Обзор технологий 3Д-печати

Аддитивное производство или 3D-печать снижает затраты, экономит время и расширяет технологические возможности при разработке продуктов. Технологии 3D-печати предлагают универсальные решения для самых разных областей применения: от быстрого изготовления концептуальных моделей и функциональных прототипов в области создания опытных образцов до креплений и зажимов или даже конечных деталей в производстве. Ниже представлено описание основных 3Д методы - стереолитография (SLA), селективное лазерное спекание (SLS), моделирование методом наплавления (FDM), трехмерная печать (3DP) и изготовление ламинированных объектов (LOM). Каждый метод имеет свои ограничения и области применения при построении моделей-прототипов.

Стереолитография

Термин «стереолитография» (SLA) был впервые введен в 1986 году Чарльзом У. Халлом, который определил его как метод, основанный на фотополимеризации жидкой мономерной смолы для изготовления твердых деталей. Изделие SLA обычно состоит из бака, заполненного жидкой смолой (акриловой или эпоксидной), подвижной подъемной платформы внутри бака, ультрафиолетового лазера и платформы, как показано на рисунке.

К преимуществам SLA относятся гладкая поверхность и высокая точность построения деталей, тогда как к недостаткам этого процесса относятся трудоемкая постобработка и использование дорогостоящего и токсичного материала. SLA хорошо подходит для черепно-челюстно- лицевой хирургии (врожденные, системные нарушения роста и лицевые краниосиностозы). Эта технология (SLA) находит свое применение в биомедицине, таких как производство имплантов анатомической формы, биомедицинских изделий по индивидуальному заказу (слуховые аппараты), и доказала свою способность облегчать и ускорять хирургические процедуры, особенно при установках имплантов и сложных операциях.

В SLA поверхностный слой смолы выборочно обрабатывается лазерным лучом, следуя по пути, определенному в модели среза. После создания одного слоя подвижная платформа опускается в емкость, после чего процесс трассировки лазерным лучом повторяется. Этот процесс продолжается слой за слоем, пока изготовление модели не будет завершено.

Селективное лазерное спекание

В процессе SLS детали изготавливаются путем сплавления порошкообразных материалов лазером в углекислом газе вместо жидкости. Порошкообразный материал распределяется валиком по рабочей поверхности и предварительно нагревается до температуры чуть ниже температуры его плавления, после чего лазерный луч проводит по поперечному сечению поверхности порошка, нагревая его до температуры спекания, чтобы порошок, отсканированный лазером, склеивался, как показано на рисунке. После завершения одного слоя ролик распределяет другой слой свежего порошка поверх спеченного, и этот процесс создания слоя повторяется до тех пор, пока вся деталь не будет завершена.

Преимуществом этого метода является возможность использования различных термопластичных порошков, простота последующей обработки и отсутствие требований к опорной конструкции. К недостаткам этого метода относятся высокая стоимость и абразивная поверхность спеченных моделей. SLS может использовать широкий спектр материалов для производства моделей, включая поликарбонат, поливинилхлорид, акрилонириллбутадинстирол (АБС), нейлон, смолу, полиэстер, полипропан, полиуретан и воск для литья по выплавляемым моделям. Кроме того, этот метод хорошо подходит для изготовления зубных имплантов, каркасов.

Машина FDM представляет собой изделие для плоттера XY с экструзионной головкой. Пластиковая нить подается через нагревательный элемент, который нагревает ее до полурасплавленного состояния. Затем нить подается через сопло и осаждается на платформу для формирования каждого слоя. Последняя система FDM включает в себя два сопла, одно – для материала детали и другое - для материала поддержки, как показано на рисунке.

Моделирование наплавленных отложений

В процессе FDM используются различные моделирующие материалы и цвета, такие как ABS медицинского класса и воск для литья по выплавляемым моделям. К преимуществам FDM относятся компактная конструкция машины, возможность стерилизации этих моделей и хорошая геометрическая точность. Недостатки - медленная скорость строительства и более низкое качество поверхности, чем у SLA. FDM хорошо подходит для изготовления моделей костей, поскольку в нем используются строительные материалы, которые позволяют производить твердые, надежные модели, а также могут изготавливать модели сложной формы, хирургические и иные шаблоны.

3D-печать

Компания Soildscapes представила технологию 3DP, в которой используются печатающие головки с двумя чернилами для нанесения как термопластичного материала детали, так и поддерживающей структуры из воска. Изделия используют операцию фрезерования после изготовления каждого слоя для создания очень тонкого и точного слоя, как показано на рисунке.

Преимущества 3DP по сравнению с другими методами заключаются в хорошей скорости изготовления и низкой стоимости материалов. Технология 3DP является надежным методом оказания помощи в точной реконструкции нижней челюсти с использованием костных пластин и костных трансплантатов, и эти модели также использовались для планирования дистракционного остеогенеза, связанного со сложной черепно-лицевой мальформацией (остеотомии и вектор дистракции). 3DP может быть выполнена быстрее (4 часа для полного черепа) и проще, а также более рентабельна по сравнению с другими методами RP.

После нанесения слоя поршень, который поддерживает слой порошка и деталь, опускается, чтобы можно было нанести следующий слой порошка. Этот послойный процесс повторяется до тех пор, пока не будет изготовлена вся деталь. 3DP позволяет изготавливать сложные геометрические формы, например, подвесные перегородки внутри полостей, без искусственных опорных конструкций. После компьютерной томографии рендеринг данных DI- COM и преобразование в формат стандартного языка тесселяции (STL) занимает максимум полчаса, а процесс печати и инфильтрация занимают примерно 4-6 часов.