3D-печать

Бен Рэдвуд, Филемон Шофер, Брайан Гаррэт

3D-печать

Практическое руководство

The 3D Printing

Handbook 

Technologies, design and applications

BEN REDWOOD 
ILEMON SCHÖFFER 
BRIAN GARRET

FOREWORD BY TONY FADELL
creator of the iPod and founder of Nest

3D-печать

Практическое  
руководство

Технологии, дизайн и применение

БЕН РЭДВУД
ФИЛЕМОН ШОФЕР
БРАЙАН ГАРРЭТ

Москва, 2020

ПРЕДИСЛОВИЕ ТОНИ ФАДЕЛЛА,
создателя iPod и основателя компании Nest

УДК 339.35, 004.35
ББК 30.61
Р96

Рэдвуд Б., Шофер Ф., Гаррэт Б.
Р96 
3D-печать. Практическое руководство / пер. с анг. М. А. Райтмана. – М.: ДМК 
Пресс, 2020. – 220 с.: ил. 

ISBN 978-5-97060-738-1

Книга посвящена стремительно развивающимся технологиям 3D-печати, которые 
находят свое применение во множестве отраслей: дизайне, строительстве, медицине 
и других. Помимо самих технологий и материалов печати рассматриваются характеристики различных 3D-принтеров, общие особенности 3D-моделей и методы их 
постобработки.
Благодаря многочисленным иллюстрациям читатель получает ёмкое представление о возможностях и ограничениях 3D-печати. Описание ряда проектных элементов 
представлено в удобной для восприятия табличной форме.
Издание адресовано широкому кругу специалистов, работа которых связана с изготовлением и использованием 3D-прототипов.

УДК 339.35, 004.35
ББК 30.61

Original English language edition published by 3D Hubs B.V., Amsterdam, The Netherlands. 
Copyright © 2017 3D Hubs B.V. Russian-language edition copyright © 2020 by DMK Press. All rights 
reserved.

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой 
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.

 
 Copyright © 2017 3D Hubs B.V. 
ISBN 978-5-97060-738-1 (рус.) 
© Оформление, издание, перевод, ДМК Пресс, 2020

Содержание

Благодарности ........................................................................................................11

Предисловие ...........................................................................................................12

Введение ..................................................................................................................13

Часть I. Технологии и материалы 3D-печати ..................................................21

Глава 1. Введение в 3D-печать ...........................................................................22

1.1. Классификация технологий 3D-печати .............................................................22
1.2. Группы материалов для печати .........................................................................24
1.2.1. Полимеры .....................................................................................................24
Термопластики ..................................................................................................25
Реактопласты .....................................................................................................25
1.2.2. Металл ...........................................................................................................26
1.2.3. Другие материалы ........................................................................................26

Глава 2. Экструзия материала – FFF ..................................................................28

2.1. Технологии экструзии материала ......................................................................28
2.1.1. Производство методом плавления нити (FFF) ...........................................28
2.2. Характеристики принтера ..................................................................................28
2.2.1. Параметры принтера ...................................................................................28
2.2.2. Искривление .................................................................................................30
2.2.3. Межслойная адгезия ....................................................................................31
2.2.4. Поддержки ....................................................................................................32
Растворимые поддержки ..................................................................................33
2.2.5. Заполнение ...................................................................................................34
2.3. Точная размерность ............................................................................................34
2.4. Материалы ...........................................................................................................35
2.5. Постобработка .....................................................................................................37
2.6. Преимущества и ограничения ...........................................................................38
2.7. Промышленная и настольная FFF-печать .........................................................39
2.8. Типичные области применения .........................................................................41
Шаблоны для литья по выплавляемым моделям ............................................41
Корпусы для электроники .................................................................................42
Тестирование формы и соответствия ..............................................................43
Монтажные и установочные приспособления ................................................43
2.9. Новые разработки ...............................................................................................44
2.9.1. Непрерывное плавление нити – Markforged ..............................................44
2.9.2. Металлическая FFF-печать – Metal X от Markforged и Desktop  
Metal DM Studio ......................................................................................................45
2.9.3. Интеграция электронных схем – Voxel8 DK ...............................................46

 Содержание

Глава 3. Полимеризация в ванночке – SLA/DLP ............................................49
3.1. Технологии полимеризации в ванночке ...........................................................49
3.1.1. Стереолитография (SLA) ..............................................................................49
3.1.2. Цифровая светодиодная проекция (DLP) ...................................................50
3.1.3. SLA против DLP ............................................................................................51
3.2. Характеристики принтера ..................................................................................51
3.2.1. Параметры принтера ...................................................................................51
3.2.2. Снизу вверх и сверху вниз ...........................................................................52
Снизу вверх ........................................................................................................53
Сверху вниз ........................................................................................................55
3.2.3. Структуры поддержки .................................................................................58
3.3. Точность размеров ..............................................................................................58
3.4. Материалы ...........................................................................................................58
3.5. Постобработка .....................................................................................................59
3.6. Преимущества и ограничения ...........................................................................61
3.7. Промышленная и настольная печать полимеризацией в ванночке ................61
3.8. Распространенные области применения ..........................................................63
Прототипы для промышленного литья ...........................................................63
Ювелирное дело (литье по выплавляемой модели) ........................................63
Стоматологическое применение ......................................................................63
Слуховые аппараты ...........................................................................................64
3.9. Новые разработки ...............................................................................................64
3.9.1. Непрерывная световая проекция – Carbon ................................................65

Глава 4. Плавка порошков (полимеры) – SLS .................................................66
4.1. Технологии плавки порошков ............................................................................66
4.1.1. Выборочное лазерное спекание (SLS) .........................................................66
4.2. Характеристики принтера ..................................................................................68
4.2.1. Параметры принтера ...................................................................................68
4.2.2. Наполнение лотков ......................................................................................68
4.2.3. Адгезия слоев ...............................................................................................69
4.3. Точность размеров ..............................................................................................71
4.4. Материалы ...........................................................................................................71
4.5. Постобработка .....................................................................................................72
4.6. Преимущества и ограничения ...........................................................................73
4.7. Распространенные области применения ..........................................................75
Функциональные детали ..................................................................................75
Мелкосерийное производство изделий ...........................................................75
Сложные каналы (с полым профилем) ............................................................76
4.8. Новые разработки ...............................................................................................76
4.8.1. Мультиструйная плавка – HP ......................................................................76
4.8.2. Настольные SLS-принтеры – Shareboot SnowWhite, Sintarec,  
Sinterit и Formlabs Fuse 1 .......................................................................................77

Глава 5. Струйная 3D-печать – струйная 3D-печать, DOD ...........................79
5.1. Технологии струйной 3D-печати .......................................................................79
5.1.1. Струйная 3D-печать .....................................................................................79

Содержание  7

5.1.2. Подача по требованию .................................................................................80
5.2. Характеристики принтера ..................................................................................81
5.2.1. Параметры принтера ...................................................................................81
5.2.2. Поддержки ....................................................................................................82
5.2.3. Матовая и глянцевая печать ........................................................................83
5.3. Точность размеров ..............................................................................................85
5.4. Материалы ...........................................................................................................85
5.5. Постобработка .....................................................................................................86
5.6. Преимущества и ограничения ...........................................................................88
5.7. Распространенные области применения ..........................................................89
Цветные визуальные прототипы .....................................................................89
Модели для медицины ......................................................................................89
Прототипы для литья по выплавляемым моделям .........................................89
Мелкосерийное литье по выплавляемым моделям ........................................89
5.8. Новые разработки ...............................................................................................91
5.8.1. Струйная 3D-печать наночастицами – XJet ...............................................91

Глава 6. Струйная печать связующим веществом .........................................92
6.1. Технологии струйной печати связующим веществом .....................................92
6.1.1. Струйная печать связующим веществом – песок ......................................92
Полноцветные модели ......................................................................................93
Песчаные стержни и формы для отливки ........................................................94
6.1.2. Струйная печать связующим веществом – металл ....................................94
Пропитывание ...................................................................................................95
Сплавление ........................................................................................................95
6.2. Характеристики принтера ..................................................................................95
6.2.1. Параметры принтера ...................................................................................95
6.2.2. Прочность изделий ......................................................................................96
6.2.3. Заполнение лотка для порошка ..................................................................96
6.3. Точность размеров ..............................................................................................96
6.4. Материалы ...........................................................................................................97
6.5. Постобработка .....................................................................................................97
6.6. Преимущества и ограничения ...........................................................................99
6.7. Распространенные области применения ..........................................................99
Полноцветные модели ......................................................................................99
Литье в песчаные формы ..................................................................................99
Функциональные металлические изделия ....................................................100

Глава 7. Плавка порошков (металлы) – DMLS/SLM, EBM ...........................102
7.1. Технологии плавки порошков ..........................................................................102
7.1.1. DMLS/SLM ....................................................................................................102
7.1.2. EBM ..............................................................................................................104
7.2. Характеристики принтера ................................................................................104
7.2.1. Параметры принтера .................................................................................104
7.2.2. Поддержки ..................................................................................................105
7.2.3. Качество поверхности ................................................................................105
7.3. Точность размеров ............................................................................................106
7.4. Материалы .........................................................................................................106

 Содержание

7.5. Постобработка ...................................................................................................107
7.6. Преимущества и ограничения ..........................................................................109
Плавка металлических порошков и струйная печать связующим  
веществом ........................................................................................................110
7.7. Распространенные области применения .........................................................110
Стоматологическое применение ....................................................................110
Медицинское применение .............................................................................110
Аэрокосмическая и автомобильная области применения ...........................111

Глава 8. Инструменты для принятия решений .............................................112
8.1. Сводная таблица технологий ...........................................................................112

Часть II. Проектирование для 3D-печати ......................................................116

Глава 9. Общие особенности проектирования для 3D-печати ................117
9.1. Толщина слоя .....................................................................................................117
9.2. Стягивание и искривление ...............................................................................119
9.2.1. Температура ...............................................................................................119
9.2.2. Облучение ...................................................................................................119
9.2.3. Предупреждение стягивания и искривления ..........................................119
9.3. Структуры поддержек .......................................................................................120
9.4. Скругления ........................................................................................................121

Глава 10. Описание элементов, изготовленных с помощью  
3D-печати ...............................................................................................................122

Глава 11. Проектирование для FFF-печати ...................................................125
11.1. Структуры поддержек и направление изделия .............................................125
11.1.1. Основы FFF-поддержек............................................................................126
11.1.2. Типы FFF-поддержек ...............................................................................128
11.1.3. Перемычки ...............................................................................................130
11.2. Анизотрофность ..............................................................................................131
11.3. Заполнение ......................................................................................................132
11.4. Отверстия ........................................................................................................134
11.5. Сводная таблица проектирования для FFF-печати ......................................136

Глава 12. Проектирование для SLA/DLP-печати .........................................138
12.1. Структуры поддержек и направление изделий ............................................138
12.1.1. Структуры поддержек для принтеров, печатающих сверху вниз .........139
12.2. Полые секции ..................................................................................................141
12.3. Сводная таблица проектирования для SLA/DLP-печати ..............................142

Глава 13. Проектирование для SLS-печати ...................................................144
13.1. Стягивание и искривление .............................................................................144
13.1.1. Направление изделия ..............................................................................144
13.1.2. Уменьшение массы изделия ....................................................................145
13.2. Избыточное спекание .....................................................................................145
13.3. Удаление порошка ...........................................................................................147

Содержание  9

13.3.1. Полые секции ...........................................................................................147
13.3.2. Глухие отверстия ......................................................................................147
13.3.3. Подвижные детали ...................................................................................148
13.4. Сравнение с литьем под давлением ..............................................................149
13.5. Ступенчатая поверхность ...............................................................................149
13.6. Проектные элементы при SLS-печати ...........................................................151

Глава 14. Проектирование для струйной 3D-печати ..................................153
14.1. Поддерживающие структуры и направление изделия .................................153
14.2. Полноцветная печать ......................................................................................154
14.3. Комбинирование материалов ........................................................................155
Смешанный лоток ...........................................................................................155
Цифровые материалы .....................................................................................155
Смешанные изделия .......................................................................................156
14.3.1. Проектирование из множества материалов ..........................................156
14.4. Проектные элементы в струйной 3D-печати ................................................158

Глава 15. Проектирование для печати связующим веществом ..............160
15.1. Связующее вещество ......................................................................................160
15.2. Сырое состояние .............................................................................................161
15.3. Полноцветные отпечатки ...............................................................................162
15.4. Пропитка и сплавление ..................................................................................164
15.4.1. Стойки .......................................................................................................164
15.5. Проектные элементы печати связующим веществом ..................................165

Глава 16. Проектирование для DMLS/SLM-печати .....................................167
16.1. Поддержки и направление изделий ..............................................................167
16.2. Полые секции ..................................................................................................169
16.3. Подложка .........................................................................................................169
16.4. Оболочка и наполнение ..................................................................................170
16.5. Типичные параметры проектирования ........................................................171
16.5.1. Каналы ......................................................................................................171
16.5.2. Скругления ................................................................................................171
16.5.3. Объем печати............................................................................................172
16.6. Таблица проектных элементов металлической печати ...............................173

Глава 17. Сводная таблица правил проектирования ..................................175

Часть III. Применение технологий 3D-печати ..............................................177

Глава 18. Инструменты для создания 3D-проектов ...................................178
18.1. CAD-проектирование ......................................................................................178
18.1.1. Объемное моделирование .......................................................................178
18.1.2. Поверхностное моделирование ..............................................................179
18.1.3. Скульптурное моделирование ................................................................180
18.1.4. CAD-проектирование ...............................................................................181
18.2. Топологическая оптимизация ........................................................................182
18.2.1. Параметры топологической оптимизации ............................................182

 Содержание

18.2.2. Преимущества и ограничения ................................................................184
18.3. Обратное проектирование .............................................................................184
18.3.1. 3D-сканирование .....................................................................................184
Лазерное сканирование ..................................................................................185
КТ-сканирование .............................................................................................185
18.3.2. Физическое измерение ............................................................................185
КИМ ..................................................................................................................186
Ручное измерение ...........................................................................................187
18.3.3. Сводная таблица .......................................................................................187

Глава 19. Применение технологий FFF-печати ............................................188
19.1. Монтажные и установочные приспособления ..............................................188
Практический пример – собственность Volkswagen и Ultimaker .................188
19.2. Конкурентоспособное мелкосерийное производство посредством FFF .....189
Практический пример – собственность Peak Additive ..................................189

Глава 20. Применение технологий SLA/DPL-печати ..................................194
20.1. Точные, индивидуальные хирургические стоматологические шаблоны ...194
Практический пример – собственность Formlabs .........................................194
20.2. Слуховые аппараты – самое успешное применение технологии  
3D-печати .................................................................................................................196
Практический пример – собственность EnvisionTEC ....................................196

Глава 21. Применение технологий SLS-печати ............................................199
21.1. Оригинальная панорамная камера ...............................................................199
Практический пример – собственность Kohlhaussen Camera ......................199
21.2. Аксессуар для велосипеда, который должен иметь каждый ........................200
Практический пример – собственность Rehook ............................................200

Глава 22. Применение технологий струйной 3D-печати ...........................204
22.1. Обучение следующего поколения докторов .................................................204
Практический пример – собственность Марка Тайена  
из Технологического университета Эйндховена...........................................204
22.2. Киборги становятся реальностью со струйной 3D-печатью ........................207
Практический пример – собственность Виталия Булгарова из Factor 31 ....207

Глава 23. Применение технологий печати связующим веществом .......210
23.1. Литье в песчаные формы позволяет производить устаревшие изделия ....210
Практический пример – собственность ExOne .............................................210

Глава 24. Применение технологий DMLS/SLM-печати  .............................213
24.1. 3D-печать объединяет 100 деталей антенны в одну .....................................213
Практический пример – собственность Concept Laser и Optisys LLC...........213
24.2. Оптимизация для кронштейна подвески гоночной машины .....................215
Практический пример – собственность Томаса ван де Хаута из Formula 
Student Team TU Delft, Нидерланды ...............................................................215

Предметный указатель .......................................................................................217