–60 мкм до спекания. Постель поддерживают при 160–180 °C, поэтому деталь не коробится, а необработанный порошок служит опорой и позволяет печатать подвижные соединения. Поверхность остаётся зернистой, остывание ведут медленно, чтобы усадка шла равномерно.
Лазерное плавление металла и электронно-лучевые установки
SLM расплавляет порошок лучом 1064 нм в камере с аргоном или азотом, содержание кислорода держат ниже 0.1 %, слой составляет 20–50 мкм. EBM работает в вакууме и подогревает платформу до 700–1100 °C, что снижает остаточные напряжения, а слой достигает 50–100 мкм. В обоих случаях деталь проходит термообработку и отделяется от платформы. Струйное связующее действует иначе: жидкий состав скрепляет порошок без плавления, после чего заготовку пропитывают или спекают.
Материалы и их поведение при печати
Термопласты, фотополимеры, металлы, керамика
| Метод | Материалы | Ограничения |
|---|---|---|
| Экструзия | PLA, PETG, ABS, PA, PC, составы со стекловолокном | прочность поперёк слоёв, следы поддержек |
| Фотополимеризация | акрилатные и эпоксидные смолы | хрупкость, чувствительность к ультрафиолету |
| Спекание порошка | полиамид, TPU, стеклонаполненные порошки | зернистая поверхность, пористость |
| Плавление металла | титановые, никелевые, кобальт-хромовые сплавы | остаточные напряжения, термообработка, гранулометрия |
| Керамика через связующее | оксид алюминия, цирконий | усадка при спекании, многоэтапность |
Усадка, гигроскопичность и анизотропия свойств
Полимеры уменьшаются в объёме при остывании: у ABS усадка доходит до 0.8 %. Полиамид усаживается меньше, но поглощает влагу до 2–3 % массы, поэтому филамент сушат перед печатью — иначе в расплаве вскипает вода и в стенках остаются пустоты. Слоистая структура даёт анизотропию: вдоль укладки прочность выше, чем поперёк, где связь держится на спекании соседних слоёв.
Подготовка модели и параметры процесса
Цифровая модель, форматы и ориентация детали
- STL хранит только триангулированную поверхность, STEP — точную геометрию с допусками;
- ориентация на платформе задаёт направление слоёв и расположение поддержек;
- компенсация усадки увеличивает модель на расчётный процент;
- стенки тоньше двух диаметров сопла печатаются нестабильно.
Слайсинг: высота слоя, заполнение, поддержки, температуры
- высота слоя 0.1–0.3 мм: меньше слой — выше детализация и дольше печать;
- степень заполнения 15–25 % для макетов и 60–100 % для нагруженных деталей;
- порог генерации поддержек и зазор между ними и поверхностью;
- температура сопла, стола и интенсивность обдува для конкретного полимера;
- ретракт и скорость подачи, от которых зависит нитеобразование.
Постобработка и контроль качества
Удаление поддержек, шлифовка, отжиг, пропитка
Поддержки снимают бокорезами и скальпелем, следы зашлифовывают. Отжиг при температуре на 10–20 °C ниже точки размягчения снимает внутренние напряжения и повышает теплостойкость, но может усилить усадку. Пропитка эпоксидным составом закрывает поры и делает стенки герметичными. Фотополимерные изделия досвечивают в ультрафиолетовой камере.
Дефекты: коробление, расслоение, недоэкструзия
Коробление вызывается неравномерной усадкой; помогают закрытая камера, подогрев стола и адгезионный состав. Расслоение указывает на низкую температуру или слишком быстрое охлаждение. Недоэкструзия связана с засором сопла, неверным шагом подачи или влажным материалом.
Ограничения, безопасность и выбор метода под задачу
Габариты, точность и прочность поперёк слоёв
Размер детали ограничен рабочим объёмом камеры: настольные машины дают 200–300 мм по осям, промышленные — свыше метра. Точность зависит от шага механики и обычно лежит в пределах ±0.1–0.3 мм. Прочность поперёк слоёв у экструзионной печати может быть в 1.5–2 раза ниже, чем вдоль, поэтому нагруженные детали располагают так, чтобы нагрузка шла по слоям.
Вентиляция, пыль и обращение с материалами
- ABS, PC и смолы выделяют летучие вещества, поэтому рабочее место оборудуют вытяжкой;
- порошки металлов и полимеров пожароопасны: работают в перчатках и респираторе, не допуская пыления;
- остатки смолы и растворители утилизируют как химические отходы;
- нагревательные элементы требуют контроля температуры и защиты от случайного доступа.