Струйная 3D-печать с использованием связующего , известная также как «Powder bed and inkjet» и «drop-on-powder» печать, представляет собой технологию быстрого прототипирования и аддитивного производства для создания объектов, описываемых цифровыми данными, такими как файл CAD. Струйная печать с использованием связующего является одной из семи категорий процессов аддитивного производства согласно ASTM и ISO . [1]
Эта технология была впервые разработана в Массачусетском технологическом институте и запатентована в 1993 году. В 1996 году компания ExOne Company получила эксклюзивный патент на область применения этой технологии, [2] в то время как Z Corporation , которая позже была приобретена 3D Systems, [3] получила неисключительный патент на использование этой технологии для целей литья металла. [4] Термин «трехмерная печать» был зарегистрирован исследовательской группой в Массачусетском технологическом институте вместе с аббревиатурой 3DP. [5] [6] В результате термин «3D-печать» изначально относился исключительно к процессу струйной печати связующим веществом, прежде чем получил более широкое признание как термин, относящийся ко всем процессам аддитивного производства.
Как и во многих других процессах аддитивного производства, деталь для печати создается из множества тонких поперечных сечений 3D-модели. Струйная печатающая головка движется по слою порошка, выборочно нанося жидкий связующий материал . Тонкий слой порошка распределяется по готовому сечению, и процесс повторяется, при этом каждый слой прилипает к предыдущему.
Когда модель готова, несвязанный порошок автоматически и/или вручную удаляется в процессе, называемом «удалением порошка», и может быть повторно использован в некоторой степени. [7]
Очищенную от порошка деталь можно дополнительно подвергнуть различным инфильтратам или другим видам обработки для придания готовой детали желаемых свойств.
В оригинальных реализациях крахмал и гипсовая штукатурка заполняют порошковую кровать, жидким «связующим» веществом в основном является вода для активации штукатурки. Связующее вещество также включает красители (для цветной печати) и добавки для регулировки вязкости , поверхностного натяжения и точки кипения для соответствия спецификациям печатающей головки. Полученные гипсовые детали обычно не обладают « зеленой прочностью » и требуют инфильтрации расплавленным воском , цианакрилатным клеем, эпоксидной смолой и т. д. перед обычной обработкой.
Хотя не обязательно использовать традиционную технологию струйной печати , различные другие комбинации порошка и связующего могут быть использованы для формирования объектов химическими или механическими способами. Полученные детали затем могут быть подвергнуты различным режимам постобработки, таким как инфильтрация или обжиг . Это может быть сделано, например, для устранения механического связующего (например, путем сжигания) и консолидации основного материала (например, путем плавления) или для формирования композитного материала, смешивающего свойства порошка и связующего. В зависимости от материала полноцветная печать может быть или не быть вариантом. По состоянию на 2014 год изобретатели и производители разработали системы для формирования объектов из песка и карбоната кальция (образуя синтетический мрамор ), акрилового порошка и цианоакрилата , керамического порошка и жидкого связующего, сахара и воды (для изготовления конфет) и т. д. Одним из первых коммерчески доступных продуктов, включавших использование графена, был порошковый композит, используемый в струйной головке 3D-печати с порошковым слоем. [8]
Технология 3D-печати имеет ограниченный потенциал для изменения свойств материала в одной сборке, но, как правило, ограничена использованием общего основного материала. В оригинальных системах Z Corporation поперечные сечения обычно печатаются с сплошными контурами (образуя сплошную оболочку) и внутренним шаблоном с меньшей плотностью для ускорения печати и обеспечения размерной стабильности по мере отверждения детали.
В дополнение к объемному цвету за счет использования нескольких печатающих головок и цветного связующего, процесс 3D-печати, как правило, быстрее, чем другие технологии аддитивного производства, такие как наплавка моделирующего материала, которая требует 100% нанесения материала построения и поддержки с желаемым разрешением. В 3D-печати основная часть каждого напечатанного слоя, независимо от сложности, наносится одним и тем же быстрым процессом распределения. [9]
Как и в случае с другими технологиями порошкового слоя, опорные конструкции, как правило, не требуются, поскольку свободный порошок поддерживает нависающие элементы и сложенные или подвешенные объекты. Устранение печатных опорных конструкций может сократить время сборки и использование материала, а также упростить как оборудование, так и постобработку. Однако само удаление порошка может быть деликатной, грязной и трудоемкой задачей. Поэтому некоторые машины автоматизируют удаление порошка и переработку порошка в той степени, в которой это возможно. Поскольку весь объем сборки заполнен порошком, как и в случае стереолитографии , в конструкции должны быть предусмотрены средства для эвакуации полой детали.
Как и в других процессах с использованием порошкового слоя, качество поверхности и точность, плотность объекта и — в зависимости от материала и процесса — прочность детали могут быть ниже, чем у таких технологий, как стереолитография (SLA) или селективное лазерное спекание (SLS). Хотя «ступенчатые» и асимметричные размерные свойства являются особенностями 3D-печати, как и большинства других многослойных производственных процессов, материалы для 3D-печати обычно консолидируются таким образом, чтобы минимизировать разницу между вертикальным и плоскостным разрешением. Этот процесс также подходит для растеризации слоев с целевым разрешением, быстрого процесса, который может учитывать пересекающиеся твердые тела и другие артефакты данных.
Цены на порошковые и струйные 3D-принтеры обычно варьируются от 50 000 до 2 000 000 долларов [ требуется ссылка ] . Однако есть любительский набор для самостоятельной сборки, который продается от 800 долларов и позволяет превратить потребительский FDM-принтер в порошковый/струйный принтер.
Детали, напечатанные с использованием процесса струйной печати связующего, изначально пористые и имеют необработанную поверхность, поскольку в отличие от сплавления порошка порошки физически не расплавляются, а соединяются связующим агентом. В то время как использование связующего агента позволяет измельчать в порошок высокоплавкие (например, керамику) и термочувствительные (например, полимер) материалы и использовать их для аддитивного производства, детали, напечатанные с использованием струйной печати связующего, требуют дополнительной постобработки, которая может потребовать больше времени, чем требуется для печати детали, например, отверждения, спекания и дополнительной отделки. [10]
Струйное нанесение связующего особенно подвержено явлениям истощения слоя порошка, которые возникают, когда связующее капает на поверхность слоя порошка. Эта проблема особенно распространена при струйном нанесении связующего, так как в отличие от традиционных процессов аддитивного производства (которые используют высокую температуру для расплавления и сплавления порошков вместе), «струя» связующего, которая капает на слой, может привести к выбросу крупных агломератов полусвязанного порошка с поверхности, оставляя после себя подповерхностные зоны истощения (для порошка SS316 размером 30 мкм наблюдалась глубина зоны истощения 56±12 мкм). Рост зон истощения по мере осаждения последующих слоев порошка может иметь серьезные последствия для качества деталей, напечатанных с помощью струйного нанесения связующего. Выброшенные агломераты попадают на другие области слоя, в результате чего поверхность слоя становится менее ровной, размеры конечной детали деформируются и становятся неточными, а также образуются крупные подповерхностные поры. Остаточные дефекты и напряжения могут также присутствовать повсюду, что снижает прочность уже более слабой части (из-за присущей пористости связующей части, обработанной струей) [11] .
Эти факторы ограничивают использование струйной печати связующего для высокопроизводительных приложений, таких как аэрокосмическая промышленность, поскольку детали, полученные струйной печатью связующего, как правило, слабее, чем те, которые печатаются с помощью процессов плавления порошкового слоя. Однако струйная печать связующего идеально подходит для быстрого прототипирования и производства недорогих металлических деталей. [12]