Что такое 3D-печать и насколько она эффективна?

3D-печать — это технология аддитивного производства (AM), которая создает детали послойно. Она предлагает множество преимуществ по сравнению с традиционными методами производства, включая более быстрое время производства и распределенную цепочку поставок.

Существует множество применений, где 3D-печать позволяет доставлять детали быстрее, с сопоставимой (или даже большей) точностью, чем традиционные методы, и при использовании более экономичных и устойчивых материалов.

В связи с этим вопрос о том, заменит ли 3D-печать традиционное производство, существует уже давно. На этот вопрос нет короткого ответа, кроме того, что, хотя 3D-печать может не заменить традиционные системы полностью в ближайшее время, она уже опережает эти процессы для многих применений.

Понимание того, что делает 3D-печать полезной и даже оптимальной для производства, позволяет дизайнерам принимать более обоснованные решения при разработке продуктов и выборе производственных процессов. В этой статье мы рассмотрим ключевые преимущества и выгоды 3D-печати в различных приложениях и отраслях.

### Как быстро работает 3D-печать?

Одно из основных преимуществ 3D-печати — скорость, с которой можно производить детали. Методы аддитивного производства обычно превосходят традиционные процессы. С помощью 3D-печати можно загрузить сложные CAD-модели и проекты и сразу начать печать. Это позволяет быстро проверить и развивать идеи дизайна.

Ранее получение прототипа могло занимать дни или даже недели, а 3D-печать предоставляет модель дизайнеру в течение нескольких часов. Например, SLS (селективное лазерное спекание) может напечатать полный комплект с сотнями деталей одновременно примерно за 16 часов, включая время на нагрев и охлаждение.

Возможность производить функциональные конечные детали в небольших и средних объемах предлагает значительное преимущество по времени по сравнению с традиционными методами производства (часто время на изготовление формы для литья под давлением может составлять недели).

Кроме того, 3D-печать доступна практически круглосуточно. Можно работать на 3D-принтере без оператора, поэтому ваши приспособления или оснастки могут быть напечатаны, когда в производственном помещении нет света. Прочные, функциональные детали могут быть готовы к пост-обработке или использованию, когда ваши сотрудники и операторы приходят на работу на следующий день после печати.

### Является ли 3D-печать эффективной? Одноступенчатое производство

Одним из главных беспокойств дизайнеров является вопрос, как наиболее эффективно производить деталь, особенно на этапах, чувствительных к времени и бюджету, таких как прототипирование.

С традиционным производством детали проходят множество этапов до готовности. И порядок этих этапов влияет на качество и пригодность вашего дизайна. 3D-печать производит детали в одном шаге, значительно увеличивая эффективность от дизайна до производства.

Вместо того чтобы ждать долгое время, пока материалы прибудут с другой стороны мира и затем тратить значительное количество из них (в традиционных и CNC-системах), 3D-печать может предоставить вам деталь для проверки вашего дизайна, используя почти 100% исходного материала. Таким образом, вы узнаете, что у вас правильный дизайн, гораздо быстрее.

### Является ли 3D-печать дорогой или экономически эффективной? Расчет стоимости

Расчет стоимости 3D-печати зависит от множества факторов, включая эксплуатационные расходы на сами машины, выбор материалов и технологий и (минимальные) затраты на рабочую силу.

Большинство настольных 3D-принтеров потребляют столько же энергии, сколько и ноутбук. Промышленные технологии аддитивного производства потребляют много энергии для производства одной детали. Однако возможность производить сложные геометрии в одном шаге обеспечивает большую эффективность и быструю отдачу. Затраты на эксплуатацию машин обычно составляют наименьшую часть от общей стоимости производства.

Стоимость материалов для 3D-печати значительно варьируется в зависимости от технологии, но важно отметить, что это крупнейший фактор, определяющий стоимость детали. Кроме того, широкий ассортимент доступных для 3D-печати материалов делает трудным сравнение затрат между традиционным производством и аддитивным.

Настольные принтеры FDM используют катушки с филаментом, стоимостью около 25 долларов за кг, в то время как SLA-печать требует смолы, стоимостью примерно 150 долларов за литр. Порошок Nylon, используемый в SLS, стоит около 70 долларов за кг, в то время как сопоставимые гранулы Nylon для литья под давлением можно приобрести всего за 2-5 долларов за кг.

В конечном итоге, выбор материалов будет наиболее значительным фактором при определении стоимости 3D-печати деталей. Если вы используете премиум-материалы с высокой температурой, такие как Ultem, то стоимость компонентов будет довольно высокой. Производственные процессы, использующие порошок Nylon, будут более доступными.

Одним из основных преимуществ 3D-печати является низкая стоимость труда. Если не учитывать пост-обработку, большинству 3D-принтеров требуется лишь оператор для загрузки CAD-файла и запуска печати. Затем машина полностью автоматизировано производит деталь. 3D-печать не требует высококвалифицированных машинистов и специализированных операторов в многих случаях, что делает затраты на рабочую силу гораздо ниже, чем в традиционном производстве.

Для производства прототипов, проверяющих форму и посадку, 3D-печать значительно дешевле других методов производства, таких как литье под давлением. Она также часто конкурентоспособна по стоимости для производства уникальных функциональных деталей. Традиционные методы производства становятся более экономичными по мере увеличения объемов и оправдания высоких первоначальных затрат за счет больших объемов производства, хотя с такими процессами, как SLS и MJF, это может измениться в ближайшем будущем. Как 3D-печать снижает риски?

Получение неисправного прототипа обходится дизайнерам и инженерам в значительное количество времени и денег. Изменения, даже небольшие, в форме или методе изготовления будут иметь значительное финансовое воздействие.

Возможность проверки дизайна путем печати готового к производству прототипа до того, как инвестировать в дорогостоящее производственное оборудование (например, формы или оснастку) исключает риск на этапе прототипирования. Это помогает уверенно оценить ваш дизайн до того, как делать крупные инвестиции, необходимые для более масштабных производственных партий и даже массового производства.

### Сложность и свобода дизайна в 3D-печати

Проектирование для 3D-печати предоставляет гораздо больше свободы в дизайне. 3D-печать и аддитивное производство не имеют тех же ограничений, которые обычно налагает традиционное производство.

Поскольку 3D-принтеры создают детали по одному слою за раз, в отличие от фрезерования исходного блока материала, требования к проектированию, такие как углы наклона, выемки и доступ к инструментам, не применяются.

Хотя существуют некоторые ограничения по минимальному размеру элементов, которые можно точно напечатать, большинство ограничений аддитивного производства связано с тем, как оптимально ориентировать печать для уменьшения зависимости от поддерживающих структур и вероятности сбоя печати. Это дает дизайнерам большую свободу в дизайне и позволяет легко создавать очень сложные геометрии.

### Подходит ли 3D-печать для кастомизации продуктов?

Поскольку 3D-печать и аддитивное производство по сути предоставляют дизайнерам возможность производить сложные геометрии в широком диапазоне количеств, это идеально подходит для единичного производства кастомизированных продуктов.

Многие отрасли, включая медицинскую и стоматологическую, использовали это преимущество для производства индивидуальных протезов, имплантатов и стоматологических средств. От этих инноваций в медицине до спортивного снаряжения, адаптированного к конкретным спортсменам, и кастомизированных солнцезащитных очков и модных аксессуаров, 3D-печать позволяет осуществлять единичные производственные партии таким образом, который невозможен с помощью традиционных методов.

### Является ли 3D-печать устойчивой?

Методы вырезного производства, такие как CNC-фрезерование или токарная обработка, удаляют значительное количество материала из начального блока, что приводит к большому объему отходов.

3D-печать и другие методы аддитивного производства, наоборот, производят относительно небольшое количество отходов. Кроме избыточных материалов, используемых для печати поддерживающих структур, 3D-печать обычно использует только материал, необходимый для создания детали. Большинство процессов 3D-печати используют сырьевые материалы, которые можно переработать и повторно использовать на протяжении нескольких производственных циклов, особенно если речь идет о порошковых технологиях, таких как SLS и MJF.

Независимо от того, говорим ли мы о настольных или промышленных машинах, 3D-принтеры имеют более легкий экологический след по сравнению с традиционными системами производства.

3D-печать также укрепила аргументы в пользу распределенного производства. Огромное увеличение числа 3D-принтеров и аддитивных машин на рынке улучшило доступ к технологии, сократив расстояние, на которое необходимо отправлять прототипы.

Кроме того, достаточно просто научиться управлять большинством настольных 3D-принтеров. Это означает, что дизайнерам не нужно полагаться на удаленных производителей так сильно, особенно когда речь идет о быстром прототипировании.

Благодаря относительно низким инвестициям в оборудование, 3D-печать может быть доступна в местах, где традиционное производство не является устойчивым. Определенные зоны не предназначены для промышленных целей, а многие компании просто не имеют физического пространства для установки крупных производственных ресурсов. Печать на месте или через распределенные сети снижает затраты на транспортировку, как финансово, так и экологически.