Адитивні технології, тривимірний друк або 3D-друк — одна з форм технологій адитивного виробництва, де тривимірний об'єкт створюється шляхом накладання послідовних шарів матеріалу (друку, вирощування) за даними цифрової моделі. Друк здійснюється спеціальним пристроєм — тривимірним принтером, який забезпечує створення фізичного об'єкта шляхом послідовного накладання пластичного матеріалу на основі віртуальної тривимірної моделі. Тривимірні принтери, як правило, швидші, більш доступні і простіші у використанні, ніж інші технології адитивного виробництва. Тривимірні принтери надають розробникам продуктів можливість друку деталей і механізмів з декількох матеріалів та з різними механічними і фізичними властивостями за один процес складання.
Тривимірний друк часто називають «магічною» технологією, оскільки дозволяє перетворювати, отримані в CAD-системах в готові вироби. У реальності процес тривимірного друку вимагає також багато ручної праці, що включає попередню підготовку і подальшу обробку надрукованих деталей для досягнення їх бажаної якості.
Історія З 2003 року спостерігається значне зростання продажів тривимірних принтерів. Крім того, їх вартість постійно знижується. Технологія також знаходить застосування в сфері виробництва ювелірних виробів, взуття, промислового дизайну, архітектури, проектування та будівництва в атомній, автомобільній, аерокосмічній, стоматологічній та інших галузях.
На середину 2010-х років стали доступними низка технологій, що дають змогу зробити тривимірну модель. Їхні основні відмінності стосуються етапу побудови шарів при створенні деталі. Деякі технології використовують плавлення або розм'якшення матеріалу для виробництва шарів (SLS, FDM), інші — використовують рідкі матеріали, які твердіють за різними принципами.
Загальна характеристика Адитивні технології (АМ-технології) можна розрізняти за: методом фіксації шару: фотополімеризація, сплавлення, склеювання; типом конструктивних матеріалів: рідкі, сипучі, ниткоподібні чи пруткові, листові або плівкові; ключовою технологією: лазерні, нелазерні.
За класифікацією стандарту ASTMF2792/1549323-1 адитивні технології поділені на 7 категорій.
1. MaterialExtrusion — видавлювання матеріалів або пошарове нанесення розплавленого конструкційного матеріалу через екструдер.
2. MaterialJetting — розбризкування або пошарове струменеве нанесення конструкційного матеріалу.
3. BinderJetting– розбризкування або пошарове струменеве нанесення зв'язуючого матеріалу.
4. SheetLamination — з'єднання листових матеріалів або пошарове формування виробу з листових конструкційних матеріалів.
5. VatPhotopolymerization — фотополімеризація у ванні або пошарове затверджування фотополімерних смол.
6. PowderBedFusion — розплавлення матеріалу в попередньо сформованому шарі або послідовне формування шарів порошкових конструкційних матеріалів і вибіркове (селективне) спікання частин конструкційного матеріалу.
7. Directedenergydeposition — прямий підвід енергії безпосередньо в місце конструювання або пошарове формування виробу методом внесення конструктивного матеріалу безпосередньо в місце підведення енергії.
АМ-технології сьогодні найбільш динамічно розвиваюча галузь матеріального виробництва, яка дає можливість отримувати нові властивості виробів, економити час та матеріали при їх виготовленні. Західні аналітики розглядають ступінь впровадження цих технологій як надійний індикатор реальної індустріальної потужності держави.
Характерною тенденцією останніх років є постійний ріст асортименту та кількості деталей, що виготовляються за адитивними технологіями. І особливо важливим є прогрес у найбільш важкому та інноваційному секторі АМ-технологій — «вирощуванні» виробів із металу. Наприклад, компанія «Боінг» десятками тисяч виготовляє сотні найменувань деталей для військових та комерційних літаків, а Дженерал Електрик плануєпротягом 5…10 років наростити обсяги виробництва АМ-технологіями та досягнути виготовлення приблизно половини деталей енергетичних турбін та авіадвигунів цими методами.
Перехід на цифровий опис виробу — CAD і використання АМ-технології здійснив кардинальні зміни в ливарному виробництві. Отримання ливарних синтез-форм та синтез-моделей шляхом пошарового нарощування радикально скоротило термін створення першого дослідного зразка деталі. Наприклад, термін створення блоку циліндрів автомобільного двигуна традиційними методами становить близько 6 місяців. Основний час витрачається на створення модельного оснащення. Використання АМ-технології для «вирощування» ливарної моделі скорочує термін отримання першої відливки блоку циліндрів до двох тижнів. Тобто в 10…15 разів.
Окрім суттєвого скорочення часу, перевагами методу є раціональне використання матеріалів. При виготовленні деталей складної форми традиційними методами відношення маси використаного матеріалу до готового виробу може сягати 15…20 разів. Застосування адитивних технологій для виготовлення аналогічних деталей дозволяє звести цей показник до 1,5…2,0.
Машини, які заадитивними технологіями створюють деталі з металу — верх інженерного мистецтва, адже в них сконцентровано найпередовіші знання з металургії, лазерної техніки, оптики, електроніки, систем управління, вимірювальних пристроїв, механіки, вакуумної техніки та інших.
Використання адитивних технологій дозволяє втілити в життя найвибагливіші ідеї конструктора, створити якісно нові машини та досягнути суттєвого прогресу в машинобудуванні.
Області використання
Технології в конструюванні і прототипуванні Для швидкого прототипування, тобто швидкого виготовлення прототипів моделей і об'єктів для подальшого доведення. Вже на етапі проектування можна кардинальним чином змінити конструкцію вузла або об'єкта в цілому. У інженерії такий підхід здатний істотно знизити витрати у виробництві і освоєнні нової продукції. Для створення наочних тривимірних моделей. Конструкція з прозорого матеріалу дозволяє побачити роботу механізму «зсередини», що зокрема було використано інженерами Porsche при вивченні руху мастила в трансмісії автомобіля ще при розробці. Для виготовлення деталей в технічних видах спорту, наприклад тривимірний друк у авіамодельному спорті. Для аматорського виготовлення дрібних деталей та конструкцій у домашніх умовах.
Технології у промисловому виробництві Для швидкого виробництва — виготовлення готових деталей з матеріалів, які підтримуються тривимірними принтерами. Це відмінне рішення для малосерійного виробництва. Для виробництво складних, масивних, міцних і головне недорогих систем. Прикладом є безпілотний літак Polecat компанії Lockheed, велика частина деталей якого була виготовлена методом швидкісного тривимірного друку. При зубному протезуванні та вирощування повноцінних органів. Прикладом є розробки Університету Міссурі, які дозволяють наносити на спеціальний біо-гель згустки клітин заданого типу. Для виготовлення ракетних двигунів та космічних ракет. Прикладом є розробки американської компанії Rocket Lab. Для виготовлення моделей і форм для ливарного виробництва.
Військова логістика Під час військових навчань НАТО Trident Juncture 18 було проведено оперативний експеримент з використання аддитивних технологій для виготовлення запчастин у польових умовах та їх трансферу у підрозділи за допомогою БПЛА. У зв'язку з жорстким графіком виробництва, ремонту та обслуговування атомних підводних човнів у ВМС США, виготовлені за цією технологією деталі вже почали встановлювати на підводні човни.
Біомедицина Адитивні технології змінили сферу біомедицини, здійснивши революцію в розробці та виробництві медичних пристроїв, протезів і навіть біологічних тканин. Ця технологія забезпечує високий ступінь налаштування та точності, що робить її ідеальним інструментом у галузі медицини.
Протезування та імплантація Тривимірний друк широко використовується при створенні протезів і ортопедичних імплантатів. Традиційні методи виготовлення протезів часто вимагають трудомістких процесів і не завжди можуть забезпечити точне припасування для людини. Адитивні технології долають ці проблеми за допомогою цифрових моделей, які можна налаштувати відповідно до унікальної анатомії пацієнта. В результаті протезування та імплантація стає більш комфортною, функціональною та естетичною. Наприклад, галузь зубного протезування значно просунулась завдяки тривимірному друку, що дає змогу швидко створювати коронки, мости та зубні імплантати, адаптовані до індивідуальних потреб пацієнтів.
У сфері ортопедичних імплантатів тривимірний друк полегшує створення пористих структур, які імітують власну кісткову структуру пацієнта, сприяючи кращій інтеграції з тілом і покращуючим клінічним результатам.
Біодрук Перспективним застосуванням адитивних технологій в сфері біомедицині та біомедичній інженерії є біодрук — пошарове осадження біоматеріалу та клітин для створення, наприклад, тканинних структур та друк органів.
У цьому процесі використовуються біочорнила, які є суспензіями клітин у біосумісному матеріалі. Контролюючи осадження цих біочорнил, дослідники можуть створювати складні тканини та, зрештою, прагнути виготовити функціональні органи.
Тканини з біопринтом спочатку використовуються для тестування ліків і моделювання захворювань, забезпечуючи більш точну та етичну альтернативу тестуванню на тваринах. Дивлячись у майбутнє, кінцевою метою біодруку є створення функціональних органів для трансплантації, що могло б вирішити глобальну нестачу донорів органів і врятувати незліченну кількість життів.
У 2023 році в журналі Biofabrication була опублікована стаття, в якій описується, що дослідники розробили недорогий модульний ручний біопринтер, здатний наносити різноманітні біочорнила з точним контролем їхніх фізичних і хімічних властивостей, пропонуючи універсальне рішення для відновлення тканин. Біопринтер може створювати багатокомпонентні волокна з різними формами та композиціями, доставляти ліки контрольованим чином, виробляти біосенсори та переносну електроніку, а також генерувати клітинні волокна з високою життєздатністю клітин, навіть демонструючи потенціал у моделюванні інвазії ракових клітин у сусідні тканини.
Хірургічне планування Ствоені тривимірним друком моделі органів або патологічних структур також використовувалися для передопераційного планування та інтраопераційного контролю. Ці моделі забезпечують тактильну та візуальну допомогу, яка може допомогти хірургам зрозуміти складні анатомічні структури, спланувати хірургічні підходи та передбачити можливі ускладнення. Це призводить до більш безпечних і ефективних операцій.
Персоналізована медицина Окрім фізичної сфери протезування та біодруку, адитивні технології також сприяють розвитку персоналізованої медицини. За допомогою таких технологій, як створені тривимірним друком таблетки, дозування, швидкість вивільнення та форму ліків можна пристосувати до конкретних потреб пацієнта, оптимізуючи доставку ліків і дотримання пацієнтом режиму.
Способи та принципи друку Тривимірний друк може здійснюватися різними способами і з використанням різних матеріалів, але в основі будь-якого з них лежить принцип пошарового створення (вирощування) твердого об'єкта.
Застосовуються дві принципові технології: Лазерна: Лазерний друк — ультрафіолетовий лазер поступово, піксель за пікселем, засвічує рідкий фотополімер, або фотополімер засвічується ультрафіолетовою лампою через фотошаблон, мінливий з новим шаром. При цьому він твердне і перетворюється на досить міцний пластик. Лазерне спікання — при цьому лазер випалює в порошку з легкосплавного пластику, шар за шаром, контур майбутньої деталі. Після цього зайвий порошок струшується з готової деталі. Ламінування — деталь створюється з великої кількості шарів робочого матеріалу, які поступово накладаються один на одного і склеюються, при цьому лазер вирізає в кожному контур перерізу майбутньої деталі. Струменева: