...

Мультиматериальная 3D-печать: Революция в дизайне и функциональности

3D-печать из нескольких материалов

Оглавление

Изучите преобразующий потенциал многоматериальной 3D-печати, позволяющей создавать сложные объекты с индивидуальными свойствами в таких отраслях, как аэрокосмическая промышленность, биомедицина и электроника. Откройте для себя методы, области применения и будущее аддитивного производства.

Мультиматериальная 3D-печать: Создание композитных объектов для улучшения функциональности

3D-печать из нескольких материалов

Эта статья начинается с введения, в котором рассказывается о значении многоматериальной 3D-печати в разработке продуктов. Затем в статье рассматриваются различные технические подходы к мультиматериальной печати, включая такие методы, как струйная подача материала, моделирование с плавленым осаждением (FDM), стереолитография (SLA), сплавление порошкового слоя (PBF), а также методы последовательной и совместной печати. После этого обсуждение переходит к применению мультиматериальной 3D-печати в различных областях, включая биомедицину, аэрокосмическую промышленность, потребительские товары и электронику. В статье также рассматриваются текущие проблемы и будущие направления, уделяя особое внимание техническим препятствиям и достижениям в исследованиях.

Изготовление с использованием дополнительных веществ изменило процесс создания изделий, позволив быстро создавать чертежи и собирать по требованию сложные расчеты. В любом случае, традиционные 3D-печать ограничивается созданием предметов из одного материала. Многоматериальная 3D-печать преодолевает это препятствие, позволяя соединять различные материалы в одном изделии. Эта технология выводит 3D-печать за рамки простого прототипирования, позволяя изменять свойства материалов в определенных местах детали.

Сложные сборки теперь могут быть продублированы как отдельные детали, что упрощает сборку. Возможности мультиматериалов также позволяют создавать новые идеальные модели, которые раньше были недостижимы. В этой статье мы исследуем зарождающуюся область многоматериальной 3D-печати и изменяющий потенциал разработки изделий. Будут рассмотрены различные специализированные подходы к выполнению мультиматериальных отпечатков, от философии потоковой печати до методов порошкового слоя. Кроме того, будут рассмотрены крупные примеры использования в различных сферах деятельности, чтобы продемонстрировать их очевидное применение.

Наконец-то, специализированные трудности пытаются преодолеть благодаря новым многообещающим исследованиям, расширяющим границы производства деталей из нескольких материалов. Продолжающееся развитие этой области обещает сделать полезное затвердевание деталей и уже немыслимые планы доступными как для дизайнеров, так и для покупателей. Исследование может предложить полезный опыт в развивающемся интересе к инновациям в области мультиматериальной 3D-печати.

Сопоставление объемов поиска по таким словам, как "мультиматериальная 3D-печать", и более широким терминам, таким как "3D-печать", помогло бы определить, насколько расширились представления о данной стратегии производства дополнительных материалов по прошествии некоторого времени. Изучение территориальных контрастов в объемах поиска может дать подсказку о регионах, в которых происходит поворот событий и освоение приложений многоматериальной 3D-печати. Это может помочь вероятным финансовым спонсорам или организациям, надеющимся войти в развивающийся сектор бизнеса.

Анализ связанных поисковых запросов может дать представление о ключевых отраслях, в которых в настоящее время проявляется интерес и инвестиции в возможности многоматериальной 3D-печати. Можно проанализировать и сравнить поисковые запросы, относящиеся к таким отраслям, как аэрокосмическая, медицинская, электронная и т.д. Сезонные колебания объемов поиска по темам, связанным с многоматериальной 3D-печатью, могут коррелировать с торговыми выставками, университетскими семестрами или циклами выпуска продуктов - это позволяет понять, как повлиять на ход исследований и разработок.

Отслеживание увеличения или уменьшения доли в поисковой выдаче с течением времени для компаний, развивающихся 3D-печать в прототипировании Системы могут дать представление об изменениях в динамике конкуренции и тенденциях внедрения технологий в отрасли. Пока еще только зарождающаяся область, анализ поможет количественно оценить растущую осведомленность и принятие этого следующего этапа технологии аддитивного производства во всем мире.

Техника струйной печати материалами для печати на нескольких материалах

Техника струйной 3D-печати для печати несколькими материалами

Струйная обработка материалов хорошо подходит для многоматериальной 3D-печати, поскольку позволяет наносить различные материалы через несколько печатающих головок одновременно. Это позволяет создавать сложные геометрии с точным контролем перехода от одного материала к другому. Важнейшим преимуществом потоковой печати материалами является ее способность создавать детали с микромасштабной точностью и гладкие поверхности. Одной из главных инноваций в области многоматериальной 3D-печати с использованием технологии потоковой подачи материалов является система Connex от Stratasys.

Система Connex использует струйную 3D-печать и способна подавать струю из двух или трех различных пластиковых материалов в процессе печати. Это позволяет создавать детали, содержащие участки с различными свойствами, такими как гибкость и жесткость. Компания Stratasys разработала совместимые материалы для системы Connex, которые были оптимизированы для одновременного производства деталей с такими разными характеристиками. При струйной печати материалами печатающие головки распыляют капли фоточувствительной смолы на платформу для построения.

Эти капли быстро застывают под воздействием ультрафиолетового света, что позволяет быстро создавать последовательные слои. Печатающие головки для струйной печати способны выборочно наносить различные материалы с микромасштабной точностью. Это делает переход между материалами, наносимыми несколькими печатающими головками, очень точным, с минимальным смешиванием или кровотечением на границах между материалами. Новейшие разработки расширяют спектр материалов, которые можно обрабатывать с помощью струйных технологий.

Компания Nano dimension разработала проводящие и диэлектрические "цифровые чернила", которые можно одновременно наносить струйным методом для создания электрически функциональной электроники с помощью струйного нанесения материала. Это избавляет от необходимости последующей сборки схемы и позволяет создавать композитные объекты со встроенными электрическими компонентами. Несколько красок также можно комбинировать для достижения возможностей полноцветной печати. Например, objet500 Connex Материалы для 3D-печати от Stratasys способны печатать модели, имеющие до 16 миллионов цветов, путем струйной подачи различных соотношений цветных фотополимерных материалов. Это эстетическое применение демонстрирует точный контроль над составом материала, который обеспечивает струйная печать.

Подходы к моделированию методом наплавленного осаждения

Fused Deposition Modeling (FDM) - еще одна стратегия 3D-печати, подходящая для работы с несколькими материалами. FDM работает путем послойного размягчения и выведения термопластичных волокон, и приспособлен для переработки множества материалов в утилитарные детали. Распространенный подход к печати FDM из нескольких материалов предполагает использование нескольких экструдеров, установленных на одном узле печатающей головки. Каждый экструдер может управляться независимо, чтобы наносить различные материалы одновременно или последовательно. Многие настольные FDM-принтеры теперь оснащены двумя экструдерами для облегчения базовой мультиматериальной печати.

В более продвинутых вариантах используются специально разработанные системы FDM с четырьмя или более независимыми экструдерами. Одна из таких систем была использована для 3D-печати сложных тканевых конструкций путем последовательной экструзии материалов для определения различных клеточных структур, внеклеточных матриц и рисунков встроенных клеток. Еще одно ключевое преимущество FDM - способность производить эластичные материалы, такие как TPU, что позволяет комбинировать гибкие детали с более жесткими пластиками.

В исследовании использовался FDM для 3D-печати ортезов для запястья путем чередования слоев ABS и TPU для жестких и гибких секций. Контроль границы раздела между различными наносимыми материалами очень важен для FDM. Один из методов включает в себя использование пассивного процесса смешивания в печатающей головке для создания плавных переходов на границах. В других исследованиях изучалась обработка поверхности для улучшения адгезии между несмешивающимися пластиками, напечатанными методом FDM.

Стереолитография и техника наплавления порошкового слоя

Техники наплавления порошкового слоя

Стереолитография (SLA) - это типичный процесс 3D-печати, основанный на фотополимеризации смолы, в котором используется яркий источник света для специального закрепления жидкой смолы в прочных конструкциях в послойном режиме. Для печати из нескольких материалов с помощью SLA аналитики разработали стратегии, например, использование различных резервуаров со смолой, которые можно менять местами или включать уникальные системы смешивания смолы. Методы слияния порошкового слоя (PBF), такие как специальное лазерное спекание (SLS) и лазерный порошковый термоплав (LPBF) работают путем специального слияния порошковых материалов с использованием источника энергии, такого как лазер или электронная линейка.

Совсем не похожие на SLA, эти технологии обычно поддерживают использование различных порошковых материалов, если их можно особым образом комбинировать. Ранние подходы к мультиматериальному PBF предполагали создание филаментов или предварительно смешанных порошков, содержащих различные материалы. Более продвинутые системы теперь включают в себя несколько независимых механизмов подачи порошка для нанесения различных материалов. Например, была разработана запатентованная система LPBF с несколькими материалами, которая подает порошковые материалы из независимых питателей через сопла в 3D-печатающей головке.

Точный контроль над параметрами осаждения и плавления порошка важен для получения сильных HP multi jet fusion между разнородными материалами, напечатанными с помощью PBF. Такие факторы, как мощность лазера, скорость сканирования, расстояние между штрихами и толщина слоя, влияют на способность соединять материалы и избегать дефектов на их границе. Также иногда требуется термическая обработка для полного уплотнения деталей и улучшения сцепления при использовании несовместимых металлических порошков. В целом, оба SLA и PBF предоставляют возможности для изготовления деталей из широкого спектра материалов и пользуются преимуществами достижений, облегчающих печать из нескольких материалов с помощью модифицированных систем.

Методы последовательной и совместной печати

Существует два основных способа многоматериальной 3D-печати - последовательная печать и совместная печать множества материалов. Последовательная печать включает в себя хранение различных материалов понемногу, в то время как при совместной печати материалы хранятся одновременно. В методах 3D-печати, основанных на экструзии, последовательная печать обычно осуществляется с помощью нескольких экструдеров или печатающих головок. Созданный на заказ принтер для прямой печати чернилами (DIW) оснащен четырьмя независимыми резервуарами для чернил, которые могут точно наносить различные биологические чернила в заданной последовательности для 3D-печати сложных тканевых конструкций с различными клеточными структурами и рисунками.

В другом исследовании подобная многоэкструдерная система DIW использовалась для последовательной печати ионно-проводящими чернилами, летучими чернилами и эластомерными матрицами, чтобы изготовить мягкие роботизированные актуаторы со встроенными сенсорными и жидкостными сетями. Точный контроль над движением каждого экструдера по оси z позволил легко интегрировать различные функциональные особенности. Струйное нанесение связующего - это процесс аддитивного производства, подходящий для последовательного нанесения различных порошкообразных материалов.

Исследователи изучили возможность использования струйного нанесения связующего вещества для последовательного нанесения чернил из фосфата железа и титаната лития на Оснастка для 3D-печати Архитектуры аккумуляторов с высокой плотностью энергии. В процессе сначала наносится один электродный материал, а затем другой в чередующихся слоях, чтобы создать взаимопересекающиеся катодные и анодные структуры. Для совместной печати из нескольких материалов используются подходы, предполагающие смешивание или переключение между материалами во время процесса печати без остановки сборки.

Были разработаны микрофлюидные печатающие головки, которые обеспечивают непрерывное смешивание и подачу вязкоупругих красок, позволяя создавать градиенты и вариации состава в рамках одной 3D-печатной детали. В модифицированные 3D-принтеры также интегрированы несколько независимо управляемых печатающих головок или сопел для совместной печати материалов. В одной из систем использовалось 16 сопел, расположенных по принципу интердигитации, для конформного нанесения мягких материалов на подложки в регулируемой последовательности без прерывания печати. Исследователи также напечатали полимерные решетки из нескольких материалов, подавая различные полимерные чернила через две печатающие головки одновременно. В целом, методы последовательной печати и совместной печати расширяют пространство дизайна 3D-печатных объектов благодаря контролируемому включению различных материалов в сложное пространственное расположение.

Области применения 3D-печати из нескольких материалов

Мультиматериальная 3D-печать нашла применение в различных отраслях промышленности, позволяя изготавливать сложные объекты, содержащие участки или компоненты с индивидуально подобранными свойствами. Основные области применения этой технологии включают биомедицину, аэрокосмическую промышленность, потребительские товары и электронику. В биомедицине исследователи использовали Достижения в области 3D-биопечати для применения в тканевой инженерии. В одном из исследований многоэкструдерный 3D-принтер использовался для производства инженерных тканевых конструкций, содержащих различные типы живых клеток, точно расположенных на отдельных слоях, для таких применений, как изучение клеточных культур.

Такой подход позволяет культивировать множество клеточных линий в одной напечатанной конструкции. Ортопедические и стоматологические имплантаты - другие области биомедицины, в которых применяется 3D-печать из нескольких материалов. Например, 3D-печать использовалась для создания индивидуальных костных имплантатов, содержащих остеокондуктивную керамику, помещенную в биосовместимую полимерную матрицу. Возможность градировать различные материалы позволяет оптимизировать свойства имплантата в соответствии с местными характеристиками кости для Расширенная интеграция Osseo.

В аэрокосмической промышленности 3D-печать из нескольких материалов помогает оптимизировать легкие конструкции, позволяя размещать высокопрочные сплавы в несущих нагрузку областях наряду с литыми или термопластичными компонентами в менее ответственных местах. В одном из исследований этот метод использовался для 3D-печати теплообменников для газотурбинных двигателей путем выборочного осаждения нержавеющей стали и сплавов Inconel. Компании, производящие потребительские товары, использовали 3D-печать из нескольких материалов для изготовления эргономичных ручек, захватов, подошв и других компонентов путем встраивания жесткого пластика в мягкие на ощупь термопластичные эластомеры.

Производство спортивного оборудования также получило выгоду: технология позволяет создавать ракетки, защитное снаряжение и другое оборудование с индивидуальными характеристиками. Электронная промышленность использует 3D-печать из нескольких материалов для встраивания проводящих дорожек, припоев, матриц и других электронных компонентов в корпуса и печатные платы. В одном из исследований были продемонстрированы полностью 3D-печатные батареи, содержащие отдельные секции катода, сепаратора и анода для портативной электроники. По мере того, как доступность и возможности мультиматериальной 3D-печати будут расти, ожидается дальнейшее расширение ее применения в таких новых областях, как мягкая робототехника, архитектура и экологичный дизайн продуктов, где интегрированная многофункциональность обеспечивает уникальные преимущества.

3D-печать из нескольких материалов

Заключение

Мультиматериальная 3D-печать - это новая технология изготовления деталей из дополнительных материалов, которая позволяет улучшить план детали и ее полезность путем соединения множества материалов в одном печатном объекте. Как уже говорилось в этой статье, существует несколько методов создания деталей из нескольких материалов, каждый из которых имеет свои преимущества и ограничения в зависимости от области применения. В то же время жизнеспособные смеси материалов продолжают расширять возможные результаты. Огромный прогресс достигнут в решении проблем, связанных с межфазным удержанием, тепловыми нагрузками и точным смешиванием или показанием составляющих материалов.

Прогресс в области половинчатых и половинчатых структур еще больше повышает контроль и соединение. Высокопроизводительное создание также остается в процессе работы, но объемные методики демонстрируют гарантии. В целом, мультиматериальная 3D-печать дает специалистам и модельерам феноменальную возможность адаптации свойств по требованию. По мере совершенствования различных процессов AM, появления новых планов материалов и изучения новых областей применения, мультиматериальная 3D-печать будет развиваться. Скорость создания, масштабируемая по мере усложнения основы, остается решающим фактором для обеспечения максимальной производительности.

Ценные возможности открываются перед предприятиями, которые ищут композиты с заданными свойствами или встраиваемую фурнитуру. Био-вдохновение дополнительно вдохновляет на более скоординированные, практически сложные разработки благодаря объединению нескольких материалов. При дальнейшем развитии и совершенствовании эта область способна изменить производство в различных дисциплинах.

Вопросы и ответы

В: Какие основополагающие методы используются для мультиматериальной 3D-печати?

О: В настоящее время используются следующие основные технологии: потоковая подача материала, демонстрация по методу слияния (FDM), стереолитография, плавление в порошковом слое и прямое составление чернил. Каждый подход имеет свои преимущества и препятствия в зависимости от области применения.

В: Какие компоненты можно комбинировать с помощью мультиматериальной 3D-печати?

О: Также необходимо решить вопрос о том, какие материалы могут быть сплавлены вместе для создания одного компонента с помощью 3DP: существует множество типов термопластичных и полимерных материалов, металлов, керамики, биоматериалов и композитов. Практический выбор смеси зависит от концентратов растворения, скорости усадки и свойств склеивания.

В: Как работают эти технологии печати из нескольких материалов?

О: Стратегии меняются, но в большинстве случаев они включают либо совместное сохранение, либо последовательное сохранение различных материалов. Подходы включают использование многоголовочных печатных систем, смешивание красок "на лету", специальное восстановление неидентичных материалов и проникновение на печатные платформы. Контроль над расположением материалов имеет решающее значение.

В: Каковы несколько вариантов использования мультиматериальной 3D-печати?

О: Области применения включают биомедицину, авиацию, товары для покупателей и гаджеты. К обычным целям относятся тканевые каркасы, вставки, облегченные конструкции, практичные модели и гаджеты со встроенными схемами/сенсорами.

В: Какие трудности остаются для мультиматериальной 3D-печати?

О: Значительные постоянные трудности включают в себя межфазное сцепление между разнородными материалами, ограничение переменных на пропускную способность и скорость создания, оптимизацию скорости печати без потери цели и расширение библиотеки жизнеспособных смесей материалов.

Поделиться этим постом

Готовы ли Вы повысить уровень своего проекта?

Воплощайте свои проекты в жизнь с помощью MXY Machining

Испытайте на себе прецизионное проектирование с MXY Machining. От детальных прототипов до крупносерийного производства - мы готовы воплотить Ваши концепции в реальность. Свяжитесь с нами сегодня, чтобы обсудить потребности Вашего проекта!

Похожие статьи и статьи

Расширяйте свои знания и оставайтесь в курсе событий с помощью нашей обширной коллекции статей и сообщений. Каждая статья тщательно подобрана в соответствии с Вашими интересами, предлагая идеи и обновления, которые соответствуют Вашим отраслевым потребностям.

ru_RUРусский
Заполните эту подробную форму